Víme, že elektrický proud je přenos elektronů. Drát si tedy můžeme představit, jako vodovodní trubku a elektrony třeba jako molekuly vody. Pak můžeme definovat základní pojmy:
Proud představuje množství elektronů, které projdou za jednotku času, tedy vlastně něco jako průtok. Ve vodovodu ho měříme na litry za sekundu, v drátech nám tečou ampéry.
Napětí elektrony nutí k tomu, aby se pohybovaly žádoucím směrem. Je to tedy něco jako rozdíl tlaků. V potrubí ho měříme dejme tomu v pascalech, atmosférách a pod., v drátech máme volty.
Náboj je veličina, udávající množství elektrického proudu, je tedy úměrný počtu elektronů, které nás z daného pohledu zajímají a můžeme si ho představit třeba jako litry vody. Jeho jednotkou je coulomb, který získáme, pokud necháme 1 A procházet po dobu 1 sekundy.
Zdroj je zařízení, které uvádí proud do pohybu. Tedy něco jako čerpadlo. Stejně jako čerpadlo jedním koncem nasává a druhým vodu tlačí, zdroj jedním koncem „nasává“ elektrony (tomu říkáme kladný pól) a druhým je tlačí ven (tomu říkáme záporný pól ).
Spotřebič je zařízení, které proud brzdí a tím mu odebírá energii, měníce ji do požadované formy. Tedy něco jako mlýnské kolo, nebo raději hydraulický motor.
Když zavřeme kohoutek, je to něco jako když vypneme vypínač. Čerpadlo dál udržuje tlak v potrubí, ale voda neteče. V drátech je tedy napětí, ale neprochází jimi proud. Někde tady ale podobnost začíná pokulhávat. Když kohoutek otevřeme, může nám voda za (ne)vhodných okolností vytéct na podlahu. To elektřina běžně nedělá. Pojďme se podívat, kde je rozdíl. S vodou je to jasné, teče kamkoli, kde je pro ni místo. Proud naopak nejraději prochází pevnými věcmi, ale jen některými. Říkáme jim vodiče a jsou to téměř výhradně kovy.
Zda je materiál vodivý, nebo není, závisí na tom, jak si jeho atomy hlídají své elektrony. Některé jsou v tomto ohledu velmi benevolentní a část svých elektronů nechávají volně toulat mezi podobně bezstarostnými kolegy. Takovým elektronům říkáme vodivostní a materiálům, které je mají, vodiče. Ostatní jsou povětšinou zcela nevodivé a říkáme jim izolanty. Pak máme ještě polovodiče, ale o nich zas někdy jindy. Odlišně to funguje též v roztocích.
Nyní zkusíme stanovit, jakou rychlostí se takové elektrony ve vodiči pohybují. Pro jednoduchost budeme předpokládat proudovou hustotu 1 A/mm2 (prakticky používané hodnoty jsou do 6-10 v kabelech elektroinstalací, do 1-10 ve vinutí transformátorů a větších motorů, ale třeba až 30 v malých modelářských motorcích). Zároveň budeme předpokládat, že atomy jsou od sebe vzdálené 0,26 nanometru (nano je miliardtina), což je typická hodnota pro měď - nejpoužívanější vodič. Na 1 mm2 takových atomů připadá 14,8.1012, tedy asi 15 bilionů, metr vodiče jich obsahuje 55.1021, tedy 55 triliard. Náboj jednoho elektronu je 1,602.10-19 C. Má-li každý atom jeden vodivostní elektron, bude coulomb obsažen v 0,62.1019 atomech, což je v případě našeho drátu 0,11 mm jeho délky. Závěrem je tedy zjištění, že proud se naším vodičem šourá neuvěřitelně šnečím tempem 0,11 mm/s (kterému říkáme driftová rychlost), což se může zdát podezřelé, vezmeme-li v úvahu, že když stiskneme vypínač, lampička se rozsvítí hned. Zde zas pomůže analogie s vodou: Když trochu pootevřeme kohoutek, voda v trubce se taky pohybuje pomalu, přesto se pohyb rychle rozšíří do celé její délky. Jak rychle? Rychlostí zvuku, což je ve vodě asi 1,5 km/s. Podobně je to s elektrony, mezi kterými se „rozkaz“ k zahájení pohybu šíří rychlostí světla (přesněji rychlostí elektromagnetických vln v materiálu izolace, ale o tom zas někdy jindy).
Výše uvedený popis je už celkem dobře prakticky použitelný a i dost rozřířený mezi velkou částí elektrotechnicky vzdělané veřejnosti. Jenomže s elektrony hýbe nejen proud, ale i teplo, které jak známo hýbe se vším. No a protože elektrony jsou suverénně nejlehčí, tak se podle zákona zachování hybnosti musí po srážkách s kmitajícími atomy pohybovat rychle. Vzhledem k ohromnému nepoměru mezi hmotností atomu a elektronu je jasné, že rychlost bude závratná. Při běžné, pokojové teplotě je to v řádu km/s. Elektrony se tedy ve vodiči volně a velmi rychle chaoticky pohybují všemi směry a narážejí při tom do atomů a hranic vodiče. Tomuto mumraji říkáme elektronový plyn. Jestliže prochází proud, je k tomuto pohybu přičten nepatrný vektor směřující žádoucím směrem.
Za povšimnutí ještě stojí, že vodivostní elektrony svým pohybem samozřejmě šíří i teplo. Proto jsou vodiče elektrické i dobrými vodiči tepla. To je velmi příjemné zjištění, pokud chceme odvést teplo z elektrického zařízení, ale také velká komplikace, pokud bychom vyžadovali elektricky vodivý tepelný izolant. Praktickým důsledkem jsou například mizerné parametry peltierových baterií.
Vodič ovšem není homogenní, takže ani tato představa ještě není dokonalá. Kov má mikrokrystalickou strukturu. Při tuhnutí taveniny totiž na mnoha místech začnou růst krystaly, které se posléze v různých vzájemných polohách potkávají a tam to „hapruje“. Také jsou v něm nečistoty a příměsi, které situaci dále komplikují. No a nakonec je tu samotný výrobní proces, který obsahuje dosti násilné mechanické zpracování. Jestliže z úhledného válečku postupným tažením vyrobíme kilometrový drát, z původní struktury toho moc nezbyde.
Ani tento popis není kompletní, ale pro dnešek by už mohl stačit. Někdy později se v tom budeme vrtat ještě hlouběji. Příště se pro změnu podíváme trochu více na jevy spojené s rychlými změnami velikosti a směru proudu.