Co to jest obwód elektryczny i jak działa? Jak wygląda schemat obwodu? Czym jest odbiornik i źródło energii? W którą stronę płynie w obwodzie prąd?
Teoria, a praktyka
Teoria mówi nam, że do wytworzenia prądu elektrycznego potrzebny jest przewodnik wypełniony wolnymi ładunkami oraz napięcie elektryczne. Sam zresztą dogłębnie objaśniłem to zjawisko w jednym z poprzednich artykułów:
Czym tak naprawdę jest prąd elektryczny? – TeoriaElektryki.pl
Powyższa definicja, choć jak najbardziej prawdziwa, nie jest niestety dla elektryka przydatna. Wszak otwierając piekarnię nie wystarczy wiedzieć z czego robi się chleb. Trzeba również wiedzieć jak go zrobić. W elektryce jest podobnie. Wiedza o tym czym jest prąd elektryczny na pewno jest przydatna, ale równie istotne jest to jak go wytworzyć, kontrolować oraz jak w praktyce utrzymywać jego przepływ. Istnieje na szczęście wiele dziedzin elektryki, które na te pytania odpowiadają, a wszystkie one czerpią swoje podstawy z jednego wspólnego źródła – teorii obwodów.
Schemat obwodu elektrycznego
Teoria obwodów to niezwykle obszerny dział tak zwanej ,,elektryki” i jeden z moich ulubionych przedmiotów na studiach. Dlaczego? Bo choć z nazwy jest to ,,teoria” to przedstawia ona całą masę praktycznych zagadnień, które faktycznie można dotknąć, zobaczyć, a przy chwili nieuwagi (i odpowiednio wysokim napięciu) nawet poczuć. Aby dobrze zrozumieć jakiekolwiek zagadnienie, należy zacząć od jego totalnych podstaw i tak też uczynimy w tej chwili. Poznaj proszę obwód elektryczny:
Czasami zamiast coś opisywać lepiej jest to narysować, dlatego obwody elektryczne przedstawia się za pomocą tzw. schematów. Celem schematu jest pokazanie wszystkich elementów obwodu (w postaci symboli) i sposobu ich połączenia w sposób jasny i zrozumiały dla każdego elektryka. Ale dlaczego obwód elektryczny wygląda akurat tak, a nie inaczej? Czego elektryk ma się z niego dowiedzieć?
Obwody elektryczne tworzy się po to, by przesłać energię elektryczną do wybranego urządzenia (inaczej odbiornika). Po co się to robi? Przede wszystkim, żeby takie urządzenie zasilić, ale można też w ten sposób przesyłać informacje. Zadaniem obwodu przedstawionego na naszym schemacie jest zasilenie żarówki (oznaczonej jako R). Obok oznaczenia znajdziesz jej symbol, który znany jest każdemu elektrykowi (kółko przekreślone dwiema kreskami).
Aby przesłać energię do urządzenia trzeba ją najpierw skądś wziąć. W tym celu obwód należy wyposażyć w źródło energii elektrycznej. U nas jest to bateria, oznaczona jako B. Na koniec żarówkę i baterię należy połączyć za pomocą linii reprezentujących przewody elektryczne. I tutaj najważniejsza rzecz – aby obwód elektryczny działał, przewody łączące odbiornik ze źródłem energii muszą tworzyć zamkniętą pętle. W innym wypadku energia nie zostanie przesłana, a żarówka nie zaświeci. Dlaczego?
Dlaczego obwód musi być zamknięty?
Powód tego wymogu leży w samym źródle energii. Bateria to urządzenie ,,produkujące” elektrony za pomocą reakcji chemicznych. Trik polega na tym, że tylko połowa baterii gromadzi elektrony, podczas gdy w drugiej połowie nie ma ich wcale. Ta nierównowaga powoduje powstanie napięcia elektrycznego, którego ładunki takie jak elektrony nie lubią. Za wszelką cenę będą starały się uciec na drugą stronę baterii, by przywrócić równowagę ładunku. Niestety wnętrze baterii jest odpowiednio zabezpieczone przed taką ucieczką, stąd jedynym sposobem jest znalezienie jakiejś drogi na zewnątrz.
Łącząc oba bieguny baterii kawałkiem metalowego przewodu stworzymy drogą umożliwiającą masową ucieczkę elektronów. Przy okazji uwolniona zostanie ogromna ilość energii, dlaczego by zatem nieco z niej nie skorzystać i nie podłączyć po drodze jakiejś żarówki? Ot i cała istota obwodu elektrycznego – stworzenie zamkniętej ścieżki dla przepływu ładunków i wykorzystanie ich energii do własnych celów.
Jeśli takie ogólne wyjaśnienie nie jest dla ciebie wystarczające to polecam zajrzeć do innych, bardziej szczegółowych artykułów. Objaśniam w nich czym jest ładunek elektryczny, jak działa bateria, jak jest w środku zbudowana oraz czym tak naprawdę jest prąd elektryczny. Linki poniżej:
W którą stronę płynie prąd w obwodzie?
O ile bateria wytwarza ruch elektronów w jednym ustalonym kierunku, to w przypadku innych urządzeń wcale nie musi tak być. Niektóre źródła energii elektrycznej mogą zmieniać kierunku ruchu elektronów (mówimy wtedy, że prąd jest zmienny). Bywa też tak, że nośnikami prądu wcale nie są elektrony, a różne rodzaje ładunków dodatnich (mówimy wtedy o prądzie jonowym lub dziurowym). Zamieszania z tym kierunkiem jest jak widzisz co niemiara, dlatego trzeba było tę sprawę nieco uprościć.
Schemat elektryczny obwodu ma być prosty, przejrzysty i zrozumiały dla każdego elektryka, nawet jeśli nie jest w 100% zgodny z fizyką. Dlatego wszędzie tam, gdzie źródło energii jest stałe (ma określony plus i minus), przyjęto jeden wspólny kierunek prądu:
Za kierunek prądu stałego uznaje się ruch ładunków od potencjału wysokiego do niskiego (od plusa do minusa). Oznacza się go przy pomocy strzałki okraszonej wielką literą I, co również widać na animacji powyżej.
Istnieje wiele urządzeń (diody, tranzystory, wzmacniacze), które manipulują ładunkami elektrycznymi w przeróżny, niekiedy skomplikowany sposób. Dzięki wspólnemu kierunkowi prądu elektryk nie musi zastanawiać się jakie ładunki płyną w urządzeniu i w którą stronę. Istotne dla niego są tylko dwie rzeczy: gdzie jest plus i gdzie jest minus. Dopóki zna biegunowość źródła zasilania, dopóty nie ma mowy o pomyłce i zniszczeniu urządzenia.
Idea umownego kierunku prądu to temat ciągnący się już od ponad 200 lat i do dziś nie każdy uważa, że było to dobre posunięcie. Jeśli chciałbyś poznać stojącą za tym historię, to poniższy link doprowadzi cię do odpowiedniego artykułu:
Co czeka nas dalej?
Mam nadzieję, że dzisiejszy artykuł, choć krótki, dość dobrze zarysował ideę obwodów elektrycznych. Jak się pewnie domyślasz nasze możliwości nie kończą się na podłączeniu jednej żarówki. W kolejnych artykułach na pewno będzie ich więcej, a przy okazji dowiemy się jak podłączyć odbiornik, by go od razu nie spalić. Przyjrzymy się też Prawu Ohma i Prawom Kirchhoffa, które będą nas przed takimi zdarzeniami strzegły oraz nauczymy się gromadzić i przekazywać energię w obwodach. Poniżej możesz polubić moją stronę na facebook’u lub zapisać się do newslettera, jeśli nie chcesz przegapić nowych treści.
Dzięki za poświęcony czas i do zobaczenia!
Bibliografia
- Teoria obwodów elektrycznych – S. Bolkowski, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne,
- Podstawy Elektrotechniki, zagadnienia wybrane – S. Krakowiak, Warszawa,
- Podstawy Elektrotechniki – R. Kurdziel, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne,
- Elektronika łatwiejsza niż przypuszczasz – D. Nuhrmann, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności,
