To ciekawe

Elektryczność jest jak ogień – jest bardzo pożyteczna, ale gdy jest źle użytkowana, może być bardzo niebezpieczna. Wszyscy słyszeliśmy o przypadkach śmiertelnych porażeń prądem lub pożarów wywołanych przez wadliwą instalację elektryczną. Jak to możliwe, że tak drastyczne skutki może powodować tak niepozorne i niewidoczne gołym okiem zjawisko, jak ruch z prędkością rzędu $1\frac{mm}{s}$ cząstek elementarnych, mniejszych niż atom, których łączna masa stanowi 0,0001% masy przewodu, w którym się poruszają?

Warto przeczytać

Prąd elektryczny to uporządkowany ruch nośników ładunku. Średnią prędkość tego ruchu nazywamy prędkością dryfu. W przewodnikach nośnikami tymi są swobodne elektronyElektrony swobodneswobodne elektrony; w półprzewodnikach, swobodne elektrony i dziury; w elektrolitach – jony; a w zjonizowanych gazach – jony i elektrony. W urządzeniach elektronicznych najczęściej mamy do czynienia z przewodnikami i półprzewodnikami, a ponieważ te drugie są bardziej skomplikowane, zajmiemy się natężeniem prądu na przykładzie przewodników.

Gdy podłączamy drut wykonany z przewodnika do obu biegunów baterii, swobodne elektronyElektrony swobodneswobodne elektrony znajdujące się wewnątrz drutu, pod wpływem siły elektrostatycznej zaczynają dryfować od ujemnego bieguna, w stronę dodatniego. Wewnątrz ogniwa przepompowywane są one dalej, od dodatniego bieguna do ujemnego, i w ten sposób krążą w obwodzie. Podczas wyobrażania sobie tych zjawisk, pamiętaj jednak o jednym: kiedy jeszcze nie rozumiano mechanizmu przepływu prądu, przyjęto, że prąd wewnątrz drutu płynie od bieguna dodatniego do ujemnego, czyli odwrotnie niż elektrony. Można więc o nim myśleć, jako o przepływie ładunków dodatnich. Z powodów historycznych tak już zostało.

O tym, czy dany prąd może być dla człowieka niebezpieczny, czy jest wystarczający, żeby zaświeciła się żarówka, a może na tyle duży, żeby się spaliła, informuje nas wielkość, zwana natężeniem prądu. Potocznie mówi się na nią po prostu „prąd”. Wyobraź sobie kabel, przez który płynie prąd. Spójrz na pewien jego fragment i zacznij zliczać, ile kulombów na sekundę przepływa przez powierzchnię jego przekroju, w danym miejscu. To właśnie jest natężenie prądu.

Natężenie prądu to ilość ładunku przepływającego przez daną powierzchnię w jednostce czasu. Czyli:

$I=\frac{\Delta q}{\Delta t}$.

Natężenie prądu mierzymy w amperach: $\left[I\right]=1\mathrm{A}$.

Prąd o natężeniu rzędu kilku amperów, to prąd dosyć duży. Dla porównania, bezpieczniki w domach powinny wyłączyć prąd przy natężeniu o wartości kilkunastu amperów. Większe natężenie mogłoby być niebezpieczne dla instalacji elektrycznej i mogłoby np. spowodować pożar. Pojedyncza żarówka 60‑watowa pobiera z sieci prąd o natężeniu ok. 0,3 A, a czajnik elektryczny – urządzenie znane z „pożerania” dużej ilości energii elektrycznej – potrzebuje kilku amperów. Z kolei dioda świecąca, która jest włączona, nawet gdy Twój monitor jest wyłączony, pobiera kilkadziesiąt miliamperów. Jeśli chodzi o prąd płynący przez serce, śmiertelne może być nawet natężenie rzędu 20 mA.

Podana we wprowadzeniu prędkość dryfuprędkość dryfuprędkość dryfu elektronów rzędu milimetrów na sekundę może wydawać się bardzo mała. Z drugiej strony samych elektronów swobodnych w drucie jest bardzo dużo, więc liczba przepływających elektronów na sekundę jest ogromna. Razem mogą one powodować potężny efekt. Dzięki tak wielkiej ich ilości, dochodzi do bardzo wielu zderzeń elektronów z drgającą siecią krystaliczną, z której zbudowany jest przewód. W wyniku tych zderzeń atomy i jony przewodu drgają coraz szybciej, co objawia się wzrostem temperatury przewodu i w konsekwencji może prowadzić np. do zapalenia się przewodu.

Rozumiejąc zjawisko przepływu prądu i kontrolując wartość jego natężenia, możemy jednak projektować nasze urządzenia elektryczne i elektroniczne tak, żeby były bezpieczne, a nawet pomagały ratować ludziom życie, jak na przykład defibrylatory.

Słowniczek