Elektrický proud

Elektrický proud Usměrněný pohyb částic s elektrickým nábojem. Kovy: usměrněný pohyb volných elektronů Vodivé kapaliny a ionizované plyny: usměrněný pohyb iontů

Podmínky vzniku elektrického proudu 1. přítomnost volných částic elektrickým nábojem (elektrické vodiče) Elektrické pole ve vodiči – na koncích vodiče je rozdíl elektrických potenciálů

Elektrický proud v kovových vodičích Chceme-li, aby vodičem procházel trvalý proud, musíme zajistit stálý rozdíl potenciálů na konci vodiče – připojíme zdroj elektrického napětí – elektrický zdroj. Elektrické zdroje (baterie, akumulátory, atd) mají 2 póly : Pól s vyšším potenciálem anoda – označuje se + Pól s nižším potenciálem katoda – označuje se -

Elektronová teorie Elektrony konají v kovovém vodiči neustálý chaotický tepelný pohyb. Po připojení k pólům zdroje napětí, uvedou elektrického pole elektrony do usměrněného pohybu, ve směru od záporného ke kladnému pólu. Dohodnutý směr proudu(technický směr proudu): od kladného k zápornému pólu

Elektrický proud –fyzikální veličina I = velikost náboje, který projde průřezem vodiče za časovou jednotku Jednotka proudu – ampér –značka A

Stejnosměrný elektrický proud Nemění se směr pohybu nosičů elektronů

Jednoduchý elektrický obvod Zdroj napětí kladný pól – anoda záporný pól - katoda Elektrický spotřebič zařízení, v němž se elektrická energie mění na jinou energii Spojovací vodiče Spínače slouží k uzavření nebo přerušení obvodu

Jednoduchý elektrický obvod Měřící přístroje proud – ampérmetr napětí – voltmetr Spojení za sebou - sériově Spojení vedle sebe - paralelně

Do elektrického obvodu zapojujeme často měřící přístroje k měření proudu a napětí. Proud I měříme ampérmetrem, který zapojujeme do obvodu tak, aby jím procházel stejný proud jako spotřebičem. Toto zapojení se označuje jako spojení za sebou nebo také do série. Přitom můžeme ampérmetr zařadit do kterékoli části jednoduchého obvodu, protože každým místem obvodu prochází stejný proud. Nikdy nesmíme připojit ampérmetr přímo k pólům zdroje, mohl by se poškodit nebo i zničit. Elektrické napětí měříme voltmetrem, který připojujeme ke dvěma různým místům obvodu, mezi nimiž chceme napětí změřit. Toto spojení elektrických obvodů se označuje jako spojení vedle sebe nebo také paralelní. Voltmetrem při měření prochází nepatrný proud, takže ho na rozdíl od ampérmetru můžeme připojit přímo ke zdroji napětí, měříme pak přímo napětí zdroje..

Značky vodič uzemnění ampérmetr voltmetr spínač zdroj napětí

Odpor vodiče Podstatou odporu jsou nárazy elektronů na ionty kovu a na sebe navzájem při usměrněném pohybu Odpor vodiče charakterizuje fyzikální veličina zvaná elektrický odpor = rezistance Značí se R Jednotka elektrického odporu = ohm Značí se Ω

Elektrický odpor vodiče R je přímo úměrná délce vodiče a nepřímo úměrný obsahu jeho průřezu rezistivita – měrný odpor Jednotka rezistivity - Ω . m Technická jednotka: ohm milimetr čtvereční/metr Ω.mm2.m-1 = 1.Ω.mm2.m-1 = 1.10-6 Ω.m2.m-1

Rezistivita Rezistivita (též měrný elektrický odpor nebo také specifický elektrický odpor) je fyzikální veličina, vyjadřující elektrický odpor vodiče jednotkové délky (1 m) jednotkového obsahu průřezu (1 m2). Rezistivita je materiálová konstanta, charakterizuje elektrickou vodivost látky. Čím větší je rezistivita, tím menší je vodivost dané látky. Čím větší je rezistivita, tím větší je elektrický odpor . Technická jednotka: ohm milimetr čtvereční/metr, Ω.mm2.m-1 …——> … 1.Ω.mm2.m-1 = 1.10-6 Ω.m2.m-1

Hodnoty rezistivity (při teplotě 20 °C). látka ρ [10-6 Ω.m] látka stříbro 0,0152 měď 0,0169 zlato 0,0220 hliník 0,0267 wolfram 0,0536 zinek 0,0591 železo 0,0996 platina 0,106 olovo 0,206 konstantan 0,490 rtuť 0,959 uhlík 60 10%roztok NaCl 0,083×106 křemík 2,5×109 voda 2,27×1011

Závislost elektrického odporu na teplotě R0 odpor při teplotě 0°C α teplotní součinitel odporu v K-1 Pro většinu látek je α>0 => odpor se s rostoucí teplotou zvyšuje

Teplotní součinitel odporu Látka α [10-3 K-1] konstantan 0,05 rtuť 1 stříbro 4,1 měď 4,0 hliník 4,0 wolfram 4,5 železo 6,5 křemík -70

Konstantan Konstantan je slitina mědi a niklu v poměru obvykle 55 % mědi a 45 % niklu. Její název souvisí s tím, že její rezistivita je v širokém rozsahu teplot přibližně konstantní. Používá se mj. na odporové spirály tepelných spotřebičů. Fyzikální vlastnosti rezistivita 0,49 µΩ·m teplotní součinitel odporu při 20 °C 0,00001 hustota 8,9 g/cm³ měrná tepelná kapacita 0,41 kJ/(kg·K) součinitel teplotní roztažnosti 0,000015 1/K teplota tání 1225–1300 °C

Rezistory a reostaty Rezistory = součástky s pevně stanoveným   Rezistory a reostaty Rezistory = součástky s pevně stanoveným (fixním) odporem Reostaty = součástky s měnitelným (regulovaným) odporem

Druhy rezistorů

Druhy reostatů

Druhy reostatů

Elektrická vodivost = převrácená hodnota elektrického odporu Značí se G Jednotka Ω-1 = siemens ….. S

Ohmův zákon pro část obvodu

Ohmův zákon pro část obvodu Proud procházející rezistorem o odporu R je přímo úměrný napětí U na rezistoru Platí nejen pro daný rezistor, ale pro kteroukoli část vodiče v elektrickém obvodu.

Graf závislosti proudu na napětí

Ohmův zákon pro celý obvod

Elektromotorické a svorkové napětí Napětí nezatíženého zdroje(napětí zdroje naprázdno) – elektromotorické napětí Ue Napětí zatíženého zdroje – svorkové napětí zdroje U U < Ue

Vnitřní odpor zdroje = odpor, který klade proudu zdroj napětí Značí se Ri

Ohmův zákon pro celý obvod R………….odpor spotřebiče, spojovacích vodičů a spínače Ri………….vnitřní odpor zdroje

Úprava I.R = U svorkové napětí – napětí na vnější části obvodu I.Ri = Ue napětí na vnitřním odporu zdroje Ue = U + Ui U = Ue - Ui Svorkové napětí U je menší než elektromotorické napětí Ue a to o napětí Ui na vnitřním odporu zdroje

Rozdělení zdrojů podle vnitřního odporu Tvrdé zdroje napětí – mají velmi malý vnitřní odpor (příklad: olověný akumulátor, elektrická síť) Měkké zdroje napětí – mají větší vnitřní odpor, projevuje se u nich větší pokles svorkového napětí (příklad: plochá baterie)

Zkratové proudy klesá odpor vnější části obvodu ( ),klesá k nule svorkové napětí. Obvodem prochází zkratový proud IZ Je-li Ri malé, může zkratový proud dosáhnout velmi vysokých hodnot

Kirchhoffovy zákony Elektrické sítě - rozvětvené elektrické obvody Uzel – místo, kde je vodivé spojení alespoň tří vodičů Větev – vodivé spojení mezi uzly

První Kirchhoffův zákon se zabývá proudy. Součet všech proudů, které do uzlu vstupují a všech proudů, které z uzlu vystupují je roven 0. Počítáme s tím, že proudy do uzlu vstupující se zapisují se znaménkem kladným a proudy z uzlu vystupující znaménkem záporným. Zákon nám tedy říká, že se v uzlu žádný proud neztrácí a to co vchází do něj z něj musí také vyjít.

Na obrázku vidíme dva proudy, které do uzlu A vstupují a tři proudy, které z něj vystupují. Budou tedy platit následující vzorečky.                         

Druhý Kirchhoffův zákon zabývá se napětím V uzavřeném obvodu se součet všech napětí na svorkách spotřebičů rovná součtu elektromotorických napětí jednotlivých zdrojů.

Příklady

Spojování rezistorů Sériově za sebou Paralelně vedle sebe

Sériové zapojení Příklad

Sériové zapojení Všemi rezistory prochází stejný proud Celkové napětí se rovná součtu napětí na rezistorech Výsledný odpor soustavy rezistorů spojených za sebou se rovná součtu jejich odporů

Sériové zapojení Pro proud I můžeme zapsat Při sériovém spojení rezistorů jsou napětí na rezistorech ve stejném poměru jako jejich odpory

Paralelní zapojení Do jednoho uzlu spojujeme všechny vstupní svorky a do druhého uzlu všechny výstupní svorky rezistorů

Paralelní zapojení Na všech rezistorech je stejné napětí U Celkový proud I v nerozvětvené části obvodu je roven součtu proudů v jednotlivých větvích

Paralelní zapojení Převrácená hodnota celkového odporu paralelně spojených rezistorů je rovna součtu převrácených hodnot jejich odporů

Paralelní zapojení Pro napětí U můžeme zapsat Při paralelním spojení rezistorů jsou proudy procházející rezistory v převráceném poměru jejich odporů

Spojování zdrojů napětí Spojováním zdrojů vzniká baterie Spojování dvojím způsobem: spojení za sebou – sériově spojení vedle sebe - paralelně

Sériové spojení zdrojů za sebou spojujeme vždy kladný pól jednoho zdroje se záporným pólem následujícího zdroje

Sériové spojení zdrojů Výsledné napětí baterie se rovná součtu napětí jednotlivých zdrojů Všemi zdroji prochází stejný proud

Paralelní spojení zdrojů vedle sebe Jedním vodičem spojujeme všechny kladné póly zdrojů, druhým vodičem všechny záporné póly zdrojů Paralelně můžeme spojovat jen zdroje o stejném napětí

Schéma paralelního spojení zdrojů

Paralelní spojení zdrojů Výsledné napětí baterie se rovná napětí jednoho zdroje Z baterie můžeme odebírat proud, který se rovná součtu proudů z jednotlivých zdrojů

Shrnutí Baterie sériově spojených zdrojů se používá k získání zdroje o vyšším napětí Baterie paralelně spojených zdrojů se používá k získání většího proudu

Práce elektrického proudu Síly elektrického pole konají práci při přemisťování volných částic s elektrickým nábojem W = Q . U W….práce sil elektrického pole U…..napětí na koncích vodiče Q…..elektrický náboj

Práce elektrického proudu Prochází-li vodičem konstantní proud I po dobu t je elektrický náboj Q = I.t W = U . I . t Práce elektrického proudu se rovná součinu elektrického napětí, proudu a doby, po kterou proud vodičem prochází.

Práce elektrického proudu

Výkon elektrického proudu Výkon = práce vykonaná za určitou časovou jednotku Jednotka výkonu – 1 Watt – značka W

Příkon spotřebiče Značí se P0 = elektrická energie odebraná spotřebičem za časovou jednotku.

Účinnost spotřebiče Je dána podílem jeho výkonu a příkonu Značí se Je vždy menší než 1

Odvození dalších jednotek práce Vycházíme ze vzorce W = P.t Odvozené jednotky: wattsekunda W.s watthodina W.h kilowatthodina kWh 1 W.h = 3600 W.s 1 kW.h = 3,6 . 106 W.s

Teplo předané elektrickým spotřebičem Při průchodu elektrického proudu se vodiče zahřívají Vodič předává teplo na úkor odebrané elektrické energie Joulův zákon …. Joulovo teplo

Teplo předané elektrickým spotřebičem Úpravy Joulova zákona