ELEKTRICKÝ PROUD Elektrický proud je uspořádaný pohyb volných částic s elektrickým nábojem. Podmínky vzniku: Působení elektrického pole. Přítomnost volných elektrických náboje. Směr elektrického proudu je dán směrem uspořádaného pohybu kladně nabitých částic. Proud v jednoduchém elektrickém obvodu tedy vychází z kladného pólu zdroje a pohybuje se k pólu zápornému. Elektrický proud je určen jako podíl celkového náboje , který projde průřezem vodiče za jednotku času, a tohoto času:
ELEKTRICKÝ PROUD Hustota elektrického proudu je vektorová fyzikální veličina, popisující lokálního rozložení elektrického proudu. Její směr je stejný jako směr pohybu kladného náboje. Velikost hustoty elektrického proudu je definována jako podíl okamžitého elektrického proudu procházejícího daným elementem průřezu vodiče a kolmého průmětu tohoto elementu průřezu: - objemní hustoty klidných a záporných elektrických nábojů - driftoví rychlostí klidných a záporných elektrických nábojů
Elektrický zdroj Trvalý elektrický proud je podmíněn udržováním stálého rozdílu elektrických potenciálů mezi svorkami zdroje - svorkové napětí U. Mezi svorkami zdroje vzniká uvnitř zdroje i vně elektrické pole, jehož siločáry směřují od kladného pólu k zápornému. Ve vnější části obvodu se volné částice s nábojem pohybují ve směru působení elektrostatických sil. Ty při tomto pohybu konají práci a nabité částice ztrácejí elektrickou potenciální energii, která se mění na jiné formy energie.
Elektrický zdroj Vnější část obvodu se chová jako spotřebič elektrické energie. Práce, kterou vykonají elektrostatické síly ve vnější části obvodu při přenesení náboje q je určena vztahem: Elektrický proud teče i uvnitř zdroje, kde se ale volné částice pohybují proti směru elektrostatických sil, což znamená, že zde působí ještě jiné síly neelektrostatického původu. Tyto síly konají práci uvnitř zdroje. Elektrická potenciální energie nabitých částic se zvětšuje na úkor jiné formy energie, která je buď uvolňována přímo ve zdroji nebo je přiváděna zvenku. Tyto neelektrostatické síly vykonají při přenesení náboje q práci, na základě čehož se definuje elektromotorické napětí:
ELEKTRICKÝ PROUD V KOVECH Ohmův zákon vyjadřuje vztah mezi elektrickým odporem, napětím a proudem. Zákon říká, že elektrický proud v elektricky vodivém předmětu je přímo úměrný elektrickému napětí přiloženému na tento předmět, konstantou úměrnosti je vodivost: Ohmův zákon Elektrický odpor Druhu látky vodiče a jeho geometrické dimenze: - měrný elektrický odpor Závisí: Teploty vodiče: , měrní odpor při 0C je teplotní součinitel elektrického odporu
Vedení elektrického proudu Valenční elektrony jsou k atomovým jádrům vázány slabými silami. V krystalech kovů jsou prakticky volné a chaoticky se pohybují mezi kladnými ionty krystalové mřížky. Při vzniku v celém objemu vodiče elektrického pole záporně nabitý elektronů pohybují proti směru elektrické intenzity. Nepravidelnosti krystalové mříže brzdí pohyb elektronů, což se navenek projeví jako odpor vodiče. Hustota vodivostních elektronů Velikost rychlosti unášivého pohybu elektronů Průřez vodičů
Spojování rezistorů Elektrotechnická zařízení se většinu skládají z velkého počtu zdrojů, rezistorů, kondenzátorů a dalších součástek, které jsou spojeny do složitějších obvodů, tzv. elektrických sítí. Sériové spojení rezistorů Oběma rezistory prochází stejný proud: Celkové napětí na obou rezistorech je rovno součtu napětí na jednotlivých rezistorech: Podle Ohmova zákona: Celkový odpor rezistoru, je roven součtu odporů jednotlivých rezistorů:
Spojování rezistorů Paralelní spojení rezistorů Elektrické napětí na obou rezistorů je stejné: Celkový proud je roven součtu proudů procházejících jednotlivými rezistory: Podle Ohmova zákona: Převrácená hodnota celkového odporu rezistoru, který ekvivalentně nahrazuje paralelní zapojení rezistorů , je rovna součtu převrácených hodnot odporů spojovaných rezistorů.
Elektrická práce a výkon v obvodu stejnosměrného proudu Při přenesení náboje q ve vnější části jednoduchého elektrického obvodu mezi svorkami zdroje síly elektrického pole vykonají práci: Je-li proud v obvodu konstantní: Podle Ohmového zákonu: Změny vnitřní energie vodičů způsobené průchodem proudu vedou ke zvýšení jejich teploty a k tepelné výměně mezi vodiči a okolím. Takto přenesená energie (teplo) se nazývá Joulovo teplo. Pokud nedochází zároveň k jiným přeměnám elektrické energie, je Joulovo teplo rovno elektrické práci:
Elektrická práce a výkon v obvodu stejnosměrného proudu Výkon elektrického proudu Účinnost zdroje Uvnitř zdroje vykonají neelektrostatické síly práci . Takto získaná energie se ale z části přemění ve vnitřní energii zdroje, čili můžeme hovořit o účinnosti elektrického obvodu: Účinnost je tím větší, čím menší je vnitřní odpor zdroje v porovnání s odporem spotřebiče.
Ohmův zákon pro uzavřený obvod Podle zákonu zachování energie: Ohmův zákon Elektrický proud v uzavřením obvodě je při stálém odporu přímo úměrný elektromotorické napětí zdroje a nepřímo úměrný součtovému odporu obvodu
Kirchhoffovy zákony Složitější elektrické obvody se nazývají elektrické sítě. Místo, kde se vodivě stýkají alespoň tři vodiče se nazývají uzel sítě. Vodivé spojení sousedních uzlů se nazývá větev. První Kirchhoffův zákon je formulován pro uzel elektrické sítě a je důsledkem zákona zachování elektrického náboje resp. zákona zachování energie: Algebraický součet proudů v uzlu je nulový: Druhý Kirchhoffův zákon je formulován pro jednoduchou smyčku elektrické sítě: Součet úbytků napětí na rezistorech je v uzavřené smyčce stejný jako součet elektromotorických napětí zdrojů
PŘIKLADY ÚLOH Dva rezistory o odporu 10 Ω jsou připojeny ke zdroji o elektromotorickém napětí 3V. Nejprve tyto rezistory zapojíme do série, poté paralelně. Při obou zapojeních je výkon elektrického proudu v rezistorech stejný. Určete proudy, které v obou případech procházejí obvodem. Na obrázku je nakresleno schéma obvodu se dvěma zdroji elektromotorického napětí Ue1, Ue2 a se třemi rezistory R1, R2, R3. Určete, jaké proudy procházejí jednotlivými rezistory (jaká je jejich velikost a směr), jestliže: Ue1 = 2Ue2 Ue2 = 20 V R1 = R3 = 20 Ω R2 = 30 Ω
ELEKTRICKÝ PROUD V KAPALINÁCH Roztoky kyselin, zásad a solí, které vedou elektrický proud, se nazývají elektrolyty. Jeho vodivost způsobují kladné a záporné ionty (kationty a anionty). Rozpad látek na ionty se nazývá elektrolytická disociace. Příklady: disociace kyseliny: disociace zásady: disociace soli: Elektrické pole, které vznikne v elektrolytu mezi anodou (spojenou s kladným pólem zdroje) a katodou (spojenou se záporným pólem zdroje), působí na ionty elektrostatickými silami a vyvolává jejich uspořádaný pohyb: elektrický proud. Kationty se pohybují směrem ke katodě, anionty k anodě.
ELEKTRICKÝ PROUD V KAPALINÁCH Na elektrodách odevzdávají ionty svůj náboj a mění se v elektricky neutrální atomy nebo molekuly, které se vylučují na povrchu elektrodu. Látkové změny vyvolané průchodem proudu elektrolytem na elektrodách se nazývají elektrolýza. Faradayovy zákony elektrolýzy: První Faradayův zákon určuje hmotnost látky vyloučené na elektrodě nebo v roztoku: Hmotnost m vyloučené látky je přímo úměrná náboji q, který prošel elektrolytem: kde konstanta úměrnosti A je pro danou látku charakteristická a nazývá se elektrochemický ekvivalent látky
ELEKTRICKÝ PROUD V KAPALINÁCH Druhý Faradayův zákon zpřesňuje výpočet konstanty A ,která vystupuje v prvním zákoně: Elektrochemický ekvivalent látky vypočteme, jestliže její molární hmotnost dělíme Faradayovou konstantou a počtem elektronů nutných k vyloučení jedné molekuly: Faradayova konstanta n - počet elementárních nábojů nutných pro vyloučení jedné molekuly. Látková množství různých látek vyloučených při elektrolýze týmž nábojem jsou chemicky ekvivalentní. Elektrolýza má rozsáhlé využití v praxi - galvanické pokovování, galvanické leptání, využívá se v elektrometalurgii…
ELEKTRICKÝ PROUD V plynech Vzduch je za normálních okolností dobrým izolantem. Při vnějšem působení (ohrev, radioaktivní záření,…) plyn je možné ionizovat, tj. rozštěpit některé jeho molekuly na elektron a kladný iont. Elektron vzniklý ionizací se může spojit s neutrální molekulou a vytvořit záporný iont. Současně probíhá uvnitř plynu i děj opačný - rekombinace. Nachází-li se ionizovaný plyn v elektrickém poli mezi dvěma elektrodami, vzniká elektrický proud jako uspořádaný pohyb kladných iontů k záporně nabité katodě, záporných iontů a elektronů ke kladně nabité anodě. Elektrický proud v plynu, který se udržuje jen po dobu působení ionizátoru, se nazývá nesamostatný výboj. Jakmile přestane ionizátor působit, převládne rekombinace nad ionizací elektrický proud zaniká.
ELEKTRICKÝ PROUD V plynech Voltampérová charakteristika výboje. Je-li napětí malé, většina iontů zanikne rekombinací dříve, než dorazí na elektrody. V této fázi platí Ohmův zákon. S rostoucím napětím se pohyb elektronů zrychluje, až při určitém napětí jich převážná část nestačí rekombinovat a doletí k elektrodám. Přes plyn prochází nasycený proud, který se při dalším růstu napětí dlouho nemění. Ohmův zákon v této fázi výboje již neplatí. K dalšímu zvýšení proudu dochází až po překročení zápalného napětí . Příčinou zvýšení proudu je ionizace nárazem - elektrony a ionty vzniklé ionizací narážejí při svém pohybu na neutrální molekuly, kterým předávají kinetickou energii získanou urychlením elelektrickým polem.
ELEKTRICKÝ PROUD V plynech Jsou-li urychleny dostatečně, mají takovou kinetickou energii, že jsou schopny nárazem na neutrální molekulu tuto molekulu ionizovat. Počet iontů tak lavinovitě narůstá a nastává samostatný výboj, který je nezávislý na vnějším ionizátoru. Vysoce ionizovaný plyn v samostatném výboji se nazývá plazma. Podmínky vzniků samostatného výbojů Při samostatném výboji se mohou uplatnit i elektrony uvolněné z elektrod dopadem iontů. Tento děj se nazývá sekundární emise. Energie ionizace molekuly
ELEKTRICKÝ PROUD V POLOVODIČÍCH Polovodič je pevná látka, jejíž elektrická vodivost závisí na vnějších nebo vnitřních podmínkách, a dá se změnou těchto podmínek snadno ovlivnit. Podle měrného elektrického odporu lze látky rozdělit na: Kovy - . S rostoucí teplotou roste měrný odpor. Polovodiče - . S rostoucí teplotou měrný odpor klesá. Izolanty - Mezi polovodiče patří řada pevných látek - křemík, germanium, selen, telur, uhlík (grafit), …
ELEKTRICKÝ PROUD V POLOVODIČÍCH Existují dva základní mechanismy vedení elektrického proudu v polovodičích: Vlastní vodivost - způsobena pouze samotným prvkem, který tvoří polovodič. Příměsová vodivost - do daného prvku se přidávají prvky jiné, které výrazným způsobem ovlivňují vodivost polovodiče. Vlastní polovodič je polovodič neobsahující žádné příměsi. Atom křemíku má 14 elektronů, z nichž je 10 pevně vázáno k jádru a zbývající 4 vytvářejí elektronové vazebné dvojice se čtyřmi sousedními atomy v krystalové mřížce. Na uvolnění elektronu z této kovalentní vazby je zapotřebí energie .
ELEKTRICKÝ PROUD V POLOVODIČÍCH Způsoby získání elektronem energii: Tepelná excitace - kladné ionty krystalové mřížky neustále kmitají kolem svých rovnovážných poloh. Díky tomuto pohybu může elektron získat energii, která stačí na překonání energie vazebné. Světelná excitace (vnitřní fotoefekt) - elektron může energii získat dopadem elektromagnetického záření. Excitace silným elektrickým polem - při pokojových teplotách nepřipadá tento způsob excitace v úvahu, neboť by byla nutná elektrická intenzita takové velikosti, která by daný materiál zničila. Dojde-li k uvolnění elektronu, začne se pohybovat krystalem. Na jeho místě vzniká prázdné místo, které má kladný náboj a které se může v krystalu také pohybovat. Tato kvazičástice se nazývá díra.
ELEKTRICKÝ PROUD V POLOVODIČÍCH Zapojíme-li polovodič do elektrického obvodu, vzniká v něm elektrické pole, které způsobuje upořádaný pohyb děr ve směru elektrické intenzity a volných elektronů ve směru opačném. Výsledný elektrický proud v polovodiči je součtem proudu elektronového a děrového: Příměsové polovodiče jsou polovodiče, které obsahují příměsi - atomy jiného prvku. Přidáme-li do křemíku, který se nachází ve čtvrté skupině, prvek z páté skupiny, podílí se jen čtyři z pěti valenčních elektronů na kovalentní vazbě s křemíkem. Pátý elektron je vázán slabě, může se uvolnit a začít se pohybovat krystalem. V takto upraveném krystalu převažují elektrony - jsou tedy většinovými nositeli náboje. Díry jsou menšinové nositelé náboje.
ELEKTRICKÝ PROUD V POLOVODIČÍCH Přidáme-li do křemíku prvek ze třetí skupiny, obsadí svými elektrony jen tři vazby. Po chybějícím elektronu, který by se podílel na další vazbě, vznikne díra, která může být snadno zaplněna přeskokem elektronu z některého sousedního atomu křemíku. Díra se tak může pohybovat krystalem. Příměsi se stávají nepohyblivými zápornými ionty a nazývají se akceptory (příjemce). V takto upraveném krystalu převažují díry - jsou tedy většinovými nositeli náboje. Elektrony jsou menšinové nositelé náboje.