KursyPoradnikiInspirujące DIYForum

Jak szybko płynie prąd? Prędkość ślimaka czy światła?

Jak szybko płynie prąd? Prędkość ślimaka czy światła?

Jak szybko płynie prąd elektryczny? To pytanie, które często stawiają początkujący. Jest tu jednak duży problem – ciężko odpowiedzieć na pytanie, które tak naprawdę zostało źle sformułowane.

Czym innym jest prędkość ładunków (tzw. dryft elektronów), a czym innym jest prędkość, z jaką przekazywana jest energia elektryczna.

Czego dowiesz się z tego artykułu?

Podczas lektury artykułu poznasz różne aspekty związane z odpowiedzią na pozornie proste pytanie, jak szybko płynie prąd elektryczny. W sieci można znaleźć wiele informacji na ten temat – część z nich zawiera bardzo krótkie wyjaśnienia, z których wynika jakiś konkretny parametr, jednak warto mieć szerszy obraz sytuacji.

Warto zacząć od analizy samego pytania. To, że brzmi ono sensownie – tak jak np. pytanie, jak szybko jedzie samochód – nie znaczy, że w odniesieniu do prądu ma sens. Tutaj konieczne jest zrozumienie, o co właściwie pytamy: o ruch elektronów czy o prędkość przekazywania energii?

Jak szybko płynie prąd? Wersja dla niecierpliwych

Najkrótsza prawidłowa odpowiedź brzmi: prąd w przewodach płynie z zaskakująco małą prędkością, mniejszą niż 1 milimetr na sekundę, a zwykle dużo mniejszą, co zresztą zależy od grubości przewodu. Co więcej, prąd również na pewno nie płynie z prędkością światła. Z prędkością światła jest za to przekazywana energia – a to kluczowa różnica.

Zaskoczeniem dla wielu osób może być fakt, że prąd właściwie jest powolny jak ślimak

Zaskoczeniem dla wielu osób może być fakt, że prąd właściwie jest powolny jak ślimak

Takie zwięzłe odpowiedzi, przeznaczone dla najbardziej niecierpliwych, mogą spowodować wiele kolejnych pytań, nie są więc wcale dobrym wyjaśnieniem. Nie wszystko da się wytłumaczyć w 2–3 zdaniach i to jest właśnie taki przypadek. Zbyt skrótowe potraktowanie tego zagadnienia prowadzi do dużych uproszczeń, które generują jeszcze większe niezrozumienie tematu.

Jeżeli jednak uparcie chcemy wyjaśnić kwestię szybkości prądu, to należałoby powrócić do wiadomości podstawowych. A jeszcze lepiej zapoznać się z szerszym obrazem zagadnienia, zaczynając od tego, czym jest prąd elektryczny. Zacznijmy zatem od krótkiego przypomnienia.

Jaka jest prędkość prądu? Czy pytanie zawiera błąd?

Formalnie pytanie o szybkość prądu jest prawidłowe. Jednak zawiera pewien błąd – albo raczej nieścisłość, której nie widać. Istnieje więcej tego rodzaju pytań, pozornie prawidłowych, które jednak zawierają w sobie nieścisłość lub sprzeczność. Nie warto szukać odpowiedzi, należy raczej zrozumieć i wykazać, że to w pytaniu tkwi nieusuwalny błąd logiczny. Wtedy nie ma problemu z odpowiedzią, tylko z pytaniem, a często też z intencjami pytającego.

Co jest dłuższe: kilometr czy piętnaście minut? Błędem jest próba znalezienia prostej relacji między pojęciami, które w potocznym pojmowaniu są zupełnie odrębne. To dla nas jasne, na czym polega w tym przykładzie błąd, bo świetnie czujemy, czym jest kilometr, a czym 15 minut. Pytanie, jaka jest prędkość prądu elektrycznego – mimo że równie abstrakcyjne – wydaje się poprawne, co sprawia, że oczekujemy prostej odpowiedzi, i to najlepiej w kilometrach na godzinę.

Czym jest prąd elektryczny? Czy on faktycznie płynie?

Według definicji prąd elektryczny to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych. Częściej mówi się, że prąd to ruch nośników ładunku, najczęściej elektronów. Prąd elektryczny wyobrażamy sobie często albo jako wodę płynącą w rurach, albo jako małe kuleczki transportowane w miedzianych przewodach.

Przykładowa hydrauliczna analogia wodna: bateria jako zbiornik wody na wysokości - im wyżej, tym wyższe napięcie (U), zwężka pełniąca rolę rezystora (R), przepływ wody symbolizujący natężenie prądu. Zmiana napięcia, sprawia, że w układzie płynie większy prąd, pomimo, że opór jest taki sam.

Przykładowa hydrauliczna analogia wodna: bateria jako zbiornik wody na wysokości - im wyżej, tym wyższe napięcie (U), zwężka pełniąca rolę rezystora (R), przepływ wody symbolizujący natężenie prądu. Zmiana napięcia, sprawia, że w układzie płynie większy prąd, pomimo, że opór jest taki sam.

Są przypadki, gdy takie porównania okazują się pomocne, np. gdy chcemy pokazać, czym jest opór (tutaj sprawdzi się analogia wodna). Istnieją też jednak przypadki, w których porównania tego typu prowadzą do błędnych wniosków – jednym z nich jest właśnie chęć zrozumienia, jak szybki jest prąd.

Elektron jest czymś bardzo tajemniczym, co jest opisywane przez tzw. gęstość prawdopodobieństwa. Tak naprawdę nie wiemy też, czym jest ładunek elektryczny. Ciężko więc, aby w takim kontekście pytanie o prędkość przepływu było poprawne. Nauka cały czas się rozwija, powstają nowe teorie, ale trzeba mieć świadomość, że świat jest tak skomplikowany, że nie ma jeszcze odpowiedzi na wiele pytań z tej dziedziny.

Kolejne wyobrażenia na temat budowy atomu

Kolejne wyobrażenia na temat budowy atomu

Odpowiedź bazująca na uproszczonych modelach

Mamy uproszczone modele i definicje, które powstały mniej więcej 200 lat temu, a później były modyfikowane. Więcej informacji na ten temat znajdziesz w osobnych artykułach, które opisują, czym jest prąd oraz jaka była historia elektroniki.

W skrócie: według definicji prąd elektryczny to ruch, przepływ. Jeżeli nasze tytułowe pytanie dotyczy prędkości tego przepływu, to odpowiedź (w pełni zgodna z naszymi uproszczonymi wyobrażeniami i modelami) jest następująca:

Jak najbardziej prawidłowe jest też stwierdzenie, że na pewno prąd elektryczny nie płynie z prędkością światła! Na pewno, bo według definicji prąd to przepływ, ruch, a nośniki ładunku (o niezerowej masie spoczynkowej) z pewnością nie poruszają się z prędkością światła. Koniec kropka!

Prędkość dryfu czy prędkość przekazywania energii?

Wykorzystujemy niepełne wyobrażenia, uproszczone modele i związane z tymi modelami definicje. Obie podane wyżej odpowiedzi są z nimi zgodne, czyli jak najbardziej prawidłowe. Tak, ale kłócą się z powszechnym wyobrażeniem, że prąd płynie z prędkością światła. W końcu żarówka świeci „natychmiast” po naciśnięciu przełącznika. Nie ma tu jednak żadnej sprzeczności!

Jak ślimaczo powolny prąd sprawia, że żarówka błyskawicznie zaczyna świecić?

Jak ślimaczo powolny prąd sprawia, że żarówka błyskawicznie zaczyna świecić?

To nieścisłość i pomieszanie pojęć: to nie prąd płynie z prędkością światła, tylko przy przepływie prądu elektrycznego energia przekazywana jest z prędkością światła. Nieporozumienie polega na tym, że pytanie dotyczy prądu, definiowanego jako przepływ nośników ładunku. I prędkość tego ruchu jest ślimaczo mała. Budzące ciekawość i w praktyce najważniejsze jest przekazywanie energii, a ono następuje z prędkością światła (lub nieco mniejszą).

Jeżeli oddzielimy prędkość dryfu nośników od prędkości przekazywania energii, to sprzeczność znika. Problem w tym, że wychowani jesteśmy na uproszczonych modelach, które w tym przypadku (i innych) mogą generować nieporozumienia. Uproszczony model jest po prostu… zbyt uproszczony. Można z niego korzystać, jeśli pamiętamy o tym, że to tylko niepełne wyobrażenie (nie opisuje wszystkiego).

Niestety w szkole raczej mało który nauczyciel wpaja uczniom, że przepływ prądu to nie to samo co przepływ energii. Nawet jeśli ten temat się pojawia, to w taki sposób, że uczniowie nie zauważają, jak jest to ważne. A jest to przecież ściśle powiązane z naszym tytułowym pytaniem! Właśnie tu leży sedno problemu! Pomocnicze, niepełne pojęcie prądu elektrycznego przeszkadza w zrozumieniu kluczowej kwestii przekazywania energii.

Prąd i prędkość światła

Nie rozumiemy wszystkich szczegółów, ale kwestie przekazywania energii z prędkością światła możemy sobie tłumaczyć w uproszczeniu. Skłonni jesteśmy zaakceptować wniosek, że pole elektromagnetyczne może transportować energię.

Mówimy, że pole elektromagnetyczne to połączenie pola elektrycznego i pola magnetycznego. Pole elektryczne jest wytwarzane przez ładunki elektryczne nieruchome, a magnetyczne – przez ładunki ruchome, czyli przez ruch tych ładunków, a zatem prąd (przepływ prądu). Pole elektryczne wiążemy z napięciem, w sumie słusznie, a pole magnetyczne – z prądem. To, że pole elektromagnetyczne może przenosić energię, świetnie widać, gdy zrozumie się, jak działa transformator. Dobrymi przykładami są tutaj również kuchenka indukcyjna czy ładowarka bezprzewodowa:

Jak działa ładowarka bezprzewodowa?
Jak działa ładowarka bezprzewodowa?

Ładowarka bezprzewodowa, która bazuje na zjawiskach znanych z transformatorów, to coraz popularniejszy gadżet. Warto zatem wiedzieć, jak działa... Czytaj dalej »

Co jest potrzebne do przekazywania energii?

Jeżeli mówimy o energii i mocy, to nie wystarczy ani samo napięcie, ani sam prąd. Musi być i prąd, i napięcie. Tak samo do przenoszenia energii nie wystarczy samo pole elektryczne ani magnetyczne – muszą wspólnie wystąpić oba. A przenoszona energia jest proporcjonalna do iloczynu natężenia pola elektrycznego E i magnetycznego H. Tu dochodzimy do kluczowego wzoru – wektora Poyntinga: gęstość przekazywanej mocy (S) jest wektorowym iloczynem „siły” obu pól, co wyraża wzór: S = E * H, co jako żywo przypomina wzór P = U * I. Nie będziemy tutaj jednak zajmować się tym szerzej. Zainteresowani powinni przeczytać ten artykuł:

Czy elektronik musi być fizykiem? Prąd elektryczny w teorii
Czy elektronik musi być fizykiem? Prąd elektryczny w teorii

Kontynuujemy próbę wyjaśnienia, czym jest prąd elektryczny. W poprzednim artykule omówiliśmy niektóre aspekty historyczne oraz proste modele. W... Czytaj dalej »

Na przykład bateria ma jakieś napięcie, co według naszych wyobrażeń powoduje powstanie wokół niej pola elektrycznego, ale nie ma przekazywania energii, jeżeli nie ma pola magnetycznego. Powszechnie uważamy, że pole magnetyczne powstaje pod wpływem ruchu ładunków – czyli wtedy, gdy płynie prąd elektryczny. A właśnie przepływ prądu ze ślimaczą prędkością powoduje powstanie pola magnetycznego.

Bateria charakteryzuje się jakimś napięciem znamionowym, ale prąd zaczyna płynąć dopiero, gdy podłączymy ją do jakiegoś obwodu elektrycznego

Bateria charakteryzuje się jakimś napięciem znamionowym, ale prąd zaczyna płynąć dopiero, gdy podłączymy ją do jakiegoś obwodu elektrycznego

I tu trzeba rozdzielić dwie kwestie. Prędkość ruchu ładunków (elektronów), zależna zresztą od pola przekroju przewodnika, nie ma żadnego znaczenia – nawet ślimacza prędkość powoduje powstanie pola magnetycznego. A w sumie liczy się tylko to, czy jednocześnie wytworzone zostaje i pole elektryczne, i pole magnetyczne.

Nie wiemy, czym tak naprawdę one są, ale wiemy, że rządzą się dziwnymi prawami, związanymi – najprościej biorąc – ze szczególną teorią względności, która łączy w jedno i czas, i przestrzeń, gdzie podstawą jest stała c – w uproszczeniu prędkość światła. Nie rozumiemy tego w pełni, ale wyobrażamy sobie, że to właśnie pole elektromagnetyczne tajemniczo przenosi energię z prędkością światła c.

Jeszcze raz trzeba podkreślić, że fizyczne podstawy naszego świata są nieprawdopodobnie dziwne i skomplikowane. Wszystkich szczegółów jeszcze nie zna i nie rozumie nikt. Od dawna najlepsi naukowcy usiłują odkryć te tajemnice. Do końca tego odkrywania jeszcze daleko, w każdym razie i naukowcy, i ci, którzy te niesamowicie skomplikowane odkrycia chcą przybliżyć ogółowi, czyli nam, od 200 lat przedstawiają kolejne modele. Ale wszystkie one są niedoskonałe – przybliżają i pomagają zrozumieć tylko niektóre aspekty danego zagadnienia.

Podsumowanie – co warto zapamiętać?

Pytanie, jak szybko płynie prąd, nie jest tak naprawdę poprawne. Czym innym jest bowiem ślimacza prędkość ładunków elektrycznych, a czym innym błyskawiczne przekazywanie energii. Bezpieczna odpowiedź brzmi tak: ładunki, czyli elektrony, przemieszczają się z prędkością 1 mm/s, a jednocześnie energia elektryczna jest przekazywana z prędkością światła.

Czy wpis był pomocny? Oceń go:

Średnia ocena 4.9 / 5. Głosów łącznie: 21

Nikt jeszcze nie głosował, bądź pierwszy!

Artykuł nie był pomocny? Jak możemy go poprawić? Wpisz swoje sugestie poniżej. Jeśli masz pytanie to zadaj je w komentarzu - ten formularz jest anonimowy, nie będziemy mogli Ci odpowiedzieć!

Tylko nieliczni rozumieją fizykę kwantową, która leży m.in. u podstaw elektroniki. Dlatego powszechnie posługujemy się uproszczonymi modelami, które pozwalają przynajmniej po części zrozumieć nasz niesamowicie dziwny świat, w tym niełatwe zagadnienia związane z prądem elektrycznym. I właśnie tytułowe pytanie o szybkość prądu dotyczy uproszczonego, niepełnego i niedoskonałego modelu, a nie „pełnej prawdy” o naszej rzeczywistości.

Piotr Górecki

3 podstawowe rodzaje akumulatorów, które warto znać
3 podstawowe rodzaje akumulatorów, które warto znać

Akumulatory litowe, kwasowe i zasadowe to trzy najpopularniejsze technologie, z którymi spotyka się praktycznie każdy z nas. Warto więc... Czytaj dalej »

O autorze: Piotr Górecki

Piotr Górecki
Popularyzator elektroniki, konstruktor z ponad 30-letnim doświadczeniem, autor książek i tysięcy artykułów omawiających różne aspekty elektroniki.

elektronika, podstawy, prąd

Trwa ładowanie komentarzy...