Słów kilka o… elektryczności cz.1

Tadam! Oto pierwszy wpis na blogu o elektryce. 🙂

Panie i panowie skupimy się dzisiaj na podstawach. W poniższym artykule, który pozwoliłem sobie podzielić na trzy części spróbuję odpowiedzieć na następujące pytania:

1. 1. Czym jest elektryczność? (cz. 1)
   2. Jakimi właściwościami opisujemy elektryczność i po co nam to wiedzieć? (cz. 1)

• Co się stanie jeśli zamiast jednej żarówki podepniemy dwie żarówki szeregowo, a co jeśli dwie równolegle? (cz. 2)
• Czym jest i jak definiujemy moc pobieraną przez urządzenie elektryczne? (cz. 2)
• Co to właściwie znaczy, że prąd może „kopnąć”? (cz. 3)
• Jakie środki ostrożności należy przedsięwziąć, żebyśmy nie zostali porażeni prądem elektrycznym? (cz. 3)

W założeniu zamierzam opisać tutaj absolutne podstawy elektryki. Nie mam intencji tłumaczyć wszystkich zjawisk związanych z elektrycznością, bo na tą chwilę nie ma takiej potrzeby. Zatem, jeśli nie miałeś nigdy do czynienia z elektryką, a słowa „napięcie” i „opór” kojarzą Ci się jedynie z dodatkowym zadaniem wyznaczonym przez szefa na 5 minut przed weekendem, to jest to artykuł dla Ciebie. A teraz do rzeczy.

Czym jest elektryczność?

Postaram się na to pytanie odpowiedzieć przechodząc powoli od ogółu do szczegółu. Wszyscy mamy do czynienia z elektrycznością na co dzień. Komputery, telefony, telewizory, wszelkiego rodzaju sprzęt AGD i audio, żarówki, samochody itd., wszystko to nie funkcjonowałoby, gdyby ludzkość nie znała zjawiska elektryczności. Najczęściej jedyne czego potrzebujemy, aby urządzenie zadziałało, to włożenie wtyczki od urządzenia do gniazdka w ścianie, naciśnięcie przycisku „ON” i już gra muzyka, błyskają flesze.
Ale co się w ogóle wydarzyło w tym momencie? Do urządzenia została dostarczona energia w postaci prądu elektrycznego i została zamieniona na inną, przyjemniejszą dla ludzkiego oka i ucha. No dobrze – myślisz – ale ja dalej nie wiem o co chodzi. Żeby załapać sens zjawiska elektryczności w naszych domach, posłużę się tzw. analogią przepływu wody, do przepływu prądu elektrycznego.

Analogia wodna

Porównanie przepływu wody w rurociągu do przepływu prądu elektrycznego w przewodach, nazywanego dalej przeze mnie „analogią wodną”, jest klasyczną metodą mającą na celu zobrazowanie z czym tak naprawdę mamy do czynienia, gdy mówimy o elektryczności. Porównanie to nie jest idealne i obrazuje tylko część zjawisk związanych z elektrycznością, na początek natomiast w zupełności wystarczy.

vs

Spoglądając na rysunek po lewej stronie widzimy:

• rury wypełnione wodą
• pompę, która po załączeniu wygeneruje ciśnienie potrzebne do tego, aby przepompować określoną ilość wody
• zawór (zamknięty)
• kołowrót, który żeby został wprawiony w ruch potrzebuje naporu wody o odpowiednim ciśnieniu. Innymi słowy kołowrót stawia opór i jeśli ktoś lub coś tego oporu nie pokona, to młyn wodny pozostanie nieruchomy jak głaz i chleba z tego nie będzie 🙂

Analogicznie, gdy spojrzymy na rysunek po prawej stronie zobaczymy:

• przewody elektryczne wypełnione elektronami
• zasilacz czyli źródło (stałego) napięcia elektrycznego
• włącznik światła (otwarty)
• żarówkę, która aby zaświeciła potrzebuje „naporu elektronów” o odpowiednim napięciu.

Na powyższych rysunkach, ani kołowrót się nie kręci, ani żarówka się nie świeci. Dlaczego?
Ponieważ, oprócz załączenia pompy, do zakręcenia kołowrotem wymagane jest otwarcie zaworu (przez zamknięte drzwi nie przejdziesz). W przypadku żarówki wymagane jest, aby obwód elektryczny był zamknięty, co oznacza, że pomiędzy znakiem „+” zasilacza – w przypadku poniższego rysunku przesuwając się prawo – nie może być ani jednej przerwy do momentu aż dojdziemy do znaku „–” zasilacza.

vs

W tej chwili obwód jest przerwany przez włącznik światła. Gdy obwód jest przerwany, elektrony nie mają możliwości aby przemieścić się od „plusa” do „minusa”.
Już dwukrotnie użyłem słowa „elektron” i najwyższa pora, aby zdefiniować cóż to takiego jest. Otóż elektron jest to bardzo mała cząstka, która wchodzi w skład atomu (?!?!). Każda rzecz, każdy element tego świata składa się z niewyobrażalnej liczby atomów. Okej nie rozpędzajmy się za bardzo… Rzecz w tym, że wspomniane elektrony potrafią się przemieszczać w przewodach (i innych elementach przewodzących prąd elektryczny) przenosząc tym samym energię (elektryczną).

Ok, a więc co się stanie, gdy otworzymy zawór i gdy włącznikiem światła zamkniemy przerwany obwód elektryczny?

vs

Gdy otworzymy zawór i załączymy pompę, w rurociągu powstaje ciśnienie, które jeśli jest odpowiednio wysokie, wprawi kołowrót w ruch i jednocześnie woda zacznie płynąć w koło. Im mniejszy opór będzie stawiał kołowrót młyna wodnego tym większa ilość wody przepłynie w ciągu godziny.

Podobnie w obwodzie elektrycznym. Gdy go zamkniemy, elektrony zaczynają się przemieszczać od „+” zasilacza przez żarówkę, aż do „–” zasilacza. Jeśli napięcie jest odpowiednio wysokie, żarówka zacznie świecić. Im mniejszy opór stawia żarówka tym więcej elektronów się przemieszcza (płynie prąd o większym natężeniu).

Jakimi właściwościami opisujemy elektryczność i po co nam to wiedzieć?

Patrząc na powyższe przykłady, w każdym z nich mamy 3 główne elementy, które są wzajemnie ze sobą powiązane:

Skupimy się teraz na obwodzie elektrycznym:

1. Napięcie elektryczne (odpowiednik ciśnienia) na wszelkich urządzeniach elektrycznych jest symbolizowane przez literkę „U” (dużą) i jest wyrażane w Voltach np. dobrze znane napięcie w mieszkaniu U = 230 Volt.
2. Opór elektryczny symbolizowany jest literką „R” (dużą) i jego jednostką jest Ohm (czyt. om). Dla odmiany najczęściej zamiast „Ohm” w literaturze znajdziemy grecki symbol omega czyli: „Ω„. Przykładowo oporność 40-watowej żarówki wynosi ok. R = 1320 Ω.
3. Natężenie prądu elektrycznego (odpowiednik przepływu) symbolizowany jest literką „I” (duże i) i wyrażany jest w Amperach np. prąd płynący przez standardowy czajnik elektryczny podłączony do gniazdka w mieszkaniu wynosi ok. I = 8.5 Ampera.

Powyżej wspomniałem, że te trzy elementy są ze sobą powiązane. W jaki sposób? Otóż posiadając informacje o wartościach dwóch z trzech wielkości, możemy wyznaczyć trzecią. I tak:

• Wartość napięcia możemy poznać mnożąc natężenie prądu przez opór (U = I * R)
• Wartość oporu możemy poznać dzieląc napięcie przez natężenie prądu (R = U / I)
• Wartość natężenia prądu możemy poznać dzieląc napięcie przez opór (I = U / R)

Wszystko wporzo ale po co nam to wiedzieć? Z kilku powodów, oto niektóre z nich:

• Jeśli chcemy podłączyć jakieś urządzenie do sieci elektrycznej musimy wiedzieć na jakie napięcie zostało zaprojektowane. Pół biedy gdy włączymy urządzenie do sieci elektrycznej o niższym napięciu, wtedy ono po prostu nie zadziała (tak jak kołowrót nie będzie się kręcił). Natomiast gdy włączymy urządzenie do sieci elektrycznej o napięciu wyższym niż przewidział producent urządzenia, najprawdopodobniej poczujemy nieprzyjemny zapach wydobywający się z obudowy, a sprzęt będzie nadawał się jedynie do wyrzucenia.
• Znając wartość napięcia sieci elektrycznej wiemy, czy napięcie to jest bezpieczne czy też nie. W kolejnym wpisie wyjaśnię, jaka wartość napięcia jest uznawana za bezpieczną, a tymczasem dla przykładu podam, że jak wszyscy wiemy, napięcie znajdujące się w domowych gniazdkach nie jest bezpieczne (nie wolno wkładać drucików do gniazdka 😉 ).
• Natężenie prądu (ilość przepływających elektronów) jest istotne jeśli chodzi o działanie bezpieczników. Gdy w mieszkaniowym obwodzie elektrycznym płynie zbyt duży prąd, bezpiecznik powinien zadziałać co spowoduje, że np. wszystkie gniazdka zostaną pozbawione zasilania. Standardowo w domach stosujemy bezpieczniki które zadziałają przy wartości natężenia prądu 10 lub 16 Amper. Jeżeli do takiego bezpiecznika podłączymy piecyk, czajnik elektryczny i pralkę, możemy być pewni, że natężenie prądu w pewnym momencie przekroczy 16A.
• Natężenie prądu pobierane przez urządzenia bezpośrednio wpływa na wysokość rachunków otrzymywanych od zakładu energetycznego. Można powiedzieć w uproszczeniu (rozwinięcie tematu w części 2), że opłata jest proporcjonalna do ilości elektronów jakie przepłynęły przez twoje urządzenia 🙂

Myślę, że na dzisiaj wystarczy. Jeśli masz uwagi lub pytania, napisz komentarz lub napisz do mnie maila. Do zobaczenia w kolejnym wpisie.

Na koniec opisywane powyżej zależności z przymrużeniem oka.