Kurs zasilania układów elektronicznych: Napięcie i prąd

2. Izolatory i przewodniki

Izolator jest to element, który nie przewodzi prądu elektrycznego  :)  Nie przewodzi prądu elektrycznego dlatego, że w jego budowie atomowej m.in. elektrony są bardzo mocno związane z jądrem atomowym, w związku z czym nie mogą się one oderwać przez co przepływ prądu jest zerowy. Spójrzmy na uproszczoną budowę izolatora:

izolator

Jak widać po obrazku, izolator w najlepszym wypadku posiada tylko parę wolnych elektronów, przez co gdybyśmy chcieli dokonać przepływu prądu elektrycznego to po prostu się to nie uda bo jest ich za mało oraz same elektrony są za mocno związane z jądrem atomowym aby mogły się oderwać.

Przewodnik jest elementem przewodzącym prąd elektryczny. Jego zdolność przewodzenia wynika z faktu, że elektrony (przeważnie na dalszych warstwach) są bardzo słabo związane z jądrem atomowym przez co mogą się oderwać i pod wpływem pewnego bodźca (o którym dowiesz się za niedługo) są w stanie w sposób uporządkowany „podróżować” po przewodniku.

przewodnik

Jak widzimy, elektronów będących w stanie się oderwać od jądra atomowego jest znaczenie więcej niż miałoby to miejsce w izolatorze. Gdy przewodnik nie jest podpięty do żadnego źródła zasilania to każdy z tych elektronów porusza się w różnych kierunkach, w sposób chaotyczny. Natomiast co się stanie jak podłączymy do zasilania taki przewodnik ?

3. Wprawienie elektronów w ruch

Jak już pewnie się domyślasz, po podłączeniu zasilania do takiego przewodnika, elektrony w sposób uporządkowany zaczynają podróżować z jednego końca przewodnika do drugiego. Taki ruch cząsteczek jest opisany właśnie jako prąd elektryczny :)

przewodnik1

Po obrazku powyżej widać, że ruch elektronów przy podłączonym zasilaniu odbywa się od minusa do plusa, czyli od potencjału niższego do wyższego (na potrzeby kursu przyjąłem, że nośnikami prądu są ładunki ujemne). Ze względu na to, że prąd jest wartością mierzoną to musi istnieć jakaś reguła opisująca ten pomiar.
Otóż jeżeli przez całą długość przewodnika przepłynie 6240000000000000000 elektronów  (1c = 1 kulomb [C] ) w czasie 1 sekundy to znaczy, że przez przewodnik przepłynął prąd o natężeniu 1A.

A jeżeli by to ładnie opisać wzorem to będzie wyglądać to następująco:

wzor-i

gdzie:

I- prąd elektryczny [A] (Amper)

Q- ładunek elektryczny [C] (Kulomb (nie mylić z Kolumb) )

t- czas [s]

Więc w taki sposób mamy opisany przepływ prądu. Ale jak wiadomo mamy jeszcze napięcie elektryczne, o którym do tej pory nic bezpośrednio nie wspomniałem :) Otóż napięcie elektryczne to ten bodziec wprawiający w ruch elektrony, który na obrazku wyżej jawił się w postaci baterii :)

Napięcie elektryczne możemy porównać do przepływu wody w rurze, gdzie woda to nasze elektrony, a rura to przewodnik. Jeżeli przyłożymy napięcie to elektrony zaczną się poruszać w sposób uporządkowany. Jeżeli przyłożymy większe napięcie to elektrony zaczną się szybciej poruszać co spowoduje przepływ większej ilości elektronów w czasie co z kolei prowadzi do zwiększania się prądu elektrycznego. Tak samo mamy z wodą w kranie, jak odkręcimy mocniej zawór to płynie więcej wody (celowo omijam słowo ciśnienie), niż by płynęło przy słabiej odkręconym zaworze.

Więc wiemy jak w jaki sposób „działa” napięcie. Zatem jeżeli mielibyśmy w jakiś sposób opisać napięcie elektryczne to można by opisać w ten sposób:

Napięcie elektryczne jest to siła wprawiająca w ruch elektrony (np. w przewodniku). Wraz ze wzrostem tej siły wzrasta wartość prądu elektrycznego. Napięcie elektryczne jest wyrażane w woltach [V].