1. Základné fyzikálne veličiny a pojmy Elektrický náboj Elektrický potenciál a napätie Elektrický prúd Práca a výkon elektrického prúdu

1.1. Elektrický náboj Teória elektrických obvodov je súčasťou všeobecnejšej náuky o elektromagnetizme. Táto náuka sa zaoberá vyšetrovaním silových účinkov fyzikálnych „objektov“ nazvaných elektrický náboj. V závislosti od relatívneho pohybu elektrických nábojov sa tieto účinky prejavujú dvomi rôznymi spôsobmi, ktoré boli nazvané elektrické a magnetické javy – spoločne potom javy elektromagnetické. Elektrický náboj Q (ďalej aj „náboj“) reprezentuje silové pôsobenie medzi časticou látky a elektromagnetickým poľom (podobne ako „hmotnosť“ reprezentuje interakciu častice s gravitačným poľom). Náboj je teda vždy viazaný na časticu látky. Základné vlastnosti elektrického náboja boli stanovené z experimentálnych pozorovaní a môžeme ich zhrnúť do nasledujúcich bodov: Pozorujeme dva rôzne „druhy“ nábojov – kladný a záporný (označenie a voľba znamienok má historické dôvody). Keďže príroda je ako celok elektricky neutrálna, celkové množstvo kladného a záporného náboja je rovnaké a tieto náboje sú vzájomne vykompenzované. Náboje na seba silovo pôsobia – náboje s rovnakou polaritou (znamienkom) sa odpudzujú, náboje opačnej polarity sa priťahujú. Elektrický náboj je invariantnou veličinou – jeho veľkosť nezávisí od pohybu náboja vzhľadom na súradnicovú sústavu, z ktorej náboj pozorujeme. Nie pre všetky fyzikálne veličiny platí invariancia (napr. čas, dĺžka, hmotnosť závisia od pohybu pozorovaného objektu vzhľadom na pozorovateľa). Bližšie vysvetlenie ponúka teória relativity. Elektrický náboj je kvantovaný – najmenším pozorovateľným a ďalej nedeliteľným „množstvom“ náboja je v absolútnej hodnote q = 1,062 182 94610-19 C. Jednotkou elektrického náboja je Coulomb [C] (Charles Augustin de Coulomb, 1736-1806, francúzsky vedec). Nositeľom kladného kvanta je častica protón, záporného kvanta častica elektrón. Elektrický náboj nemožno „vytvoriť“ ani „zničiť“ – platí zákon zachovania elektrického náboja, ktorý je možné formulovať rôznymi spôsobmi.

1.2. Elektrický potenciál a napätie Elektrický potenciál  (ďalej aj „potenciál“) v bode A je definovaný ako práca, ktorú vykoná elektrické pole pri premiestnení jednotkového náboja Q (náboja 1 Coulomb) zo vzťažného bodu do bodu A. Potenciál v bode priestoru je teda rovný potenciálnej energii jednotkového náboja v elektrickom poli v tomto bode. Elektrické napätie U (ďalej aj „napätie“) medzi bodmi A a B je definované ako práca, ktorú vykonajú vonkajšie sily proti účinkom elektrického poľa pri priemiestnení jednotkového náboja Q z bodu A do bodu B. Z definície potenciálu potom pre napätie vyplýva: A UAB B Napätie je skalárna veličina – šípkou označujeme jeho kladný zmysel – t.z. že napätie UAB bude kladné, ak je v bode A vyšší potenciál, ako v bode B, čiže platí A > B. Jednotkou elektrického potenciálu aj napätia je Volt [V] (Alessandro Volta, 1745-1827, taliansky fyzik) . Napätie 1 V medzi dvoma bodmi znamená, že pri prenose náboja 1 C medzi týmito bodmi sa spotrebuje (resp. získa – závisí to od smeru prenosu náboja) energia 1 J (Joule). Medzi dvomi bodmi vytvoríme elektrické napätie (rozdiel potenciálov) separáciou elektrického náboja rozdielnej polarity. Na to využívame rôzne mechanizmy: elektrotechemické sily (v galvanických článkoch), pohyb náboja v magnetickom poli (elektrické generátory), termoelektrické, piezolelektrické sily a pod. Pozn. Aby sme boli presní, potenciál je definovaný len pre tzv. nevírové polia, čo je napr. prípad elektrostatického poľa (náboje sú vzájomne v pokoji). Definícia napätia pomocou potenciálu v prípade časovo premenlivých elektromagnetických polí nie je preto možná a používajú sa iné spôsoby (napr. pomocou integrálu intenzity elektrického poľa, alebo pomocou výkonu). Bližšie sa s týmto problémom oboznámite v predmete Teória elektromagnetického poľa.

1.3. Elektrický prúd Elektrický prúd I (ďalej aj „prúd“) je usmernený pohyb elektrických nábojov. Ak tieto náboje prechádzajú („tečú“) cez určitý prierez, potom je prúd definovaný ako elektrický náboj, ktorý prejde uvažovaným prierezom za jednotku času: I + resp. Jednotkou elektrického prúdu je Ampér [A] (André Marie Ampère, 1775-1836, francúzsky fyzik) a je jednou zo základných jednotiek SI. Uvažovaným prierezom tečie prúd 1 A, ak za čas 1 s ním prejde náboj 1 C. Mechanizmus prenosu elektrického náboja (vedenie, tok prúdu) závisí od vlastností daného prostredia: vo vákuu ide napr. o pohyb voľných nábojov v dôsledku silového pôsobenia elektrického alebo magnetického poľa; v plynnom prostredí je elektrický prúd vytváraný pohybom elektrónov a ionizovaných atómov plynu, v kovoch prostredníctvom vodivostných elektrónov, v elektrolytoch pohybom iónov atď. Dôležité je, že s pohybom náboja (prúdom) vždy súvisí existencia magnetického poľa. Podľa definície je prúd skalárna veličina; v závislosti od znamienka náboja však môže nadobúdať kladnú, resp. zápornú hodnotu. Orientácia šípky označuje kladný zmysel prúdu: preto kladná hodnota (I > 0) znamená, že v smere šípky sa pohybujú kladné náboje (táto znamienková konvencia je daná opäť historicky a nemusí zodpovedať skutočnému mechanizmu toku prúdu – v kovových vodičoch sa napríklad pohybuje záporný náboj – elektróny, my však za kladný smer prúdu považujeme smer pohybu „fiktívneho“ kladného náboja v opačnom smere).

1.4. Práca a výkon elektrického prúdu Z definície napätia je prírastok práce dA vykonanej pri prenose „malého“množstva náboja dQ (t.j. takého, aby sme mohli zanedbať deformáciu elektromagnetického poľa spôsobenú prítomnosťou tohto náboja) medzi dvoma bodmi (napr A – B) rovný: A U kde U je napätie medzi bodmi A – B. Prenos náboja medzi bodmi A – B po nejakej dráhe môžeme chápať ako prúd I, ktorý tečie v tejto dráhe. Potom pre dQ platí: I odkiaľ B Celkovú vykonanú prácu za čas T určíme integráciou: Pre výkon P (prácu za jednotku času) potom platí Jednotkou výkonu je Watt [W] a zrejme platí W = VA = J s-1.