Elektrotechnika - to nie takie trudne! (część 1)

Elektrotechnika a budowa materii

Ciała otaczającego nas świata są połączeniami niewielkiej w sumie liczby tzw. pierwiastków (tlen, węgiel, żelazo itd.). Każdy pierwiastek zbudowany jest z atomów - właściwych tylko jemu cząstek - które nie dzielą się przy reakcjach chemicznych. To nie oznacza, że są one niepodzielne, lecz to jest zupełnie inne zagadnienie. Atomy łącząc się w określonych proporcjach tworzą molekuły ciała, czyli jego najdrobniejsze cząsteczki, zachowujące jego własności. Atomy są zbudowane z cząstek elementarnych, które można podzielić na trzy grupy. Cząstki należące do pierwszej i drugiej grupy podlegają działaniu sił grawitacji oraz siłom wzajemnego odpychania od cząstek tej samej grupy i wzajemnego przyciągania do cząstek drugiej grupy. Te siły nazywają się siłami elektrycznymi, a cząstki podlegające ich działaniu są tzw. cząstkami naładowanymi, czyli mającymi pewien ładunek elektryczny. Do trzeciej grupy należą cząstki podlegające jedynie siłom grawitacji. Są to cząstki elektrycznie obojętne, np. neutrony.

Z cząstek naładowanych najmniejsze ładunki mają elektrony i protony. Umownie traktuje się ładunek przenoszony przez elektron jako ujemny, a przez proton jako dodatni. Natomiast ładunki te pod względem wartości bezwzględnej są sobie równe. Neutralny pod względem ładunku elektrycznego atom może zawierać tylko tyle naładowanych dodatnio cząstek - protonów - ile zawiera elektronów. Natomiast - teoretycznie - liczba cząstek elektrycznie obojętnych (neutronów) może być dowolna, ale w praktyce tak nie jest, bo pierwiastki mają swoją charakterystyczną dla nich budowę, a więc określoną liczbę neutronów w jądrze atomu. Cząstki skupione w naładowanym dodatnio jądrze atomu mają o wiele większą masę niż elektrony i to ich ilość decyduje o masie atomu, a ta z kolei o jego właściwościach. Aby uzmysłowić różnicę podam, że masa elektronu jest około 2000 razy mniejsza niż całego atomu wodoru! A ten, jak wiadomo, składa się z jednego elektronu i jednego protonu. Jak zbudowany jest atom? Wystarczy przyjąć, że jest to pewnego rodzaju miniaturowy układ planetarny. Dodatnio naładowane jądro atomu składające się z protonów i neutronów jest w środku, a wokół niego krążą ujemnie naładowane elektrony.

Wszystko, o czym będzie mowa w przewodniku, jest nierozerwalnie związane z budową materii. I tutaj pojawia się pewien problem - właściwie to nie wiadomo, jak i z czego materia jest zbudowana! Teorii było (i nadal jest) co niemiara. Korpuskularna, falowa, kwantowa, model standardowy, superstruny. Właściwie jest to obszar działania fizyków, którzy starają się stworzyć jednolitą teorię, która spójnie opisywałaby wszystkie siły i zjawiska występujące w znanej nam rzeczywistości. Elektrotechnika jest domeną występowania i oddziaływania ze sobą dwóch podstawowych zjawisk elektrycznych: pola i prądu. Do ich definicji dojdziemy, ale na razie chcę wyjaśnić jedną ważną rzecz. Otóż istnieje powszechnie uznawana zasada, zwana brzytwą Ockhama, która głosi, że do wytłumaczenia jakiegokolwiek zjawiska należy używać jak najmniejszej ilości bytów. Co to takiego ten byt? To niezbędny składnik teorii opisujący dane zjawisko. Okazało się, że do celów praktycznych, umożliwiających konstruowanie i eksploatację urządzeń elektrycznych, w zupełności wystarcza przedstawiona powyżej w dużym skrócie teoria korpuskularna, chociaż wiadomo, że jest ona dość daleka od rzeczywistej budowy materii. Jednym z podstawowych elementów występujących w nauce o elektryczności jest elektron, przedstawiany w tej teorii jako punkt o pewnej masie i zachowujący się charakterystycznie dla siebie w polu elektrycznym lub magnetycznym. I to w zupełności wystarcza, chociaż można też (teoria kwantowa) elektron uważać za gęstość prawdopodobieństwa jego występowania w przestrzeni, ponieważ zgodnie z zasadą nieoznaczoności Heisenberga nie można jednocześnie precyzyjnie określić obu opisujących jego ruch elementów, tzn. położenia i pędu (tu kłania się fizyka: pęd to iloczyn masy i prędkości ciała). Występujące praktycznie przejawy i skutki działania prądu elektrycznego nie ulegną ani trochę zmianie, jeżeli zaczniemy rozbierać na części elementy składowe atomu, czyli neutrony, protony i elektrony. Natomiast doskonale skomplikujemy sobie zrozumienie i tak niełatwych do opisania i przyswojenia zjawisk. Uruchamiamy więc brzytwę Ockhama i upraszczamy teorię, pozostawiając fotony, kwarki, leptony, bariony, neutrina, struny i całą resztę atomowych zabawek fizykom. Zanim jednak przejdziemy do podstawowych pojęć, niezbędne jest omówienie sprawy wielkości elektrycznych i ich jednostek.