Problem z definiowaniem pojęć podstawowych pojawia się zawsze, gdy próbujemy zrozumieć elektryczność. Co ciekawe — nawet jeśli ktoś kiedyś nauczył się poprawnych definicji, to po czasie, przy ponownym pytaniu o „co to właściwie jest prąd albo napięcie”, zaczyna kluczyć, jakby chodziło o jakąś wiedzę tajemną.
W naukach przyrodniczych definiowanie ma dwa oblicza — operacyjne i pośrednie, albo mówiąc prościej: pierwotne i wtórne. To właśnie katalog pojęć pierwotnych wyznacza granice naszego rozumienia zjawisk.
Prąd elektryczny — zjawisko czy wielkość?
Na pytanie „co to jest prąd elektryczny?” uczniowie potrafią odpowiedzieć w miarę sensownie — najczęściej powtarzając wyuczoną formułkę: „uporządkowany ruch ładunków elektrycznych”. Dobrze, ale bez zrozumienia.
W różnych podręcznikach (także w mojej książce Elektronika dla informatyków) znajdziemy rozwinięcie, czym ten „uporządkowany ruch” jest w szczegółach. Na razie jednak zostawmy fizykę w spokoju — wystarczy, że po drodze zdefiniujemy kilka wielkości fizycznych, które pojawiają się w tytule.
Dygresja na marginesie (gdyby margines był)
Elektronicy mają zwyczaj mówić skrótowo: „prąd wynosi tyle i tyle”. Poprawnie powinno się mówić: natężenie prądu elektrycznego wynosi… Jasne — skrót jest praktyczny, żargon się przyjął i nikomu to nie przeszkadza, ale warto mieć świadomość, że prąd to zjawisko, a jego miarą jest natężenie.
Pojęcie ładunku — nasz punkt wyjścia
W zacytowanej definicji pojawia się pojęcie „ładunku”. I to właśnie ono jest aksjomatyczne — jedno z tych, które przyjmujemy bez próby zdefiniowania. Można powiedzieć, że to jedno z pojęć, z którymi się po prostu „rodzimy”.
Wyobraźmy sobie ładunek jako coś bardzo małego — może nawet jako kulkę. Jeśli takich kulek (czyli elektronów) przez przewodnik przepłynie określona ilość w określonym czasie, to możemy powiedzieć, że przez przewodnik płynie prąd.
Definicja robocza: Natężenie prądu to ilość ładunku, która przepływa przez przekrój przewodnika w jednostce czasu.
Napięcie — skąd się bierze sens
Najczęstsza odpowiedź na pytanie „co to jest napięcie?” brzmi: „różnica potencjałów”. I tu rozmowa się kończy. Problem w tym, że to stwierdzenie bez wyjaśnienia nic nie tłumaczy. Bo od razu nasuwa się kolejne pytanie: „a co to właściwie jest potencjał?”.
Tu wychodzi na jaw, że nasz zestaw pojęć pierwotnych jest zbyt ubogi. Oprócz ładunków musimy wprowadzić jeszcze jedno, mniej „namacalne” pojęcie — pole. Pole nie jest kulką — to coś, co istnieje wokół ładunków i umożliwia im wykonywanie pracy. Ładunek w polu ma więc potencjał — możliwość wykonania pracy.
Definicja z sensem fizycznym: Napięcie to praca wykonana przez jednostkowy ładunek podczas przemieszczania się między dwoma punktami o różnych potencjałach.
Czy ta wiedza jest potrzebna elektronikowi?
Żeby „obsługiwać” elektrotechnikę — może niekoniecznie. Ale żeby rozumieć, dlaczego coś działa tak, a nie inaczej — zdecydowanie tak.
Mało który elektronik potrafi zbudować teorię pasmową od funkcji falowej swobodnego elektronu. I dobrze. Do pracy z obwodami wystarczy rozumienie charakterystyk makroskopowych — tego, jak elementy się zachowują, a nie dlaczego w środku mają taką strukturę pasmową.
Przykład: charakterystyka prądowo-napięciowa diody mówi o niej wszystko, niezależnie od tego, czy jest tam jakieś złącze, czy nie.
Przyczyna i skutek
Na początku wystarczy intuicja: napięcie to przyczyna, prąd to skutek. To nie wytrych, tylko praktyczne podejście.
Sens tych wielkości nadaje dopiero zrozumienie praw, które je łączą — Ohma i Kirchhoffa (czytaj raczej Kirśhoffa niż Kirhoffa — takie niemieckie ś 😉).
Skąd się biorą te prawa?
- I prawo Kirchhoffa wynika z zasady zachowania ładunku,
- II prawo Kirchhoffa — z potencjalności pola elektrycznego,
- Prawo Ohma — to empiryczne spostrzeżenie: są materiały, w których elektron ma w modelu statystycznym stałą ruchliwość.
Co naprawdę trzeba wiedzieć
Elektronik nie musi wiedzieć, czym jest elektron ani dziura. Jeśli zostaje zmuszony do schodzenia na tak niski poziom, to znaczy, że gdzieś w projekcie coś poszło nie tak (wyjątkiem są osoby projektujące nowe struktury półprzewodnikowe — to już domena fizyki i inżynierii materiałowej).
W praktyce dla elektryków i elektroników pojęcia napięcia i natężenia prądu mają charakter pierwotny. W większości zastosowań prąd traktujemy jako ciągły, a nie jako sumę elementarnych ładunków.
Jeszcze większa ścisłość (dla formalistów)
W fizyce mamy dwie grupy wielkości:
- Podstawowe — definiowane operacyjnie (przez wzorzec i sposób pomiaru),
- Pochodne — określane relacjami między innymi wielkościami.
W układzie SI podstawowych wielkości jest siedem. W elektrodynamice potrzebujemy trzech mechanicznych (długość, masa, czas) i jednej elektrycznej — natężenia prądu.
Amper jest jednostką podstawową (współcześnie powiązaną ze stałą elementarnego ładunku). Wolt to jednostka pochodna: 1 V = 1 W / A = 1 J / C.
Podsumowanie
Wiedza o ładunku, prądzie i napięciu nie jest po to, by komplikować życie elektronikowi. Jest po to, by zrozumieć sens tego, co mierzymy, symulujemy i projektujemy.
Nie trzeba znać funkcji falowej elektronu, żeby używać prawa Ohma. Ale warto pamiętać, że za każdym 1 V kryje się możliwość wykonania pracy, a za każdym 1 A — strumień ładunku, który tę pracę może wykonać.
Masz pytanie albo chcesz dorzucić swoją intuicję? Zostaw komentarz — Pracownia Elektroniki żyje z rozmowy, nie z formułek.