To ciekawe

Trudno wyobrazić sobie dzisiejszy świat bez energii elektrycznej. Aby urządzenie mogło ją jednak wykorzystać, musi zostać włączone do zamkniętego obwodu elektrycznego. Wydaje się to oczywiste, ale jeśli chcesz poznać różne sposoby konstruowania takich obwodów – musisz zapoznać się z tym e‑materiałem.

RSePoYMouXjpL

Rys. a. Na rysunku znajdują się dwie żarówki umieszczone w oprawkach z dwoma zaciskami. Prawy zacisk lewej żarówki połączony jest zielonym przewodem z lewym zaciskiem prawej żarówki. Lewy zacisk lewej żarówki oraz prawy zacisk prawej żarówki połączone są zielonymi przewodami z biegunami baterii.

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