[Niszczyciel666]

#podnapieciem #ciekawostki

Jako, że mój wpis wzbudził zainteresowanie, a nawet rozwinęła się pod nim dyskusja, to dziś spróbuję was drodzy Mireczki i drogie Mirabelki zainteresować odrobiną wiedzy z zakresu prądu elektrycznego. Dzisiejszym wpisem chciałbym zejść do samych podstaw, żeby z czystym sumieniem móc stopniowo rozwijać tag. Ale najpierw chwytliwe pytanie na które chciałbym odpowiedzieć, na koniec wpisu. Ostrzegam, że wiadomości przedstawione tutaj będą bardzo elementarne oraz, że zakładam całkowitą liniowość świata.


To z pozoru błahe pytanie będzie dobrym punktem wyjścia do objaśniania podstawowych zależności rządzących prądem. Zanim przejdziemy do clou programu musimy zapoznać się z niezbędną dawką wiedzy.


Zgodnie z definicją prąd elektryczny to uporządkowany ruch nośników ładunków elektrycznych. No dobrze ale co właściwie ta krótka definicja oznacza? Rozłóżmy to na czynniki pierwsze. "Uporządkowany" oznacza, że nie ma tu elementu losowości, dlatego np. ruchy cieplne jonów Sodu w wodzie nie są prądem elektrycznym. Następnie mamy "ruch", czyli musi następować zmiana położenia w czasie, a na sam koniec "ładunków elektrycznych" czyli drobin materii, które charakteryzują się niezerowym ładunkiem elektrycznym. Najczęściej mamy na myśli elektrony, jednak są też inne typy nośników, np. wcześniej wspominany jon, albo tzw. dziura elektronowa (opowiem o niej przy okazji omawiania modelu pasmowego). Jednostką opisującą natężenie prądu elektrycznego (lub jak mówi się żargonowo po prostu prądu elektrycznego) jest amper. No to skoro wiemy już co to jest ten cały prąd to przejdźmy sobie dalej.


Odpowiedź jest bardzo prosta. Coś popycha elektrony żeby przemieszczały się z jednego miejsca do drugiego. Tym czymś jest napięcie. Każdy słyszał kiedyś to słowo, ale nie każdy wie co ono oznacza. Napięcie elektryczne to nic innego niż różnica potencjałów elektrycznych pomiędzy dwoma punktami w przestrzeni. Ale co to jest potencjał? To taka wielkość opisująca pole elektryczne (ogólnie jest to pole skalarne silnie powiązane z polem wektorowym, ale to już zbyt duże wchodzenie w matematykę, a nie o to mi chodzi, żeby katować ludzi matmą) mówiąca o tym jaką zdolność wykonywania pracy ma to pole. Żeby ułatwić sobie wyobrażenie tego, przeprowadźmy sobie prosty eksperyment myślowy. Weźmy sobie piłkę i podnieśmy ją na wysokość naszej głowy, a następnie przestańmy ją podtrzymywać. Co się wtedy stanie? Piłka oczywiście spada na podłogę. Jako, że pole grawitacyjne i elektryczne należą do tej same rodziny pól zwanych polami potencjalnymi, zachowanie elektronów jest dokładnie takie same. Natura dąży do uzyskiwania jak najniższego stanu energetycznego, a to wiąże się z doprowadzeniem do stanu w którym wypadkowy ładunek w ciele jest równy zero. Z tego też względu elektrony, jeśli im na to pozwolimy będą się przemieszczały do miejsca o większym potencjale (ze względu na swój ujemny ładunek, tutaj widać różnicę z polem grawitacyjnym, gdyż w grawitacji nie ma różnoimiennych ładunków). Jednakże umowny kierunek przepływu prądu jest definiowany dla ładunku dodatniego, z tego względu przepływ elektronów do wyższego potencjału powoduje równoczesne przemieszczanie się hipotetycznego ładunku dodatniego do miejsca o mniejszym potencjale. Ok teraz wiedząc już czym dokładnie są prąd i napięcie, przejdźmy do następnego istotnego zagadnienia


Jak mówi tytuł tej części wpisu istnieje wiele różnych prądów, tak jak istnieje wiele różnych ruchów. Najbardziej elementarnym podziałem różnych prądów jest podział na AC i DC (skróty odnoszą się do prądu, choć przyjęło się używać ich również do określania innych wielkości opisujących elektryczność)

AC (z ang. Alternating Current czyli prąd przemienny) to taki rodzaj prądu, który charakteryzuje się powtarzającym się okresowo zmianami natężenia oraz dwukierunkowym jego przepływem (stąd przemienny). Taki rodzaj prądu np. wymusza nasza sieć energetyczna. Jako, że mamy tu do czynienia z powtarzającym się dwukierunkowym ruchem elektronów, można powiedzieć, że mamy do czynienia z ruchem drgającym, a najbardziej naturalnym wyborem do opisu drgań wydają się funkcja sinus. Teoretyczne przebieg zarówno prądu jak i napięcia z naszych gniazdek, które go wywołuje powinny mieć piękny sinusoidalny przebieg. Dlaczego w rzeczywistości tak nie jest, opowiem kiedy indziej. To zbyt złożone żeby wpychać to do wpisu, który ma dotyczyć podstaw. Nie mniej jednak dla potrzeb obliczeń zazwyczaj zakłada się, że teoria pokrywa się z praktyką.

DC (z ang. Direct Current czyli prąd stały) to taki prąd który charakteryzuje się stałym kierunkiem i zwrotem przepływu (wbrew obiegowej opinii nie chodzi o stałą wartość natężenia). Prąd ten dają np. akumulatory.

Kończąc wywód na ten temat dodam jako ciekawostkę, że spór o to który rodzaj prądu jest lepszy był niegdyś przedmiotem starć między dwoma ojcami elektroenergetyki: Teslą i Edisonem. Przejdźmy teraz do ostatniego zagadnienia które chciałbym omówić.


Aby zrozumieć dlaczego ptaki siedzące na liniach nie kopie prąd musimy jeszcze poznać trzy elementarne prawa rządzące prądem.

Prawo Ohma mówi nam, że natężenie prądu płynącego przez przewodnik jest proporcjonalne do napięcia jakie pojawi się na jego końcach. Współczynnik proporcjonalności między tymi dwoma wielkościami nazywamy rezystancją lub oporem elektrycznym. Jego jednostką jest om. Dla prądu zmiennego, sprawa nieco się komplikuje. Oprócz rezystancji przewodnika musimy wziąć jeszcze pod uwagę jego pojemność (farady) i indukcyjność (henry), czyli dwa parametry związane z polem elektrycznym i magnetycznym które indukuje przepływający prąd. Wypadkową wielkość charakteryzującą to jak bardzo przewodnik przeciwdziała przepływowi prądu przemiennego nazywamy impedancją i jest to parametr silnie zależny od częstotliwości danego napięcia i prądu.

Kirchoff zdefiniował dwa elementarne prawa rządzące przepływem prądu elektrycznego. Pierwsze prawo Kirchoffa zwane prawem węzłowym mówi, ze suma prądów wpływających i wypływających z węzła (czyli punktu gdzie następuje rozwidlenie przewodnika) jest równa zero (bo ładunek nie może pojawić się z niczego, a także zniknąć). Drugie prawo Kirchoffa zwane oczkowym mówi nam, że suma spadków napięć w zamkniętym fragmencie obwodu elektrycznego jest równa sumie napięć wymuszających przepływ prądu w tym obwodzie. Taki pojedynczy zamknięty fragment obwodu nazywamy oczkiem. Teraz będąc uzbrojonym w tą wiedzę przyjrzyjmy się naszym wronom przesiadującym na przewodzie.

Ptak siedzi sobie na fragmencie długiego przewodu. Rozstaw jego szponów wynosi kilka centymetrów. Załóżmy że jest to 5 cm. Znając tą długość możemy policzyć impedancję tego przewodu. Załóżmy że jest to 20 miliomów. Teraz musimy rozważyć dwa przypadki. Jeśli przez linię nie płynie prąd, to potencjał na jednym i drugim szponie ma taką samą wartość, z tego też względu nie ma pomiędzy nogami ptaka napięcia, więc prąd nie ma powodów żeby płynąć przez jego ciało. Teraz drugi przypadek a mianowicie, sytuacja w której prąd płynie linią. Znając rezystancję i prąd przewodzony przez linię możemy określić spadek napięcia na fragmencie linii pomiędzy dwoma nogami ptaka. Niech prąd wynosi np. 100 amperów. Patrząc na prawo Ohma widzimy, że prąd jest proporcjonalny do napięcia czyli mnożąc prąd przez parametr proporcjonalności (impedancje) otrzymamy spadek napięcia na odcinku linii pomiędzy nogami ptaka. To będzie 100*0.02 czyli 2 wolty Teraz patrząc na prawo oczkowe widzimy, że na ptaku musi odłożyć się takie same napięcie jak na odcinku linii pomiędzy jego nogami. Zakładając, że impedancja ciała ptaka to około 200 omów dostajemy z prawa Ohma prąd rażący ciało ptaka równy 2/200 czyli 10 miliamperów. Oczywiście nie jest to mało dla żyjących organizmów, ale to tylko zgrubne obliczenia. Generalnie cała sprawa rozchodzi się o to, że napięcie pomiędzy stopami ptaka jest zbyt małe, aby zrobić mu krzywdę.

Na koniec mała sugestia. Niech nikomu nie przyjdzie nigdy do głowy dotykać przewody pod napięciem. Nawet jeśli teoretycznie nic wam nie powinno się stać, to nie zapominajcie, że pomiędzy przewodem a gruntem napięcie to nie jest 2V tylko w najlepszym przypadku 230 V, a to, że złapiecie przewód obiema rękami równocześnie nic wam nie da w sytuacji jeśli będziecie dotykać ziemi, gdyż obwód zamknie się przez wasze ciała i ziemię, co umożliwi przepływ przez wasze ciała znacznego prądu. Nie należny też dotykać dwóch przewodów jednocześnie, bo potencjał między nimi dla sieci niskiego napięcia wynosi 400V. Pamiętajcie, elektryk zawsze trzyma ręce w kieszeni a pokazuje skinięciami głowy. ( ͡° ͜ʖ ͡°)