Slová napätie a prúd používa väčšina z nás ako synonymá slova elektrina. Tušíme, že to nie je celkom to isté, dokonca si zo školy mnohí pamätáme, že to sú celkom odlišné fyzikálne veličiny, ale aký presne je medzi nimi rozdiel, to nás až tak veľmi netrápi. A načo aj, hlavne že nestrkáme naslinené prsty do 220 voltovej zástrčky.
V predchádzajúcej sérii „5 krát o fyzikálnych veličinách“ nám akosi nezostalo miesto na základné elektrotechnické veličiny. Tak sme sa rozhodli venovať sa im aspoň v rozhovoroch. A keďže nám nešlo ani tak o aplikácie, ako skôr o podstatu týchto veličín, nepýtali sme sa elektroinžinierov, ale fyzikov – Romana Martoňáka a Richarda Hlubinu.
Hneď na začiatku rozhovoru sme dostali odpoveď na otázku, kto je vlastne ten zlý – či napätie alebo prúd. Inými slovami, či sú nebezpečné volty alebo ampéry. Odpoveď bola jednoznačná – neubližuje nám elektrické napätie, ubližuje nám elektrický prúd. A to nie hocijaký, ale len ten, ktorý pretečie cez srdcovú krajinu.
Pomenovať niektoré dôležité rozdiely medzi napätím a prúdom je teda aj na laickej úrovni pomerne jednoduché. Ale povedať, čo presne napätie a prúd sú, to je na tejto úrovni dosť zložité.
S Romanom Martoňákom o elektrickom napätí
.elektrické napätie – čo to vlastne je?
Elektrické napätie je v podstate potenciálna energia. V skutočnosti je to dosť abstraktná veličina, ktorú si však, našťastie, možno predstaviť pomocou určitých analógií. Abstraktná definícia hovorí, že napätie je dané integrálom intenzity elektrického poľa po nejakej krivke, ale to väčšine ľudí nehovorí vôbec nič. Jednoduchá a zrozumiteľná analógia hovorí, že napätie je niečo ako výška, z ktorej tečie voda. Na to, aby mohla voda spontánne tiecť, ju musíme najprv dostať do určitej výšky a táto výška je akousi analógiou napätia.
.a tečúca voda je potom analógiou prúdu?
Áno, a je užitočné si pritom uvedomiť, že pohyb vody je spôsobený práve tým rozdielom výšok. Užitočné je to napríklad vtedy, keď si človek v súvislosti s napätím a prúdom položí celkom prirodzenú otázku príčiny a následku. Naša analógia nám napovedá správnu odpoveď, že napätie treba brať v tejto dvojici ako to, čo má charakter príčiny, a prúd je následok tejto príčiny. Napätie súvisí so silami, ktoré spôsobujú pohyb nábojov, prúd je vlastne práve ten pohyb.
.v takejto analógii zodpovedá tečúca voda pohybujúcim sa nábojom. Čomu zodpovedá Zem, ktorá vodu gravitačne priťahuje?
Tiež nábojom. V prípade prúdu vody ide o gravitačné pole, v prípade prúdu nábojov o elektrické pole. A zdrojom tohto elektrického poľa sú zas len nejaké náboje. Voda sa pohybuje v gravitačnom poli Zeme, náboje sa pohybujú v elektrickom poli ostatných nábojov.
.dobre, ale na rozdiel od Zeme, ktorú tu máme, takpovediac, zadarmo, elektrické napätie musíme vyrábať. Ako vlastne prinútime náboje zaujať také rozloženie, aby vytvorili elektrické napätie?
Dá sa to rôznymi spôsobmi. Mnohé z nich sú založené na tom, že sa v látke vytvorí nejaká nerovnováha, ktorá má tendenciu sa vyrovnávať. Typickým príkladom je látka, ktorej jednotlivé časti udržiavame na rôznych teplotách. Pri vyrovnávaní teplôt sa v látke presúvajú častice, a ak sú tie častice elektricky nabité, tak pri tom dochádza aj k presunom náboja. Tými časticami sú často práve elektróny. Z miesta s vyššou teplotou na miesto s nižšou teplotou tečie viac častíc ako opačným smerom. Preto sa na určitom mieste zhromaždí viac záporného náboja ako na inom mieste a tým vznikne nenulové elektrické pole a elektrické napätie. Napätiu, ktoré vznikne takýmto spôsobom, hovoríme termoelektrické napätie.
.a ako vzniká napätie v bežných zdrojoch, napríklad takých tužkových batériách?
V niečom je to podobné a v niečom trochu zložitejšie ako v prípade termonapätia. Aj v batérii je v hre nerovnováha, tentoraz však nie tepelná, ale chemická. Pri vyrovnávaní tejto nerovnováhy dochádza aj tu k presunu častíc, ktoré majú nenulový elektrický náboj. Na častiach batérie, ktorým hovoríme elektródy, sa týmto mechanizmom nahromadí určitý elektrický náboj a ten vytvorí elektrické napätie. Toto napätie, respektíve s ním súvisiace elektrické sily, spôsobujú, že pohyb nabitých častíc vyrovnávajúci chemickú nerovnováhu sa postupne zastaví. Ak potom spojíme elektródy vodičom, začne ním tiecť prúd a elektrický náboj na elektródach poklesne. To znamená, že vnútri v batérii poklesnú elektrické sily, ktoré bránili vyrovnávaniu chemickej nerovnováhy a v časti batérie, ktorá sa volá elektrolyt, sa obnoví pohyb častíc, ktoré prinášajú náboj na elektródy.
.dá sa to nejako pochopiť aj v rámci našej analógie s vodou?
V rámci našej analógie sa dá povedať, že batéria predstavuje akúsi pumpu, ktorá prečerpáva vodu z nižšej hladiny na vyššiu. Táto pumpa je v nejakom zmysle poháňaná chemickou reakciou a vydrží pracovať dovtedy, kým sa všetky látky vstupujúce do tejto reakcie neminú tým, že zreagujú na iné látky.
.a ako sa vyrába napätie v elektrárni. To sa tiež dá prirovnať k nejakej pumpe?
Nie, tam to funguje inak. Na základe javu elektromagnetickej indukcie sa tam elektrické pole vyrába zmenou magnetického poľa. Tam nie je naša analógia s vodou tečúcou dolu kopcom veľmi dobrá, v tomto prípade je lepším prirovnaním voda tečúca stále v rovnakej výške. Aj to sa dá dosiahnuť, ale musíte tú vodu nejako poháňať. Takže si predstavme akési vrtuľky ponorené vo vode, ktoré sa točia a tým tú vodu poháňajú. Aj keď, až tak ďaleko by som tú analógiu s vodou ťahať nechcel. Nechcem, aby si niekto poplietol tieto naše vrtuľky s turbínou elektrárne. Alebo nebodaj tú vodu z našej analógie so skutočnou vodou v hydroelektrárni.
S Richardom Hlubinom o elektrickom prúde
.elektrický prúd – čo to vlastne je?
Prúd vo všeobecnosti súvisí s premiestňovaním hmoty a nejakého jej atribútu. Pri elektrickom prúde je tým atribútom elektrický náboj, ale môžeme hovoriť aj o prúde hmotnosti alebo nejakých ďalších fyzikálnych veličín. Každý takýto prúd súvisí s tým, že niečo sa pohybuje a premiestňuje. Základná predstava, ktorá sa pri opise prúdu núka, je pohyb vody v rieke. Ale to nie je jediná možná predstava. Mikroskopická predstava elektrického prúdu je trochu iná a tá sa skôr podobá na dážď.
.v akom zmysle?
Keď tečie prúd vo vodiči, tak je to vlastne dážď elektrónov. A tam je taká pikoška, že nie vždy sú tými kvapkami elektróny. Zaujímavé je, že to vieme z experimentov merajúcich šum tohto „elektrického dažďa“. Šum súvisí s tým, že prúdový signál je vlastne sadou nejakých impulzov. Početnosť týchto impulzov sa v čase náhodne mení okolo nejakej strednej hodnoty, čo nazývame šumom. Pri slabých prúdoch sa tento šum dá dobre merať a to sa využíva pri meraní náboja nositeľov prúdu. V takzvanom zlomkovom kvantovom Hallovom jave sa pozoruje šum menší, ako by mal byť v prípade prúdu elektrónov. Čo sa interpretuje tak, že každá „kvapka“ nesie len tretinu náboja elektrónu.
.ale to hádam neznamená, že tam vedú prúd voľné kvarky...
To určite nie, vedú ho elektróny, ale zvláštnym spôsobom. Vo fyzike sme zvyknutí rozkladať veci na stále menšie a menšie časti, tak ako chlapec, ktorý rozoberá hodinky. Ak pochopíme funkciu jednotlivých ozubených koliesok a vzťahy medzi nimi, tak pochopíme celé hodinky. Je pravda, že aj tie ozubené kolieska môžeme ešte ďalej rozoberať až na atómy, ale pre porozumenie hodinkám nemá toto ďalšie rozoberanie príliš veľký význam. Ak podobným spôsobom skúmame elektrický prúd vo vodiči, tak úlohu tých ozubených koliesok hrajú takzvané elementárne excitácie, ktoré sa komplikovaným spôsobom skladajú z elektrónov. Pre pochopenie elektrického prúdu je dôležité poznať celkové vlastnosti týchto elementárnych excitácií, nie detaily ich štruktúry. V bežných situáciách sa elementárne excitácie veľmi podobajú na samotné elektróny, preto hovorievame, že nositeľmi prúdu v kovoch sú elektróny. V niektorých špeciálnych prípadoch sa však môžu elementárne excitácie od elektrónov zásadným spôsobom líšiť. A to až tak, že ich náboj môže byť len zlomkom náboja elektrónu.
.až tak?
Znie to neuveriteľne, ale je to tak. Skúsim to vysvetliť na príklade mexickej vlny na futbalovom štadióne. Mexická vlna sa v nejakom zmysle skladá z jednotlivých ľudí a z ich pohybov. Vlastnosti tej vlny a jej pohyb sú však celkom odlišné ako vlastnosti a pohyby jednotlivých divákov. My nevidíme vo vlne niečo reálne, ale iba akýsi prejav pohybu veľkého množstva ľudí. Ale to je len vecou pohľadu. Pilot letiaci nad štadiónom nevidí jednotlivých ľudí, ale vlnu vidí ako čosi celkom reálne. Táto vlna má dokonca fyzikálne vlastnosti ako vlnovú dĺžku a rýchlosť šírenia. A tieto jej vlastnosti vôbec nepripomínajú vlastnosti jednotlivých ľudí, ktorí vlnu tvoria.
.takže nositelia elektrického prúdu sa síce skladajú elektrónov, ale pritom sa na elektróny nemusia príliš podobať...
Áno, aj keď chcem zdôrazniť, že väčšinou sa na elektróny podobajú. Existuje však ďalší zaujímavý prípad. V supravodiči sú nositeľmi prúdu takzvané Cooperove páry. Možno si ich predstaviť ako „molekuly“ pozostávajúce z dvoch elektrónov. Náboj je teda nesený v dvakrát väčších balíčkoch, ako v obyčajnom kove, to však nie je ten najdôležitejší rozdiel. Zásadná odlišnosť spočíva v takzvanom spine častice. Spin Cooperovho páru je buď nula alebo jedna a práve to v konečnom dôsledku vedie k javu supravodivosti. Elektróny, ktoré majú spin jedna polovica, to urobiť nedokážu. Supravodivosť len s elektrónmi, bez Cooperových párov, by vôbec nebola možná.
.zatiaľ sme spomínali zlomkový kvantový Hallov jav a supravodivosť. Vyskytuje sa niečo podobné aj v menej exotických situáciách?
Áno, v každom počítači. Polovodičové súčiastky sú založené na kombinovaní dvoch typov materiálov. V jednom type sú nositeľmi náboja už spomínané „elektrónom podobné“ elementárne excitácie. V druhom type vedú elektrický prúd iné excitácie, takzvané diery. Aj ony sa v podstate skladajú z elektrónov, ale ich náboj je presne opačný ako náboj elektrónu.
.aké z toho plynie mravné ponaučenie?
Že keď je elektrónov veľa, môžu sa chovať zásadne inak, ako keď ich je málo. Ako hovorí nositeľ Nobelovej ceny P. W. Anderson: „More is different“.
V predchádzajúcej sérii „5 krát o fyzikálnych veličinách“ nám akosi nezostalo miesto na základné elektrotechnické veličiny. Tak sme sa rozhodli venovať sa im aspoň v rozhovoroch. A keďže nám nešlo ani tak o aplikácie, ako skôr o podstatu týchto veličín, nepýtali sme sa elektroinžinierov, ale fyzikov – Romana Martoňáka a Richarda Hlubinu.
Hneď na začiatku rozhovoru sme dostali odpoveď na otázku, kto je vlastne ten zlý – či napätie alebo prúd. Inými slovami, či sú nebezpečné volty alebo ampéry. Odpoveď bola jednoznačná – neubližuje nám elektrické napätie, ubližuje nám elektrický prúd. A to nie hocijaký, ale len ten, ktorý pretečie cez srdcovú krajinu.
Pomenovať niektoré dôležité rozdiely medzi napätím a prúdom je teda aj na laickej úrovni pomerne jednoduché. Ale povedať, čo presne napätie a prúd sú, to je na tejto úrovni dosť zložité.
S Romanom Martoňákom o elektrickom napätí
.elektrické napätie – čo to vlastne je?
Elektrické napätie je v podstate potenciálna energia. V skutočnosti je to dosť abstraktná veličina, ktorú si však, našťastie, možno predstaviť pomocou určitých analógií. Abstraktná definícia hovorí, že napätie je dané integrálom intenzity elektrického poľa po nejakej krivke, ale to väčšine ľudí nehovorí vôbec nič. Jednoduchá a zrozumiteľná analógia hovorí, že napätie je niečo ako výška, z ktorej tečie voda. Na to, aby mohla voda spontánne tiecť, ju musíme najprv dostať do určitej výšky a táto výška je akousi analógiou napätia.
.a tečúca voda je potom analógiou prúdu?
Áno, a je užitočné si pritom uvedomiť, že pohyb vody je spôsobený práve tým rozdielom výšok. Užitočné je to napríklad vtedy, keď si človek v súvislosti s napätím a prúdom položí celkom prirodzenú otázku príčiny a následku. Naša analógia nám napovedá správnu odpoveď, že napätie treba brať v tejto dvojici ako to, čo má charakter príčiny, a prúd je následok tejto príčiny. Napätie súvisí so silami, ktoré spôsobujú pohyb nábojov, prúd je vlastne práve ten pohyb.
.v takejto analógii zodpovedá tečúca voda pohybujúcim sa nábojom. Čomu zodpovedá Zem, ktorá vodu gravitačne priťahuje?
Tiež nábojom. V prípade prúdu vody ide o gravitačné pole, v prípade prúdu nábojov o elektrické pole. A zdrojom tohto elektrického poľa sú zas len nejaké náboje. Voda sa pohybuje v gravitačnom poli Zeme, náboje sa pohybujú v elektrickom poli ostatných nábojov.
.dobre, ale na rozdiel od Zeme, ktorú tu máme, takpovediac, zadarmo, elektrické napätie musíme vyrábať. Ako vlastne prinútime náboje zaujať také rozloženie, aby vytvorili elektrické napätie?
Dá sa to rôznymi spôsobmi. Mnohé z nich sú založené na tom, že sa v látke vytvorí nejaká nerovnováha, ktorá má tendenciu sa vyrovnávať. Typickým príkladom je látka, ktorej jednotlivé časti udržiavame na rôznych teplotách. Pri vyrovnávaní teplôt sa v látke presúvajú častice, a ak sú tie častice elektricky nabité, tak pri tom dochádza aj k presunom náboja. Tými časticami sú často práve elektróny. Z miesta s vyššou teplotou na miesto s nižšou teplotou tečie viac častíc ako opačným smerom. Preto sa na určitom mieste zhromaždí viac záporného náboja ako na inom mieste a tým vznikne nenulové elektrické pole a elektrické napätie. Napätiu, ktoré vznikne takýmto spôsobom, hovoríme termoelektrické napätie.
.a ako vzniká napätie v bežných zdrojoch, napríklad takých tužkových batériách?
V niečom je to podobné a v niečom trochu zložitejšie ako v prípade termonapätia. Aj v batérii je v hre nerovnováha, tentoraz však nie tepelná, ale chemická. Pri vyrovnávaní tejto nerovnováhy dochádza aj tu k presunu častíc, ktoré majú nenulový elektrický náboj. Na častiach batérie, ktorým hovoríme elektródy, sa týmto mechanizmom nahromadí určitý elektrický náboj a ten vytvorí elektrické napätie. Toto napätie, respektíve s ním súvisiace elektrické sily, spôsobujú, že pohyb nabitých častíc vyrovnávajúci chemickú nerovnováhu sa postupne zastaví. Ak potom spojíme elektródy vodičom, začne ním tiecť prúd a elektrický náboj na elektródach poklesne. To znamená, že vnútri v batérii poklesnú elektrické sily, ktoré bránili vyrovnávaniu chemickej nerovnováhy a v časti batérie, ktorá sa volá elektrolyt, sa obnoví pohyb častíc, ktoré prinášajú náboj na elektródy.
.dá sa to nejako pochopiť aj v rámci našej analógie s vodou?
V rámci našej analógie sa dá povedať, že batéria predstavuje akúsi pumpu, ktorá prečerpáva vodu z nižšej hladiny na vyššiu. Táto pumpa je v nejakom zmysle poháňaná chemickou reakciou a vydrží pracovať dovtedy, kým sa všetky látky vstupujúce do tejto reakcie neminú tým, že zreagujú na iné látky.
.a ako sa vyrába napätie v elektrárni. To sa tiež dá prirovnať k nejakej pumpe?
Nie, tam to funguje inak. Na základe javu elektromagnetickej indukcie sa tam elektrické pole vyrába zmenou magnetického poľa. Tam nie je naša analógia s vodou tečúcou dolu kopcom veľmi dobrá, v tomto prípade je lepším prirovnaním voda tečúca stále v rovnakej výške. Aj to sa dá dosiahnuť, ale musíte tú vodu nejako poháňať. Takže si predstavme akési vrtuľky ponorené vo vode, ktoré sa točia a tým tú vodu poháňajú. Aj keď, až tak ďaleko by som tú analógiu s vodou ťahať nechcel. Nechcem, aby si niekto poplietol tieto naše vrtuľky s turbínou elektrárne. Alebo nebodaj tú vodu z našej analógie so skutočnou vodou v hydroelektrárni.
S Richardom Hlubinom o elektrickom prúde
.elektrický prúd – čo to vlastne je?
Prúd vo všeobecnosti súvisí s premiestňovaním hmoty a nejakého jej atribútu. Pri elektrickom prúde je tým atribútom elektrický náboj, ale môžeme hovoriť aj o prúde hmotnosti alebo nejakých ďalších fyzikálnych veličín. Každý takýto prúd súvisí s tým, že niečo sa pohybuje a premiestňuje. Základná predstava, ktorá sa pri opise prúdu núka, je pohyb vody v rieke. Ale to nie je jediná možná predstava. Mikroskopická predstava elektrického prúdu je trochu iná a tá sa skôr podobá na dážď.
.v akom zmysle?
Keď tečie prúd vo vodiči, tak je to vlastne dážď elektrónov. A tam je taká pikoška, že nie vždy sú tými kvapkami elektróny. Zaujímavé je, že to vieme z experimentov merajúcich šum tohto „elektrického dažďa“. Šum súvisí s tým, že prúdový signál je vlastne sadou nejakých impulzov. Početnosť týchto impulzov sa v čase náhodne mení okolo nejakej strednej hodnoty, čo nazývame šumom. Pri slabých prúdoch sa tento šum dá dobre merať a to sa využíva pri meraní náboja nositeľov prúdu. V takzvanom zlomkovom kvantovom Hallovom jave sa pozoruje šum menší, ako by mal byť v prípade prúdu elektrónov. Čo sa interpretuje tak, že každá „kvapka“ nesie len tretinu náboja elektrónu.
.ale to hádam neznamená, že tam vedú prúd voľné kvarky...
To určite nie, vedú ho elektróny, ale zvláštnym spôsobom. Vo fyzike sme zvyknutí rozkladať veci na stále menšie a menšie časti, tak ako chlapec, ktorý rozoberá hodinky. Ak pochopíme funkciu jednotlivých ozubených koliesok a vzťahy medzi nimi, tak pochopíme celé hodinky. Je pravda, že aj tie ozubené kolieska môžeme ešte ďalej rozoberať až na atómy, ale pre porozumenie hodinkám nemá toto ďalšie rozoberanie príliš veľký význam. Ak podobným spôsobom skúmame elektrický prúd vo vodiči, tak úlohu tých ozubených koliesok hrajú takzvané elementárne excitácie, ktoré sa komplikovaným spôsobom skladajú z elektrónov. Pre pochopenie elektrického prúdu je dôležité poznať celkové vlastnosti týchto elementárnych excitácií, nie detaily ich štruktúry. V bežných situáciách sa elementárne excitácie veľmi podobajú na samotné elektróny, preto hovorievame, že nositeľmi prúdu v kovoch sú elektróny. V niektorých špeciálnych prípadoch sa však môžu elementárne excitácie od elektrónov zásadným spôsobom líšiť. A to až tak, že ich náboj môže byť len zlomkom náboja elektrónu.
.až tak?
Znie to neuveriteľne, ale je to tak. Skúsim to vysvetliť na príklade mexickej vlny na futbalovom štadióne. Mexická vlna sa v nejakom zmysle skladá z jednotlivých ľudí a z ich pohybov. Vlastnosti tej vlny a jej pohyb sú však celkom odlišné ako vlastnosti a pohyby jednotlivých divákov. My nevidíme vo vlne niečo reálne, ale iba akýsi prejav pohybu veľkého množstva ľudí. Ale to je len vecou pohľadu. Pilot letiaci nad štadiónom nevidí jednotlivých ľudí, ale vlnu vidí ako čosi celkom reálne. Táto vlna má dokonca fyzikálne vlastnosti ako vlnovú dĺžku a rýchlosť šírenia. A tieto jej vlastnosti vôbec nepripomínajú vlastnosti jednotlivých ľudí, ktorí vlnu tvoria.
.takže nositelia elektrického prúdu sa síce skladajú elektrónov, ale pritom sa na elektróny nemusia príliš podobať...
Áno, aj keď chcem zdôrazniť, že väčšinou sa na elektróny podobajú. Existuje však ďalší zaujímavý prípad. V supravodiči sú nositeľmi prúdu takzvané Cooperove páry. Možno si ich predstaviť ako „molekuly“ pozostávajúce z dvoch elektrónov. Náboj je teda nesený v dvakrát väčších balíčkoch, ako v obyčajnom kove, to však nie je ten najdôležitejší rozdiel. Zásadná odlišnosť spočíva v takzvanom spine častice. Spin Cooperovho páru je buď nula alebo jedna a práve to v konečnom dôsledku vedie k javu supravodivosti. Elektróny, ktoré majú spin jedna polovica, to urobiť nedokážu. Supravodivosť len s elektrónmi, bez Cooperových párov, by vôbec nebola možná.
.zatiaľ sme spomínali zlomkový kvantový Hallov jav a supravodivosť. Vyskytuje sa niečo podobné aj v menej exotických situáciách?
Áno, v každom počítači. Polovodičové súčiastky sú založené na kombinovaní dvoch typov materiálov. V jednom type sú nositeľmi náboja už spomínané „elektrónom podobné“ elementárne excitácie. V druhom type vedú elektrický prúd iné excitácie, takzvané diery. Aj ony sa v podstate skladajú z elektrónov, ale ich náboj je presne opačný ako náboj elektrónu.
.aké z toho plynie mravné ponaučenie?
Že keď je elektrónov veľa, môžu sa chovať zásadne inak, ako keď ich je málo. Ako hovorí nositeľ Nobelovej ceny P. W. Anderson: „More is different“.
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.