Prądem elektrycznym nazywamy uporządkowany ruch ładunków elektrycznych. Jaka jest przyczyna tego uporządkowanego ruchu?

W różnych obwodach elektrycznych przepływ ładunków jest spowodowany różnicą potencjałów wytworzoną przez źródło prądu. Podstawową cechą takiego źródła jest właśnie zdolność do wytwarzania różnicy potencjałów; miarą tej zdolności jest tzw. siła elektromotoryczna źródła (w skrócie $\text{SEM}$; oznaczamy ją symbolem $E$).

Wyobraźmy sobie obwód elektryczny ze źródłem prądu $\text{SEM}$ oraz elektrony przepływające przez przewody i przez opornik $R$. Źródło musi wykonać pracę potrzebną do przepompowywania ładunków w obwodzie elektrycznym. Wewnątrz źródła elektrony płyną od jego bieguna dodatniego do ujemnego, co wymaga dostarczenia im energii (w przypadku bateryjek i akumulatorów energia ta pochodzi z zachodzących w ich wnętrzu reakcji chemicznych). Poza źródłem elektrony przemieszczają się od bieguna ujemnego do dodatniego, oddając uzyskaną energię potencjalną w obwodzie.

W takim obwodzie elektrycznym w źródle $\text{SEM}$ zostaje wykonana praca $W_Z$ przemieszczania ładunków wbrew polu między elektrodami źródła. Siłę elektromotoryczną $E$ definiujemy jako stosunek pracy wykonywanej przez źródło do wartości przenoszonego ładunku:

Z tego wzoru wynika, że $E$ wyraża się w takich samych jednostkach jak napięcie – w woltach; $\left[E\right]=\frac{1\text{J}}{1\text{C}}=1\text{V}$.

Cechą każdego elementu obwodu jest jego opór elektryczny; źródło prądu nie jest tu wyjątkiem. Ładunki przemieszczające się wewnątrz źródła (il. 2.1) również napotykają opory ruchu – tak jak ładunki przemieszczające się w przewodach czy w oporniku. Tak więc cechą źródła, prócz jego $\text{SEM}$, jest także jego opór – nazywamy go oporem wewnętrznym źródła i oznaczamy symbolami $R_w$ lub $r$. W niektórych sytuacjach możemy uznać w przybliżeniu, że wewnętrzny opór źródła wynosi zero. Podobnie czynimy, uznając, że opór przewodów łączących inne elementy obwodu wynosi zero.

Na il. 2.1 przedstawione jest działanie ogniwa elektrochemicznego (popularnej baterii). Jony dodatnie (znajdujące się w elektrolicie w baterii) pobierają elektrony z elektrody dodatniej i przenoszą je do elektrody ujemnej. Widać, że to działanie $\text{SEM}$ wymaga pracy (która jest wykonywana kosztem energii chemicznej źródła) wbrew polu elektrycznemu panującemu między elektrodami baterii – elektrony niosące ładunki ujemne są przenoszone do ujemnej elektrody.

Wyjaśnimy tu kilka kwestii:

1. Dlaczego jon dodatni odbiera elektron dodatniej elektrodzie? W ogniwie dodatnie jony elektrolitu (które na skutek dyfuzji znajdą się blisko elektrody dodatniej) silniej przyciągają elektrony z elektrody niż dodatnie jony elektrody – tak jest dobrana substancja elektrolitu.
2. Dlaczego zobojętniony jon wędruje akurat do elektrody ujemnej? Zobojętnione jony wędrują w elektrolicie (dyfuzja) we wszystkich kierunkach – pewna ich ilość znajdzie się w pobliżu elektrody ujemnej. Tutaj wystąpi efekt odwrotny do tego, który występował w pobliżu elektrody dodatniej. Materiał elektrody ujemnej dobrano tak, aby jej jony silniej przyciągały elektrony – silniej niż jony elektrolitu.
3. Dlaczego obojętny jon elektrolitu pozbywa się ujemnego elektronu przy ujemnej elektrodzie (a nie przy elektrodzie dodatniej; patrz p. 1. i 2.)?
4. Dlaczego dodatni jon (po pozbyciu się elektronu) wraca do dodatniej elektrody? Po pozbyciu się elektronu jon dodatni na skutek dyfuzji porusza się we wszystkich kierunkach – pewna ich ilość znajdzie się w pobliżu elektrody dodatniej i tam nastąpi proces 1.

Prąd w obwodzie może być podtrzymywany dzięki pracy $\text{SEM}$, która podtrzymuje cały czas napięcie między elektrodami źródła. Na il. 2.2b przedstawione są napięcia, $\text{SEM}$ i zmiany potencjału w prostym obwodzie elektrycznym. Ładunki są podnoszone na wyższy poziom energii potencjalnej przez $\text{SEM}$ (odcinek C-D). Następnie ładunki przechodzą od wysokiego potencjału do najniższego. Stosunkowo mały spadek energii potencjalnej występuje na przewodach (D-A i B-C), największy – na oporze $R$ (odcinek A-B).

Omówimy teraz nieco dokładniej przyczyny przepływu prądu, czyli uporządkowanego ruchu ładunków. Można wskazać wiele różnych czynników wywołujących uporządkowany ruch ładunków. Podstawowe znaczenie mają siły elektryczne. Ładunki dodatnie poruszają się zgodnie ze zwrotem linii pola, ładunki ujemne (najczęściej elektrony) – w kierunku przeciwnym. Siły elektryczne nazywamy zwykle siłami kulombowskimi.

Na ładunki elektryczne mogą działać również inne czynniki wywołujące ich uporządkowany ruch – nazywamy je siłami postronnymi. Przykładem sił postronnych są siły magnetyczne (patrz lekcje w rozdziale Magnetyzm). Innym przykładem jest dyfuzja cząstek naładowanych (np. jonów czy elektronów) – mimo że nie ma tu bezpośredniego działania jakichś sił na ładunki, występuje ich uporządkowany ruch, tak jak w polu elektrycznym. Jeszcze innym przykładem działania sił postronnych jest, przedstawiony uprzednio, uporządkowany ruch ładunków w elektrolicie źródła elektrochemicznego. Praca przenoszenia ładunków w takim źródle prądu jest wykonywana kosztem energii chemicznej. Opór stawiany przez elektrolit – opór wewnętrzny ogniwa – powinien być uwzględniony przy analizie obwodu (il. 2.2).

Pole elektryczne wywołujące prąd elektryczny w przewodniku jest określone różnicą potencjałów. Różnica ta, zgodnie z definicją (1.27), jest równa stosunkowi pracy pola $W_E$ do wartości przemieszczanego ładunku:

Jeśli praca przemieszczania ładunku wykonywana jest nie tylko przez siły kulombowskie, ale i przez siły postronne, to całkowita praca wynosi:

gdzie $W_Z$ oznacza pracę wykonywaną przez inne źródła energii, np. kosztem energii reakcji chemicznej w źródle prądu. Stąd mamy:

Pierwszy wyraz po prawej stronie to różnica potencjałów (2.2) na danym odcinku obwodu elektrycznego. Drugi wyraz oznacza siłę elektromotoryczną na danym odcinku obwodu (patrz wzór (2.1)). Jest to stosunek pracy wykonywanej przez niekulombowskie źródło energii do wartości przenoszonego ładunku.

Ze wzoru (2.3) wynika, że całkowite napięcie na danym odcinku obwodu $U=\frac{W}{q}$ (łącznie z występującą tam $\text{SEM}$) jest równe sumie różnicy potencjałów pola elektrycznego na tym odcinku i siły elektromotorycznej działającej w obrębie tego odcinka:

Pytania i problemy

1. Wyjaśnij, na czym polega zjawisko przepływu prądu elektrycznego.
2. Wytłumacz, jaka jest przyczyna powstawania prądu elektrycznego. Zastanów się i powiedz, czy tylko pole elektryczne jest w stanie wywołać prąd. Może istnieją jeszcze inne czynniki mogące go wywołać? Jeśli tak, to jakie?
3. Wyjaśnij, czym różni się napięcie od siły elektromotorycznej.
4. Wytłumacz, jaki jest kierunek przepływu prądu w obwodzie, a jaki – w źródle prądu.