Prąd elektryczny

Zjawisko przepływu prądu elektrycznego jest powszechne w przyrodzie. Można się z nim spotkać m. in. w:

• meteorologii – jako wyładowania atmosferyczne i przepływ ładunków w atmosferze,
• medycynie – w dziedzinie badań nad przewodnictwem nerwowym i skurczami mięśni,
• elektrotechnice – umożliwiającej pracę urządzeń elektrycznych,
• kosmologii – podczas badania przepływu naładowanych cząstek emitowanych przez słońce,
• elektronice – w zastosowaniu urządzeń elektronicznych niemal w każdej dziedzinie naszego życia. Więcej zastosowań jest zawartych we wpisie: Energia elektryczna.

Prąd elektryczny to przepływ ładunków. Aby przepływ prądu mógł być poprawnie zdefiniowany należy nakreślić, że nie każdy rodzaj przepływu ładunków to prąd elektryczny. Prądem elektrycznym nie jest:

• ciągły ruch elektronów swobodnych w przewodniku, które poruszają się w sposób chaotyczny w każdym kierunku, w całej powierzchni przewodnika i z dużymi prędkościami (10⁶ m/s),
• przepływ wody w np. wężu ogrodowym, podczas którego występuje przepływ ładunków występujących w cząsteczkach wody, zarówno dodatnich jak i ujemnych, jednak wzajemnie się równoważących tak, że wypadkowy ładunek jest równy zeru. Ciekawostką jest fakt, że podczas przepływu wodu przez wąż ogrodowy mamy do czynienia z wielkością przepływających ładunków (protonów i elektronów jednocześnie) dochodzącym do około 24 MA.

Aby prąd mógł popłynąć wymagana jest wypadkowa siła elektryczna pochodząca z pola elektrycznego, która spowoduje przepływ ładunków składających się na materiał, w którym popłynie prąd.

Płynące przez jakieś środowisko ładunki poruszają się z prędkością tutaj nazywaną prędkością unoszenia (dryfu). W porównaniu do ruchu swobodnego elektronów w przewodniku, na który nie oddziałuje pole elektryczne, prędkość unoszenia jest od niej znacznie wolniejsza.

Analiza zagadnień dotyczących prądu elektrycznego w ChatGPT Tutor Me:

Prąd elektryczny przepływa w zamkniętym obwodzie elektrycznym. Otwarty obwód nazywa się rozwartym, wówczas prąd przez obwód nie przepływa. Z pojęciem obwodu łączą się definicje:

• schematu,
• układu,
• gałęzi,
• węzła,
• oczka.

Schemat to model reprezentujący rzeczywisty obwód elektryczny w postaci notacji graficznej, w celu jego analizy, aby model wdrożyć jako obwód rzeczywisty lub zmodyfikować obwód rzeczywisty na podstawie modelu. Model pomaga zrozumieć rzeczywisty obwód.

Podstawowa różnica pomiędzy obwodem a układem dotyczy ich złożoności. Obwody są prostsze niż układy, te z kolei są bardziej złożone.

Gałąź to taki fragment obwodu, w którym przepływający prąd jest taki sam w całej gałęzi.

Węzeł to miejsce w obwodzie, w którym płynący prąd rozdziela się na inne gałęzie lub sumuje się z innych gałęzi. Gałęzi musi być co najmniej dwie. Prąd w gałęzi przed węzłem i w gałęziach za węzłem ma inną wartość. Wartość prądu przed węzłem i suma wartości prądów w gałęziach za węzłem są sobie równe (Prądowe [Pierwsze] Prawo Kirchoffa oraz Zasada Zachowania Ładunku). Taki węzeł nazywa się rozgałęźnym, natomiast w drugim rodzaju węzła prąd z gałęzi sumuje się w oczku i przepływa do gałęzi za oczkiem.

Oczka to zbiór gałęzi, które tworzą dla przepływu prądu zamkniętą drogę, brak jednej z nich powoduje przerwę w obwodzie. Oczka są zależne i niezależne. Oczka zależne składają się na oczka niezależne, natomiast oczka niezależne to takie, których przynajmniej jedna gałąź nie wchodzi w skład innego oczka, czyli gałąź, która nie jest wspólna dla co najmniej dwóch oczek.

Poniższe analizy budowane na podstawie własnych domysłów i literatury okazały się błędne. Prawidłowa analiza została zbudowana na podstawie pytań i odpowiedzi w LLM Tutor Me zaprezentowanych powyżej.

Powstaje pytanie: dlaczego po uruchomieniu włącznika światło żarówki zapala się natychmiast, a nie jest opóźnione przez czas, zanim elektrony poruszające się z prędkością dryfu dotrą to żarówki?

Wynika to z prędkości rozchodzenia się energii w polu elektrycznym, a jest to prędkość światła. Cały przewodnik, przez który pynie prąd do żarówki i z niej odpływa, znajduje się w oddziaływaniu pola elektrycznego i energia z pola elektrycznego może zostać przekazana z prędkością światła do żarówki, zmniejszając przez to ilość energii pozostałą w źródle pola elektrycznego, czyli kosztem źródła. Zyskiem jest zapalone światło i wygenerowane ciepło, przy czym ilość powstałego ciepła mającego ulec rozproszeniu jest znacznie większa od otrzymanego światła po względem wydatku energii.

Nawiązując do powyższej odpowiedzi można zadać drugie pytanie: w jaki sposób energia jest tak szybko przenoszona w przewodniku?

Gdy do przewodnika przyłożymy pole elektryczne z dwóch różnych stron to elektrony swobodne z jednej strony przewodnika „popchną” swoje sąsiednie elektrony w kierunku drugiego końca przewodnika, te „popchnięte” z kolei zrobią to samo ze swoimi sąsiadami itd. aż elektron z przeciwległego końca przewodnika przeskoczy na żarówkę przekazując jej energię źródła pola elektrycznego i dzieje się tak aż do wyczerpania energii źródła tego pola. Elektrony przechodzące w danym momencie przez żarówkę nie zużywają się w tym procesie, ale po przejściu przez żarówkę wracają do źródła pola elektrycznego. Elektrony niosą energię, którą wytwarza źródło i oddając tą energię do żarówki robią to kosztem źródła, a nie samych siebie. Elektrony stanowią tylko nośniki energii. Analogicznym przykładem z życia jest gaszenie pożaru przez szereg ludzi podających sobie wiadra z wodą czerpaną ze studni. Dopóki w studni jest woda (energia) to wiadra (elektrony) przenoszą wodę i oddają ją (energię) aby ugasić pożar (obciążenie, odbiornik energii). Trzeba zauważyć, że liczba wiader (elektronów) w szeregu ludzi (obwodzie) nie zmienia się, natomiast studnia z wodą (źródło energii) wyczerpuje się w miarę zmniejszania się pożaru (biorcy energii). Woda jest przenoszona do momentu, aż zabraknie energii w źródle (wody w studni), nastąpi przerwa w obwodzie (odejdzie choćby jeden człowiek podający wiadra) lub pożar zostanie ugaszony (odbiornik energii zostanie odłączony np. żarówka, co jest tożsame z przerwą w obwodzie). Liczba elektronów w przewodniku nie zmienia się podczas przewodzenia prądu i po zakończeniu przewodzenia, pozostając stała, ponieważ gdy ze źródła pola elektrycznego do przewodnika przeskakuje jeden elektron to z drugiego końca przewodnika do źródła pola elektrycznego wraca z przewodnika jeden elektron. Cały proces dzieje się z prędkością światła i z tą prędkością przekazywana jest energia ze źródła pola do żarówki. W źródle pola elektrycznego zachodzą procesy fizyczne, które powodują, że możliwe jest wytworzenie pola elektrycznego. To pole oddziałuje na elektrony swobodne w przewodniku siłą elektrostatyczną i to ta siła popycha te elektrony w przewodniku. Elektrony mające ten sam ładunek ujemny też „popychają” się nawzajem zgodnie z kierunkiem działania sił pole elektrycznego wytworzonego w źródle.

Skoro energia jest przekazywana ze źródła pola elektrycznego do odbiorcy to nie powinna już wracać do źródła, ale elektrony przecież wracają do źródła i wygląda to tak jakby energia nie została oddana, ale wracała do źródła?

Gdy pole elektryczne działa na przewodnik z dwóch końców to pierwszy elektron z jednego końca przewodnika otrzyma energię i wzbudzi się, to znaczy oddali się o jeden tzw. poziom energetyczny od jądra atomu, który go przyciąga i będzie słabiej przyciągany. w przypadku elektronów swobodnych oznacza to możliwość przemieszczenia się …