Co wiemy o prądzie elektrycznym?
(część pierwsza)

 

Wciąż się powtarzają opinie, że sensu nie ma wymiana kabla zasilającego odtwarzacze lub wzmacniacze, skoro całe kilometry kabli od pokoju odsłuchowego po samą elektrownię są niewymienialne. Dyskusja zbijająca argumenty audio sceptyków musi rozpocząć się od wyjaśnienia natury prądu elektrycznego. Można dość łatwo zdefiniować pojęcia opisujące zjawiska towarzyszące prądowi elektrycznemu, przy tym potrafimy prąd elektryczny wytwarzać, wykorzystywać, kontrolować i mierzyć, natomiast w sensownie jasny sposób zdefiniować trudno.

W metalach nośnikami są swobodne elektrony walencyjne tworzące tzw. gaz elektronów swobodnych. W półprzewodnikach nośnikami ładunku są zarówno elektrony jak i dziury (posiadające ładunek dodatni). W elektrolitach, a także niektórych materiałach stałych („przewodniki super-jonowe”) ruchliwymi nośnikami ładunku są jony, zarówno dodatnie jak i ujemne. Przepływ prądu jest wywoływany przez napięcie, czyli różnicę potencjałów pomiędzy końcami przewodnika. Pod wpływem tego napięcia tworzy się pole elektryczne, które działa na elektrony zmieniając rozkład ich prędkości. Cząstki mogą poruszać się w różny sposób. Jak wiadomo z teorii kinetyczno-cząsteczkowej (kinetyczno-molekularnej), wszystkie atomy i cząsteczki w naszym otoczeniu są w nieustannym ruchu. Ten ruch, bez względu na to, czy atomy są naładowane (jony), czy nie, jeszcze nie tworzy prądu elektrycznego. Prąd pojawia się dopiero wtedy, gdy w tym ruchu chaotycznym zostanie wyróżniony jakiś kierunek, preferujący poruszanie się w jakąś stronę. Najczęściej wyróżnienie kierunku w ruchu ładunków odbywa się poprzez przyłożenie pola elektrycznego. Powstanie pola elektrycznego, które oddziałuje na nośniki ładunku wywołując ich uporządkowany ruch nazywamy prądem elektrycznym. Jeśli dwa końce źródła napięcia są połączone przewodnikiem, przez ów przewodnik przepływa prąd.

Wypadkowym efektem przyłożenia napięcia do przewodnika jest dryfowanie (bezwładne poruszanie się) elektronów wzdłuż linii sił pola elektrycznego. Należy zaznaczyć, że w przypadku elektronów ten uporządkowany ruch jest nałożony na o wiele szybszy chaotyczny ruch cieplny nośników, rzędu 106m/s (prędkość termiczna) jaką osiąga elektron pomiędzy zderzeniami od elementów sieci krystalicznej. Przemieszczenie elektronów pod wpływem przyłożonego napięcia, czyli prędkość dryfu, jest w efekcie niewielka i wynosi około 4m/s do 10m/s. Porównuje się je do cząsteczek gazu znajdującego się w zbiorniku, więc ruch ten nazwano gazem elektronowym.

Ruch ładunku jest wywołany ruchem cząstek (lub pseudocząstek) obdarzonych ładunkiem. Te cząstki są nazwane nośnikami prądu. Nośnikami prądu elektrycznego mogą być elektrony, jony bądź dziury (puste miejsca po elektronach). W metalach swobodnie przemieszczają się jedynie elektrony, dlatego prąd elektryczny w metalach jest ruchem elektronów przewodnictwa. Jeżeli następuje pobór energii elektrycznej na końcu obwodu, to niemal w tym samym momencie (dokładniej, z prędkością światła) następuje wytworzenie tej energii na początku obwodu. W jaki sposób źródło otrzymuje informację o różnicy potencjału na końcu obwodu i w jaki sposób odbiornik otrzymuje informację ile energii dostarczyło źródło zasilania na początku obwodu? Przecież prędkość elektronów w przewodniku jest chaotyczna, a nawet jeśli uporządkowana, to i tak rzędu cm/sek. Jako przykłady przepływu prądu elektrycznego podaje się analogie z wodą, gazem, długą tyczką, liną, rurą, kołyską Newtona . Podpiera się teoriami i matematyką gazu Fermiego, pędu Fermiego, funkcji Blocha, itp. Poniekąd to zrozumiałe, jako że prądu elektrycznego nie widać to rozumienie zjawiska bywa różne i sprowadza się do pewnych analogii.

Krótko niektóre analogie opiszę:

  1. Do przepływu wody-
    porównanie przepływu wody w rurociągu do przepływu prądu elektrycznego w przewodach jest klasyczną metodą mającą na celu zobrazowanie z czym tak naprawdę mamy do czynienia, gdy mówimy o elektryczności. Porównanie to obrazuje tylko część zjawisk związanych z elektrycznością. Spoglądając na rysunek z lewej strony widać rury wypełnione wodą, pompę (po załączeniu stworzy ciśnienie potrzebne do przepompowania określoną ilość wody), gdy zawór zostanie otwarty kołowrót zostaje wprawiony w ruch dzięki naporowi wody o odpowiednim ciśnieniu. Analogicznie, gdy spojrzymy na rysunek po prawej stronie znajdują się przewody elektryczne wypełnione elektronami, źródło (stałego) napięcia elektrycznego oraz włącznik światła (otwarty) i żarówka, która aby zaświeciła potrzebuje „naporu elektronów” o odpowiednim napięciu, ale żeby ten napór powstał musi wyłącznik być w pozycji zamkniętej.
  2. Analogia mechaniczno-akustyczna:
    gdy w przestrzeni, w której przemieszcza się fala akustyczna w wyniku różnicy ciśnień to sytuacja taka przypomina, że napięcie elektryczne (różnica potencjałów elektrycznych) wymusza przepływ prądu elektrycznego przez przewód elektryczny. Przepływ ten równoważny jest przepływowi gazu (lub cieczy) przez kanał (rurę), opornik reprezentuje zwężkę w tej rurze, kondensatorem można nazwać zbiornik, indukcyjnością zaś– bezwładność gazu/cieczy.Wymieńmy wszystkie analogie mechaniczno-elektryczne-

    • położenie – ładunek elektryczny
    • prędkość – natężenie prądu
    • masa – indukcyjność
    • współczynnik sprężystości – odwrotność pojemności elektrycznej
    • współczynnik tłumienia – rezystancja
    • siła – siła elektromotoryczna
    • energia kinetyczna – energia magnetyczna zgromadzona w indukcyjności
    • energia potencjalna – energia elektryczna zgromadzona w kondensatorze
  3. Do rury z prętem:
    Jeśli z jednej strony przewodnika doda się, powiedzmy, 100 elektronów to będą one odpychały resztę elektronów w przeciwnym kierunku (z prędkością światła), przez to prędkość pojawienia się prądu z drugiej strony przewodu jest bliska prędkości światła. Elektrony są nierozróżnialne, więc muszą osiągać prędkości przejścia równe prędkości światła- czyli największą możliwą wg Einsteina prędkości przepływu informacji. Weźmy na przykład rurę, w środku wstawia się pręt długości tej rury. Rurę z kolei stawia się przed oczyma. Następnie przesuwa się palcem pręt w taki sposób by zobaczyć go z drugiej strony. Prędkość z jaką przód pręta „dowiedział się”, że tył został popchnięty i musi „ruszać jest równa prędkości światła…
  4. Wyobraźnia podpowiada, że elektrony tworzące prąd elektryczny poruszają się od jednego końca przewodnika do drugiego. W rzeczywistości elektron przebywa w przewodniku krótką odległość zanim zderzy się z innym elektronem (i zmieni kierunek ruchu) lub połączy się z niepełnym atomem.
    Prąd elektryczny przypomina nieco „Kołyskę Newtona” w której kulki reprezentującymi elektrony w przewodniku. Niech kulka zewnętrzna poruszająca się z prędkością v reprezentuje elektron wypływający z baterii. Kiedy ta kulka wpadnie uderzy w pierwszą znajdującą się na wieszaku nieruchomą kulkę, to przesunie ją po uderzeniu nieco w kierunku innych kulek zawieszonych na tym samym wieszaku. W wyniku uderzenia dojdzie do następnej kolizji itd., aż przedostatnia kulka popchnie ostatnią. Ta ostatnia przejmie energię tej pierwszej i odskoczy prawie na tę samą odległość od pozostałych kulek. W przypadku prądu elektrycznego elektrony opuszczające jedną końcówkę baterii lub innego źródła wpadają co prawda do objętości przewodnika, opuszczają jego drugi koniec, ale niezmiernie rzadko zdarza się, aby to ten sam elektron dostał się do obwodu i wydostał z przewodnika.

Czy aby te analogie nie wprowadzają zamętu w umysły tych co chcą poznać naturę prądu?

Te uproszczenia, które mają nam zobrazować co się dzieje w przewodnikach z jednej strony pozwalają zrozumieć takie pojęcia jak napięcie, natężenie czy oporność, ale też utrwalają złe wyobrażenie samej natury prądu elektrycznego, bo skoro porównuje się go do przepływu wody to naturalne też jest, że ten który uznał tę analogię za trafną uznał, że elektron wytworzony w elektrowni dopływa wcześniej czy później do celu- gniazda AC.

W przypadku prądu przemiennego nie można już wytłumaczyć unoszenia prądu, bo przecież ładunki elektryczne raz przemieszczają do „przodu”, a za chwilę „do tyłu”, więc forsuje się twierdzenie, że mamy do czynienia z drganiami nośników. Co wtedy z jedną z podstaw dotychczasowego rozumienia i nauczania o prądzie elektrycznym, czyli gazem elektronowym? Jednak prędkości przejścia i oddalenie elektronów burzą koncepcję, że prąd był efektem drgań.

Jeśli przyjąć jako teorię najbliższą prawdy (takie mam przekonanie), że prąd elektryczny rozchodzi się w przewodniku jak fala i natrafia w nim na jakieś przeszkody, to na pewno zakłócają one jej przebieg (jak palik wbity w dno rzeki). Jednak po „opłynięciu” przeszkody powstaje nowa fala, więc prąd powstaje na nowo. Te przeszkody w przypadku linii energetycznej to na przykład słupy energetyczne, stacje przekaźnikowe, stacje transformatorowe, skrzynki bezpiecznikowe, itp. Jednym z ostatnich takich przeszkód jest też gniazdo w ścianie, w dystrybutorach prądu (listwy zasilającej lub kondycjonera prądu) czy kablach zasilających, do których przyłącza się sprzęt audio. 

O prądzie elektrycznym naukowo:

(**) „Nośnikami ładunku w metalu są poruszające się swobodnie (nie związane z poszczególnymi atomami) elektrony tzw. elektrony przewodnictwa . Bez pola elektrycznego te elektrony poruszają się (dzięki energii cieplnej) przypadkowo we wszystkich kierunkach. Elektrony swobodne zderzają się z atomami (jonami) przewodnika zmieniając swoją prędkość i kierunek ruchu zupełnie tak jak cząsteczki gazu zamknięte w zbiorniku […] Przyłożenie napięcia U (różnicy potencjałów ΔV) pomiędzy końcami przewodnika wytwarza pole elektryczne E, które działa siłą na ładunki, powodując ich ruch w określonym kierunku w przewodniku. Ruch chaotyczny każdego elektronu zostaje zmodyfikowany. W przewodniku płynie prąd elektryczny […]
vu = 7.4·105 m/s = 0.074 mm/s

Widzimy, że prędkość średnia uporządkowanego ruchu elektronów, który jest warunkiem wystąpienia prądu elektrycznego, jest bardzo mała. Dla porównania prędkość chaotycznego ruchu cieplnego jest rzędu 105 m/s […]
Powstaje więc pytanie, jak przy tak znikomo małej prędkości elektronów możliwe jest błyskawiczne przenoszenie sygnałów elektrycznych np. w sieci telefonicznej, komputerowej czy elektrycznej? Dzieje się tak dlatego, że wywołana przyłożonym napięciem (sygnałem) zmiana pola elektrycznego rozchodzi się wzdłuż przewodnika z prędkością bliską prędkości światła w próżni (2.998·108 m/s). Oznacza to, że zewnętrzne pole elektryczne wywołuje ruch elektronów praktycznie jednocześnie z włączeniem napięcia (nadaniem sygnału) wzdłuż całej długości przewodnika tzn. równocześnie zaczynają się poruszać elektrony zarówno w pobliżu nadajnika jak i odbiornika. Tak więc pomimo bardzo małej prędkości średniej uporządkowanego ruchu elektronów sygnał „natychmiast” dociera do odbiornika.

Definicja prądu przemiennego przedstawia się następująco:

(***) Prąd przemienny (ang. alternating current, AC) – charakterystyczny przypadek prądu elektrycznego okresowo zmiennego, w którym wartości chwilowe podlegają zmianom w powtarzalny, okresowy sposób, z określoną częstotliwością. Wartości chwilowe natężenia prądu przemiennego przyjmują naprzemiennie wartości dodatnie i ujemne (stąd nazwa przemienny). Najczęściej pożądane jest, aby wartość średnia całookresowa (tzn. składowa stała) wynosiła zero. Największe znaczenie praktyczne mają prąd i napięcie o przebiegu sinusoidalnym. W żargonie technicznym nazwa prąd przemienny często oznacza po prostu prąd sinusoidalny. Jeśli zakłócenia lub nieliniowość powodują zdeformowanie sinusoidalnego kształtu, wówczas taki niesinusoidalny przebieg nosi nazwę przebiegu odkształconego.

…I lepiej nie rozwijajmy tej definicji. Niech w takiej formie pozostanie w naszej pamięci. Za to inaczej (bardziej twórczy) powinniśmy traktować wiedzę o wykorzystaniu energii elektrycznej, zwłaszcza tej o którą walczył Nicola Tesla z Thomasem Alva Edisonem.

Uwagi do utartych poglądów:

  • Energia, ładunek, musi przepłynąć od początku do końca, a nie wpłynąć i wypłynąć na końcach poprzez ruch, choćby cząstkowy, nośników.
  • Żaden nośnik prądu nie ma możliwości przepłynąć, czy też przekazać energii w przewodniku od źródła do odbiornika z prędkością (bo elektrony maja masę spoczynkową), z jaką dociera tam energia elektryczna.

Wnioski:

Gdy prześledzi się informacje dotyczące przepływu prądu elektrycznego (zwłaszcza przemiennego- AC) to można dojść do wniosku, że na dobrze- jednoznacznie, opisaną naturę prądu elektrycznego musimy jeszcze poczekać. Wiemy już dużo- jak prąd wyprodukować, jak go przesłać i jak wykorzystać, ale bez precyzyjnej wiedzy jak energia elektryczna jest transportowana.

 


*) Eksperymentalny dowód na to, że za przewodnictwo w metalach odpowiedzialne są elektrony przeprowadzili Tolman i Stewart w 1917 r.
Doświadczenie opiera się na bardzo prostej idei. Jeśli przyjmiemy, że elektrony w metalu są swobodne, to ich bezwładność spowoduje, że udzielając przyspieszenia sieci krystalicznej zaobserwujemy „pozostawanie w tyle” elektronów względem tej sieci. Powinno to spowodować względny ruch dodatnich i ujemnych ładunków, tzn. prąd elektryczny. W doświadczeniu Tolmana-Stewarta bierze udział pierścień miedziany obracający się ze stałą, dużą prędkością wokół swej osi symetrii. Układ jest elektrycznie obojętny, nie obserwuje się w nim żadnego prądu, ponieważ jony miedzi i elektrony w sieci krystalicznej poruszają się z tą samą prędkością. Jeśli nagle zatrzymany zostanie ruch pierścienia elektrony swobodne poruszają się dalej, a jedyną siłą, jaką siatka może wywierać na elektrony, jest samo tarcie, które ogranicza prędkość elektronów poruszających się pod wpływem pola elektrycznego. Musi zatem istnieć prosty związek między przyspieszeniem elektronu w tym doświadczeniu a polem elektrycznym E, które wywoływałoby odpowiedni ruch elektronów względem sieci w przypadku nieruchomego przewodnika. Można wykazać, że zatrzymanie pierścienia spowoduje przepływ określonej ilości ładunku. Doświadczenie pozwala również wyznaczyć znak nośników. Tolman i Stewart używali wielu zwojów zamiast pojedynczego pierścienia, tak że mogli bez trudu zmierzyć odpowiednie natężenie prądu w zewnętrznym obwodzie. Doświadczenie wykonano w laboratorium chemicznym Uniwersytetu Kalifornijskiego.
C. Tolman, T. D. Stewart, Phys. Rev., 9, 164 (1917), Edward M. Purcell Elektryczność i Magnetyzm PWN 1971.

**)  „Fizyka” Zbigniew Kąkol, Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej, Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Kraków 2018

***) Treść pobrana z: 

 


Dodaj komentarz