Napięcie, natężenie i rezystancja — trzy pojęcia na początek

Na baterii widzisz napis „1,5 V”. Gdzie indziej pojawiają się ampery i omy. Co te liczby właściwie mówią? Czy napięcie i prąd to to samo?

Zacznijmy od baterii i małej żarówki. Nie musisz znać żadnych wzorów — do liczenia przejdziemy dopiero wtedy, gdy będzie wiadomo, co liczymy.

Przy kolejnych pojęciach znajdziesz odnośniki „Zobacz na obwodzie”. Przeniosą Cię do interaktywnego obwodu z zaznaczonym elementem, wyjaśnieniem i małym eksperymentem. Po sprawdzeniu możesz jednym kliknięciem wrócić do miejsca, w którym czytasz.

Najpierw: czym jest prąd i po co mu obwód?

W metalowym przewodzie są elektrony — bardzo małe cząstki, które mogą się w nim przemieszczać. Mają ładunek elektryczny, czyli właściwość, dzięki której reagują na elektryczne oddziaływanie. Ich uporządkowany ruch w przewodzie to prąd elektryczny.

Wyobraź sobie baterię i pasującą do niej żarówkę. Bateria ma dwa końce, oznaczone plusem i minusem. Gdy przewody łączą oba końce baterii z dwoma stykami żarówki, powstaje pełna pętla. Taką drogę nazywamy zamkniętym obwodem. Prąd może płynąć, a żarówka świeci.

Jeśli w jednym miejscu przerwiesz tę drogę, żarówka zgaśnie. Właśnie tak działa zwykły wyłącznik: otwiera albo zamyka obwód.

Bateria dostarcza energię, dzięki której żarówka daje światło i się nagrzewa. Elektrony są już w przewodach — bateria nie musi najpierw ich tam „wlać”.

Zobacz na obwodzie: zamknij i przerwij drogę dla prądu →

Pomocne porównanie: woda płynąca przez rurę

Wyobraź sobie teraz pompę, która wymusza obieg wody w pętli rur. Rury są już wypełnione wodą. W jednym miejscu znajduje się zwężenie utrudniające przepływ.

Możemy zadać trzy różne pytania:

• Co wprawia wodę w ruch? Różnica ciśnień wytwarzana przez pompę. W obwodzie podobną rolę odgrywa napięcie.
• Ile wody przepływa przez wybrane miejsce w ciągu sekundy? To odpowiednik natężenia prądu.
• Co utrudnia przepływ? Na przykład zwężenie rury. W obwodzie takie utrudnienie opisuje rezystancja, czyli opór elektryczny.

To porównanie pomaga rozróżnić te pojęcia, choć elektryczność nie działa pod każdym względem tak jak woda.

Napięcie — co może wprawić ładunki w ruch

Napięcie można na początek wyobrażać sobie jako elektryczne „popychanie”. Podobnie jak różnica ciśnień może wprawić wodę w ruch, napięcie może wywołać przepływ prądu w zamkniętym obwodzie.

Napięcie zawsze dotyczy dwóch punktów, na przykład plusa i minusa baterii. Podajemy je w woltach, zapisywanych literą V. Napis „1,5 V” czytamy więc jako „półtora wolta”. Mówi on o napięciu między końcami baterii.

Napięcie może istnieć, nawet gdy prąd nie płynie. Bateria leżąca w szufladzie nadal ma napięcie między plusem i minusem. Dopiero zamknięcie drogi przez podłączony element umożliwia przepływ prądu.

Tak samo po wyłączeniu naszej żarówki bateria nie traci od razu napięcia. Przerwana została droga przepływu.

Zobacz na obwodzie: gdzie jest napięcie i co zmienia? →

Natężenie — jak duży jest przepływ prądu

W rurze może płynąć niewiele wody albo wiele litrów na sekundę. W przewodzie też możemy mówić o mniejszym lub większym przepływie.

Natężenie mówi, ile ładunku elektrycznego przepływa przez wybrane miejsce w ciągu sekundy. W metalowym przewodzie większe natężenie oznacza, że w tym samym czasie przez to miejsce przepływa łącznie więcej elektronów.

Natężenie podajemy w amperach, zapisywanych literą A. Gdy ktoś mówi „płynie prąd 2 A”, ma na myśli prąd o natężeniu dwóch amperów.

Przy małych wartościach wygodniej używać miliamperów, czyli mA. Tak jak metr ma tysiąc milimetrów, jeden amper ma tysiąc miliamperów:

• 1 A = 1000 mA,
• 0,1 A = 100 mA,
• 0,005 A = 5 mA.

Napięcie mówi więc o warunkach, które mogą wywołać przepływ, a natężenie — o tym, jak duży jest sam przepływ. To dwie różne informacje.

Zobacz na obwodzie: obserwuj przepływ i odczytaj ampery →

Rezystancja — jak trudno płynąć prądowi

Szeroka rura pozwala wodzie przepływać łatwiej niż mocne zwężenie. Jeśli pompa utrzymuje tę samą różnicę ciśnień, większe utrudnienie zmniejszy przepływ.

Rezystancja, nazywana też oporem elektrycznym, opisuje, jak bardzo dany element utrudnia przepływ prądu. Podajemy ją w omach. Ich symbolem jest Ω — grecka litera omega. Zapis „100 Ω” czytamy jako „sto omów”.

Element wykonany specjalnie po to, żeby miał określony opór, nazywamy rezystorem. Może on służyć do ograniczania natężenia prądu w obwodzie.

Najważniejsza zależność brzmi: przy tym samym napięciu większy opór oznacza mniejsze natężenie prądu.

Rezystor nie magazynuje przepływających elektronów ani ich nie „zjada”. W naszej pojedynczej pętli, gdy prąd płynie stabilnie, natężenie przed rezystorem i za nim jest takie samo. Rezystor zamienia energię elektryczną w ciepło.

Zobacz na obwodzie: zwiększ opór rezystora i porównaj natężenie →

Opór mają również przewody. Przy tej samej długości, materiale i temperaturze grubszy przewód ma mniejszy opór. To podobne do szerszej rury, która mniej utrudnia przepływ wody.

Zobacz na obwodzie: pogrub przewód i sprawdź jego opór →

Jak te trzy pojęcia łączą się ze sobą?

Wyobraź sobie prosty obwód z jednym rezystorem. Możemy zmienić napięcie albo opór:

• Jeśli zwiększymy napięcie, pozostawiając ten sam opór, natężenie wzrośnie. To jak mocniejsze wymuszanie przepływu wody przez tę samą rurę.
• Jeśli zwiększymy opór, pozostawiając to samo napięcie, natężenie zmaleje. To jak większe zwężenie przy tej samej różnicy ciśnień.

Zależność tę opisuje prawo Ohma. Dla rezystora o stałym oporze pozwala obliczyć natężenie:

natężenie = napięcie ÷ rezystancja

W książkach i na schematach zamiast pełnych nazw spotkasz litery:

Dlatego ten sam wzór zapisuje się krótko: I = U / R. Ukośnik oznacza dzielenie. Litery zastępują nazwy, które już znasz.

Policzmy jeden przykład, krok po kroku

To przykład do policzenia na kartce: do rezystora o oporze 1000 Ω przykładamy napięcie 5 V. Chcemy wiedzieć, jakie natężenie prądu przez niego popłynie. W tym uproszczeniu pomijamy opór przewodów.

1. Bierzemy napięcie w woltach: 5.
2. Dzielimy je przez opór w omach: 5 ÷ 1000 = 0,005.
3. Wynik otrzymujemy w amperach: 0,005 A, czyli 5 mA.

A gdyby opór był dwa razy większy, czyli wynosił 2000 Ω? Przy tym samym napięciu popłynęłoby o połowę mniej prądu: 2,5 mA.

Właśnie to ma pokazać obliczenie: napięcie i opór wspólnie decydują o natężeniu. Sama liczba woltów nie mówi jeszcze, ile amperów popłynie.

Ten prosty sposób liczenia dotyczy elementu o stałym oporze. Nie każdy element tak się zachowuje. Na przykład opór żarówki zmienia się, gdy jej wnętrze się nagrzewa. Dlatego do obliczeń wybraliśmy rezystor.

Sprawdź, czy potrafisz je odróżnić

Żarówka jest wyłączona. Czy bateria nadal ma napięcie? Tak. Przerwanie obwodu zatrzymało przepływ prądu, ale nie usunęło napięcia baterii.

Przez rezystor płynie prąd 5 mA. Co opisuje ta liczba? Natężenie, czyli wielkość przepływu ładunku.

Zwiększamy opór, a napięcie pozostaje takie samo. Co się stanie? Natężenie zmaleje — prądowi trudniej będzie płynąć.