Warto przeczytać

Aby energia elektryczna pochodząca ze źródła zasiliła odbiornik, trzeba ją w jakiś sposób przetransportować. Energia ta to w istocie potencjalna energia elektryczna, którą posiadają poruszające się nośniki prądu elektrycznegoprąd elektrycznyprądu elektrycznego, a wykonywanie pracy w odbiorniku to wykorzystywanie tej energii. Aby ten proces był możliwy, konieczne jest więc, by w odbiorniku:

1. znajdowały się nośniki ładunku elektrycznego;

2. panowało pole elektryczne, które nadaje tym ładunkom potencjalną energię elektrostatyczną.

R1OcNW5hiLBgU

Rys. 1. Na rysunku znajduje się ustawiony poziomo walec. Przy lewej podstawie walca zapisano symbol minus, a przy prawej podstawie symbol plus. Wewnątrz walca narysowano poziome linie zakończone strzałkami zwróconymi w lewo. Wnętrze walca wypełnione jest małymi kółeczkami, które symbolizują swobodne elektrony. Do kółeczek przyłożone są jednakowe wektory skierowane poziomo w prawo.

Materiałami, w których jest wystarczająco dużo swobodnych elektronów, doskonałych nośników prądu, są na przykład metale. W półprzewodnikach nośnikami ładunku są elektrony lub dziury (czyli puste miejsca po elektronach). Elementy czynne urządzeń elektrycznych najczęściej są więc wykonane z tych materiałów. Wyjątkiem są urządzenia wytwarzające lub korzystające z energii chemicznej, w których nośnikami prądu są jony elektrolitu oraz odbiorniki wykorzystujące przepływ prądu w gazach za pośrednictwem jonów lub cząstek naładowanych.

Aby elektrony poruszały się w odbiorniku, trzeba je do niego jednak dostarczyć z jednej strony, a odebrać z drugiej. Rozwiązaniem jest połączenie źródła i odbiornika metalowymi przewodami. Są one bowiem bardzo dobrymi przekaźnikami zarówno elektronów, jak i pola elektrycznego, a dodatkowo mają mały opór elektryczny, czyli przekazywanie to wiąże się z małymi stratami energii.

Ale nie jest to jedyne rozwiązanie. Ziemia jest bowiem praktycznie nieskończonym zbiornikiem elektronów. Można więc połączyć zarówno źródło jak i odbiornik z jednej strony do ziemi i w ten sposób zrealizować warunek dostarczania lub odbierania elektronów z urządzenia. Wymaga to jednak zbudowania uziemienia dobrej jakości, stąd ze względów praktycznych to rozwiązanie stosuje się najczęściej w sieciach energetycznych przy przesyłaniu energii elektrycznej na duże odległości.

Jak wynika z naszych rozważań, aby możliwe było korzystanie z energii elektrycznej, trzeba zbudować układ, który oprócz źródła i odbiornika będzie zawierał połączenie elektryczne między nimi. Układ ten musi być zamknięty. Przerwanie połączenia uniemożliwi bowiem przekazywanie ładunków elektrycznych.

Napisaliśmy wyżej, że drugim warunkiem wykorzystywania energii elektrycznej jest powstanie w odbiorniku pola elektrycznego, by można było korzystać z energii potencjalnej elektronów. Wymaga to wytworzenia różnicy potencjałów na końcach odbiornika. Tę różnicę potencjałów wytwarza źródło, ale odbiornik musi być połączony z obydwoma jego biegunami. To drugi powód, dla którego połączenie tych obu elementów musi być układem zamkniętym. Zastosowanie przewodów wykonanych z metalu zapewnia, że potencjał połączonych nimi elementów jest taki sam. Można jednak wykorzystać fakt, że ziemia w każdym swoim punkcie ma ten sam potencjał (przyjmujemy, że równy zeru). Może więc stanowić połączenie jednej pary biegunów źródła i odbiornika, gdyż w tym przypadku, konieczna różnica potencjałów w odbiorniku będzie wytworzona między ziemią a drugim połączeniem, zrealizowanym za pomocą metalowego przewodu.

Nasze rozważanie można podsumować następująco:

Obwód elektryczny to układ zamknięty zawierający co najmniej jedno źródło i co najmniej jeden odbiornik, połączone ze sobą w sposób umożliwiający przepływ ładunków elektrycznych i zapewniający ten sam potencjał połączonych biegunów.

Warto zauważyć, że ładunki elektryczne mogą się poruszać wzdłuż obwodu albo stale w tę samą stronę (jak w przypadku prądu stałego), albo raz w jedną, a raz w drugą stronę (jak dla prądu przemiennego).

Szybkość przemieszczania się ładunków wzdłuż obwodu nie jest duża i wynosi zwykle ułamek milimetra na sekundę. Jednak wyrównywanie się potencjałów elektrycznych (inaczej mówiąc, rozchodzenie się pola eklektycznego w elementach obwodu) odbywa się z szybkością światła.

Na koniec wspomnimy, że przesyłanie energii elektrycznej ze źródła do odbiornika może odbywać się także bez wykorzystania obwodu elektrycznego, za pośrednictwem pola elektrycznego i magnetycznego. W ten sposób działają na przykład ładowarki indukcyjne i wszelkie urządzenia wykorzystujące fale elektromagnetyczne: radio, telewizja, sieci telefonów komórkowych itp.

Słowniczek