Odwrotna siła elektromotoryczna: Definicja i podstawy
- Szczegóły
Od najdawniejszych czasów wiadomo, że natura dąży do tzw. „wyrównania”, dlatego zbliżając np. do siebie dwie masy o takich samych ładunkach (naładowanych jednoimienne), będą się one odpychała, natomiast różnoimiennie - przyciągały. Im mocniejszy jest ładunek, tym bardziej dana masa jest naładowana.
Ale ponieważ w fizyce nie zadawalamy się określeniami względnymi „mocniej”, czy też „słabiej”, a dokonujemy pomiaru, zatem można powiedzieć, że ładunek elektryczny też możemy zmierzyć tak naprawdę to bardzo trudno go zmierzyć, ale wymyślono jednostkę dla tej wielkości . A jest nią kulomb. Jest to bardzo duża jednostka, w wyładowaniach atmosferycznych występują rzędy kilku kulombów.
Skoro już znasz pojęcie kulomba, można poznać pojęcie potencjału oraz napięcia. Można powiedzieć, ze im większy jest ładunek na danej masie, tym większy jest potencjał (wartości te wzrastają proporcjonalnie). Oczywiście dla danego materiału można wyznaczyć współczynnik proporcjonalności, jest to w tym przypadku „pojemność elektryczna”, ale nią na razie się nie zajmujemy.
Teraz warto sobie zadać pytanie: co to jest ten potencjał? Można powiedzieć, że im jest on większy, tym bardziej jest dana masa naładowana - tym łatwiej dopuścić do jej rozładowania. Potencjału jako takiego nie można zmierzyć, jest to wielkość względna, musimy dobrać względem czego mierzymy. Najprościej oczywiście - względem tzw. potencjału zerowego. Takie coś idealne oczywiście nie istnieje (zawsze jest jakiś potencjał), ale wyobraźmy sobie potencjał zerowy (płytka z ładunkiem równym 0). Inne płytki będą mierzone względem tego właśnie potencjału.
Napięcie elektryczne natomiast to różnica potencjałów między dwoma punktami (obiektami). Nie można mówić o napięciu jakiegoś elementu, muszą zostać dobrane dwa punkty, i mówimy że napięcie między nimi jest równe tyle i tyle (inaczej różnica potencjałów). Zarówno potencjał i napięcie mają tą samą jednostkę, jaką jest wolt (V). Przykład: Istnieją dwie płytki o potencjałach odpowiednio: 4 V, 7V. Napięcie między nimi wynosi 3 V. Tu chyba nie ma nic nadzwyczajnego.
Przeczytaj także: Sterowniki i usterki ASUS K52J
Powiedzieliśmy sobie, że pomiędzy dwoma masami, między którymi jest jakieś napięcie przepłynie prąd po połączeniu ich. No dobrze, jak to będzie wyglądać. Część elektronów z masy, gdzie jest ich nadmiar przepłynie na drugą masę, szybko zrobi się wyrównanie. Zatem różnica potencjałów (napięcie) będzie stopniowo maleć, aż uzyska wartość 0 i prąd przestanie płynąć.
W praktyce wszystko będzie trwało ułamek sekundy, więc po co nam taki prąd, którego przepływ trwa tak krótki okres czasu? Rozwiązaniem idealnym byłaby tu swoista „pompa”, która dosłownie „brała” by elektrony z drugiej płytki i powrotem przerzucała na pierwszą, aby te znowu mogły płynąć naszym drucikiem. Otóż pompa taka istnieje, i nazywana jest źródłem napięcia. Oczywiście mowa tu cały czas o prądzie stałym, prąd zmienny będzie w dalszych częściach. Przykładowym źródłem napięcia może być zwykła bateryjka.
Jak wiadomo ma ono zawsze dwa bieguny: dodatni (o wyższym potencjale) oraz ujemny (o niższym potencjale). Po połączeniu jakimś drucikiem biegunów, elektrony zaczynają płynąć od niższego potencjału (nazywanego „minusem”) do wyższego potencjału (nazywany jako „plus”). W samym źródle natomiast elektrony są przerzucane w kierunku odwrotnym, tak aby utrzymana została stała różnica potencjałów (napięcie między biegunami).
Okej: ale w książkach pisze, że tzw. „prąd” płynie od plusa do minusa (czyli od wyższego do niższego potencjału). Otóż jest to jak najbardziej prawda, tak właśnie został umownie przyjęty kierunek prądu elektrycznego (odwrotnie do ruchu elektronów)! Zatem: prąd płynie od wyższego do niższego potencjału, mimo, że elektrony poruszają się w kierunku przeciwnym. Źródła napięcia użytku codziennego mają napięcie np. 1.5 V.
Powiedzieliśmy sobie, że przez nasz wymyślony drucik będzie płynął prąd elektryczny. I tu od razu powiemy, żeby nie było wątpliwości - że drucik ten musiał mieć jakiś opór. Każdy materiał, przez który może płynąć prąd stawia mu pewien opór. I na przykład - złoto, miedź mają mały opór, intuicyjnie - są dobrymi przewodnikami prądu, natomiast grafit na przykład słabo przewodzi prąd - ma duży opór elektryczny.
Przeczytaj także: Zastosowanie wężyków do filtra osmozy
Ale co to jest takiego ten opór? Zanim się dowiesz - powiem jeszcze co jest „amper”. Otóż jak wiadomo, wszystko musi mieć swoją jednostkę, aby można było dokonać pomiaru danej wielkości fizycznej. Kolumb to jednostka ładunku elektrycznego, również znamy jednostkę napięcia - jest nią wolt. Amper natomiast jest jednostką, która mówi nam o wartości przepływu prądu (wielkość ta nazywana jest natężeniem). Im większe jest natężenie, tym mocniej płynie prąd - tym samym - więcej elektronów przepływa. Jeden amper to natężenie prądu, jeśli przez przekrój poprzeczny przewodnika przepływa ładunek jednego kulomba w ciągu jednej sekundy. Tu chyba nic tłumaczyć łopatologicznie nie trzeba. Amper jest dość dużą jednostką, w praktyce - przykładowo elektronice - używamy mikro amperów, czyli jednostek znacznie mniejszych (ponieważ przez układy scalone przepływają znacznie mniejsze prądy).
Okej - to teraz co to jest ten cholerny opór? Najprościej tłumacząc: weźmy pod uwagę źródło napięcia (1 V) i chcemy połączyć bieguny przykładowo długim drutem. Chcemy również zmierzyć jego opór elektryczny (fachowo wielkość tę nazywamy rezystancją). Otóż dokonujemy tego na podstawie pomiaru prądu. Jeżeli przy niezmienionej różnicy potencjałów (napięciu) 1 V, będzie płynął prąd o natężeniu 1 A (ampera), to rezystancja (opór elektryczny) przewodnika będzie wynosiła 1om (czyt „om” - jest to jednostka rezystancji). Dzięki temu zaraz poznamy jedno z podstawowych praw elektrotechniki: prawo Ohma.
Mówi ono o zależności między oporem, napięciem a prądem. Zatem co ono mówi? Określa ono wartość prądu jaki będzie płynął przez dany materiał. Przykładowo: wyobraźmy sobie dłuższy, cienki drucik o jakimś tam oporze R. Przekształcenie wzoru na opór (R = U/I ), nie jest praktycznie zalecane. Oczywiście można obliczać tym rezystancję (na podstawie prądu i napięcia), ale należy wtedy pamiętać żeby nie popełnić jakiś błędów abstrakcyjnych. Przykładowo: student zapytany „Co się stanie, jeśli napięcie podwyższymy dwukrotnie” odpowiada: „Rezystancja też wzrośnie dwukrotnie”.
Zastanówmy się od czego zależy opór danego elementu. Na pewno od materiału, z którego jest on wykonany - to już narzuca się od razu. Oprócz tego wiadomo - im dłuższy jest przewodnik, tym większą ma on rezystancję. Opór w danych warunkach zależy też oczywiście od innych rzeczy, np. temperatury, ciśnienia, ale nie musisz o tym na razie wiedzieć. Rezystancję określa się dla danego obiektu (jakiegoś przedmiotu, konkretnie opisanego), natomiast nie dla materiału! Nie możemy powiedzieć, że miedź ma jakąś rezystancję, bo dwie płytki miedziane różnych długości mają inny opór.
Zatem została wprowadzona wielkość zwana rezystywnością, która opisuje jak dany materiał przewodzi prąd. Znając rezystywność materiału oraz wymiary przewodu można obliczyć rezystancję. Jednostką rezystywności jest „omometr” (rezystywność materiału, w przypadku gdy kabel o długości jednego metra oraz jednego metra kwadratowego średnicy ma opór 1 om. Dokładniej tym nie musisz się zajmować, ważne żebyś ogólnie widział na czym to polega.
Przeczytaj także: Odwrócona osmoza: Twój przewodnik
Zamiast charakteryzować opór przewodu, można charakteryzować jego przewodność czyli jednostkę dokładnie odwrotną. Przykład: jeśli materiał ma opór 3 om to ma przewodność 1/3 … no właśnie - czego? Jednostką narzucającą się od razu jest 1/om, a nazywamy go „simens”. Przewodność tę nazywamy właśnie konduktancją, a oznaczamy literką G (ang: conductance). Tak jak w przypadku materiałów: dla oporu była rezystywność, tak dla przewodnictwa jest konduktywność opisująca przewodność danego materiału. Jednostką jest s/m (simens na metr).
Łącząc bieguny źródła napięcia cienkim drucikiem mówiłem, że musi on mieć jakiś opór. Weźmy pod uwagę drucik tak krótki i wykonany z tak dobrego materiału, że jego opór jest znikomy (bardzo bliski 0). W takim przypadku po połączeniu nastąpi „zwarcie” obwodu - do czego to prowadzi? Otóż popłynie ogromny prąd przez przewodnik (co widać ze wzoru), a napięcie na końcach biegunów będzie równe 0 (znikomo małe). Źródło napięcia nie zdąży utrzymywać stałej różnicy potencjałów - czyn ten prowadzi najczęściej do zniszczenia źródła. W przypadku prądów dużych, zwarcie grozi pożarem.
Stan jałowy natomiast jest wtedy, kiedy do biegunów źródła nie są przyłączone żadne inne elementy ( w sensie: bieguny nie są połączone żadną inną drogą niż samo źródło). Wyżej wspomnieliśmy o tzw. stanie zwarcia źródła. Należy się zastanowić dokładniej na temat samego źródła w tym przypadku. Mówiliśmy, iż jest to „pompa”, która przekłada elektrony, aby trzymać napięcie. Jednak z jaką prędkością może to robić? Otóż zjawisko to też można łatwo opisać, wyobraźmy sobie w baterii na samym środku malutki drucik, który przerzuca elektrony. Przez niego płynie oczywiście prąd, i co ważne: ma on jakąś rezystancję. Można ją określić jako „rezystancję wewnętrzną źródła”. Im jest ona większa, tym większy prąd można pobierać ze źródła, ponieważ źródło jest w stanie utrzymywać napięcie.
Tu od razu należy prowadzić pojęcie stanu obwodu elektrycznego. Zastanówmy się co się dzieje, w przypadku pobierania prądu ze źródła, gdy rezystancja obwodu jest znacznie większa niż rezystancja wewnętrzna źródła. Wtedy przykładowy, niewielki prąd płynie, źródło natomiast nie wykonuje swojej pełnej „mocy” (na razie w cudzysłowiu piszę, bo nie wiesz co to jest jeszcze). Zatem źródło „nie przemęcza” się wcale, bo może wytrzymać znacznie większe prądy. Stan taki nazywamy niedociążeniem.
Innym przykładem jest sytuacja, gdy rezystancja obwodu jest znacznie mniejsza niż rezystancja wewnętrzna źródła. Źródło nie nadąża w wykonywaniu „pracy” (przerzucaniu elektronów) i tym samym - napięcie maleje. Nazywamy to spadkiem napięcia na biegunach źródła, a stan ten - przeciążeniem. W przypadku jeszcze większego przeciążenia - zmniejszenia rezystancji obwodu - dochodzimy powoli do zwarcia. W praktyce natomiast zawsze staramy się, aby rezystancja wewnętrzna danego źródła była taka sama jak rezystancja obwodu (dobieramy obwód). Wtedy źródło pracuje „pełną parą”, wydziela się największa „moc”, a stan ten nazywamy dopasowaniem.
I znowu nowe pojęcie: siła elektromotoryczna. Jest to nic innego jak napięcie źródła w stanie jałowym. W przypadku przeciążenia, napięcie jest niższe niż siła elektromotoryczna źródła (dla ścisłości: wielkość zwana siłą elektromotoryczną nie jest wcale siłą, lecz różnicą potencjałów, czyli napięciem - jednostką jest oczywiście wolt). I tu od razu nasuwa się myśl: przykładowy napis na baterii 1,5 V, nie oznacza napięcia na biegunach, jednak jest to jego siła elektromotoryczna.
Mówiliśmy już o przykładowym druciku, który posiadał jakąś rezystancję i łączył bieguny źródła. W praktyce tak nie postępujemy, gdyż nasz tzw. drucik jest elementem obwodu należącym do przewodników, jego zadaniem jest przewodzenie prądu jak najlepiej, a nie stawianie mu oporu. Dlatego praktycznie przyjmuje się rezystancję przewodów równą 0 (tzn. nie bierze się ich pod uwagę). Ich opór jest znikomo mały, że nie trzeba ich uwzględniać przy obliczeniach, rozwiązywaniu obwodów elektrycznych.
Lepiej jest stworzyć rezystancję w jednym skupieniu, niż rozciągać ją na całą długość przewodu. Element taki istnieje i nazywamy go rezystorem (inaczej opornikiem, ang: resistor). Na schematach zaznacza się go prostokątem, jego zadaniem jest stawianie oporu prądu elektrycznemu. Rezystor to najbardziej podstawowy element obwodu, jeszcze o nim sobie powiemy. Jeden rezystor pomiędzy biegunami źródła powoduje, że można dopasować prąd w obwodzie. Zastanówmy się jakie jest napięcie pomiędzy jednym a drugim zaciskiem rezystora (zaciski rezystora to jego końce, które służą do łączenia elementów).
Mówiliśmy, że przewodnik nie posiada żadnej rezystancji (równa 0), zatem potencjał na jednym końcu przewodnika i drugim jest identyczny. Napięcie na końcach przewodnika jest zatem równe 0. A co w przypadku połączenia kilku rezystorów? Zanim dojdziemy do tego tematu musimy sobie wytłumaczyć czym jest połączenie równoległe i szeregowe w obwodzie.. Widzimy trzy dowolne elementy obwodu (na razie nieważne co to za elementy) połączone szeregowo. Ważne jest, że przez wszystkie przepływa ten sam prąd, ponieważ nie może on nigdzie „uciec” o czym dowiesz się niedługo. Napięcia na tych elementach mogą być rożne. Przez te elementy biegną już inne prądy, ale napięcie na tych trzech elementach jest to samo.
Teraz zastanówmy się jak obliczamy rezystancję w przypadku kilku elementów, które stwarzają opór (nie muszą to być koniecznie rezystory, ale np. odbiorniki energii (grzejnik), ale o tym dowiesz się później). W połączeniu szeregowym sytuacja jest chyba jasna. Rezystancja zastępcza całego układu kilku rezystorów w tym przypadku jest ich sumą. Można to zapisać tak: Rz = R1 + R2 +R3… itd. Jak się ma to w przypadku połączenia równoległego? Otóż tutaj nie dodajemy rezystancji, ale przewodności (konduktancje). Wiadomo, że więcej przewodów stanowi lepszą przewodność niż jeden przewód, zatem ich przewodności się dodają. A ponieważ przewodność to odwrotność oporu, możemy zapisać: 1/Rz = 1/R1 + 1/R2 + 1...
Dziś przebrniemy wspólnie przez dwa problemy obliczeniowe, których rozwiązanie nie jest możliwe bez użycia Praw Kirchhoffa. Ale bez obaw! Prawa Kirchhoffa ochroniÄ nas przed porażkÄ ! Zadania tego typu najÅ‚atwiej zaczÄ Ä od zaznaczenia tego co byÅ›my chcieli znaÄ. Widzimy teraz jak na dÅ‚oni, że przez rezystory R1 i R2 pÅ‚ynie prÄ…d I1, przez rezystor R3 pÅ‚ynie prÄ…d I2, a przez rezystor R4 pÅ‚ynie prÄ…d I. Ok, jeden prÄ…d mamy. A może znamy? Nic jednak bardziej mylnego, jak mawia klasyk. JeÅ›li U4 zabiera z tego aż 48 V to wiemy, że dla pozostaÅ‚ych rezystorów zostaÅ‚o go już tylko 12 V. Ale uwaga! Nie możesz ot tak wszystkiego do siebie dodaÄ! I tak powinno byÄ zawsze. I w tym wypadku ponownie wynosi on zero. Nie ma nic prostszego, prawda? Mamy zatem dwa prÄ…dy: I oraz I2. Tym samym obliczenie ostatniego z nich nie stanowi najmniejszego wyzwania. Wiemy, że przez rezystory poÅ‚Ä…czone szeregowo zawsze pÅ‚ynie ten sam prÄ…d, w tym wypadku I1.
O czym mówiÄ Prawa Kirchhoffa? Na czym polega ich magia i dlaczego nie mówili nam o niej w szkole? Zapraszam do lektury! Kirh… Kircho… Kirchhoff!
Widoczny na portrecie niemiecki uczony jest jednym z tych, którzy w swoim życiu odkryli tyle praw i prawideÅ‚, że niekoniecznie znani sÄ z tych najbardziej istotnych dla Å›wiata nauki. W tym kontekÅ›cie pan Kirchhoff odkryÅ‚ dwie ważne kwestie, które nazwano kolejno Pierwszym i Drugim Prawem Kirchhoffa. W jego czasach studenckich tak proste obwody przestaÅ‚y byÄ już jednak wystarczajÄ…ce. Wszystko za sprawÄ… idei elektrycznego oÅ›wietlenia, która rozpalaÅ‚a umysÅ‚y badaczy marzeniami o tysiÄ…cach żarówek rozÅ›wietlajÄ…cych miasta. ByÅ‚o niÄ opracowane przeszÅ‚o 20 lat wczeÅ›niej prawo jego rodaka - Georga Ohma. multiplier], jak je wtedy nazywano).
Gustav Kirchhoff, oprócz tego, że trudne nazwisko miaÅ‚, byÅ‚ też niezwykle wytrawnym matematykiem. OczywiÅ›cie Kirchhoff wiedziaÅ‚, że to nie takie proste. W przypadku dwóch rezystorów z powyższego obrazka to nie problem - zgodnie z intuicjÄ… możemy dodaÄ do siebie ich rezystancje i nic nie powinno wybuchnÄ Ä. Co w takiej sytuacji powinniÅ›my zrobić? DodaÄ wartoÅ›ci rezystancji do siebie? PomnożyÄ je przez siebie? PodzieliÄ? A może wszystkiego po trochu? Jest tak dlatego, że posiadajÄ one dwa punkty podÅ‚Ä…czenia (inaczej dwa zaciski), za pomocÄ których wpinamy je do obwodu. Z jednej strony prÄ…d elektryczny wpÅ‚ywa, a z drugiej wypÅ‚ywa. Nie zmyÅ›lam - jeÅ›li chcesz poÅ‚Ä…czyÄ ze sobÄ dwa rezystory z zamiarem by przez każdy z nich pÅ‚ynÄ…Å‚ prÄ…d, to masz tylko dwie, pokazane wyżej możliwoÅ›ci. A co jeÅ›li rezystory sÄ 3?
Jak to wszystko rozpracowaÅ‚? Przekazuje ona elektronom tyle energii, by te dotarÅ‚y do jej drugiego bieguna, a to jak rozdysponowujÄ… jÄ… po drodze nie ma dla niej znaczenia. Gustav Kirchhoff wiedziaÅ‚, że elektrycznoÅ›Ä jest podobna do wody, dlatego i my na moment pójdziemy tym tropem. SiÅ‚Ä rzeczy nie ma mowy, by przy tym samym ciÅ›nieniu przecisnÄ…Ä przez „wÄ skie gardÅ‚o” tyle samo wody co wczeÅ›niej. Teraz przepÅ‚yw spadÅ‚ do 25 L/min. W tym momencie Kirchhoff zrobiÅ‚ bardzo sprytnÄ… rzecz. OczywiÅ›cie powyższego równania nie byÅ‚ w stanie rozwiÄ zaÄ. A gdyby rozpatrywaÄ każdy odbiornik pojedynczo? W koÅ„cu pÅ‚ynie przez nie taki sam prÄ…d. Czy to coÅ› pomoże? Zauważ, że po obu stronach równania mamy teraz ten sam skÅ‚adnik, czyli Iobwodu. Zróbmy to zatem ponownie i zobaczmy dokÄ…d zaprowadzi nas ta Å›cieżka. Bateria wytwarza 3 wolty, to jest pewne. Ile zatem „zużywa” każdy z nich? OczywiÅ›cie dziaÅ‚a tutaj ta sama zasada co wczeÅ›niej - jeÅ›li zraszacz ogranicza przepÅ‚yw do 10 L/min., to dokÅ‚adnie tyle wody pÅ‚ynie w caÅ‚ym obiegu. OczywiÅ›cie aby zapewniÄ taki przepÅ‚yw, pompa musi przyspieszyÄ i tÅ‚oczyÄ teraz przez rurociÄ…g aż 20 L/min. Jak widzisz w ukÅ‚adzie równolegÅ‚ym wiele zależy od wydajnoÅ›ci źródÅ‚a, ale my póki co pominiemy ten temat (powrócimy do niego w kolejnych artykuÅ‚ach!).
ZwiÄ…zane jest to z tym, że jeÅ›li rurociÄ…g nie ma dziur, to woda nie ma prawa w nim ginÄ…Ä - nazwijmy to zasadÄ… zachowania wody. Nie ma przy tym znaczenia, czy po drodze dochodzi do jakiegoÅ› rozwidlenia, ani ile wody popÅ‚ynie każdÄ… ze Å›cieżek. Jak to zrobimy? Koniec koÅ„ców znowu lÄ…dujemy z trzema nierozwiÄ…zywalnymi równaniami i, tak jak poprzednio, znowu spróbujemy je poÅ‚Ä…czyÄ.
tags: #odwrocona #sila #elektromotoryczna #definicja
