Prąd elektryczny - co to właściwie jest?

Prąd elektryczny, elektryczność- pojęcia niby dobrze nam znane. Przecież na co dzień mamy do czynienia z prądem, a elektryczność wprost nas otacza. Nie tylko jest wytwarzana w elektrowniach, lecz występuje także w przyrodzie (np. błyskawice; działanie komórek nerwowych organizmów opiera się na przepływie prądu). Jednak czy kiedykolwiek zastanawialiśmy się, czym jest i skąd się bierze „rzecz”, bez której nie wyobrażamy sobie normalnego funkcjonowania?

I Co to jest prąd?
Przepływ ładunku elektrycznego zaobserwował po raz pierwszy około 1663 roku niemiecki uczony Otto von Guericke. Zauważył on, że ciało obojętne połączone struną metalową z ciałem naładowanym zyskuje ładunek elektryczny. Tak więc prąd elektryczny to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych. Ładunki elektryczne to zwykle cząsteczki, które potrafią wytwarzać pole elektryczne. Prąd tworzyć mogą zarówno ładunki dodatnie, jak i ujemne. Wszystkie atomy i cząsteczki w naszym otoczeniu są w nieustannym ruchu. ten ruch, bez względu na to , czy atomy są naładowane, czy nie, jeszcze nie tworzy prądu. Wynika to z faktu, że średnio tyle samo cząsteczek naładowanych porusza się np. w lewą, co i w prawą stronę i całkowity bilans „wychodzi na zero”. Prąd pojawia się dopiero wtedy, gdy w tym ruchu chaotycznym zostaje wyróżniony jakiś kierunek, preferujący poruszanie się w jakąś stronę. Umowny kierunek prądu przyjmuje się jako od ładunku dodatniego do ładunku ujemnego. W rzeczywistości poruszające się ładunki elektryczne mają niekiedy dość odległy związek z umownym kierunkiem prądu. Faktycznie ujemnie naładowane elektrony płyną przez obwód w odwrotnym kierunku, od ujemnego do dodatniego ładunku.

Może tu wystąpić kilka przypadków:
- w metalach nośnikami prądu są elektrony, więc kierunek ich dryfu (decydujący o przepływie prądu) jest dokładnie przeciwny do umownego;
- w elektrolitach nośnikami prądu mogą być jony- zarówno dodatnie jak i ujemne. Jony te poruszają się w przeciwne strony, jednak prądy, jakie są z nimi związane dodają się, bo prąd jonów ujemnych jest traktowany jako przeciwny do ich ruchu;
- w półprzewodnikach nośnikami mogą być zarówno ujemne elektrony, jak i dodatnie dziury. Występuje tu sytuacja podobna do sytuacji w elektrolitach- dziury tworzą prąd zgodny z ich kierunkiem ruchu, prąd elektronowy jest przeciwny do ruchu ładunków go tworzących;
- ładunki poruszające się w próżni też mogą tworzyć prąd- np. wiązka elektronów w lampie kineskopowej biegnie od działa elektronowego do ekranu. Tutaj też, z racji że elektrony są ujemne, prąd tej wiązki płynie od ekranu do działa elektronowego.

Ogólna zasada jest więc następująca:
- jeśli nośnikami prądu są ładunki dodatnie, to umowny kierunek prądu jest zgodny z kierunkiem ich ruchu uporządkowanego;
- jeśli nośnikami prądu są ładunki ujemne, to umowny kierunek prądu jest przeciwny do kierunku ich ruchu uporządkowanego.

Prąd elektryczny przepływa przez niektóre substancje, a przez niektóre nie. Materiały, które przewodzą prąd elektryczny to przewodniki. Dobrymi przewodnikami są metale: srebro, złoto, miedź i inne metale. Najlepsze przewodniki nazywamy nadprzewodnikami. Mogą one przewodzić prąd nawet w bardzo niskich temperaturach. Z kolei materiały, przez które prąd nie przepływa (drewno, guma, plastik, materiały ceramiczne) to izolatory. Używa się ich do zapobiegania niechcianemu przepływowi prądu elektrycznego. Istnieją też półprzewodniki- materiały, których opór elektryczny jest niższy niż opór izolatora, ale większy niż przewodnika (german, krzem).

II Otrzymywanie prądu elektrycznego
Elektryczność pojawia się wtedy, gdy do przewodnika jest stale dostarczana energia, co zapobiega hamowaniu ruchu ładunków wywołanemu oporem elektrycznym przewodnika. Urządzenie wytwarzające elektryczność nazywamy generatorem. Maszynami takimi są silniki, prądnice i baterie.

Wynalazku silnika elektrycznego dokonano w 1831 roku. Fakt ten zawdzięczamy genialnemu eksperymentatorowi Maykelowi Faradayowi. Mechanizm działania silnika polega na przetwarzaniu energii elektrycznej na energię mechaniczną. Zasadniczym elementem budowy silnika elektrycznego prądu stałego jest magnes i ramka wykonana z drutu. Jeżeli ramkę przyłączymy do źródła prądu stałego, na jej dwa boki znajdujące się w polu magnetycznym magnesu, będą działały siły elektromagnetyczne. Tworzą one parę sił, która wywołuje moment siły. Ten moment pary sił wywołuje obrót ramki wokół osi zaznaczonej na rysunku linią przerywaną. (Na boki ramki równoległe do linii pola magnetycznego nie działa żadna siła elektrodynamiczna).
W miarę zmiany położenia ramki moment siły staje się coraz mniejszy, maleje bowiem odległość między kierunkiem siły a osią obrotu, ramię siły. Gdy płaszczyzna ramki będzie prostopadła do kierunku wyznaczonego przez wektor indukcji pola magnetycznego, moment siły będzie równy zeru. Aby ramka mogła się obracać dalej, musimy wyprowadzić ją z położenia równowagi i zarazem zmienić kierunek prądu, by moment siły obracał ramkę w tym samym kierunku. W tym celu końce ramki łączymy z dwiema odizolowanymi pierścienia stykowego, zwanego komutatorem.
Prąd do ramki jest doprowadzany przez szczotki, ślizgające się po pierścieniu. W chwili, gdy szczotki trafią na izolator, prąd w ramce przestaje płynąć. Dalszy obrót prowadzi do zmiany kierunku prądu w ramce, a powstający w wyniku jego przepływu moment siły powoduje obrót ramki w tym samym kierunku. Aby silnik działał w sposób ciągły, należy dodać drugą ramkę, prostopadłą do omawianej poprzednio. Wówczas w każdym położeniu będzie istniał różny od zera moment siły powodujący jej obrót.

Silniki, z jakimi mamy do czynienia w praktyce, zamiast pojedynczych ramek mają uzwojenie złożone z wielu ramek i znacznie bardziej skomplikowane komutatory, ale zasada ich działania jest taka sama.

Działanie prądnicy opiera się na wykorzystaniu zjawiska indukcji elektromagnetycznej (wzbudzanie prądu elektrycznego w obwodzie w skutek zmian pola magnetycznego). Magnesy lub elektromagnesy prądnicy wytwarzają pole magnetyczne. W tym polu znajduje się wirnik z uzwojeniem. Gdy wirnik obraca się, to w jego uzwojeniu indukuje się prąd elektryczny. Prąd ten przez pierścienie i szczotki płynie do odbiorników.

W bateriach prąd elektryczny wytwarzany jest przez znajdujące się w ich środku substancje chemiczne. Wewnątrz baterii znajdują się dwie metalowe części, każda pokryta
specjalną substancją chemiczną. Kiedy bateria połączona jest z urządzeniem, które ma zasilić, substancje te reagują ze sobą, wytwarzając naelektryzowane cząsteczki. Ładunki ujemne gromadzą się z jednej strony baterii, z dodatnie z drugiej. Następnie strumień ładunków ujemnych przepływa przez urządzenie i powraca do baterii. Dopóki ten strumień płynie, urządzenie będzie działać.
rodzaj baterii zależy od typu metalu i substancji chemicznych, które znajdują się w ich wnętrzu. W najpopularniejszych bateriach wykorzystuje się cynki i węgiel, inne zawierają lit, kadm, nikiel lub ołów. Tworzy się wciąż nowe rodzaje baterii.

Elektryczność obecna w naszych domach wytwarzana jest w elektrowniach. Często energią pierwotną jest ciepło pochodzące ze spalania paliw kopalych takich jak węgiel, ropa naftowa czy gaz ziemny. Spalanie służy do wytwarzania pary napędzającej turbiny generatorów. Alternatywnym źródłem energii pierwotnej może być reaktor jądrowy, który dostarcza ciepła do wytwarzania pary do turbin parowych. Spadająca woda, często piętrzona zaporą, może być wykorzystana do obracania turbin wodnych i napędzania generatorów. Na znacznie mniejszą skalę, paliwo może być spalane bezpośrednio w silnikach turbinowych, dostarczających mocy generatorom.

Trudno powiedzieć, czy i jak współczesne społeczeństwa zmniejszą swoje uzależnienie od energii elektrycznej. Ze względu na ograniczone złoża paliw, obawy przed korzystaniem z energii jądrowej i problemy ze składowaniem odpadów z elektrownii jądrowych wciąż poszukuje się nowych sposobów wytwarzania energii elektrycznej. Obejmuje to tak zwane alternatywne, odnawialne źródła energii, jak na przykład: energia słoneczna, siła wiatru i pływy oceaniczne.

Energię elektryczną można otrzymać z energii świetlnej i cieplnej. Może być ona także wytworzona z energii mechanicznej, bez wykorzystania zjawisk elektromagnetycznych takich, jakie zachodzą w prądnicy czy alternatorze. Gdy światło lub inny rodzaj promieniowania elektromagnetycznego pada na metal, to z jego powierzchni zostają wyemitowane elektrony. Zjawisko to nosi nazwę efektu fotoelektrycznego, zaś elektrony mogą być skierowane do anody i wytworzyć w obwodzie prąd elektryczny. Efekt fotoelektryczny zachodzi, gdy padające światło ma dostateczną energię (częstotliwość), aby wybić elektrony z atomów metalu.

Termoelektryczność, czyli powstanie elektryczności z energii cieplnej, pojawia się po połączeniu w pętlę końców dwóch przewodów z różnych metali i trzymanie złącz w różnych temperaturach. Prąd przepływający przez przewód w próżni rozgrzewa go i przewód zaczyna emitować strumienie elektronów. Efekt ten zwany jest termoemisją.
Igła adaptera zaopatrzona jest w mały kryształ, zwykle diament lub szafir. Gdy płyta obraca się, siły mechaniczne wprawiają kryształ w drgania wywołane strukturą rowków. Siły te „ściskają” kryształ, generując niewielki prąd elektryczny. Ten sposób wytwarzania elektryczności, zwany pizoelektrycznością, bierze się stąd, że przeciwległe płaszczyzny odkształconego kryształu gromadzą przeciwne ładunki elektryczne i pojawia się przepływ elektronów.

III Elementy prądu elektrycznego
Na prąd elektryczny składają się „składniki: takie jak”

Natężenie - jest to wielkość skalarna , definiowana jako stosunek ładunku przepływającego przez przekrój poprzeczny przewodnika od czasu w jakim on przepłynął. Można to wyrazić wzorem:
I=q/t gdzie: I- natężenie prądu
q- przenoszony ładunek elektryczny
t- czas

Jednostką natężenia są ampery - A. Jeden amper to 1 kulomb na sekundę (1A=1C/s) i odpowiada prądowi przenoszącemu w ciągu jednej sekundy ładunek jednego kulomba.

Napięcie - jest różnicą potencjałów między dwoma punktami obwodu (układu).
Wyrażamy je wzorem:
U=W/q gdzie: U- napięcie
W- praca
q- ładunek elektryczny

Jednostką napięcia jest V - wolt (1V=1J/C). Napięcie jest ważną wielkością charakteryzującą źródło prądu elektrycznego. Wynika to z faktu, że większość stosowanych źródeł prądu to źródła stałonapięciowe- czyli takie, które mimo zmiany odbiornika prądu na inny, zachowują wartość wytwarzanego napięcia. Przykładami takiego źródła są między innymi ogniwa (bateryjki, akumulatory) zasilające latarki, akumulatory, czy przenośny sprzęt audio. Także większość stacjonarnego sprzętu audio działa w oparciu o prąd czerpany ze źródła stałonapięciowego (bo takim źródłem jest zasilacz stabilizowany prądu).Pojęciem ściśle związanym z napięciem jest siła elektromotoryczna. Bo siła elektromotoryczna to taki szczególny rodzaj napięcia odnoszący się do źródła prądu.
Weźmy na przykład najprostszy obwód z prądem, tym razem uzupełnionemu o woltomierz mierzący napięcie jakie wytwarza źródło prądu i włącznik, który pozwoli nam na porównanie sytuacji przed i po zamknięciu obwodu. W idealnym przypadku napięcie produkowane przez źródło prądu jest stałe, niezależnie od tego, jaki opornik (o dużym, czy małym oporze) jest podłączony. Jednak ideał ten jest nieosiągalny. W rzeczywistości, po podłączeniu do obwodu opornika, który pobiera dużo prądu, źródło „nie wyrabia się” i zmniejsza nieco napięcie dawane do dyspozycji odbiornikowi.
Oznacza to, że po zamknięciu włącznika, woltomierz wykaże zmniejszenie wskazywanego napięcia:
„Czyste” napięcie źródła, czyli mierzone w sytuacji, gdy źródło nie produkuje energii elektrycznej, nazwane jest siłą elektromotoryczną. Inaczej mówiąc siła elektromotoryczna ogniwa jest napięciem na zaciskach ogniwa otwartego (do którego nie podłączonego odbiornika).

Rezystancja - inaczej opór elektryczny- jest to stosunek napięcia do natężenia prądu. Jest odwrotnością przewodnictwa. Możemy go obliczyć, posługując się wzorem:
R=U/I gdzie: R- rezystancja- opór
I- natężenie
U- napięcie między końcami przewodnika
Jednostką oporu jest 1om. Oznacza się go grecką literą „omega”- Ω (1Ω=1V/A).

Prąd elektryczny, jak wszystko w przyrodzie, ma swoje prawa. Oto Lilka z nich:

Prawo Ohma - prawo mówiące, że prąd płynący w przewodniku metalowym utrzymywanym w stałej temperaturze jest wprost proporcjonalny do różnicy potencjałów (napięcia) pomiędzy jego końcami. Gdy napięcie wzrasta 2-krotnie, wtedy wywołany tym napięciem przepływ prądu też osiągnie natężenie 2 razy większe. Prawo Ohma jest spełniane przez część materiałów- głównie przez metale i materiały ceramiczne. Jest to prawo materiałowe (nie uniwersalne), co oznacza, że sprawdza się tylko dla niektórych materiałów- substancji. Poza tym prawo to jest słuszne tylko w określonych napięciach i przy ustalonych warunkach zewnętrznych. Prawo Ohma możemy również stosować dla ogniw. Opisuje ono sytuację, w której do ogniwa sile elektromotorycznej (E) i oporze wewnętrznym (r) podłączony jest pojedynczy opornik (odbiornik) zewnętrzny o oporze R.

W takiej sytuacji natężenie płynącego prądu wyraża się wzorem:
I=E/R+r gdzie: I- natężenie prądu w obwodzie
R- wartość oporu zewnętrznego
r- wartość oporu wewnętrznego ogniwa

I prawo Kirchhoffa - mówi, że suma prądów dopływających do węzła obwodu musi być równa sumie prądów wypływających z tego węzła.
I1+I2+I3=I4+I5+I6
Jest ono oparte na prawie zachowania ładunku elektrycznego; ponieważ w węźle nie może powstać ani ulec zniszczeniu żaden ładunek, to strumień ładunków (prąd) wypływający z rozgałęzienia musi być taki sam, jak prąd wpływający do tego węzła.

II prawo Kirchhoffa - jest uzupełnieniem pierwszego. Oba te prawa łącznie pozwalają na tak zwane „Rozwiązywanie obwodów”, czyli na obliczanie natężeń prądów płynących w różnych gałęziach obwodu, dzięki znajomości oporów i sił elektromotorycznych źródeł. II prawo Kirchhoffa odnosi się do spadków napięć na elementach obwodu. Wynika ono ze zrozumienia faktu, że napięcia w obwodzie nie biorą się znikąd. Jeżeli gdzieś na oporniku jest jakieś napięcie, to znaczy, że musi też gdzieś istnieć źródło, które wywołało prąd przepływający przez opornik. I wszystkie napięcia pochodzące od źródeł muszą sumować się z napięciami odkładającymi się na opornikach.
Prawo to można interpretować na dwa sposoby:
1. W obwodzie zamkniętym suma spadków napięć na wszystkich odbiornikach prądu musi być równa sumie napięć na źródłach napięcia.
2. (polega na wprowadzeniu pojęcia „oczka prądu”) W oczku prądu suma spadków napięć na wszystkich odbiornikach prądu musi być równa zeru.

IV Elektroliza
Prąd elektryczny można wykorzystać do wywołania reakcji chemicznych. Może on na przykład rozkładać substancje chemiczne, najczęściej rozpuszczone w cieczy. Proces ten nazywamy elektrolizą. Niektóre ciecze składają się z dodatnio i ujemnie naładowanych cząstek (jonów). Na przykład, kiedy sól (chlorek sodowy) rozpuści się w wodzie, rozdziela się on na dodatnie jony sodowe i ujemne chlorkowe. Jeśli bateria połączona z katoda i anodą, które umieszczone są w cieczy, jony ujemne (aniony) zbierają się na dodatniej końcówce (anodzie) baterii, a dodatnie (kationy) na ujemnej (katodzie). Elektroliza stosowana jest przede wszystkim do wydobywania pierwiastków ze związków do powlekania galwanicznego. Za pomocą elektrolizy uzyskuje się chlor z wody morskiej roztwór zwykłej soli. Czysta miedź jest otrzymywana z elektrolizy roztworów soli miedzi, a metale takie jak aluminium i mangan- z elektrolizy stopionych rud.

V Zastosowanie prądu elektrycznego
Jak już zostało wspomniane na początku, bez elektryczności zakłócone byłoby normalne funkcjonowanie ludzi XXI wieku. Wykorzystywany jest w bardzo wielu dziedzinach ludzkiego życia. Najbardziej potrzebny jest w naszych domach. Dostarczany jest on z elektrowni grubymi kablami. Część z nich zakopana jest pod ziemią, a część zawieszona wysoko miedzy słupami wysokiego napięcia- są to napowietrzne linie przesyłowe. System tych słupów i kabli łączy wszystkie elektrownie w kraju w krajową sieć energetyczną. Napięcie prądu w tych przewodach jest bardzo wysokie. Dlatego, aby prąd
można było bezpiecznie wykorzystywać w domu, trzeba obniżyć jego napięcie- dokonać transformacji w podstacjach elektroenergetycznych.
Z elektryczności można wytworzyć ciepło i światło. Rysunek ilustruje co dzieje się, gdy prąd płynie przez cienki drut.
Drut składa się z miliardów atomów. Atomy zbudowane są z jadra, zawierającego dodatnio naładowane cząsteczki i elektronów, mających ładunek ujemny. Kiedy elektrony poruszają się w uporządkowany sposób, wytwarza się prąd. W bardzo cienkim drucie elektrony uderzają w atomy częściej niż w drucie grubszym. Przepływ prądu jest utrudniony i w wyniku tych zderzeń wytwarza się ciepło.
Jednym z najważniejszych zastosowań elektryczności jest dostarczanie sztucznego światła. Najprostszym tego sposobem jest żarówka elektryczna, która świeci się jasno po podłączeniu do obwodu. Świecąca część żarówki zwana jest żarnikiem. Żarnik jest spiralą z bardzo cienkiego drutu, wykonanego z wolframu. Kiedy przepływa prąd, drut rozgrzewa się do temperatury 2500oC. Żarzy się jasno, wywołując światło. Żarnik zawieszony jest na wspornikach. Gorący drucik spaliłby się w powietrzu, więc żarówka wypełniona jest innym gazem, takim jak argon. Niektóre żarówki żarzą się jaśniej od innych. Ich jasność zależy od ilości prądu przepływającego przez żarnik.
Nie zawsze światło wytwarzane jest przez żarnik. Światło neonowe powstaje, gdy prąd elektryczny przepływa przez rurę wypełnioną neonem. Prąd dostarcza energii w postaci światła. Do uzyskania kolorów światła używa się różnych gazów. Neon wytwarza światło czerwone, sód- żółte, rtęć- niebieskie.
Energia elektryczna ma w domu wiele zastosowań- zasila lampy, telewizor, kuchenki, sprzęt audio i wiele innych urządzeń.
Elektryczność jest wszechstronnym źródłem energii: może wytwarzać światło, ruch i dźwięk oraz ogrzewać lub schładzać przedmioty.

VI Wpływ prądu elektrycznego na organizm człowieka
Postęp techniczny spowodował coraz częstsze posługiwanie się urządzeniami energetycznymi o napędzie elektrycznym. W wyniku tego ginie co roku około 300 osób porażonych prądem. Prąd przenika ciało tam, gdzie trafia na mniejszy opór. Może powodować uszkodzenia narządów nie leżących bezpośrednio na drodze jego przepływu. Przy powszechnym stosowaniu urządzeń elektrycznych częstą przyczyną obrażeń jest tak zwane napięcie robocze, powstałe na skutek dotknięcia odsłoniętej części urządzenia znajdującego się pod napięciem. Jeszcze częściej mamy do czynienia z tak zwanym napięciem dotykowym- w razie kontaktu z instalacja uszkodzoną lub niewłaściwie podłączoną. Może również dochodzić do uszkodzenia przez napięcie zwane krokowym- przy wejściu na podłoże, w którym działają różne potencjały elektryczne.
Uszkodzenie prądem elektrycznym jest przede wszystkim porażeniem cieplnym, wywołanym łukiem elektrycznym, którego temperatura może dochodzić do 2500oC. uszkodzenia wewnętrzne są zwykle znacznie większe niż zewnętrzne. Do dodatkowych objawów należą: obrażenia układu mięśniowego o kostno-stawowego wskutek skurczów tężcowych, złamania kości w następstwie skurczu mięśni, niewydolność nerek; uszkodzenia narządów brzusznych w wyniku napięcia tężcowego mięśni powłok, zaćma oczna po upływie kilku miesięcy od porażenia, nadmierna pobudliwość lub stany depresyjne, zaburzenia pamięci i uszkodzenia nerwów obwodowych. Prąd o niskim napięciu (do 1000V) powoduje pobudzenie układu nerwowego i mięśni. W mięśniach mogą wystąpić skurcze , które nie pozwalają na oderwanie się od metalowego przewodu elektrycznego. Skurcze te są też przyczyną upadków i uszkodzeń mechanicznych ciała. Działanie prądu na serce może prowadzić do zaburzeń rytmu, a nawet zatrzymania jego akcji. Szkodliwy wpływ na mózg i układ nerwowy może powodować utratę przytomności i bezdech. Na skórze, w miejscu wejścia i wyjścia prądu na zewnątrz, występują głębokie rany oparzeniowe. W przypadku porażenia prądem o wysokim napięciu (powyżej 1000V), prąd przechodzi przez całe ciało. Dochodzi wówczas powstania wysokiej temperatury i rozległych poparzeń. Mogą również wystąpić urazy kręgosłupa. Rozpoznaje się je na podstawie zaburzeń oddychania, niedowładu kończyn, zaburzeń czucia oraz utraty przytomności.
Pierwsza pomoc w przypadku porażenia prądem polega na przerwaniu obwodu- (gdy źródłem porażenia jest urządzenie zasilane elektrycznością) wyłączenie wtyczki z gniazdka lub wykręcenie bezpiecznika; odciągnięcie porażonego za odzież lub przy pomocy materiału izolującego.
Reasumując, nie taki prąd straszny, jak go malują. Mimo, iż jest bardzo niebezpieczny dla ludzkiego organizmu, znajduje szerokie zastosowanie w niemal wszystkich dziedzinach naszego życia. Bez elektryczności nie istniałby przemysł, a życie byłoby znacznie utrudnione. Można pokusić się o stwierdzenie, iż tak bardzo uzależniliśmy się od elektryczności, że byt ludzi XXI wieku nie istniałby bez prądu elektrycznego.