Zrozumienie przepływu prądu elektrycznego

Supakorn Kaewinta / EyeEm / Getty Images

Dla większości ludzi elektryczność jest tajemniczą siłą, która w magiczny sposób pojawia się, gdy włączymy włącznik światła lub podłączymy urządzenie. Jednak chociaż nauka stojąca za przepływem elektryczności jest bardzo złożona, podstawy przepływu elektrycznego lub prądu są łatwe do zrozumienia, jeśli nauczysz się kilku kluczowych terminów i funkcji. Pomaga także porównać przepływ prądu przez przewody z przepływem wody przez rury. Chociaż analogia nie jest idealna, wiele charakterystyk przepływu elektrycznego w przewodach obwodowych jest podobnych do przepływu wody w systemie wodno-kanalizacyjnym.

• Ruchome elektrony

  

  Sharif Tarabay / Getty Images

  To, co nazywamy prądem elektrycznym, występuje na poziomie cząstek wśród atomów przewodzącego materiału - w obwodzie domowym, to jest okablowanie miedziane. W każdym atomie są trzy rodzaje cząstek: neutrony, protony (które przenoszą dodatni ładunek elektromagnetyczny) i elektrony (przenoszące ładunek ujemny). Ważną cząstką tutaj jest elektron, ponieważ ma unikalną cechę polegającą na tym, że jest w stanie oddzielić się od swojego atomu i przejść do sąsiedniego atomu. Ten przepływ elektronów wytwarza prąd elektryczny - skok ujemnie naładowanych elektronów z atomu na atom.

  Jak działają generatory

  Co wprawia elektrony w ruch? Fizyka jest skomplikowana, ale w gruncie rzeczy przepływ prądu w przewodach obwodu jest możliwy za pomocą generatora (turbina napędzana wiatrem, wodą, reaktorem atomowym lub spalaniem paliw kopalnych). W 1931 r. Michael Faraday odkrył, że ładunki elektryczne powstały, gdy materiał przewodzący prąd elektryczny (drut metalowy) porusza się w polu magnetycznym. Jest to zasada działania nowoczesnych generatorów: Turbiny - napędzane spadającą wodą lub parą wytwarzaną przez reaktory jądrowe - obracają ogromne cewki drutu metalowego wewnątrz gigantycznych magnesów, powodując w ten sposób przepływ ładunków elektrycznych.

  Po ustanowieniu tego ogromnego pola elektrycznego ładunków dodatnich i ujemnych, elektrony w drutach w całej sieci elektroenergetycznej wskakują do działania i zaczynają płynąć w rytmie z polem elektrycznym. Kiedy włączysz włącznik światła lub podłączysz lampę lub toster, w rzeczywistości czerpiesz z szerokiego przepływu elektronów ciągniętych i popychanych przez generatory narzędziowe, które mogą znajdować się setki kilometrów od siebie.

  Generatory elektryczne są czasami porównywane do pomp wodnych - nie wytwarzają elektryczności (tak jak pompa wodna nie wytwarza wody), ale umożliwiają przepływ elektronów.

• Prąd = przepływ energii elektrycznej

  

  Victor De Schwanberg / Science Photo Library / Getty Images

  Termin prąd odnosi się do prostego przepływu elektronów w obwodzie lub układzie elektrycznym. Można również porównać prąd elektryczny do ilości lub objętości wody przepływającej przez rurę wodną. Prąd elektryczny jest mierzony w amperach lub amperach.

  Prąd przemienny a prąd stały

  Prąd elektryczny występuje w dwóch rodzajach: prąd przemienny (AC) i prąd stały (DC). Technicznie prąd stały płynie tylko w jednym kierunku, podczas gdy prąd zmienny zmienia kierunek. Na co dzień prąd przemienny jest formą wytwarzanej przez generator energii elektrycznej, która steruje oświetleniem, urządzeniami i gniazdami w domu, natomiast prąd stały jest formą energii dostarczanej przez akumulatory. Na przykład latarki to systemy prądu stałego, podczas gdy w domowych punktach sprzedaży jest używany system prądu przemiennego.

  Wiele odnawialnych źródeł energii, takich jak generatory słoneczne i wiatrowe, wytwarza prąd stały, który przekształca się w prąd przemienny do użytku w domu. Akumulator samochodowy to układ prądu stałego używany do rozruchu silnika, ale po uruchomieniu silnika układ elektryczny samochodu ma alternator, który zaczyna wytwarzać prąd przemienny w celu uruchomienia różnych układów.

• Napięcie = ciśnienie

  

  Marek Jagoda / EyeEm / Getty Images

  Napięcie, znane również jako siła elektromotoryczna , jest często definiowane jako ciśnienie elektronów w układzie. Można to porównać do ciśnienia wody w rurze. Standardowe obwody w domu mają napięcie około 120 woltów (rzeczywiste napięcie może wynosić od około 115 do 125 woltów) lub 240 woltów (rzeczywisty zakres: od 230 do 250 woltów). Większość opraw oświetleniowych i gniazd zasilanych jest z obwodów o napięciu 120 woltów, podczas gdy suszarki, kuchenki i inne duże urządzenia zwykle wykorzystują obwody o napięciu 240 woltów.

• Moc = szybkość przepływu

  

  Tom Chance / Getty Images

  Termin moc odnosi się do szybkości, z jaką energia elektryczna jest rozpraszana lub zużywana. Całkowita ilość energii zużywanej przez instalację elektryczną w twoim domu jest odczytywana przez licznik energii elektrycznej przedsiębiorstwa energetycznego. Mierzy się go w kilowatogodzinach lub 1000 watogodzin i tak naliczane są opłaty.

  Każde urządzenie elektryczne, takie jak oprawa oświetleniowa lub urządzenie, ma współczynnik zużycia mierzony w watach. Na przykład 100-watowa żarówka płonąca przez 10 godzin zużywa jeden kilowatogodzinę energii elektrycznej.

  Wzmacniacze, wolty i waty istnieją w matematycznej relacji między sobą, wyrażone w następujący sposób: Waty = wolty x ampery

  Jeśli urządzenie ma moc znamionową 120 woltów i 10 amperów, zużyje do 1200 watów podczas pracy: 120 woltów x 10 amperów = 1200 watów.

• Ohm = Rezystancja

  

  Stanley K Patz / Getty Images

  Ohm to pomiar oporu przepływu elektronów przez materiał przewodzący. Im wyższy opór, tym mniejszy przepływ elektronów. Rezystancja ta powoduje wytworzenie pewnej ilości ciepła w obwodzie. Przykładowo powodem, dla którego suszarka do włosów wieje gorące powietrze, jest opór w wewnętrznym okablowaniu, który wytwarza ciepło. I to opór w maleńkich drutach żarowej żarówki powoduje, że się nagrzewa i świeci światłem. Opór może również doprowadzić do przegrzania przedłużacza, jeśli jest on używany w urządzeniu, które pobiera zbyt dużo prądu.

  W okablowaniu obwodu zbyt duża rezystancja może przeciążyć obwód i spowodować pożar elektryczny. Ponieważ złe połączenia spowodowane przez luźne zaciski śrubowe i korozję są prawdopodobnie przyczyną, połączenia elektryczne powinny być regularnie sprawdzane, aby zapewnić bezpieczeństwo w instalacji elektrycznej.