Spis treści:
- 1 Podstawy elektroniki – prąd, opór, napięcie, zasilanie
- 2 Parametry opisujące obwody elektryczne i układy elektroniczne
- 3 W jakim celu opisuje się obwody za pomocą wielkości elektrycznych?
- 4 Ładunek elektryczny
- 5 Napięcie, prąd i rezystancja w zarysie ogólnym
- 6 Napięcie elektryczne – ciśnienie działające na nośniki ładunku elektrycznego
- 7 Prąd
- 8 Opór
- 9 Prawo Ohma
- 10 Prawo Ohma w praktyce
- 11 Podstawowe wielkości elektryczne przez pryzmat hydrostatyki
Podstawy elektroniki – prąd, opór, napięcie, zasilanie
Każdy układ elektroniczny i elementy go współtworzące opisują odpowiednie wielkości, które można zmierzyć i obliczyć.
Parametry opisujące obwody elektryczne i układy elektroniczne
Niniejszy artykuł opisuje podstawowe wielkości elektryczne, takie jak prąd, napięcie, rezystancję, analogię tych wielkości w hydrostatyce i relacje pomiędzy tymi wielkościami w ujęciu teoretycznym i praktycznym.
W jakim celu opisuje się obwody za pomocą wielkości elektrycznych?
Kiedy poznajemy od początku świat obwodów elektrycznych i układów elektronicznych, warto opanować podstawy, które pomagają zrozumieć zjawiska zachodzące w tych systemach. Opis parametrów obwodów elektrycznych opiera się na takich trzech wielkościach, jak prąd, napięcie i rezystancja. Tych wielkości nie jesteśmy w stanie oszacować wzrokowo jak np. odległości pomiędzy dwoma przedmiotami fizycznymi. Zarówno w przypadku telefonu komórkowego zasilanego z akumulatora, jak i wyładowania atmosferycznego mamy do czynienia z przepływem prądu. Choć w drugim przypadku przepływ prądu jest widoczny jako silnie zjonizowane powietrze przewodzące ładunek elektryczny, nie można jednoznacznie stwierdzić, ile wynosiła wartość prądu przy uderzeniu pioruna. W warunkach laboratoryjnych wartości wielkości elektrycznych mierzy się z wykorzystaniem odpowiednich aparatur pomiarowych, m.in. multimetrów, oscyloskopów czy analizatorów widma. Na podstawie wykonanych pomiarów możemy bezpośrednio i pośrednio wyznaczyć wartości wielkości, które nas interesują. W ten sposób możemy zbadać odpowiedź układu w określonych warunkach.
Ładunek elektryczny
Prąd elektryczny, jaki znamy, jest w istocie uporządkowanym ruchem nośników ładunku elektrycznego. Rodzaj nośników może się różnić w zależności od własności fizykochemicznych medium, w którym zachodzi przepływ prądu elektrycznego. W przewodnikach, np. metalach takich jak miedź czy żelazo, nośnikami są elektrony, w półprzewodnikach – elektrony i dziury elektronowe, w gazach – jony i elektrony, a w cieczach – jony. Otaczające nas urządzenia elektryczne i elektroniczne, takie jak żarówki, wzmacniacze audio, telefony, komputery czy pralki, w istocie działają dzięki przemieszczaniu się nośników ładunku elektrycznego.
Napięcie, prąd i rezystancja w zarysie ogólnym
Do opisu zjawisk w obwodach elektrycznych używamy trzech podstawowych wielkości. Są nimi:
- napięcie – różnica potencjałów pomiędzy dwoma punktami w obwodzie;
- prąd – wartość określająca ilość ładunku elektrycznego przepływającego przez przewodnik w jednostce czasu;
- rezystancja – parametr wynikający z geometrii i rezystywności przewodnika, który określa jego tendencje do tłumienia przepływu przezeń prądu elektrycznego.
Omawiając te wielkości, będziemy posiłkować się ruchem nośników ładunku elektrycznego. Aby jednak doszło do przemieszczenia ładunku elektrycznego, czyli przepływu prądu elektrycznego, obwód musi być zamknięty.
Napięcie elektryczne – ciśnienie działające na nośniki ładunku elektrycznego
Napięcie elektryczne to różnica potencjałów elektrycznych występująca pomiędzy dwoma określonymi punktami w obwodzie elektrycznym i jest ono rezultatem pracy wykonanej przez ładunek elektryczny. Zarówno napięcie, jak i potencjał są wielkościami mierzonymi w woltach – nazwa jednostki pochodzi od włoskiego naukowca Alessandra Volty, który zasłynął wynalezieniem pierwszej baterii elektrycznej, tzw. stosu Volty. Aby opisać napięcie, prąd i rezystancję w odniesieniu do mechaniki płynów, przystępną analogią będą zjawiska fizyczne w prostym zbiorniku z wodą.
W tym przypadku ilość zgromadzonej wody reprezentuje ilość ładunku elektrycznego, ciśnienie hydrostatyczne wywierające parcie na wodę – napięcie, a przepływ wody – przepływ prądu elektrycznego. Jeśli zbiornik z wodą z dołączoną do niej rurą zakrzywioną w kolanko pod kątem prostym ustawimy na równym podłożu, ciśnienie wywierane na ciecz (wodę) będzie powodowało przemieszczanie się jej cząsteczek ze zbiornika do kolanka. Im większa ilość wody zgromadzonej w zbiorniku, tym większa ilość zgromadzonego ładunku elektrycznego. Zbiornik z wodą można więc potraktować jako baterię elektryczną. Ciśnienie na końcu węża może reprezentować napięcie. Woda w zbiorniku reprezentuje ładunek elektryczny. Im więcej wody w zbiorniku, im wyższy ładunek, tym większe ciśnienie mierzone na końcu węża. Możemy myśleć o tym zbiorniku jak o baterii, w której przechowujemy określoną ilość energii, a następnie ją uwalniamy. Jeśli opróżnimy zbiornik o określoną ilość ładunku, ciśnienie wytworzone na końcu węża spada. Możemy myśleć o tym jak o zmniejszeniu napięcia, podobnie w przypadku przygasającej latarki, gdy baterie się wyczerpują. Zmniejsza się również ilość wody, która przepłynie przez wąż. Mniejsze ciśnienie oznacza, że przepływa mniej wody, co prowadzi do mniejszej ilości prądu. Możemy myśleć o ilości wody przepływającej przez wąż ze zbiornika jak o prądzie. Im wyższe ciśnienie, tym wyższy przepływ i na odwrót.
Prąd
Za pomocą wody mierzyliśmy objętość wody przepływającej przez wąż przez określony czas. Za pomocą energii elektrycznej mierzymy ilość ładunku przepływającego przez obwód w określonym czasie. Prąd jest mierzony w amperach. Jeden amper jest definiowany jako 6,241*10^18 elektronów (1 kulomb) na sekundę przechodzących przez punkt w obwodzie. Prąd jest oznaczany w obliczeniach literą „I”. Załóżmy teraz, że mamy dwa zbiorniki, każdy z wężem wychodzącym z dna. Oba zbiorniki mają dokładnie taką samą ilość wody, ale wąż w jednym zbiorniku jest węższy niż wąż w drugim. Mierzymy taką samą wartość ciśnienia na końcu każdego węża, ale gdy woda zacznie płynąć, natężenie przepływu wody w zbiorniku z węższym wężem będzie mniejsze niż natężenie przepływu wody w zbiorniku z szerszym wężem. Pod względem elektrycznym prąd płynący przez węższy wąż jest mniejszy niż prąd płynący przez szerszy wąż. Jeśli chcemy, aby przepływ był taki sam przez oba węże, musimy zwiększyć ilość wody (napełnienia) w zbiorniku z węższym wężem. Zwiększa to ciśnienie (napięcie) na końcu węższego węża, przepychając więcej wody przez zbiornik. Jest to analogiczne do wzrostu napięcia, który powoduje wzrost prądu. Teraz można dostrzec związek między napięciem a prądem.
Opór
Należy jednak wziąć pod uwagę trzeci czynnik: szerokość węża. W tej analogii szerokość węża to opór. Oznacza to, że do naszego modelu musimy dodać kolejny termin, posługując się analogią hydrostatyczną: woda to ładunek (mierzony w kulombach), ciśnienie to napięcie (mierzone w woltach), przepływ to prąd (mierzony w amperach), szerokość węża to rezystancja (mierzona w omach). Rozważmy jeszcze raz nasze dwa zbiorniki na wodę, jeden z wąską rurą, a drugi z szeroką rurą. Przy tym samym ciśnieniu nie zmieścimy tak dużej objętości przez wąską rurę jak przez szerszą. To jest opór. Wąska rura „opiera” przepływ wody przez nią, mimo że woda ma takie samo ciśnienie jak zbiornik z szerszą rurą. Pod względem elektrycznym jest to reprezentowane przez dwa obwody o równych napięciach i różnych rezystancjach. Obwód o wyższej rezystancji pozwoli na przepływ mniejszej ilości ładunku, co oznacza, że przez obwód o wyższej rezystancji przepływa mniej prądu. To prowadzi nas z powrotem do definicji rezystancji, w której jednostką rezystancji jest jeden om, jako opór elektryczny występujący pomiędzy dwoma punktami w przewodniku, w którym przyłożenie napięcia jednego wolta spowoduje przepływ prądu o natężeniu jednego ampera, czyli 6,241×10^18 elektronów.
Prawo Ohma
Łącząc elementy napięcia, prądu i rezystancji, Georg Simon Ohm opracował wzór:
gdzie:
U – napięcie w woltach;
I – prąd w amperach;
R – rezystancja w omach.
Taką zależność nazywa się prawem Ohma. Załóżmy na przykład, że mamy obwód o potencjale 1 V, prądzie 1 A i rezystancji 1 Ω. Korzystając z prawa Ohma, możemy stwierdzić, że:
1V = 1A * 1Ω
Załóżmy, że mamy zbiornik z szerokim wężem. Ilość wody w zbiorniku określa się jako jeden wolt, a „wąskość” (opór przepływu wody) węża określa się jako jeden om. Używając prawa Ohma, daje nam to przepływ wody (prąd) w wysokości jednego ampera. Korzystając z tej analogii, spójrzmy teraz na zbiornik z wąskim wężem. Ponieważ wąż jest węższy, jego opór przepływu jest wyższy. Zdefiniujmy ten opór jako dwa omy. Ilość wody w zbiorniku jest taka sama jak w drugim zbiorniku, więc korzystając z prawa Ohma nasze równanie dla zbiornika z wąskim wężem to:
1V = ?A * 2Ω
Po przekształceniu (I=U/R) uzyskujemy prąd:
1V = 0.5A * 2Ω
Tak więc wskutek zwężenia drogi przepływu wody prąd w zbiorniku jest mniejszy, a rezystancja jest większa. Teraz widzimy, że jeśli znamy dwie wartości prawa Ohma, możemy znaleźć trzecią.
Prawo Ohma w praktyce
Prawo Ohma można zaobserwować także w praktyce, posługując się prostymi obwodami elektrycznymi zbudowanymi z zaledwie kilku elementów! W tym eksperymencie użyjemy 9-woltowej baterii do zasilania diody LED. Diody LED są delikatne i może przez nie przepływać prąd o ograniczonym natężeniu, ponieważ istnieje wysokie ryzyko ich przepalenia. Maksymalny prąd przewodzenia diody LED jest zwykle zawarty w jej dokumentacji.
Do wykonania naszego eksperymentu będziemy potrzebowali następujących elementów
- Bateria 9V;
- Rezystor 560R;
- Dioda LED;
- Multimetr cyfrowy
Należy pamiętać, że diody LED nie zachowują się tak samo, jak rezystory. Są one elementami półprzewodnikowymi. Oznacza to, że równanie prądu płynącego przez samą diodę LED nie jest tak proste, jak standardowe prawo Ohma, tj. U = I*R. Dioda LED wprowadza do obwodu spadek napięcia, zmieniając w ten sposób ilość przepływającego przez niego prądu.
Jednak w tym eksperymencie staramy się po prostu zabezpieczyć diodę LED przed przetężeniem, więc pominiemy charakterystykę prądową diody LED i wybierzemy wartość rezystancji rezystora, używając prawa Ohma, aby mieć pewność, że prąd płynący przez diodę LED jest bezpieczny i nie przekracza wartości 20 mA. W tym przykładzie mamy baterię 9 V i czerwoną diodę LED o prądzie znamionowym 20 mA. Dla bezpieczeństwa nie zasilamy diody LED maksymalnym prądem, ale jej sugerowanym prądem, który jest wymieniony w nocie aplikacyjnej jako ok. 18 mA. Jeśli podłączymy diodę LED bezpośrednio do baterii, wartości prądu dla prawa Ohma wyglądają tak:
U = I * R
Stąd:
I = U / R
Jeśli w obwodzie nie mamy rezystancji, to wtedy:
I = 9 V / 0 R
Dzielenie przez zero daje nam nieskończony prąd! W praktyce otrzymujemy nie nieskończony, ale tyle prądu, ile może dostarczyć bateria. Oznacza to, że przez diodę LED może przepłynąć bardzo duży prąd, który na pewno ją uszkodzi. Ponieważ nie chcemy, aby przez naszą diodę przepływało tak dużo prądu, będziemy potrzebować rezystora. Możemy użyć prawa Ohma, aby określić wartość rezystancji rezystora, która da nam pożądaną wartość prądu:
R = U * I
Podstawiając wartości do wzoru:
R = 9 V * 0,018 A
Obliczona rezystancja wynosi:
R = 500 R
Tak więc potrzebujemy rezystora o wartości ok. 500 R, aby utrzymać prąd przez diodę LED poniżej maksymalnego prądu znamionowego. 500 R nie jest powszechną wartością dla standardowych rezystorów, więc możemy zastosować rezystor 560 omów. Co więcej, korzystanie z rezystora o nieco wyższej rezystancji niż wymagana może nieco osłabić jasność światła diody LED, ale na pewno jej nie uszkodzi. Jeśli zależy nam na precyzji, rezystor możemy zastąpić potencjometrem.
Podstawowe wielkości elektryczne przez pryzmat hydrostatyki
Zademonstrowanie w niniejszym artykule podstawowych wielkości stosowanych w elektronice w postaci analogii do hydrostatyki ma za zadanie pomóc w zrozumieniu tego, w jaki sposób płynie prąd w obwodach elektrycznych. Jednym z najłatwiejszych sposobów jest przedstawienie mechanizmów przepływu cieczy, które pozwalają gołym okiem zobaczyć, jak płyną ciecze w zależności od warunków geometrycznych naczyń. Posługując się taką analogią, można pod lupą przedstawić, w jaki sposób płynie prąd w obwodach elektrycznych i zademonstrować prawo Ohma. Artykuł jednak nie wyczerpuje tematu elektryczności i należy go traktować jedynie jako jego przybliżenie. W przypadku obwodów prądu zmiennego, które dodatkowo mogą zawierać elementy reaktancyjne (tj. indukcyjne i pojemnościowe), mechanizm przepływu prądu i rozkładu napięć jest bardziej rozbudowany i wymagałby obszerniejszego wytłumaczenia niż poprzez analogię do mechanizmów przepływu cieczy.
