Czym jest prąd elektryczny? Ładunek, przewodnik, izolator i obwód

Wciskasz łącznik na ścianie i lampa pod sufitem zapala się od razu. Od łącznika do lampy biegnie w ścianie kilka metrów przewodu. Co właściwie przez niego płynie? I jak to możliwe, że dociera do lampy w ułamku sekundy?

Jest też druga zagadka. Kabel od lampki ma w środku miedziane druciki, a na zewnątrz plastik. Dlaczego akurat tak? I po co w kablu są co najmniej dwie żyły, skoro prąd mógłby chyba płynąć jedną?

Pod tekstem czekają dwa warsztaty: tester „Co przewodzi prąd?” i powiększony przewód z elektronami.

Ładunek i elektron — z czego jest prąd

Każda rzecz wokół Ciebie zbudowana jest z atomów. W środku atomu jest jądro, a w nim protony i neutrony. Wokół jądra krążą elektrony.

Protony i elektrony mają ładunek elektryczny. To właściwość, dzięki której cząstki przyciągają się albo odpychają. Ładunki są dwóch rodzajów. Umówiono się nazywać je dodatnimi i ujemnymi, czyli plusem i minusem. Proton ma ładunek dodatni, a elektron ujemny. Ładunki tego samego znaku się odpychają, a ładunki różnych znaków się przyciągają.

Atom ma tyle samo ładunków dodatnich co ujemnych, więc jako całość jest obojętny: plusy i minusy się równoważą.

Ładunek mierzy się w kulombach (C). Elektron niesie bardzo małą porcję ładunku, nazywaną ładunkiem elementarnym: około 1,602·10⁻¹⁹ C. Zapisana zwykłym ułamkiem ta liczba ma osiemnaście zer po przecinku, zanim pojawi się pierwsza cyfra. Proton niesie dokładnie tyle samo ładunku, tylko z przeciwnym znakiem. Każdy ładunek jest wielokrotnością tej porcji.

Prąd elektryczny to uporządkowany ruch ładunków. W metalowym przewodzie poruszają się elektrony.

Elektrony są w przewodzie zawsze, także wtedy, gdy nic nie jest włączone. Poruszają się wtedy bezładnie, w różne strony, i taki ruch nie jest jeszcze prądem. Prąd płynie dopiero wtedy, gdy ogromna liczba elektronów zaczyna przesuwać się w jedną stronę. Dzieje się to po zamknięciu obwodu.

Jak duży jest ten przepływ, mówi natężenie prądu. Podaje się je w amperach (A). Im więcej ładunku przepłynie przez przewód w każdej sekundzie, tym większe natężenie. Dokładniej omawia je wpis o napięciu, natężeniu i rezystancji.

Zobacz w przewodzie: co robią elektrony, gdy zamkniesz obwód →

Przewodnik i izolator — dlaczego kabel ma miedź w środku

Elektrony są w każdym materiale, bo każdy materiał składa się z atomów. Materiały różnią się tym, czy ładunki mogą się w nich swobodnie przemieszczać.

Przewodnik to materiał, w którym są ładunki zdolne do swobodnego ruchu. W metalach część elektronów nie jest przywiązana do jednego atomu i może wędrować po całym kawałku metalu. To elektrony swobodne. Dzięki nim metale dobrze przewodzą prąd. Spośród metali najlepiej przewodzi srebro, tuż za nim miedź, a dalej aluminium. Żyły przewodów robi się zwykle z miedzi, czasem z aluminium.

Przewodzić mogą też ciecze. W wodzie z rozpuszczoną solą swobodnie poruszają się naładowane cząstki, dodatnie i ujemne, nazywane jonami. To one przenoszą tam ładunek.

Izolator to materiał, w którym ładunki są związane i nie mogą się przemieszczać. Dlatego izolator prawie nie przewodzi prądu. Izolatorami są na przykład guma, tworzywa sztuczne, takie jak polwinit (PVC), szkło, suche powietrze i woda destylowana.

Z wodą trzeba uważać. Czysta, destylowana woda jest izolatorem. W szkolnym doświadczeniu żarówka, do której prąd musi przejść przez wodę destylowaną, nie świeci. Gdy jednak rozpuści się w tej wodzie sól, pojawiają się jony i woda zaczyna przewodzić. Woda z kranu też może przewodzić, bo są w niej rozpuszczone różne substancje. Woda w kranie, w wannie i na Twoich rękach nie jest destylowana. A mokra skóra słabiej opiera się prądowi niż sucha.

Między przewodnikami a izolatorami jest jeszcze trzecia grupa: półprzewodniki, na przykład krzem i german.

W środku przewodu jest żyła, czyli przewodnik, najczęściej miedziany. To nią płynie prąd. Żyłę otacza izolacja, czyli izolator: polwinit, polietylen sieciowany albo guma. Izolacja oddziela żyły od siebie, chroni je przed wilgocią i chroni człowieka przed porażeniem. Typowy przewód w domowej instalacji ma trzy miedziane żyły, każdą w osobnej izolacji.

Zobacz na testerze: co przewodzi, a co izoluje →

Zobacz na testerze: woda destylowana, z kranu i z solą →

Obwód — droga, która musi być zamknięta

Sam przewód to za mało. Żeby żarówka świeciła, potrzebny jest obwód elektryczny. Najprostszy składa się z trzech części:

źródło, na przykład bateria — wymusza przepływ prądu;
odbiornik, na przykład żarówka — zamienia energię elektryczną w światło, ciepło albo ruch;
przewody, które łączą źródło z odbiornikiem.

Często jest w nim jeszcze łącznik (potocznie włącznik), którym zamyka się i przerywa drogę dla prądu.

Bateria ma dwa końce, czyli bieguny: plus (+) i minus (−). Prąd może płynąć tylko wtedy, gdy powstanie pełna pętla: od jednego bieguna, przez przewód, odbiornik i drugi przewód, z powrotem do drugiego bieguna. Taką pętlę nazywamy obwodem zamkniętym. Gdy w dowolnym miejscu jest przerwa, mamy obwód otwarty. Wtedy prąd nie płynie nigdzie w tej pętli: ani w żarówce, ani w przewodach, ani w baterii.

Dlatego jeden przewód nie wystarczy. Elektrony nie wpadają do żarówki, żeby w niej zniknąć. Ile ładunku wpływa do żarówki, tyle z niej wypływa i wraca do źródła. W takiej prostej pętli przez żarówkę płynie dokładnie taki sam prąd jak przez baterię i przewody.

Tak działa łącznik światła na ścianie. Gdy go wciskasz, zamyka obwód lampy i prąd płynie. Gdy wciskasz go znowu, robi przerwę w obwodzie i lampa gaśnie. Źródło się nie zmienia. Przerwana zostaje tylko droga.

Ta sama zasada dotyczy niestety także człowieka. Ciało człowieka może stać się częścią zamkniętej drogi dla prądu i wtedy prąd płynie przez nie. Dlatego żyły przewodów są w izolacji.

Zobacz na testerze: przerwij obwód łącznikiem →

Kierunek prądu — strzałka i elektrony

Na schematach prąd zaznacza się strzałką. Umówiono się, że strzałka prądu biegnie od plusa źródła, przez odbiornik, do minusa. Wewnątrz źródła biegnie dalej, od minusa do plusa, i pętla się zamyka. To umowny kierunek prądu. Pokazuje, w którą stronę płynęłyby ładunki dodatnie.

Tymczasem w metalowym przewodzie poruszają się elektrony, a one mają ładunek ujemny. Płyną więc w przeciwną stronę niż strzałka: od minusa, przez odbiornik, do plusa.

Skąd ta niezgodność? Umowę o kierunku prądu wprowadził Benjamin Franklin, zanim odkryto elektron. Nikt wtedy nie wiedział, jakie cząstki naprawdę się poruszają. Umowa została: do dziś tak rysuje się strzałki prądu na schematach i w podręcznikach.

Zobacz w przewodzie: strzałka prądu i elektrony →

Policzmy: ile elektronów i jak szybko płyną?

Najpierw liczba elektronów. Od 2019 roku amper jest zdefiniowany właśnie przez ładunek elementarny. Natężenie 1 A oznacza, że przez przekrój przewodu w każdej sekundzie przepływa ładunek 1 C. Ile to elektronów?

Jeden elektron niesie około 1,602·10⁻¹⁹ C.
Żeby uzbierać 1 C, potrzeba więc 1 ÷ (1,602·10⁻¹⁹) elektronów.
Wychodzi około 6,24·10¹⁸, czyli ponad sześć trylionów elektronów w każdej sekundzie.

Teraz tempo. Podręcznik fizyki OpenStax liczy taki przykład: miedziany przewód, w którym płynie duży prąd o natężeniu 20 A. Elektrony przesuwają się w nim wzdłuż przewodu z prędkością około 0,45 milimetra na sekundę. W takim tempie elektron potrzebowałby ponad pół godziny, żeby przejść jeden metr przewodu.

Dlaczego więc światło zapala się od razu?

Bo elektrony nie muszą dobiec od łącznika do lampy. Są już w całym przewodzie, od początku do końca. Gdy zamkniesz obwód, ruszają prawie jednocześnie na całej jego długości. Sygnał „ruszamy” biegnie wzdłuż przewodu ogromnie szybko: rzędu 100 000 km na sekundę, a to spory ułamek prędkości światła. Elektrony przy lampie zaczynają się przesuwać praktycznie w tej samej chwili co elektrony przy łączniku.

Podobnie jest z wężem ogrodowym, który jest już pełen wody. Gdy odkręcisz kran, woda wylatuje z drugiego końca od razu. Ta, która właśnie wpłynęła z kranu, dotrze tam dużo później.

Zobacz w przewodzie: ile elektronów na sekundę →

Zobacz w przewodzie: wyścig sygnału z elektronem →

Ściąga

Ładunek i prąd

Ładunek elektrycznykulomb (C)

Dwa rodzaje: dodatni (proton) i ujemny (elektron). Jednoimienne się odpychają, różnoimienne przyciągają.

Ładunek elementarnyok. 1,602·10⁻¹⁹ C

Ładunek elektronu albo protonu. Elektron ma go ze znakiem minus, proton ze znakiem plus.

Prąd elektryczny

Uporządkowany ruch ładunków. W metalu płyną elektrony, w wodzie z solą jony.

Natężenie prąduamper (A)

Ile ładunku przepływa w każdej sekundzie. 1 A to ok. 6,24·10¹⁸ elektronów na sekundę.

Przewodnik i izolator

Przewodnik

Ładunki mogą się swobodnie przemieszczać. Srebro, miedź, aluminium, woda z solą.

Izolator

Ładunki są związane. Guma, polwinit (PVC), szkło, suche powietrze, woda destylowana.

Przewód

Żyła z przewodnika (zwykle miedź) w izolacji z izolatora (polwinit, polietylen sieciowany, guma).

Obwód

Obwód

Źródło, przewody i odbiornik, często też łącznik.

Obwód zamknięty i otwarty

Zamknięty: pełna pętla, prąd płynie. Otwarty: przerwa w dowolnym miejscu, prąd nie płynie nigdzie w pętli.

Kierunek i tempo

Kierunek prądu+ → −

Strzałka umowna biegnie od + przez odbiornik do −. Elektrony płyną w przeciwną stronę.

Tempo

Elektrony: ułamek milimetra na sekundę. Sygnał w przewodzie: rzędu 100 000 km/s.

Pytania z egzaminu

Który z podanych materiałów charakteryzuje się najwyższą właściwą przewodnością elektryczną?

Pokaż odpowiedź

Poprawna odpowiedź: B. Miedź

Właściwa przewodność elektryczna, inaczej konduktywność, mówi, jak dobrze przewodzi prąd sam materiał. Wśród metali lepiej od miedzi przewodzi tylko srebro, a tego w odpowiedziach nie ma. Dlatego żyły przewodów robi się zwykle z miedzi.

Dlaczego nie pozostałe? Aluminium przewodzi gorzej niż miedź. Brąz to stop miedzi z innymi pierwiastkami, a takie dodatki zmniejszają jej przewodność. Stal przewodzi wielokrotnie gorzej od miedzi.

Jakie materiały są wykorzystywane do izolacji żył przewodów elektrycznych?

Pokaż odpowiedź

Poprawna odpowiedź: C. Polwinit i guma

Polwinit i guma są izolatorami: ładunki są w nich związane, więc prawie nie przewodzą prądu. Izolację żył robi się głównie z polwinitu (PVC), polietylenu sieciowanego albo gumy. Oddziela ona żyły od siebie i chroni człowieka przed porażeniem.

Dlaczego nie pozostałe? W każdej z nich jest mika albo silikon, czyli materiał spoza tej listy. Tylko w odpowiedzi C oba materiały należą do tych, z których zwykle robi się izolację żył.

Pułapki

„Prąd płynie od plusa do minusa, więc elektrony też.” Strzałka prądu to umowa i pokazuje ruch ładunków dodatnich. Elektrony w przewodzie płyną w przeciwną stronę, od minusa do plusa.
„Po włączeniu światła elektrony pędzą od łącznika do lampy.” Elektrony są już w całym przewodzie i ruszają prawie naraz. Same przesuwają się bardzo wolno, o ułamek milimetra na sekundę. Szybko biegnie tylko sygnał.
„Woda przewodzi prąd.” Czysta, destylowana woda jest izolatorem. Przewodzi woda z rozpuszczoną solą, a woda z kranu też może przewodzić. W domu ważniejsza jest ta druga połowa: woda w kranie, w wannie i na rękach nie jest destylowana, a mokra skóra słabiej opiera się prądowi.
„Izolator nigdy nie przepuści prądu.” Przy zbyt wysokim napięciu izolator ulega przebiciu i zaczyna przewodzić. Dotyczy to nawet suchego powietrza.
„Wystarczy jeden przewód, żeby prąd dopłynął do żarówki.” Prąd potrzebuje zamkniętej drogi: od źródła przez odbiornik i z powrotem. Przerwa w dowolnym miejscu zatrzymuje go w całym obwodzie. Ta sama zasada tłumaczy porażenie: ciało człowieka może stać się częścią takiej drogi.

Co zapamiętać

Prąd elektryczny to uporządkowany ruch ładunków, a w metalowym przewodzie płyną elektrony, które są w nim zawsze. Przewodnik ma ładunki zdolne do ruchu, a izolator ma je związane, dlatego przewód to miedziana żyła w izolacji z tworzywa albo gumy. Prąd płynie tylko w obwodzie zamkniętym, a przerwa w dowolnym miejscu zatrzymuje go w całej pętli. Strzałka prądu biegnie od plusa do minusa, a elektrony płyną w przeciwną stronę. Płyną bardzo wolno, ale ruszają naraz w całym przewodzie, dlatego światło zapala się od razu.

Sprawdź, czy rozumiesz

Dlaczego światło zapala się od razu, choć elektrony płyną bardzo wolno?

Bo elektrony są już w całym przewodzie. Po zamknięciu obwodu ruszają prawie jednocześnie na całej jego długości, więc nie muszą dobiec od łącznika do lampy.

Czy woda destylowana przewodzi prąd?

Prawie nie, to izolator. Przewodzi woda z rozpuszczonymi substancjami, na przykład z solą, bo są w niej jony. Woda z kranu też może przewodzić.

Co robi łącznik światła?

Zamyka albo przerywa obwód lampy. Gdy obwód jest otwarty, prąd nie płynie w żadnym jego miejscu.

W którą stronę płyną elektrony w przewodzie?

Przeciwnie do strzałki prądu: od minusa, przez odbiornik, do plusa. Strzałka pokazuje umowny kierunek, czyli ruch ładunków dodatnich.

Dlaczego żyła przewodu jest z miedzi, a izolacja z polwinitu?

Miedź jest przewodnikiem: ma elektrony swobodne, więc dobrze przewodzi prąd. Polwinit jest izolatorem: ładunki są w nim związane, więc oddziela żyły od siebie i chroni człowieka przed porażeniem.

Czy elektrony „zużywają się” w żarówce?

Nie. Ile ładunku wpływa do żarówki, tyle z niej wypływa i wraca do źródła. W prostej pętli prąd jest wszędzie taki sam.

Co dalej? Trzy wielkości, które opisują każdy obwód: napięcie, natężenie i rezystancja.