Elektrický proud

Elektrický proud - elektrický proud je uspořádaný pohyb volných částic s elektrickým nábojem, je to fyzikální děj - elektrický proud je fyzikální veličina

Jednoduchý elektrický obvod Za směr proudu se podle dohody pokládá směr uspořádaného pohybu kladně nabitých částic. Proud v jednoduchém obvodu tedy vychází z kladného pólu zdroje a směřuje do pólu záporného.

Elektrický proud Elektrický proud I je základní fyzikální veličina – udává množství náboje, který projde průřezem vodiče za jednotku času. Prochází-li náboj průřezem vodiče rovnoměrně, je elektrický proud I určen jako podíl celkového náboje Q, který projde průřezem vodiče, a příslušné doby t,

Jednotka proudu [I] = A (ampér) = C  s–1 Vodičem prochází proud 1A, jestliže projde průřezem vodiče náboj 1C za 1s. [Q] = [I] . [t] = A . S = C Pro jednotku elektrického náboje používáme také název ampérsekunda.

Měření elektrického proudu Elektrický proud měříme ampérmetrem.

Elektrický zdroj Mezi svorkami zdroje je svorkové napětí U. Ve vnější části obvodu elektrostatické síly Fe konají práci. Vnější část obvodu se chová jako spotřebič.

Elektrický zdroj Práce W vykonaná elektrostatickými silami ve vnější části obvodu při přenesení náboje Q je určena vztahem W = U.Q

Elektrický zdroj Uvnitř zdroje konají práci neelektrostatické síly. Při přenesení náboje Q uvnitř zdroje vykonají práci Wz. Elektromotorické napětí zdroje:

Svorkové napětí nezatíženého zdroje U0, nazýváme napětí naprázdno, proto U0=Ue. Svorkové napětí zatíženého zdroje je menší než elektromotorické napětí. W = U Q < Wz = UeQ, U < Ue

Elektrické zdroje V elektrickém zdroji se přeměňuje určitý druh energie na energii elektrickou: galvanický článek (tvořený dvěma elektrodami z různých kovů, mezi kterými je umístěna vodivá kapalina – elektrolyt) využívá chemickou energii uvolněnou při reakci kovových elektrod s elektrolytem, Voltův článek – elektrody – Zn, Cu; elektrolyt – zředěná H2SO4, suchý článek (monočlánek) – elektrody – Zn, C + směs grafitu a burelu; elektrolyt – roztok salmiaku zahuštěný na gel (např. přídavkem škrobu); baterie vznikne spojením více monočlánků.

Elektrické zdroje akumulátor – můžeme ho nabíjet; př. olověný: elektrody – Pb, PbO2, elektrolyt – zředěná H2SO4 → v autech, dále např. NiCd, NiMH, Li-ion (pro elektronické účely – články do walkmanů, přenosných CD, MD přehrávačů, mobilních telefonů) fotočlánek využívá energii světla dopadajícího na vhodně upravenou destičku polovodiče (probíhá fotoelektrický jev) termočlánky využívají termoelektrický jev; spojíme-li dva vodiče z různých kovů, a jeden konec budeme zahřívat, vznikne kontaktní napětí. elektromagnetické zdroje (dynamo, alternátor) přeměňují mechanickou práci na el. energii, jsou zdrojem proměnlivého proudu

Elektrický proud v kovech Ohmův zákon Pokud má kovový vodič stálou teplotu, je proud procházející vodičem přímo úměrný napětí mezi konci vodiče, I  U. Voltampérová charakteristika

Elektrický odpor R (rezistance) Jednotkou elektrického odporu je ohm ().

Jednotkou elektrické vodivosti je siemens (S). Elektrická vodivost G Jednotkou elektrické vodivosti je siemens (S).

Ohmův zákon pro část obvodu: Velikost odporu vodiče závisí na kovu, ze kterého je vyroben, na jeho délce a na průřezu. S – průřez vodiče, l – délka vodiče,  je měrný el. odpor (rezistivita). Hodnoty jsou v MFCHT. [] =   m Čím delší je vodič, tím větší je jeho odpor; čím je jeho průřez větší, tím menší je odpor.  

Závislost elektrického odporu na teplotě Závislost el. odporu vodičů na teplotě je ve velkém teplotním intervalu prakticky lineární a můžeme ji vyjádřit vztahem R = R1  (1 +   t) – teplotní součinitel elektrického odporu (udává, kolikrát se zvětší odpor při zahřátí vodiče o 1°C) t = t1 – t2 (teplotní rozdíl) R1 – odpor vodiče na začátku ohřívání S rostoucí teplotou roste odpor. Také měrný elektrický odpor závisí na teplotě lineárně podle vztahu  = 0  (1 +   t) Při velmi nízkých teplotách klesá odpor na neměřitelnou hodnotu. Tento jev se nazývá supravodivost.

Sériové spojení rezistorů Celkový odpor je roven součtu jednotlivých odporů.

Paralelní spojení rezistorů

Ohmův zákon pro uzavřený obvod Proud v uzavřeném obvodu je roven podílu elektromotorického napětí a celkového odporu R + Ri, Ri je vnitřní odpor zdroje.

Reostat REOSTAT slouží k regulaci el. proudu v obvodu; do obvodu je zapojen jedním koncem pevného vodiče a jezdcem – poloha jezdce určuje délku vodiče, kterým prochází proud, a tím i odpor reostatu.

Potenciometr POTENCIOMETR (dělič napětí) slouží ke změně napětí; ke zdroji je zapojen oběma konci pevného vodiče. K jezdci je připojen další obvod, jehož druhý konec je spojen s jedním koncem rezistoru. Jezdcem se mění napětí v druhém obvodu.

Kirchhoffovy zákony Kirchhoffovy zákony V rozvětveném obvodu prochází každou větví menší proud než nerozvětvenou částí obvodu. (větev je část el. obvodu mezi dvěma uzly, uzel je místo v obvodu, kde se stýkají nejméně tři vodiče, síť je rozvětvený obvod s více zdroji napětí) Kirchhoffovy zákony – platí pro rozvětvený obvod a stejnosměrný proud 1. Algebraický součet proudů v uzlu je nulový. Součet proudů do uzlu vstupujících je roven součtu proudů z uzlu vystupujících. 2. Součet elektromotorických napětí jednotlivých zdrojů se rovná součtu úbytku napětí na jednotlivých odporech.

n je počet rezistorů a m je počet zdrojů ve smyčce Kirchhoffovy zákony – platí pro rozvětvený obvod a stejnosměrný proud 1. Algebraický součet proudů v uzlu je nulový (n je počet větví, které se stýkají v uzlu). Součet proudů do uzlu vstupujících je roven součtu proudů z uzlu vystupujících. 2. Součet elektromotorických napětí jednotlivých zdrojů se rovná součtu úbytku napětí na jednotlivých odporech. n je počet rezistorů a m je počet zdrojů ve smyčce

Elektrická práce a výkon Při přenesení náboje Q mezi svorkami zdroje o svorkovém napětí U vykonají síly elektrického pole práci:

Výkon elektrického proudu: Účinnost elektrického obvodu:

Elektrický proud v polovodičích Polovodiče jsou látky, jejichž vodivost je větší než vodivost izolantů a menší než vodivost vodičů. Mezi nejznámější polovodiče patří prvky IV. A skupiny (germanium Ge, křemík Si).

Elektrický proud v polovodičích Nejjednodušší polovodičové součástky jsou termistory a fotorezistory.

Elektrický proud v polovodičích Vlastní vodivost (vodivost čistých polovodičů) Valenční elektrony atomů vytvářejí elektronové páry se sousedními atomy v krystalické mřížce (kovalentní vazba). Elektrony se z vazby mohou uvolňovat, získají-li dostatečnou energii (u Ge asi 0,7 eV a u Si asi 1,1 eV) – př. zahřátím, dopadajícím zářením. Při nízkých teplotách žádný elektron tuto energii nemá a látka je elektricky nevodivá.

Vlastní vodivost Při vyšších teplotách se některé elektrony z vazeb uvolní – volné místo po elektronu se chová jako kladně nabitá částice – díra. Tento jev se nazývá generace párů elektron – díra. Čím více párů elektron – díra vznikne (čím vyšší je teplota), tím menší je měrný odpor.

Elektrický proud v polovodičích Současně s generací probíhá v polovodiči rekombinace – zánik páru (elektron se náhodně setká s dírou, ztratí část energie, zaplní díru). Při stálé teplotě jsou generace a rekombinace v rovnováze. Zapojíme-li polovodič do el. obvodu, vzniká v něm el. pole, které způsobuje uspořádaný pohyb děr k zápornému pólu zdroje a volných elektronů ve směru opačném. Výsledný proud je součtem proudu elektronového a děrového: I = Ie + Id ; Ie = Id

Vnitřní fotoelektrický jev Generování párů elektron-díra účinkem světelného záření se nazývá vnitřní fotoelektrický jev.

Příměsové polovodiče polovodič typu N, elektronová vodivost polovodič typu P, děrová vodivost

Příměsové polovodiče vodivost N: Poruchu mřížky vyvoláme dodáním atomů prvků V. skupiny (fosfor P, arsen As). Z pěti valenčních elektronů příměsi se jen čtyři uplatní v kovalentní vazbě se sousedními atomy prvku IV. skupiny. Elektronová vodivost.   vodivost P : Pokud použijeme jako příměsi atomy prvků III. skupiny (bor B, indium In, hliník Al), obsadí tato příměs svými elektrony jen tři vazby se sousedními atomy prvku IV. skupiny. Vznikne díra, která však může být snadno zaplněna přeskokem elektronu od sousedního atomu. Děrová vodivost.

Polovodičová dioda Polovodičová dioda je součástka s dvěma vývody připojenými ke krystalu polovodiče s jediným přechodem PN. Vývod spojený s oblastí typu P se nazývá anoda, vývod spojený s oblastí typu N je katoda.

Polovodičová dioda

Polovodičová dioda

Polovodičová dioda Přechod PN Spojí-li se polovodiče typu P a N, vytvoří se na jejich rozhraní PN přechod.V místě styku obou polovodičů dojde k difúzi děr z polovodiče typu P do N a elektronů z polovodiče typu N do P a následně k rekombinaci. Vytvoří se dynamická rovnováha a na rozhraní obou polovodičů vznikne vnitřní el. pole. V oblasti přechodu nejsou vlivem rekombinace žádné volné elektricky nabité částice. Pokud připojíme polovodič typu P ke kladnému pólu zdroje a polovodič typu N k zápornému, dochází v polovodiči typu P k tvorbě děr a do polovodiče typu N jsou dodávány elektrony. Vnějším polem (vytvořeno zdrojem) jsou díry z oblasti P a elektrony z oblasti N uvedeny do pohybu směrem k přechodu, což umožňuje pokračování rekombinace a tím průchod proudu. Díry mohou jít k – do N a elektrony k + do P. V tomto případě je PN přechod zapojen v propustném směru. Pokud zapojíme PN přechod obráceně, k vytváření děr, dodávání elektronů a rekombinaci na PN přechodu nedochází, tzn. proud neprochází. Díry jdou k –, proto zůstávají v P, stejně elektrony jdou k +, proto zůstávají v N. Říkáme, že PN přechod je zapojen v závěrném směru. PN přechod má tedy vlastnost propouštět proud pouze jedním směrem (diodový jev).

Polovodičová dioda

Polovodičová dioda Vlastnosti diody: – propouští proud pouze jedním směrem (působí jako elektrický ventil, využití jako pojistka proti obrácení polarity zdroje – baterií) – slouží k usměrňování střídavého proudu (usměrňovače) – usměrňování vysokofrekvenčních proudů (demodulátory)

Voltampérová charakteristika polovodičové diody Voltampérová charakteristika polovodičové diody je graf závislosti proudu, který prochází diodou, na přípojném napětí. UF0 je prahové napětí, UBR je průrazné napětí, UZ je Zenerovo napětí.

Elektrický proud v kapalinách Většina kapalin v čistém stavu jsou izolanty. Kapaliny, které vedou el. proud, se nazývají elektrolyty (př. vodné roztoky kyselin, zásad a solí). Při rozpouštění kyselin, solí a zásad ve vodě dochází ke vzniku iontů působením molekul rozpouštědla (vody). Tento jev se nazývá elektrolytická disociace. Např.: H2SO4  2H+ + SO4 2– (disociace kyseliny) KOH  K+ + OH– (disociace zásady) NaCl  Na+ + Cl– (disociace soli)  

Elektrický proud v kapalinách Elektrické pole, které vznikne mezi elektrodami, vyvolá usměrněný pohyb iontů – elektrický proud. Kladné kationty se pohybují směrem k záporné elektrodě katodě a záporné anionty se pohybují směrem ke kladné elektrodě anodě. Na elektrodách odevzdají ionty své náboje a vyloučí se v podobě atomů či molekul. Vyloučené látky mohou reagovat s elektrodami nebo elektrolytem. Tento děj se nazývá elektrolýza.

Elektrický proud v kapalinách

Faradayovy zákony pro elektrolýzu 1. Faradayův zákon: Hmotnost m vyloučené látky je přímo úměrná náboji Q, který prošel elektrolytem, m = A  Q = A  I  t A – elektrochemický ekvivalent, jednotka kg  C–1, udává množství látky vyloučené proudem 1 A za 1 s.

Faradayovy zákony pro elektrolýzu   2. Faradayův zákon: Elektrochemický ekvivalent látky vypočteme, jestliže její molární hmotnost vydělíme Faradayovou konstantou a počtem elektronů potřebných k vyloučení jedné molekuly,

2. Faradayův zákon pro elektrolýzu Látková množství různých látek vyloučených při elektrolýze týmž nábojem jsou chemicky ekvivalentní. z je počet elementárních nábojů potřebných pro vyloučení jedné molekuly, Mm je molární hmotnost vyloučené látky, F je Faradayova kostanta, F = NAe = 6,022.1023 mol-1.1,602.10-19 C = 9,65.104 C . mol-1, NA je Avogadrova konstanta, NA = 6,022.1023 mol-1, e je elementární elektrický náboj, e = 1,602.10-19 C

Voltampérová charakteristika elektrolytického vodiče a) Elektrický obvod b) Proud je přímo úměrný napětí (použili jsme měděné elektrody v roztoku CuSO4) c) Ur – rozkladné napětí (použili jsme uhlíkové nebo platinové elektrody a jako elektrolyt zředěnou kyselinu sírovou)

Galvanický článek Ponořením dvou chemicky různých elektrod do elektrolytu vznikne galvanický článek.

Nabíjení akumulátoru Kapacita akumulátoru je určena celkovým nábojem, který může akumulátor vydat při vybíjení (1 A . h = 3600 C).

Elektrický proud v plynech a ve vakuu Elektrický proud vede jen ionizovaný plyn. K ionizaci neutrální molekuly je nutno dodat ionizační energii. Plyn se ionizuje působením plamene nebo záření. Ionizační energie se udává v elektronvoltech (1eV = 1,602.10-19 C). Elektrický proud v plynu, který se udržuje jen po dobu působení ionizátoru, se nazývá nesamostatný výboj.

Voltampérová charakteristika ionizační komory. V ionizační komoře můžeme měřit vlastnosti ionizovaného plynu. Un je napětí, při kterém komorou prochází nasycený proud. Uz je zápalné napětí, při kterém dochází k novému zvýšení proudu. Voltampérová charakteristika ionizační komory.

Samostatný výboj Nesamostatný výboj se udržuje jen po dobu působení ionizátoru. Po překročení zápalného napětí dochází k ionizaci nárazem a samostatnému výboji. Vysoce ionizovaný plyn v samostatném výboji se nazývá plazma.

Samostatný výboj za atmosférického tlaku Obloukový výboj: charakteristické je nízké Uz a velmi vysoký proud, uvolňuje se množství el. energie a ultrafialové světlo. Využití: el. svařování

Samostatný výboj za atmosférického tlaku Jiskrový výboj: trvá velmi krátkou dobu, vzniká při dosažení Uz mezi elektrodami, není-li zdroj schopen trvale dodávat velký proud (př. vybíjení kondenzátoru); př. blesk – vzniká mezi opačně nabitými mraky nebo mezi mrakem a zemí, k ochraně před ničivými účinky blesku slouží bleskosvod (kovová tyč vodivě spojená se zemí, Prokop Diviš). Využití: svíčka v motoru

Samostatný výboj za atmosférického tlaku Koróna vzniká v nehomogenním el. poli okolo hran, hrotů, tenkých vodičů s vysokým potenciálem dosáhne-li intenzita el. pole hodnoty potřebné k ionizaci molekul v okolí vodiče. Koróna způsobuje ztráty na vedeních vysokého napětí za sníženého tlaku (nižší zápalné napětí).

Doutnavý výboj

Doutnavý výboj Doutnavý výboj: probíhá ve výbojce (= skleněná baňka při nízkém tlaku naplněná nějakým plynem), projevuje se svícením, má poměrně nízké Uz a nízký proud, nespotřebovává velké množství el. energie Využití: výbojky: nízkotlaké – zářivková trubice, veřejné osvětlení; vysokotlaké – promítací přístroj, osvětlovací technika

Katodové a kanálové záření Obrazovka

Literatura: O. Lepil – Elektřina a magnetismus Použité zdroje: Internet, AMD ČR Vyrobeno v rámci projektu SIPVZ Gymnázium a SOŠ Cihelní 410 Frýdek-Místek Autor: Mgr. Libor Lepík Rok výroby: 2005