Podstawowe prawa elektroniczne

Prawo Ohma

Jak pamiętasz z poprzedniego artykułu, przyłożenie pewnego napięcia elektrycznego do przewodnika (np. kawałka przewodu) powoduje przepływ prądu o wartości zależnej od wartości wspomnianego napięcia oraz rezystancji przewodnika. Im wyższe napięcie (lub – stosując znaną analogię hydrauliczną – ciśnienie wody), tym większe natężenie prądu (przepływ wody). Oczywiście zakładamy, że nie zmienia się rezystancja naszego przewodnika (średnica rury). Skoro natężenie prądu jest wprost proporcjonalne do napięcia (mówimy, że zależy od niego liniowo), to w naszym wzorze symbol U (oznaczający właśnie napięcie) trafi do licznika, zaś rezystancja (oznaczamy ją literą R) „wyląduje” w mianowniku:

Im mniejsza będzie wartość napięcia, tym mniejszy prąd przepłynie przez obwód – w szczególnym przypadku, gdy napięcie będzie równe zeru – przepływ całkowicie ustanie. Proste, prawda?

Prześledźmy zatem, co stanie się, gdy – nie zmieniając wartości napięcia – zwiększymy rezystancję. Logicznie rozumując dojdziemy do wniosku, że wzrost oporu elektrycznego (czyli – wracając znów do hydraulicznego modelu układu – zmniejszenie średnicy rury) spowoduje ograniczenie natężenia prądu. Jeżeli przekształcimy wzór mnożąc obydwie strony równania przez R, otrzymamy zgoła inną, przydatną postać prawa Ohma:

Wykorzystujemy ją do obliczenia wartości napięcia, panującego na danej rezystancji, przez którą przepływa prąd o znanym natężeniu. Napięcie to określamy mianem „spadku napięcia” – i nie chodzi tutaj, wbrew pozorom, o spadek rozumiany jako zmniejszenie wartości napięcia. Określenia tego używamy, gdy chcemy zaakcentować, że napięcie, o którym mówimy, panuje właśnie na danej rezystancji; jest to częsta pułapka dla początkujących, którzy uważają, że „spadek napięcia” i „napięcie” to dwa różne określenia. Z fizycznego punktu widzenia jest to jednak dokładnie ta sama wielkość, a różne nazwy mają zastosowanie w nieco innych sytuacjach układowych. Trzecim, często wykorzystywanym pojęciem, jest „różnica potencjałów” – to także nic innego, jak napięcie elektryczne, ale określone pomiędzy dwoma, często zupełnie odległymi, punktami układu lub nawet całego urządzenia.

Pierwsze prawo Kirchoffa

Przejdźmy teraz do kolejnego, fundamentalnego prawa elektroniki i elektryki. Pierwsze prawo Kirchoffa, zwane też „prądowym prawem Kirchoffa”, określa związek pomiędzy prądami, dopływającymi do danego węzła obwodu i wypływającymi z tego węzła. Pojęcie „węzeł” określa nic innego, jak wspólne połączenie galwaniczne (elektryczne) wyprowadzeń elementów elektronicznych, przewodów, itp. Jako węzeł możemy traktować zarówno proste połączenie trzech końcówek elementów, jak i potężne pole miedzi na płycie głównej komputera – ważne, aby wszystkie elementy „dochodzące” do węzła były z nim połączone bezpośrednio, przez pomijalnie małą rezystancję. Pierwsze prawo Kirchoffa mówi, że suma prądów dopływających do danego węzła jest równa sumie prądów wypływających. Innymi słowy, cały prąd, który wpłynął do węzła (jednym albo wieloma przewodami) musi z niego wypłynąć (za pomocą pozostałych, dostępnych dróg). Być może słusznie kojarzy Ci się to ze znanym powiedzeniem, że „energia nie pojawia się i nie znika, ale zmienia właściciela” – coś w tym jest, gdyż przepływ prądu wiąże się przecież z przekazem energii. Zwróć uwagę, że nie wspomnieliśmy tutaj o napięciach – skoro wszystkie elementy dochodzące do węzła są ze sobą solidnie połączone, to znaczy, że cały węzeł (tj. wszystkie wyprowadzenia i przewody do niego doprowadzone) znajduje się na dokładnie tym samym potencjale względem punktu odniesienia; innymi słowy, napięcie zmierzone pomiędzy jakimś punktem obwodu, a dowolną z końcówek dochodzących do węzła będzie dokładnie takie samo.

Drugie prawo Kirchoffa

Drugie prawo Kirchoffa ilustruje z kolei kwestię napięć, panujących w danym (zamkniętym) obwodzie. Tym razem zaczniemy jednak nie od fizycznej interpretacji, ale od intuicyjnego przykładu. Wyobraź sobie zestaw szeregowo połączonych lampek choinkowych. Czy zastanawiałeś się kiedyś, jak to możliwe, że niewielkie żaróweczki pracują bez problemu zasilane wysokim napięciem sieci energetycznej (230 V) i nie ulegają przepaleniu? Napięcie sieci dzieli się bowiem na poszczególne spadki napięcia, panujące na każdej z żarówek. Im więcej elementów, tym mniejsze napięcie przypada na każdy z nich. Suma wszystkich spadków napięć jest dokładnie równa napięciu zasilania – 230 V. I tak dokładnie „działa” drugie prawo Kirchoffa mówiące, że suma napięć w obwodzie jest równa zeru. Zaraz, zaraz… przed chwilą powiedzieliśmy, że przy napięciu równym zeru prąd płynąć nie może. Czy to błąd? Nie – wszystko jest w porządku, a wyjaśnienie leży w sposobie zapisywania napięć. 

Zapamiętaj, że „kierunek” (fachowo mówiąc – polaryzację) napięcia zasilania oznaczamy w kierunku zgodnym z umownym kierunkiem przepływu prądu. Z kolei w przypadku obciążenia (czyli odbiornika energii) – „kierunek” napięcia oznaczamy przeciwnie do kierunku przepływu prądu. Jeżeli chcemy wyznaczyć dokładną wartość spadku napięcia na danym elemencie obwodu szeregowego, wystarczy zmierzyć prąd (płynący przez cały obwód) oraz jego rezystancję, a następnie podstawić obie wartości do opisanego wcześniej prawa Ohma. Co ciekawe i ważne – wartość prądu wypływającego ze źródła zasilania jest równa dokładnie wartości prądu, który doń „wraca”. Jeżeli rezystancja obwodu wzrośnie, to z dodatniego bieguna zasilacza lub baterii wypłynie od razu prąd o zmniejszonej wartości. Jest to zatem kolejne potwierdzenie znanego powiedzenia, że „prąd nie może się pojawić znikąd”, ale także nie znika w miarę przepływu przez obwód. Fizyka nieubłaganie „trzyma się” pewnych ustalonych zasad, co – wbrew opinii osób nie przepadających za tą dziedziną wiedzy – w dużym stopniu pomaga nam w codziennej pracy.