Podstawowe wielkości fizyczne
Fundamentem fizyki jest określony zbiór praw, zasad i wielkości fizycznych. Ich wzajemne powiązania, opisane równaniami i funkcjami, pozwalają na dokładne modelowanie pewnych zjawisk i wyznaczanie wartości parametrów, których nie da się zmierzyć w sposób bezpośredni (lub taki pomiar byłby bardzo trudny do wykonania). Ponieważ elektronika, podobnie zresztą jak inne dziedziny techniki, opiera się właśnie na fizyce, konieczne jest zapoznanie się z najważniejszymi zagadnieniami, leżącymi u podstaw zjawisk zachodzących w układach elektronicznych. W tym artykule prezentujemy podstawowe wielkości fizyczne oraz szereg powiązanych z nimi aspektów, niezbędnych do lepszego zrozumienia pojęć stosowanych w elektronice.
Układ SI
Układ SI oznacza podstawowe jednostki miary, na których opierają się wszystkie inne, znane jednostki. Należą do niego: metr (podstawowa jednostka długości), kilogram (jednostka masy materii), sekunda (jednostka czasu), a także kelwin (jednostka temperatury), kandela (jednostka światłości), mol (jednostka liczności materii, określająca liczbę cząsteczek) oraz amper (jednostka natężenia prądu elektrycznego). Na podstawie tych siedmiu jednostek można wyznaczyć dowolną inną – wyrażając ją w postaci odpowiedniego wyrażenia matematycznego. O ile część z nich doskonale znasz zapewne z życia codziennego (metr, kilogram, sekunda), to np. kelwin jest używany w naszym kraju rzadko, można rzec – wyłącznie w opisach naukowych i technicznych. Temperaturę wyrażoną w kelwinach można jednak łatwo przeliczyć, dodając do jej wartości stałe „przesunięcie” równe 273,15 i otrzymując w wyniku temperaturę w doskonale znanej i intuicyjnie wyczuwanej skali Celsjusza. Przykładowo, temperatura pokojowa równa 20 oC odpowiada dokładnie 293,15 K (kelwinów). Często podstawowe wielkości fizyczne łączymy z tzw. przedrostkami. „Kilo” oznacza 1000 (np. jeden kilogram to 1000 gramów), mega – jeden milion, giga – jeden miliard. Analogicznie, idąc w przeciwną stronę skali, określamy części jednostki podstawowej, np. mili – jedna tysięczna (1 mm = 1/1000 mm), mikro (jedna milionowa), nano (jedna miliardowa) oraz piko (jedna bilionowa). Tak duży zakres przedrostków jest charakterystyczny dla elektroniki – nie ma nic dziwnego w tym, że w danym obwodzie elektrycznym mamy do czynienia z mikroamperami (0,000001 A) i megaomami (1000 000 Ω).
Podstawowe wielkości fizyczne w elektronice: amper i wolt
Jak wspomnieliśmy, jedyną typowo „elektryczną” jednostką w układzie SI jest jeden amper (1 A). Potrzebujemy jednak jeszcze dwóch innych jednostek, które określaną pozostałe, podstawowe wielkości fizyczne niezbędne do opisu działania układów elektronicznych. Jeden wolt (1 V) jest jednostką napięcia elektrycznego, inaczej mówiąc – różnicy potencjałów. W znanym i bardzo przydatnym porównaniu do hydrauliki, odpowiednikiem napięcia elektrycznego jest ciśnienie w układzie rur, wywierane np. przez pompę lub wysoko zawieszony zbiornik (ciśnienie hydrostatyczne). Hydraulicznym odpowiednikiem natężenia prądu jest przepływ – prościej mówiąc, jest to ilość wody przepływającej przez rurę w określonym czasie (np. w ciągu sekundy). Mamy tutaj jasną analogię do podstawowych wielkości fizycznych stosowanych w elektronice. Natężenie prądu to nic innego jak ilość ładunków, przepływająca przez przewód w ciągu jednej sekundy. Jeżeli w układzie płynie prąd o wartości dokładnie jednego ampera, to oznacza to, że ilość ładunku, przepływającego przez przewodnik w ciągu dokładnie jednej sekundy jest równa 1 C (jeden kulomb). A kulomb to nic innego jak ładunek około 6,24*1018 (czyli 6,24 trylionów elektronów). Dużo? To zależy. Niewielka bateria zegarkowa może tylko „pomarzyć” o dostarczeniu tak wielkiego prądu do obciążenia, podczas gdy silnik małego drona bez problemu może pobierać kilkanaście do kilkudzisięciu amperów.
Opór elektryczny i inne ważne wielkości fizyczne
Zaraz zaraz… powiedzieliśmy wcześniej, że w elektronice i elektryce korzystamy z trzech wielkości fizycznych. Skoro mamy już intuicyjnie zdefiniowane napięcie elektryczne i natężenie prądu, to gdzie możemy zastosować trzecią wielkość? Wróćmy na chwilę do hydraulicznego modelu naszego banalnie prostego obwodu elektrycznego. Jeżeli mamy określone ciśnienie (napięcie), to przez naszą przykładową rurę będzie płynęła jakaś ilość wody (ładunków elektrycznych). A co stanie się, gdy rurę zmienimy na cieńszą? Domyślasz się, że przepływ (natężenie prądu) spadnie, gdyż ilość wody płynąca poprzednio przez rurę nie będzie w stanie „przecisnąć” się przez mały przekrój w tym samym czasie (np. w ciągu sekundy). Nic dziwnego, rura stawia przecież opór przepływowi wody. Opór elektryczny, określany także jako rezystancja, istotnie ma związek z przekrojem naszego przewodnika elektrycznego, ale ponadto bardzo silnie zależy także od samego rodzaju materiału, z którego jest on wykonany. Dlatego właśnie kable instalacyjne są wykonywane z miedzi (przewodnik o bardzo niskiej rezystywności, czyli rezystancji odcinka materiału o danej długości i przekroju), zaś styki wysokiej jakości złączy są pokrywane złotem. Jednostką oporu elektrycznego jest jeden om (Ω), ale bardzo często stosujemy tutaj przedrostki, mówiąc na przykład o kiloomach (1 kΩ = 1000 Ω), megaomach (1 MΩ = 1000 000 Ω), rzadziej o gigaomach (1 GΩ = 1000 000 000 Ω) i miliomach (1 mΩ = 0,001 Ω). Umyślnie wprowadziliśmy tutaj pierwsze z fundamentalnych praw elektroniki – prawo Ohma. Więcej na jego temat przeczytasz w osobnym artykule, zatytułowanym Podstawowe prawa elektroniczne.