Elektřina
18. 7. 2021 2021-08-04 13:38Elektřina
Elektřina
Elektřina a magnetizmus
Elektrický náboj
Všechny věci kolem nás se skládají z atomů. Atom obsahuje jádro (tvořené protony a
neutrony) a obal tvořený elektrony. Protony a elektrony jsou částice elektricky nabité, neutron
je částice elektricky neutrální (bez náboje). Proton má kladný elektrický náboj a elektron
stejně velký záporný elektrický náboj. Velikost náboje je u těchto částic velice malá
Q = 1,602.10-19C.
Počet elektronů v obalu neutrálního atomu je stejný jako počet protonů v jádru atomu.
Záporný elektrický náboj obalu je tedy stejně velký jako kladný elektrický náboj jádra atomu.
Říkáme, že atom je elektricky neutrální.
Elektrování těles
Při elektrování těles dochází k přechodu elektronů mezi tělesy.
Těleso s přebytkem elektronů je nabité záporně (záporný iont – aniont) a těleso s nedostatkem
elektronů je nabité kladně (kladný iont – kationt). Souhlasně nabitá tělesa se odpuzují a
nesouhlasně nabitá tělesa se přitahují.
Elektrické pole
Elektrické pole je kolem každého zelektrovaného tělesa a můžeme je znázornit pomocí
elektrických siločar. V elektrickém poli se projevují přitažlivé a odpudivé síly. Velikost těchto
síl závisí na velikosti elektrického náboje těles a na jejich vzájemné vzdálenosti.
Elektrické pole mezi kladným a záporným nábojem
Stejnorodé elektrické pole
Elektroskop
Elektroskop je přístroj určený k měření velikosti elektrického náboje. Při dotyku kovové
desky elektroskopu zelektrovaným tělesem se vychýlí otočná ručička, která je odpuzována od
souhlasně nabité nehybné tyčky. Výchylka je tím větší, čím větší je náboj.
Elektrické napětí
Elektrické napětí je mezi tělesy s opačnými náboji. Jeho velikost můžeme měřit voltmetrem,
který zapojujeme do obvodu vždy paralelně.
Elektrické napětí se značí: U
Jednotka je: V (volt)
Chemické zdroje elektrického napětí
1 . Galvanický článek
Elektromotorické napětí na galvanickém článku vzniká důsledkem chemických reakcí mezi
elektrodami a elektrolytem.
Po zapojení článku do elektrického obvodu probíhají uvnitř článku reakce, kterými se
postupně snižuje elektrická energie uložená v článku, článek se vybíjí. Galvanický článek je
vždy zdroj stejnosměrného proudu. Je proto třeba před zapojením zkontrolovat správnou
polaritu elektrod.
Složení galvanických článků
Vhodnými a nejčastěji používanými látkami pro zápornou elektrodu jsou zinek, kadmium,
lithium a hydridy různých kovů, pro kladnou elektrodu uhlík, nikl a stříbro.
Jako elektrolyt se používá v suchých článcích a olověném akumulátoru roztok kyselin nebo
jejich solí.
Galvanické články se používají nejčastěji v přenosných elektrických spotřebičích (svítilnách,
hodinkách, mobilních telefonech, přenosných počítačích a fotoaparátech). Výhodou
galvanických článků je snadná údržba, malé rozměry a nízká hmotnost. Nevýhodou může být
nízké napětí, malý výkon a krátká životnost.
2. Akumulátor
Elektrochemický akumulátor je zařízení na opakované uchovávání elektrické energie.
Využívají přeměnu elektrické energie na energii chemickou, kterou je možno v případě
potřeby přeměnit zpět na elektrickou energii. Mezi nejpoužívanější akumulátory patří
Olověný (Pb), Nikl-kadmiový (NiCd), Nikl-metal hydridový (NiMH) a Lithium-iontový (Liion). Životnost většiny elektrochemických akumulátorů se pohybuje řádově ve stovkách
nabíjecích/vybíjecích cyklů (NiMH akumulátory 500–1000 cyklů). Po tuto dobu postupně
klesá kapacita akumulátoru kvůli chemické korozi jeho elektrod. Životnost je značně
ovlivněna způsobem vybíjení a nabíjení a také provozní teplotou.
Akumulátory se využívají jako zdroj energie v elektronice (mobilní telefony, notebooky) i
v různých strojích (malé ponorky, elektromobily).
3. Olověný akumulátor
Nejčastěji se používají v automobilech jako zdroj elektrické energie. Jedná se o chemický
zdroj elektrické energie. Autobaterie je sestavena z článků, každý má napětí přibližně 2,1 V,
které jsou umístěny v plastové nádobě. Každý článek se skládá z deskových elektrod (kladná
elektroda z PbO2, záporná elektroda z houbovitého olova) a elektrolytu (obvykle H2SO4 +
H2O). Olovo se používá v akumulátoru kvůli schopnosti dodat najednou velký proud, bez
poškození, to je vhodné například při startování motoru automobilu.
Elektrický proud
Elektrický proud v kovech je usměrněný pohyb elektronů. Jeho velikost můžeme měřit
ampérmetrem, který zapojujeme v obvodu do série.
Elektrický proud se značí: I
Jednotka je: A (ampér)
I = Q / t
Q – elektrický náboj
t – čas
Elektrický odpor
Elektrický odpor je veličina charakterizující schopnost látky vést elektrický proud. Hodnota
elektrického odporu je dána materiálem, tvarem i teplotou vodiče. Odpor vodičů se vzrůstající
délkou stoupá. Naopak odpor vodiče je tím menší, čím větší je plocha jeho příčného průřezu.
Velikost elektrického odporu měříme ohmmetrem.
Elektrický odpor se značí: R
Jednotka je: Ω (ohm)
R = ρ . l / S
ρ – rezistivita
l – délka
S – plocha příčného průřezu
V praxi je často potřeba v obvodu dosáhnout určitého proudu při daném napětí. K těmto
účelům se požívá rezistor. Rezistor je součástka, která má určitý odpor.
Rezistory se vyrábí z drátu (nejčastěji ze slitiny niklu, chrómu, železa a manganu) který je
navinut do šroubovice na porcelánový váleček.
Menší rezistory se vyrábí nanášením tenkých vrstev grafitu na izolační podložku.
Reostat, dělič napětí (potenciometr)
Reostat je rezistor, jehož odpor je možné měnit. Můžeme jej používat ke změně proudu
v obvodu, nebo jako dělič napětí.
Vodivost pevných látek
Vodiče jsou látky, které vedou elektrický proud. Mezi tyto látky patří železo, zlato, stříbro,
hliník a měď. Elektrický proud vedou díky tomu, že mají dostatek volných elektronů.
Nevodiče jsou látky, které nevedou elektrický proud, protože nemají dostatek volných
elektronů. Mezi ně patří guma, plast, dřevo a vzduch.
Vodivost kapalin
Elektrický proud v kapalinách je usměrněný tok iontů. Čistá voda je nevodivá, ale po přidání
příměsí (NaCl – kuchyňská sůl) se stává vodivou. Rozpuštěním NaCl ve vodě dochází
k uvolňování iontů, které se podílejí na vodivosti kapaliny. Kladné ionty sodíku jsou
přitahovány k záporné elektrodě a záporné ionty chlóru jsou přitahovány ke kladné elektrodě.
V kapalině dochází k usměrněnému pohybu elektrických nábojů, roztokem prochází
elektrický proud.
Vodivost plynů
Vedení elektrického proudu v plynech je způsobeno volnými elektrony a ionty. Aby byl
vzduch vodivý, musíme jej ionizovat zahřáním, nebo ultrafialovým zářením.
Plazmová koule
Elektrodový výboj v plazmové kouli je napájen střídavým proudem o frekvenci 10 – 35 kHz a
napětím 2 – 5 kV. Má přitom jen nízkou proudovou intenzitu, takže nám neublíží. Poměrně
silně však vyzařuje do okolí parazitní frekvence v rádiovém spektru. Díky tomu ruší příjem
rádia a televize a působí problém počítačům. Také úsporné žárovky, nebo zářivky se při
přiblížení k zapnuté plazmové kouli rozsvítí. Barva výboje v kouli se liší podle použitého
plynu. Koule plněná čistým heliem září jen nevýrazně modře. Nejběžnější plazmové
koule jsou plněny směsí neonu a xenonu.
K ionizaci plynů v kouli dochází přeskoky a nárazy elektronů, které jsou elektrickým polem
mezi sklem a centrální elektrodou urychlovány. Jakmile rychlost elektronů dosáhne několika
stovek m/s, roztříští nárazem do atomů jejich elektronové obaly a dojde k uvolnění dalších
elektronů. Ty při návratu zpět k atomům vyzáří energii v podobě světla.
Pokud k povrchu plazmové koule přiložíme prst, tak se provazce plazmy v daném místě spojí
do jediného, protože tím pro elektrický proud vznikne nejkratší možná cesta uzavírající
elektrický obvod. Ionty plynu jsou však nabité a odpuzují se, takže jakmile prst oddálíme,
zaujmou vzájemnou polohu uvnitř koule tak, aby se k sobě přibližovali co nejméně.
Ohmův zákon
Elektrický proud procházející kovovým vodičem, na jehož konci je stejné napětí, je nepřímo
úměrný odporu vodiče.
Tuto závislost (Ohmův zákon) vyjádříme vztahem
Sériové zapojení rezistorů
Sériové zapojení je zapojení elektrotechnických součástek v elektrickém obvodu za sebou.
Elektrický proud I je ve všech místech sériového obvodu stejný.
Elektrické napětí mezi svorkami jednotlivých součástek (U1, U2, U3) je různé a součet všech
těchto napětí je roven napětí U na svorkách zdroje.
U = U1 + U2 + U3
Celkový elektrický odpor v sériovém obvodu se rovná součtu odporů jednotlivých součástek.
RC = R1 + R2 + R3
Přerušení sériového obvodu v kterémkoli místě má za následek přerušení celého obvodu.
Paralelní zapojení rezistorů
Paralelní zapojení je zapojení elektrotechnických součástek v elektrickém obvodu vedle sebe.
Elektrické napětí U mezi dvěma uzly je stejné pro všechny větve.
Elektrický proud procházející jednotlivými větvemi (I1, I2, I3) je různý a závisí na odporu
součástek ve větvích. Součet těchto proudu je roven celkovému proudu I v obvodu.
I = I1 + I2 + I3
Celkový elektrický odpor v paralelním obvodu se vypočítá:
1 / Rc = 1 / R1 + 1 / R2 + 1 / R3
Příkladem paralelního obvodu je současné zapojení více spotřebičů v domácnosti, protože
přerušením obvodu v některé větvi (vypnutí spotřebiče) se nepřeruší obvod v jiné větvi (jiný
spotřebič funguje dál).
Měření elektrického napětí a proudu
Elektrické napětí měříme voltmetrem (V), který zapojujeme do obvodu paralelně. Elektrický
proud měříme ampérmetrem (A), v obvodu je zapojen do série.
V současnosti se pro měření proudu a napětí používají digitální měřicí přístroje, multimetry.
Výkon elektrického proudu
Výkon elektrického proudu vypočítáme jako součin napětí na spotřebiči a proudu, který
spotřebičem protéká
Výkon elektrického proudu se značí: P
Jednotka je: W (watt)
P = U . I
U – elektrické napětí
I – elektrický proud
Elektrický příkon
Elektrický příkon je výkon elektrického proudu, který potřebuje spotřebič ke své činnosti.
Bývá udán na elektrických spotřebičích společně s napětím, pro které je spotřebič určen.
Příkon některých spotřebičů:
– kalkulačka 0,001 W
– úsporná žárovka 10 W
– žárovka 100 W
– televizor 150 W
– notebook 360 W
– žehlička, vařič 1 000 W
Elektrická energie
Je to energie přeměněná elektrickým spotřebičem na práci nebo na jiný druh energie.
Elektrickou energii vypočítáme jako součin elektrického napětí, proudu a času.
Elektrická energie se značí: E
Jednotka je: kWh (kilowatthodina)
E = U . I . t
U – elektrické napětí
I – elektrický proud
t – čas3
Elektrická energie odebraná z elektrické sítě spotřebičem se měří elektroměrem.
Elektromagnet
Elektromagnet se používá k vytváření dočasného magnetického pole. Skládá se z cívky a
železného jádra, které zesiluje účinky magnetického pole. Když cívkou prochází elektrický
proud, vzniká kolem ní magnetické pole. V tomto poli jsou přitahovány všechny kovové
předměty.
Elektromagnet je používán např. v elektrickém zvonku, v jističích, v hutním průmyslu nebo
ve sběrnách kovového šrotu.
Elektromagnetická indukce
Změnou magnetického pole v okolí cívky se v cívce indukuje elektrické napětí a v uzavřeném
obvodu prochází indukovaný proud.
Směr proudu je závislý na směru změny magnetického pole a na orientaci pólů magnetu vůči
cívce.
Velikost indukovaného napětí závisí na rychlosti změny magnetického pole.
Elektromotor
Elektromotor je zařízení, které přeměňuje elektrickou energii na mechanickou. Používá se
například ve spotřební elektronice, elektromobilech, elektrických lokomotivách, elektrických
vrtačkách a pilách.
Elektromotor má vždy dvě části: stator a rotor. Stator je nehybná (pevná) část elektromotoru a
jsou v něm cívky, které vytváří magnetické pole. Toto magnetické pole působí na rotor
(otáčivá část elektromotoru), který je tvořený trvalým magnetem nebo elektromagnetem.
Působením magnetického pole se jednotlivé části rotoru přitahují k nesouhlasně
zmagnetovaným částem statoru a odpuzují se od jeho souhlasně zmagnetovaných částí.
Konstrukce elektromotoru umožňuje neustále měnit magnetické póly ve statoru a proto se
rotor otáčí.
Transformátor
Transformátor je elektrický netočivý stroj, který umožňuje přenášet elektrickou energii z
jednoho obvodu do jiného pomocí elektromagnetické indukce. Používá se většinou pro
přeměnu střídavého napětí (z nízkého napětí na vysoké a naopak) nebo pro galvanické
oddělení obvodů.
Transformátor se skládá ze dvou vinutí (cívek), primární (vstupní) cívky a sekundární
(výstupní) cívky.
Střídavý proud v primární cívce vytváří proměnlivé magnetické pole, které v sekundární cívce
vyvolá vznik indukovaného napětí. Pro poměr napětí na primární a sekundární cívce platí:
Pro poměr proudu v primární a sekundární cívce platí:
Polovodiče
Polovodiče jsou látky, které jsou za určitých podmínek vodivé.
Polovodiče dělíme :
– vlastní polovodiče (Ge, Si)
– příměsové
Vlastní polovodiče
Za normálních okolností jsou nevodivé, ale se zvyšující se teplotou se stávají vodivé.
Elektrony ve vlastním polovodiči jsou za normální teploty pevně vázány k atomu a podílejí se na vzájemné vazbě se sousedními atomy. Za těchto okolností nemohou přenášet elektrický náboj a látkou nemůže procházet elektrický proud. Při zvýšení teploty se valenční elektrony uvolní z vazeb a mohou se volně pohybovat v látce. Tyto elektrony se pak podílí na vodivosti. Vlastní polovodiče se používají k výrobě termistorů.
Příměsové polovodiče
Příměsové polovodiče vzniknou přidáním některého prvku do vlastního polovodiče.
Dělíme je:
– polovodiče typu P
– polovodiče typu N
Polovodič typu N
Polovodič typu N vznikne přidáním arsenu (As) do křemíku (Si). Křemík má 4 valenční
elektrony, které se podílejí na vazbě mezi atomy. Nahradíme-li atom křemíku atomem arsenu,
který má 5 valenčních elektronů, objeví se ve struktuře jeden volný elektron. Tento elektron
se může podílet na vodivosti polovodiče.
Polovodič typu P
Polovodič typu P vznikne přidáním india (In) do křemíku (Si). Křemík má 4 valenční
elektrony, které se podílejí na vazbě mezi atomy. Nahradíme-li atom křemíku atomem india,
které má 3 valenčních elektronů, je jeden elektron křemíku neobsazený, vzniká zde díra. Tuto
díru může zaplnit elektron ze sousední vazby, ale to neznamená nic jiného, než že se díra
objeví na jiném místě. Protože tato díra vzniká přemisťováním elektronů, je tato látka také
vodivá.
Přechod P-N
Dáme-li vedle sebe polovodič typu P a polovodič typu N vznikne přechod P-N. Tento
přechod vede elektrický proud jen v propustném směru. To znamená, že pokud k polovodiči
typu P připojíme kladnou svorku zdroje a k polovodiči typu N zápornou svorku zdroje je
přechod P-N vodivý. Při opačném zapojení P-N přechod elektrický proud nevede. Přechod
PN se používá u moderních polovodičových součástek jako je dioda, tranzistor, integrovaný
obvod a mikroprocesor.
P-N přechod:
a) v propustném směru
b) v závěrném směru
Polovodičová dioda
Polovodičová dioda je nejjednodušší součástka s PN přechodem. Dioda vede elektrický proud
pouze v propustném směru. V závěrném směru je dioda nevodivá. Toho se využívá například
při přeměně střídavého napětí na stejnosměrné.
Volt ampérová charakteristika polovodičové diody.
Tranzistor
Tranzistor je polovodičová součástka, kterou tvoří dvojice přechodů PN. Je základem všech
dnešních integrovaných obvodů, procesorů a pamětí.
Základní vlastností tranzistoru je schopnost zesilovat elektrický signál – malé změny napětí
nebo proudu na vstupu mohou vyvolat velké změny napětí nebo proudu na výstupu.
Podle principu činnosti se tranzistory dělí na bipolární a unipolární. Každý tranzistor má
(nejméně) tři elektrody, které se u bipolárních tranzistorů označují jako kolektor, báze a
emitor, u unipolárních jako drain, gate a source. Podle uspořádání použitých polovodičů
se rozlišují dva typy bipolárních tranzistorů, NPN a PNP (prostřední písmeno odpovídá bázi).
Unipolární tranzistory jsou označovány jako N-FET nebo P-FET.
Integrovaný obvod
Integrovaný obvod je moderní elektronická součástka. Jedná se o spojení (integraci) mnoha
jednoduchých elektrických součástek (rezistorů, kondenzátorů, cívek, diod a tranzistorů),
které společně tvoří elektrický obvod vykonávající nějakou složitější funkci. Integrované
obvody dělíme na monolitické a hybridní. V dnešní době mají největší využití monolitické
integrované obvody. Jejich jednotlivé součástky jsou vytvořeny a vzájemně spojeny na jediné
polovodičové, nejčastěji křemíkové, destičce.
Mikroprocesor
Procesor je základní součást počítače, která vykonává strojový kód spuštěného počítačového
programu. Ten je složen z jednotlivých instrukcí (příkazů), které jsou uloženy v operační
paměti počítače. Procesory prvních počítačů se skládaly z obvodů obsahujících množství tzv.
diskrétních součástek (elektronek nebo tranzistorů, rezistorů a kondenzátorů). Počátkem
70. let 20. století započala miniaturizace procesorů. Nejprve byly složeny z několika desítek
nebo stovek integrovaných obvodů. V současné době obsahuje procesor miliony základních
stavebních součástek na křemíkové destičce, která je umístěna v kompaktním pouzdře.
Dělení procesorů podle délky operandu v bitech
Základní vlastností procesoru je počet bitů, tj. šířka operandu, který je procesor schopen
zpracovat v jednom kroku. Dá se říci, že např. 8bitový procesor umí přímo počítat s čísly od 0
do 255, 16bitový s čísly od 0 do 65535 atd.
Pro velmi jednoduché aplikace se používají 4bitové nebo 8bitové procesory. To platí
například pro zabudované systémy např. v mikrovlnných troubách, kalkulačkách,
počítačových klávesnicích a infračervených dálkových ovládání.
Pro středně složité aplikace, jako jsou programovatelné automaty, jednoduché mobilní
telefony, PDA nebo přenosné videohry se používají zpravidla 8bitové nebo 16bitové
procesory.
Současné osobní počítače již většinou obsahují vícejádrové 64bitové procesory. Starší osobní
počítače, laserové tiskárny, mobilní telefony střední a vyšší třídy a jiná komplikovaná zařízení
většinou obsahují 32bitové procesory.
Výroba elektrické energie
Tepelná elektrárna
Elektrická energie se získává z tepla, které vzniká spalováním fosilních paliv (uhlí, ropy a
zemního plynu). Vzniklé teplo ohřívá vodu na teplotu varu a vzniklá pára pohání lopatky
turbíny, ke které je připojen elektrický generátor. Ten vyrábí elektrickou energii, která je
dodává do rozvodné sítě.
Nevýhodou tepelné elektrárny je velké množství zplodin, které vznikají při spalování
fosilních paliv a jsou vypouštěny do ovzduší.
Jaderná elektrárna
Jaderná elektrárna je velice podobná elektrárně tepelné, jen s tím rozdílem, že kotel je
nahrazen jaderným reaktorem a parogenerátorem. V jaderném reaktoru dochází ke štěpení
jader uranu a vzniklé teplo se využívá k ohřevu vody primárního okruhu. Přehřátá voda
s velkým tlakem vyrábí páru v parogenerátoru a ta následně pohání lopatky turbíny. K turbíně
je připojen elektrický generátor, který vyrábí elektrickou energii.
Nevýhodou jaderných elektráren je jaderný odpad, který vzniká při štěpení uranu. Ten je
velice nebezpečný a proto je třeba jej uchovávat po dlouhou dobu ve speciálních kontejnerech
umístěných v meziskladu vyhořelého jaderného paliva.
Vodní elektrárny
Vodní elektrárny jsou většinou součástí přehrad, které se staví v údolí větších řek. Voda
vytékající tlakovým přivaděčem z nádrže přehrady roztáčí díky své kinetické energii turbínu,
která je spojena s elektrickým generátorem. Ten vyrábí elektrickou energii, která je dodávána
do elektrické sítě.
Sluneční (solární) elektrárny
Sluneční elektrárny přeměňují sluneční energii na energii elektrickou pomocí slunečních
baterií. Ty jsou tvořeny křemíkovými destičkami, na kterých vzniká při osvícení malé
elektrické napětí. Protože vzniklé napětí je velmi malé, jsou destičky zapojeny do série.
Velkou nevýhodou slunečních elektráren je, že nepracují stále. Při špatném počasí je vyráběná
energie velmi malá, v noci nepracují vůbec.
Větrné elektrárny
Větrné elektrárny využívají k výrobě elektrické energie sílu větru. Ten roztáčí vrtule
elektrárny, na které je připojen elektrický generátor.
Podobně jako solární elektrárny mají i větrné nevýhodu v tom, že nepracují stále. Když fouká
slabý vítr, je dodávaná elektrická energie velice malá, při bezvětří nepracují vůbec.
Ohmův zákon
Ohmův zákon říká, že elektrický proud v elektricky vodivém předmětu je přímo úměrný elektrickému napětí přiloženému na tento předmět. Udává se v jednotkách Ω (Ohm). 1 Ω je taková hodnota elektrického odporu na kterém se při proudu 1 A vytvoří úbytek 1 V.
Odpor vodiče není konstantní a mění se s jeho teplotou. Některé materiály mají nelineární charakter – se vzrůstajícím napětím se jejich odpor nemění lineárně. Příklad využití teto vlastnosti je např. u varistoru. Polovodiče také nemají lineární charakteristiku procházejícího proudu – lze ji ovlivnit vnějšími vlivy – proudem, světlem, magnetickým tokem, … Dále existují supravodiče, které mají za jistých podmínek odpor nulový.
