Najważniejsze wielkości fizyczne w elektronice

Na samym początku trzeba zdać sobie sprawę, że aby dobrze poznać  dziedzinę, jaką jest elektronika, to bez wątpienia musimy poznać podstawy fizyki, zjawisk oraz wielkości fizycznych. Dopiero wtedy będziemy mogli w pełni skoncentrować się na  konstruowaniu projektów czy automatyzacji urządzeń. Niestety bez podstawowej wiedzy o fizyce nie będzie to możliwe, ponieważ polegniemy na najprostszych układach i nie przewidzimy wielu konsekwencji, które mogą nastąpić w wyniku naszych działań.

Warto zatem zadać sobie pytanie, czym jest elektronika bez fizyki? Można wprost stwierdzić, że nie damy rady zgłębić tajemnic elektroniki bez wiedzy na temat zjawisk fizycznych, ich działania oraz zastosowania w praktyce. Ponadto rozwój, a dzięki temu bliższe poznanie elektroniki było możliwe dzięki badaniom przeprowadzanym głównie właśnie w zakresie fizyki.  Każdy pasjonat elektroniki chce by tworzone przez niego technologie, schematy czy projekty działały, zatem kluczowe jest zapoznanie się ze wszystkimi informacjami, a także teorią przed przystąpieniem do praktyki.

Może warto zacząć od samego początku – czyli od wyjaśnienia czym jest elektronika?

Podstawy elektroniki

Jeśli jesteś pasjonatem elektroniki i chcesz poznać trochę teorii, by móc rozwijać swoje umiejętności to świetnie trafiłeś. Elektronika to dziedzina nauki i techniki, która zajmuje się wytwarzaniem oraz przetwarzaniem sygnałów w postaci napięć i prądów elektrycznych lub pól elektromagnetycznych. Co więcej, zajmuje się ona obwodami elektrycznymi, które zawierają elementy elektroniczne bierne np. rezystory i kondensatory oraz elementy aktywne takie jak tranzystory i lampy próżniowe. Elementy bierne jedynie pobierają energię elektryczną, a elementy aktywne mają udział w tworzeniu i przetwarzaniu sygnałów. Elektronikę możemy podzielić na różne dziedziny:

• Elektronika użytkowa np. multimedia i układy cyfrowe
• Elektronika przemysłowa np. systemy sterowania
• Radioelektronika np. radiokomunikacja i technika radarowa
• Mikroelektronika, fotonika i nanotechnologie
• Mikrosystemy i systemy elektroniczne

Prostszymi słowami można powiedzieć, że elektronika to wszystko, co nas otacza. Z elektroniką mamy styczność nawet ustawiając budzik w aplikacji w naszym smartfonie, czy robiąc kawę z ekspresu. W dzisiejszych czasach przed elektroniką już nie możemy uciec, ponieważ mamy z nią kontakt w zasadzie wszędzie i każde urządzenie jest wręcz naszpikowane elektroniką np. telefony, telewizory, samochody i wszelkie inne urządzenia, których używamy codziennie. Mało tego, najczęściej nawet nie zdajemy sobie sprawy, że korzystamy z zasobów elektroniki bezwiednie i w bardzo prosty i przyjemny sposób.

Podstawy elektroniki warto znać, ponieważ nigdy nie wiesz, kiedy taka wiedza się może przydać np. w przypadku niedużej awarii np. zegarka lub może chcesz po prostu zostać specjalistą w tej dziedzinie, a wtedy taka wiedza to wręcz obowiązek. Bardzo dobrze na tym wyjdziemy, ponieważ świat cały czas idzie do przodu i rozwój elektroniki jest bardzo szybki, zatem żyjąc w zgodzie z tą dziedziną, będziemy mogli bez problemów opanować nadchodzące nowości technologiczne i korzystanie z urządzeń elektronicznych będzie dla nas wygodne i łatwe.

Możemy zaprzyjaźnić się z elektroniką poprzez np. przeanalizowanie budowy i działania zegarka, będzie to dobra nauka dla początkujących, a dodatkowo sam sprzęt przestanie być czarną magią. Skoro już wiemy, czym jest elektronika, to możemy przejść do edukacji na temat udziału fizyki i wielkości fizycznych w elektronice.

Co to są wielkości fizyczne?

Fizyka to bardzo rozbudowana dziedzina, a poznanie jej podstaw daje nam rewelacyjny start w odkrywaniu zasad elektroniki. Wielkość fizyczna to właściwość fizyczna danego zjawiska lub ciała, którą da się zmierzyć i określić.  Wielkości fizyczne można wyrazić przy użyciu jednostek miar. Z kolei te jednostki oraz zależności między nimi określane są w układach jednostek miar, a aktualnie obowiązującym zarówno w fizyce, jak i innych dziedzinach jest układ SI. Aby przybliżyć temat wielkości fizycznych, poniżej przedstawiamy kilka przykładów, które zapewne znacie z lekcji fizyki lub spotkaliście się z nimi w życiu codziennym:

• wektorowe: np. prędkość, przyspieszenie, położenie, siła
• skalarne: masa, czas, energia, ładunek elektryczny, praca, gęstość, moc
• tensorowe: tensor momentu bezwładności.

Jak już wiemy, elektronika nie zadziała prawidłowo bez fizyki, a zasady ich działania są jednakowe, więc  wbrew logice i nauce nic nie będzie prawidłowo funkcjonowało. W dziedzinie elektroniki są trzy najważniejsze wielkości fizyczne, które każdy pasjonat elektroniki powinien, a  nawet musi znać. Dzięki temu ułatwi sobie życie, ponieważ wiele wielkości fizycznych jest współzależnych np. prędkość to długość odcinka, którą dzielimy przez czas lub gęstość to jej masa podzielona przez objętość. Z tego powodu można wyłonić pewne podstawowe wielkości fizyczne, których znajomość pozwoli na wyrażenie wszystkich innych wielkości, które nazywają się wielkościami pochodnymi. Aby jednak mieć fundamentalne podstawy, a  tym samym pojęcia o wielkościach fizycznych, które odgrywają istotną rolę w elektronice, skoncentrować się należy na trzech wielkościach:

• prąd
• napięcie
• opór

Omówienie ich pozwoli na zdobycie wiedzy ułatwiającej lawirowanie w świecie elektroniki, jest to dobra nauka dla początkujących, by zdobyć podstawy elektroniki, a kto wie, może to pierwszy krok na drodze do zostania ekspertem w tej dziedzinie.  Nie można zapomnieć o zasilaniu, bez którego powyższe wartości nie miałyby racji bytu. Czym jest zasilanie i jaki rodzaj zasilacza wybrać to również kluczowy parametr do prawidłowego działania urządzeń elektrycznych.

Czym jest prąd?

Niby każdy używa tego słowa i pozornie wie, czym jest prąd, to jednak ma on swoje również złożone oblicze. Definiując prąd to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych, dodatnich lub ujemnych, a ich nośnikami mogą być elektrony lub jony. Już w XVII wieku Otto von Guerickie zauważył przepływ ładunku elektrycznego, czyli odkrył, że połączenie metalową struną ciała naładowanego z ciałem obojętnym powoduje uzyskanie ładunku elektrycznego. Prąd zacznie płynąć wtedy, gdy umożliwimy nośnikom przepływ z jednego punktu do drugiego, oczywiście pod warunkiem, że pomiędzy tymi dwoma punktami istnieje napięcie.  Im więcej będzie nośników, które przepłyną przez połączenie w jednostce czasu, tym większy będzie prąd.

Aby przepływ ładunków był możliwy, musi istnieć pole magnetyczne, które określa kierunek ich ruchu. Przyjęte umownie jest, że kierunkiem prądu jest ten wyznaczony przez ładunki dodatnie, co oznacza, że kierunek ten jest zgodny z kierunkiem wyznaczonym przez pole elektryczne. Upraszczając, można rzec, że jest to kierunek prądu od plusa do minusa.

Jednostką natężenia prądu jest amper, a jego oznaczenie to litera A.  Natomiast do pomiaru prądu służy amperomierz. W zasadzie gdzie się nie obejrzymy, możemy zauważyć prąd np. wszystkie przewody w naszym domu, a także linie wysokiego napięcia. Aby móc naładować nasz telefon również potrzebny jest ruch ładunków elektrycznych, który to umożliwi. Obecnie istnieją już ładowarki, które umożliwiają naładowanie smartfona i bez prądu, ale i te zasilacze kiedyś muszą być naładowane. Także prąd jest w naszym życiu nieocenioną wartością i nikt już nie wyobraża sobie życia bez niego.

Jak prawidłowo dokonać pomiaru natężenia prądu?

Najlepiej najpierw zapoznać się z teorią, tak by nie doszło do zwarcia i nie uszkodzić amperomierza.  Czyli czego nie najlepiej nie robić? Powyższa sytuacja będzie miała miejsce, jeśli podepniemy amperomierz równolegle, czyli tak jak przy pomiarze napięcia. Wtedy w obwodzie wytworzymy zwarcie, co doprowadzi do przepalenia miernika, a co najmniej do przepalenia jego bezpiecznika. Powodem tego zwarcia jest to, że poprzez podłączenie równoległe puściliśmy prąd o bardzo dużym natężeniu i dzieje się to tak szybko, że wyłącznik nadprądowy może nie mieć szansy na wyłączenie.

Co to jest napięcie elektryczne?

Trzeba wiedzieć, że napięcie jest czynnikiem, który powoduje w ogóle przepływ prądu elektrycznego. Czym zatem jest to napięcie? To różnica potencjałów elektrycznych, która występuje pomiędzy dwoma punktami pola elektrycznego lub obwodu elektrycznego. Napięcie elektryczne, które zostało wytworzone, sprawia, że ładunek elektryczny jest przenoszony przez przekaźnik. Upraszczając, można powiedzieć, że napięcie określa siłę, z jaką chcą się do siebie zbliżyć ładunki. Czyli jeśli nie ma napięcia, to nie ma też siły. Natomiast wraz ze wzrostem napięcia, wzrasta i siła. Dla zobrazowania tej sytuacji możemy porównać napięcie do ciśnienia wody w rurach. Jeśli ciśnienie jest niskie, to płynie mało wody, ale jeśli ciśnienie jest wysokie, to woda uderza z impetem w dużej ilości. To samo z prądem i jego napięciem, które przyłożymy do układu. Jednostką napięcia jest wolt, który oznaczony jest literą V. Samo napięcie również możemy podzielić na:

• zmienne

Pojęcie to określa napięcie, który może się zmienić w dowolnym czasie, w dowolny sposób, którego nie sposób przewidzieć. Nie mają one zastosowania w standardowych przypadkach, ponieważ np.  chcesz zrobić gofry, a tu gofrownica najpierw prawie wcale nie grzeje, a chwile później przerabia nasz deser na węgiel, czyli po prostu go spala.

• stałe

Jest to napięcie, które nie zmieni swojej wielkości wraz z upływem czasu, niezależnie od tego ile go upłynie – czy będzie to 5 minut, czy godzina. Ma ono zastosowanie w ładowarkach czy bateriach, które generują napięcie stałe i służą do zasilania laptopów i telefonów.

Jak dokonać pomiaru napięcia?

Aby dokonać pomiaru napięcia elektrycznego, potrzebujemy urządzenia takiego jak woltomierz lub też miernika uniwersalnego. Tutaj najbardziej istotne jest to, że podłączamy np. woltomierz równolegle do obwodu elektrycznego. Dzieje się tak, ponieważ najczęściej dokonuje się pomiaru pomiędzy końcami przewodnika. Aby pomiar był jak najbardziej precyzyjny i solidny, zalecane jest, by dokonywać go na najniższym możliwym poziomie. Uważaj na to, by nie połączyć ze sobą dwóch biegunów baterii przy dokonywaniu pomiaru, ponieważ doprowadzi do zwarcia. Dbaj również o swoje bezpieczeństwo i pamiętaj, że nie jest to zabawka. Nie należy dotykać metalowych końcówek sond pomiarowych i trzymać jedynie plastikowe elementy obudowy. Nie dość, że jest to ryzyko dla naszego życia i zdrowia, to w najlepszym przypadku może podać nieprawidłowy wynik. Mamy już wiedzę na temat prądu i jego napięcia, zatem warto przyjrzeć się kolejnej wielkości fizycznej, jaką jest opór.

Czym jest opór?

Jest to inaczej rezystancja, czyli wielkość, która określa relacje pomiędzy natężeniem a napięciem prądu w obwodach prądu stałego. Bardzo ułatwiając zrozumienie tej definicji, można powiedzieć, że opór elektryczny to  cecha urządzenia lub materiału do przewodzenia prądu, czyli zgodnie z prawem Ohma jest to stosunek napięcia do natężenia. Każdy rodzaj materiału ma swój opór właściwy. Ponadto można wywnioskować, że opór elektryczny to tak jakby przeciwdziałanie przepływu prądu przez element obwodu. Doskonałym przykładem ponownie może być woda, czyli jeśli woda przepływa przez większą rurę, tym opór jest mniejszy, z kolei im mniejsza rura, tym większy opór. Reasumując przewodniki, które mają duży opór, gorzej przewodzą prąd od tych, które mają mały opór. Jednostką, która określa opór, jest om, czyli symbol  W. Czasem jednak stosuje się zamiennie zapis R, tak jak we wzorze, który definiuje rezystancję, czyli inaczej opór:

R = U / I

gdzie:

R – oznacza opór elektryczny

U – oznacza napięcie prądu

I – oznacza natężenie prądu

Skoro wiemy już, czym jest opór, z czego wynika i co go powoduje, to teraz możemy ustalić jego poziom, czyli go po prostu zmierzyć? Jak to zrobić?

Jak dokonać pomiaru oporu?

Przyrządem niezbędnym do pomiaru rezystancji jest omomierz. Dzięki niemu możemy łatwo i szybko dokonać pomiaru oporu elektrycznego. Warto oczywiście zapoznać się z teorią, ponieważ uchroni nas to przed uzyskaniem zafałszowanego wyniku, a także zapewnimy sobie bezpieczeństwo. Bardzo ważną informacją jest to, że pomiar, którego dokonujemy na płytce drukowanej z elementami, musi być wykonywany tylko wtedy, gdy zasilanie urządzenia jest wyłączone. Omomierz działa zgodnie z prawem Ohma. Jako przykład podam pomiar, w którym miernik wystawia na zakresie omomierza napięcie stałe np. o wartości 1 V i dokonuje wtedy pomiaru wartości prądu płynącego przez dany element.  W takiej sytuacji stale napięcie wynosi 1 V, płynący prąd przez ten element wynosi 0,001 A, a wewnętrzne przewody obliczają wartość rezystancji na wyświetlaczu, która wynosi 1000 W. Co jest zgodne ze wzorem prawa Ohma, czyli R = 1 V/ 0,001 A. To jest najprostszy sposób na pomiar omomierza, aczkolwiek trzeba mieć na uwadze, że nie jest on zbyt dokładny. Oprócz użycia omomierza można pokusić się o metodę techniczną pomiary, gdzie należy użyć amperomierza i woltomierza. W tym przypadku należy zbudować obwód, w którym szeregowo połączone zostaną: amperomierz, źródło prądu stałego, a także badany opornik. Jednak jako nauka dla początkujących, badania oporu omomierzem jest zupełnie wystarczające. Skoro znamy już wszelkie wielkości fizyczne, które występują w elektronice, to teraz warto przejść do zasilania urządzeń elektronicznych.

Czym jest zasilanie?

Zasilanie to podstawa działania każdego sprzętu i urządzenia elektrycznego. Po intensywnym użytkowaniu nasz telefon również wymaga naładowania, czy zabawka dla dzieci w pewnym momencie przestaje działać, ponieważ wyczerpały się w niej baterie i trzeba je wymienić na nowe. Jest to dla nas oczywiste, mamy z tym kontakt na co dzień. Aby nie uszkodzić naszego układu elektronicznego, trzeba wiedzieć jakie źródło napięcia do niego podłączyć. Musimy to wiedzieć, ponieważ nie ma takiej sytuacji, że to napięcie, którego potrzebujemy, będzie idealnie dostosowane w naszym napięciu zasilania. Także możemy dokonać nieodwracalnych szkód, jeśli podłączymy wyższe napięcie, niż jest zalecane. Inaczej sytuacja ma się w przypadku użycia niższego napięcia, wtedy nie dojdzie do awarii, ale układ nie zadziała wcale lub zrobi to nieprawidłowo np. Jeśli chcemy zasilić duży silnik z małej bateryjki, to z góry jest to skazane na niepowodzenie. Jak zatem prawidłowo zasilać swoje układy? Jeśli są to dopiero podstawy elektroniki, które zgłębiasz, to zdecydowanie warto zacząć od używania wszelkich baterii lub akumulatorów do zasilania naszych urządzeń. Dysponują one ograniczoną wydajnością prądową oraz zaciskami o niskich napięciach, co uchroni nas przed utratą życia lub zdrowia. Trzeba mieć bowiem świadomość, że prąd elektryczny to potężna siła, z która nie ma żartów i warto małymi krokami zdobywać doświadczenie w sposób bezpieczny dla nas samych.

Wnioski końcowe

Podstawy elektroniki to nie lada gratka, szczególnie jako nauka dla początkujących. Trzeba mieć dużo pokory, cierpliwości i przede wszystkim chęci nauki, a  także rozwoju wiedzy na temat wielkości fizycznych, które mają szerokie zastosowanie w elektronice tj. prąd, napięcie oraz opór elektryczny. Aby zająć się praktyka i doświadczeniami na tym polu, najpierw kluczowe jest zapoznanie się z teorią funkcjonowania i działania wszelkich mierników, układów oraz zjawisk fizycznych z tym związanych. Należy pamiętać również o swoim bezpieczeństwie. Życzymy powodzenia w nauce i testowaniu nowych rozwiązań.