Prąd i woda, czyli o co w tym wszystkim chodzi?

Poziom trudności: *

Potrzebne rzeczy:

  • Absolutnie nic 🙂

Wielu z was na pewno słyszało już określenie, że prąd zachowuje się, trochę jak woda. Porównanie to jest niezwykle trafne. Pozwala na zrozumienie naprawdę ogromnej liczby zdarzeń, które na pierwszy rzut oka wydają się kompletnie niewytłumaczalne. Zapraszam do przeczytania kolejnej części Iskrowego Kursu Elektroniki.

1. Napięcie i prąd:

Napięcie to niezwykle ważna wartość w elektronice. Pojawi się ona jeszcze w wielu kolejnych częściach mojego kursu. Używając elektronicznego języka mogę powiedzieć, że napięcie to różnica potencjałów w różnych miejscach obwodu. To dosyć trudna definicja, więc postaram się ją pokazać na przykładzie wody. Wyobraźmy sobie dwa, ogromne zbiorniki wody. W jeden z nich jest wypełniony po brzegi, a drugi ma w sobie tylko cienką warstewkę wody:

Zbiorniki

Woda w prawym zbiorniku naciska na jego dno ze znacznie większą siłą, niż woda w lewym naczyniu, prawda? Prawy zbiornik ma o wiele większy potencjał (UWAGA, zaznaczam, że potencjał jest znacznie bardziej skomplikowaną wartością, a woda tylko obrazuje jego zachowanie) Różnica poziomów wody prawego i lewego zbiornika to właśnie napięcie. Teraz zróbmy coś szalonego. Zbudujmy dla porównania drugą parę zbiorników – tym razem ze znacznie mniejszym napięciem, a potem połączmy dna obu par:

Zbiorniki

Jak widzimy woda, na zasadzie naczyń połączonych, natychmiast wyrównuje swój poziom. W lewej parze woda przepływa znacznie szybciej, a przepływ ten słabnie tym bardziej, im bardziej napełnia się lewy zbiornik. Możemy wywnioskować, że woda płynie szybciej, jeśli napięcie wywołujące jej przepływ jest większe. Ten przepływ wody – to właśnie prąd. Ale chwila. Przecież tutaj woda przepływa raz i koniec. Dokładnie. Model, który tutaj przedstawiłem, jest bliższy uderzeniu pioruna, niż układowi elektronicznemu. O co więc chodzi? Nie mamy tu baterii.

2. Zasilanie

Bateria działa jak pompa, która wyciąga wodę z lewego zbiornika i przelewa do prawego. Co powoduje działanie tej pompy? Tak, nie mylicie się – jakaś siła z zewnątrz. Ale chwila – przecież nie muszę dotykać mojej baterii, żeby mój układ zaczął działać. Siła ta jest wytwarzana w samej baterii – to reakcje chemiczne między różnymi częściami baterii powodują, że wytwarza się napięcie. Po jakimś czasie, kiedy wszystko już przereaguje – baterie się rozładowują. Istnieje jednak pewien rodzaj baterii – akumulatory, które można z powrotem naładować. Zbudowane są one ze specjalnych substancji, które pod wpływem przyłożonego do nich napięcia – cofają swoją reakcję. Można powiedzieć, że reagują „w drugą stronę”. Niesamowite, prawda? No dobrze. Ale jest w naszym układzie coś jeszcze, co wymaga wyjaśnienia – dlaczego przepływ wody jest czymś ograniczony? Dlaczego „prąd” w naszym obwodzie nie jest nieskończony? Jedyny wniosek jest taki, że w naszym obwodzie musi znajdować się jakieś źródło oporu.

3. Opornik

Po dodaniu baterii nasze zbiorniki wyglądają tak:

Zbiorniki

Warto zauważyć, że przy pewnej wydajności pompy, rurka na dole nie da rady przepuścić tyle wody, ile przepompuje pompa. Napięcie układu zwiększy się, aż dojdzie do momentu, w którym rurka zacznie przepuszczać wystarczającą ilość wody. Wtedy napięcie się ustabilizuje. Nasza rurka ma jednak jeszcze jedną właściwość. Im jest cieńsza, tym wolniej przepływa przez nią woda (prąd) i tym większy tworzy się zator, prawda? Oczywiście nie znaczy to, że w zależności od oporności, zmienia się napięcie naszej baterii. Im cieńsza jest rurka, tym większe „napięcie” trzeba przyłożyć, żeby popłynął jakiś tam prąd. Teraz zrobimy coś niesamowitego. Dodamy do naszego wodnego obwodu drugi opornik:

Zbiornik

Oczywiście w naszym obwodzie domyślnie znajduje się pompa mimo, że jej nie narysowałem. Tutaj pojawił nam się tak zwany spadek napięcia. W elektronice spadek napięcia spowodowany jest zamianą energii elektrycznej na, np ciepło, lub światło. Wodny „spadek napięcia” powstaje z zupełnie innych przyczyn. Wcześniej napomknąłem, że napięcie mierzymy między dwoma, konkretnymi miejscami w obwodzie. Wcześniej nasz model dawał nam tylko dwa miejsca w których mogliśmy zmierzyć napięcie (W realnym obwodzie takich miejsc jest nieskończenie wiele 🙂 ) Tutaj mamy trzy takie miejsca. Spadek napięcia mierzymy między wejściem elementu, a jego wyjściem. Jeśli chcemy zmierzyć spadek napięcia na pierwszym oporniku, mierzymy napięcie między dwoma niebieskimi strzałkami, a jeśli chcemy zmierzyć spadek napięcia drugiego opornika – mierzymy napięcie między dolną niebieską strzałką, a strzałką czarną. Możemy zauważyć, że spadek napięcia na pierwszym oporniku jest mniejszy, niż spadek na drugim elemencie. Spowodowane jest to oczywiście tym, że pierwsza rurka jest grubsza (ma mniejszą oporność) niż rurka druga. Opisujące to wzory są zaskakująco proste i znajdują się z kolejnej części kursu.

Pod koniec chciałbym polecić wspaniałą książkę: „Przygoda z elektroniką” p. Pawła Borkowskiego. Jest to super dzieło skierowane przede wszystkim do ludzi, którzy nigdy w życiu nie mieli jeszcze kontaktu z elektronikiem i chcieliby zacząć tą wspaniałą przygodę. Życzę powodzenia w konstruowaniu własnych obwodów 🙂

Przypominam o naszej zakładce „Wsparcie”. W przypadku jakichkolwiek problemów ze zrozumieniem treści kursu, lub z własnymi obwodami, zapraszamy do kontaktu. Chętnie pomożemy

Paweł Urbański

Poprzednia część                                        Następna część