Napięcie i natężenie

7 V 2020

Kto widział prąd elektryczny? Każdy widział skutki jego obecności. Niejeden też poczuł go osobiście. Ale chyba nikt tak naprawdę prądu nie widział. Dlatego tak trudno zrozumieć jego naturę; jest abstrakcyjna. Każdy natomiast doskonale rozumie jak działa woda. Dlatego postanowiłem sobie zrobić z wody, że tak powiem, użytek metaforyczny. Niechaj woda opowie historię o prądzie.

Czym jest woda, każdy wie. Zastanówmy się nad formą w jakiej występuje. Może być wodą w butelce, oceanem, wodospadem, wodą ukrytą pod ziemią, czekającą w rurach na jej wypuszczenie kranem albo fontanną. Przykładów moglibyśmy podać setki.

Weźmy teraz na warsztat jedną z cech wody. W naszych ziemskich warunkach woda będzie dążyć do tego, by znaleźć się jak najniżej. Oczywiście będzie się to odbywać wtedy, gdy stworzy się jej możliwość płynięcia, inaczej: gdy pojawi się swego rodzaju przewodnik. Może być to koryto strumienia, potoku czy rzeki, może być to system rur albo węży, może to w końcu być równia z niewielkim choćby nachyleniem, które woda z pewnością wykorzysta, rozlewając się w najniższe miejsca.

Zatem z punktu widzenia tej cechy wody możemy mieć dwa stany: pierwszy, w którym płynie — wykorzystując różnego rodzaju przewodniki, czyli koryta, rury czy spadki albo nie płynie — jeśli zostanie ograniczona izolatorami, czyli wałem, tamą, albo po prostu znajdzie się najniżej i nie będzie już miała dokąd płynąć dalej.

Pojawiły się więc dwa pojęcia: przewodnik i izolator. W świecie wody raczej tych pojęć nie używamy, tylko bardziej konkretnych, ale w świecie prądu — jak najbardziej. Przewodniki to te materiały, którymi prąd będzie płynąć, więc metale, grafit, roztwory soli i wiele innych. Izolatory — wręcz przeciwnie, będą stanowić dla prądu zaporę. Tu znajdziemy więcej substancji: tworzywa sztuczne, substancje nieorganiczne takie jak szkło czy porcelana, także wybrane oleje mineralne i różne ciecze organiczne. I oczywiście gazy, z powietrzem na czele, w warunkach normalnych temperatur i ciśnień. Nie wszystkie nieprzewodzące materiały formalnie takimi są. Drewno na przykład ma w tym względzie szereg ograniczeń. Ale na rozwinięcie tego tematu przyjdzie jeszcze czas.

Zapamiętajmy raz jeszcze: przewodnik — woda płynie, więc na przykład rzeka. Izolator — woda nie płynie: zakręcony kran.

Czas zatem na wprowadzenie pierwszej wielkości związanej z prądem: czym jest napięcie?

Czym jest napięcie?

Oto taki sobie zwyczajny górski potok. Płynie z lewej strony na prawą. Z tego wynika, że lewa strona znajduje się wyżej od prawej, jako że woda zawsze zdąża ku dołu. Lewa strona ma pewien potencjał względem prawej.
A tu mamy przyjemny wodospad z Doliny Bystrej w Tatrach. Woda powyżej ma wyższy potencjał od wody poniżej wodospadu, co wydaje się bardzo logiczne.

Zostawmy sobie na razie siłę, która sprawia, że woda płynie, czyli grawitację. Umówmy się, że płynie wtedy, gdy pojawia się potencjał. Czyli płynie z miejsca wyższego w niższe, wtedy i tylko wtedy. I tu ważna sprawa: będzie płynąć z tym większą siłą, im różnica wysokości, a więc potencjałów, będzie większa. I to jest właśnie napięcie.

W świecie wody potencjałem jest różnica wysokości początku odcinka rzeki i końca, odcinka który mierzymy. Na przykład różnica potencjału Wisły od początku do końca to około 1150 metrów, ale już Reda może się pochwalić skromnymi 49 metrami.

Potencjał prądu mierzy się w woltach [V] Bateryjka typu „paluszek” oferuje zwykle niecałe półtora wolta, litowy akumulator z telefonu — około 3 i pół wolta, ale już napięcie w gniazdku — 230 woltów.

Spróbujmy zrozumieć naturę napięcia znowu za pomocą metafor wodnych. Podzielmy sobie strumień na dwa równe fragmenty. Górna część zawiera mały wodospad i jest bardziej żywotna. Dolna jest spokojniejsza. Różnica potencjałów w górnej części jest wyższa niż w dolnej. Co z tego wynika? Jeśli byśmy zbudowali sobie koło z łopatkami i za jego pomocą chcielibyśmy wykonać jakąś pracę, z pewnością umocowane go w okolicach wodospadu dostarczyłoby nam większą siłę, niż gdybyśmy go umieścili w prawym odcinku potoku.

Stąd młyny wodne wymagają pewnych różnic wysokości wody. Poniżej pewnego minimum koło wodne w ogóle nie chciałoby się obracać. Niezbędny jest potencjał, a im ten potencjał wyższy, tym więcej mocy można uzyskać z takiego młyna. Ale nie w nieskończoność. Zbyt duża różnica wysokości zniszczyłaby nasz młyn, przeciążając go. Wyobraźmy sobie na przykład taki młyn na największym polskim wodospadzie, Siklawie, który ma blisko 70 metrów?

I tak samo jest z napięciem. Bateryjka z ogórka i dwóch blaszek da nam niespełna pół wolta, które w praktyce do niczego się nie nadaje. Jedna bateria „paluszek” już napędzi wiele urządzeń powszechnego użytku. Napięcie w gniazdku zasila wszystko, czego używamy na co dzień. Ale już podczas burzy, gdy w linii doprowadzającej napięcie do naszego domu pojawiają się przepięcia daleko wychodzące powyżej 230 woltów, wiele urządzeń ulegnie zniszczeniu, jak by to było z drewnianym kołem wodnym, gdybyśmy go umieścili pod dużym wodospadem.

Spójrzmy na problem nieco inaczej. Gdy mamy prawidłowo zbudowaną instalację wodną w mieszkaniu, woda w rurach wykazuje pewien potencjał, zwany ciśnieniem. Jednak zawory, które są dla niej izolatorami, sprawiają, że woda nie płynie. Niech jednak ciśnienie wody wzrośnie ponad miarę albo, co się zdarza częściej, fachowiec — partacz nie wykona instalacji jak należy, a gdzieś nastąpi przebicie czyli rozszczelnienie. Mały problem, jeśli padnie uszczelka w kranie, można ją łatwo zlokalizować i wymienić. Gorzej, gdy rozszczelni się rura gdzieś w ścianie.

Dokładnie to samo spotykamy w świecie prądu elektrycznego. Kiedy przewody są dobrane prawidłowo, wszystko pracuje jak należy. Jednak jeśli gdzieś izolacja jest naderwana albo źle dobrana do napięcia, może nastąpić przebicie i niekontrolowany wyciek energii. Z tą różnicą, że w świecie wody następuje zalanie mieszkania, a w świecie prądu — pożar. Dlatego nie wolno używać przewodów przeznaczonych dla niskich napięć do łączenia urządzeń pracujących z napięciem sieciowym. One mogą nie wytrzymać tak dużego potencjału.

Teraz czas na jeszcze jedną obserwację. Zarówno w świecie wody jak i prądu różnica potencjałów, a więc wysokości luster wody i odpowiednio — napięcia — wcale nie mówi nam o tym, czy w ogóle woda albo prąd płynie. Przecież zapora wykazuje taki sam potencjał, niezależnie od tego czy jest otwarta i turbina wewnątrz obraca się, czy też zostaje zamknięta. Wciąż potencjał jest ten sam i równy jest różnicy wysokości powierzchni wody powyżej i poniżej zapory.

Dokładnie to samo występuje w świecie prądu. Czy włączymy lampkę, czy też nie, wciąż w gniazdku będzie 230 woltów. Innymi słowy: napięcie jest wielkością niezależną od tego czy prąd płynie, czy dopiero czeka na okazję, by sobie popłynąć.

Czym jest natężenie?

Oto trzy różne strumienie. Wszystkie mają wspólną cechę: podobny, niewielki spadek, ale każdy z nich różni się od poprzedniego tym, że ilość wody znacząco się w nich zwiększa. W pierwszym wypadku płynie niewiele wody i większość kamieni z niej wystaje. W drugim — wystają już tylko nieliczne kamyki. W trzecim wody płynie tyle, że wszystkie kamienie zdołały się w niej schować. Na oko jednak za każdym razem woda płynie z podobną prędkością i możemy założyć, że potencjał — czyli różnica wysokości powierzchni wody — jest podobna.
A tu inny przykład. Na tym ujęciu woda prawie nie płynie. Coś tam kapie leniwie i to wszystko.
Tutaj znowu mamy porządny potok z niedużym wodospadem. Zwróćmy uwagę na to, że ów wodospad ma podobne rozmiary, co ten pokryty lodem na poprzednim zdjęciu. Oba cieki mają podobny potencjał, ale drastycznie różnią się pod względem ilości wody.

Dostrzegliśmy zatem pewną nową właściwość. Woda nie tylko może spadać z wysoka albo nie, ale może też spadać w dużej albo w małej ilości. I podobnie, jak to było z różnicą wysokości, także tutaj możemy wykazać, że dużo spadającej wody może wykonać większą pracę niż mniejsza ilość tej wody przy tej samej wysokości. Nie opłaca się stawiać młyna na strumyku, który jest wąski i mizerny, nawet jeśli jest to strumień górski, o dużym spadku. Można za to postawić młyn na szerokiej rzece, nawet jeśli różnica poziomów wody nie jest zbyt wysoka.

Nazwijmy teraz jakoś tę własność. Ilość wody można określić słowem: natężenie. I taką właśnie nazwę ma odpowiednik świata prądu. Ilość przepływającego prądu opisuje się jego natężeniem. Mamy zatem dwie wartości: napięcie (potencjał energii) i natężenie (ilość energii przepływającej). O ile w przypadku napięcia nie potrzebny był żaden przepływ (można było zamknąć tamę, a różnica potencjałów nadal trwała), o tyle dla natężenia przepływ jest niezbędny i to on wyznacza ową wartość.

Teraz jeszcze co nieco o jednostce. W przypadku wody możemy podawać ilość litrów bądź metrów sześciennych na sekundę. Dla prądu odpowiednikiem jest wielkość zwana amperem [A] Jak w przypadku napięcia, pomińmy na razie, co to oznacza. Jest to pewna porcja prądu, taka powiedzmy: średnia. Starego typu żarówka setka sprawiała, że z gniazdka wychodziło niecałe pół ampera. Suszarka do włosów potrafi wyciągnąć aż 10 amperów. Żarówka ledowa — jedynie dwudziestą część ampera. A w świecie bateryjek? Telefon podczas rozmawiania chętnie skonsumuje pół ampera, ale już uśpiony — jedną tysięczną, o ile tylko nas nie podsłuchuje. Latarka turystyczna zje sobie dziesiątą część ampera — jeśli świeci słabiej albo nawet kilka amperów — jeśli koniecznie będziemy chcieli sobie zrobić dzień z nocy. A zegarek naręczny to w ogóle prawie nic nie potrzebuje. Jemu wystarczy nawet jedna milionowa ampera, o ile tylko nie będziemy odsłuchiwać melodyjek.

Teraz słówko o pewnych konsekwencjach tych amperów, albo — w świecie wody — litrów. Zacznijmy od wody. W ładną pogodę dobrze posiedzieć nad rzeką. Jest sobie plaża, koryto, którym woda płynie, wszystko jest idealne. Ale oto gdzieś w górach pada od tygodnia. Koryto, przystosowane do przeciętnej ilości wody, daje radę jeszcze, gdy tej wody nadejdzie trzy razy więcej. Ale gdy przypłynie jej dziesięć razy tyle albo i sto? Wtedy mamy powódź. Woda występuje z koryta, rozlewa się wszędzie i czyni spustoszenie. Nawet jak opadnie, zwykle świat lokalny jest niepodobny do tego, co było przed powodzią.

Prąd ma także swój świat powodzi. Przewodnik — a więc przewód w ścianie, czy doprowadzający prąd do urządzenia, jest zaprojektowany na pewną ilość prądu. Jak z wodą, wytrzyma jakąś nadmiarową jego ilość. Lecz z każdym kolejnym amperem będzie się grzał coraz mocniej. W końcu nastąpi elektryczna powódź i kabel zacznie się topić, a konkretnie izolacja ze sztucznego tworzywa. Takie historie czasem kończą się pożarem, zatem podobnie jak z wodą: jeśli nie będziemy przygotowani na niekontrolowane przekraczanie natężeń, czekają nas kłopoty. Do tego tematu powrócę na dłużej w kolejnych historiach.

Na koniec rozważań jeszcze jedna, najważniejsza obserwacja. Zaczniemy od wody. Otóż chcąc postawić młyn, musimy znaleźć rzekę dostatecznie szeroką i wystarczająco wartką. Zatem natężenie musi być sensowne, ale i napięcie także. Możemy iść na pewien kompromis: rzeka może płynąć spokojniej (czyli napięcie będzie mniejsze), ale musi w niej płynąć więcej wody (musi mieć większe natężenie). Może być także odwrotnie: jeśli zamieszkamy w górach, wody za dużo mieć nie będziemy (czyli natężenia), ale za to możemy łatwo spiętrzyć ją do dużego potencjału (czyli napięcia). Oba typy młynów będą się różnić kołem wodnym, bo będzie musiało być przystosowane albo do dużej ilości wolno płynącej wody, albo do małej, która płynie szybko. Ale oba mogą nam wykonać dokładnie tę samą pracę. Oba będą mieć tę samą moc.

I tak oto dotrwaliśmy do ostatniej dziś poznanej wielkości, do mocy. Moc, którą mierzy się w watach [W] to nic innego jak iloczyn prądu i napięcia. Im więcej jednego albo drugiego, tym większa moc.