elektrický proud v kovech Mgr. Kamil Kučera

ANOTACE Kód EVM: K_INOVACE_1.FY.40 Číslo projektu: CZ.1.07/1.1.28/01.0050 Vytvořeno: červenec 2014 Ročník: 3. ročník – čtyřleté gymnázium, 7. ročník – osmileté gymnázium (RVP-G), Anotace: Vzdělávací oblast Člověk a příroda Vzdělávací obor Fyzika Tematický okruh Elektrický proud v kovech Materiál slouží k zopakování vedení elektrického proudu v kovech. Materiál připomíná základní zákony z této oblasti (Ohmovy, Kirchhoffovy) a prostor je věnován také supravodivosti. Učivo je ověřeno závěrečným testem. Materiál se využije v průběhu hodiny. Pomůcky: interaktivní tabule.

Elektrický proud elektrický proud - uspořádaný pohyb volných nosičů náboje (jev) (elektrony, ionty, díry) v látkách elektrický proud - skalární fyzikální veličina určující podíl (veličina) celkového náboje Q, který projde průřezem vodiče za dobu t směr proudu určen dohodou – směr uspořádaného pohybu kladně nabitých částic účinky elektrického proudu: tepelné – odporový drát (rychlovarná konvice) magnetické – elektromagnet (jistič) chemické – elektrolýza (chemické pokovování) elektrický proud měříme ampérmetrem (sériově ke spotřebiči) [1] [2] [3]

Ohmův zákon pro část obvodu Elektrický proud v kovovém vodiči stálé teploty je přímo úměrný napětí mezi konci vodiče. voltampérová charakteristika – graf závislosti el. proudu I na el. napětí U lineární prvek – VA charakteristika přímka, odpor konstantní nelineární prvek - VA charakteristika křivka, odpor závisí na I (popř. U) I – elektrický proud U – elektrické napětí R – elektrický odpor G – elektrická vodivost [4] [5]

Elektrický odpor elektrický odpor R závisí: délka vodiče l obsah průřezu vodiče S materiál vodiče ρ teplota vodiče t ρ - měrný elektrický odpor = rezistivita α – teplotní součinitel elektrického odporu, charakteristika daného materiálu

Supravodivost kvantový jev spočívající v náhlém zmenšení měrného odporu látky až na zanedbatelnou hodnotu při snížení teploty pod kritickou teplotu TK supravodiče objevil ji v roce 1911 Holanďan H. Kamerlingh-Onnes supravodiče: I. druhu – kovy a jejich přímé slitiny (Hg, Pb, Sn, Nb) II. druhu- organické sloučeniny, oxidy keramické povahy (YBa2Cu3O7-x, (Hg0,8Tl0,2)Ba2Ca2Cu3O8,33.) TK - různá pro různé supravodiče - hodnota od jednotek po desítky K elektrický proud v prstenci supravodiče se udrží bez pozorovatelného útlumu několik let [6] [7]

Využití supravodivosti supravodivá levitace vlaky MAGLEV (magnetická levitace) efektivní přenos energie SQUID (Superconcting Quantum Interference Device) supravodivé přechody v počítačích nukleární magnetické rezonance supravodivé magnety v urychlovači LHC (CERN) [8] [9] [10]

Ohmův zákon pro uzavřený obvod Ohmův zákon pro uzavřený obvod: Proud v uzavřeném obvodu je roven podílu elektromotorického napětí zdroje a celkového odporu R + Ri. [11] [13] [12]

Elektrický jistič elektrické zařízení, které při nadměrném elektrickém proudu (většinou při přetížení nebo zkratu) automaticky rozpojí elektrický obvod a tím může chránit obsluhu před možným úrazem elektrickým proudem a chráněné elektrické zařízení před jeho poškozením 1 - ovládací páčka 2 - aretační mechanismus 3 - kontakty 4 - přívodní šroubová svorka 5 - bimetalový člen pro vybavení přetížením 6 - regulační prvek nastavení citlivosti (u běžných domovních jističů není) 7 - elektromagnetická spoušť pro vybavení zkratem 8 - zhášecí komora [13] [14]

Kirchhoffovy zákony formulované roku 1847 německým fyzikem G. R. Kirchhoffem pravidla formulující principy zachování náboje a energie v elektrických obvodech používají se zvláště pro rozvětvené elektrické obvody (umožňují určit velikost a směr elektrického proudu v jednotlivých větvích a velikost elektrického napětí na svorkách jednotlivých prvků) uzel – místo, ve kterém se stýkají nejméně 3 vodiče větev – vodivé spojení sousedních uzlů smyčka - posloupnost konečného počtu větví, které na sebe (uzavřená) v uzlech navazují a vytvářejí uzavřenou dráhu, po níž se vrátíme do výchozího uzlu [15]

I. Kirchhoffův zákon Kirchhoffův zákon: (zákon zachování elektrického náboje, jedná se o rovnici kontinuity elektrického proudu) Algebraický součet proudů v libovolném uzlu elektrického obvodu se rovná 0. podle konvence je proud tekoucí do uzlu kladný, zatímco proud tekoucí z uzlu záporný [16]

II. Kirchhoffův zákon II. Kirchhoffův zákon (zákon zachování energie pro elektrické obvody) V libovolném uzavřeném obvodu, který je částí elektrické sítě, se algebraický součet elektromotorických napětí Uei zdrojů zapojených do obvodu rovná algebraickému součtu napětí RkIk na jednotlivých rezistorech. [17]

Příklad na Kirchhoffovy zákony Př. Vypočítejte proudy v jednotlivých větvích elektrického obvodu podle schématu obvodu: 1. určíme orientaci elektromotorických napětí (směr „od mínus k plus“) 2. zvolíme LIBOVOLNĚ směr proudů ve větvích 3. zvolíme směr „obíhání“ uzavřenou smyčkou I I2 II A I1 I3

Elektrická práce, elektrický výkon elektrická práce (práce elektrického proudu, spotřeba el. energie) W skalární veličina, která je mírou přeměny elektrické energie ve spotřebiči na jinou formu energie Joulovo teplo QJ - teplo, které vzniká při průchodu elektrického proudu vodičem výkon elektrického proudu P elektrická práce vykonaná za jednotku času [18]

Trocha opakování Vysvětlete rozdíl mezi Ohmovým zákonem pro část obvodu a Ohmovým zákonem pro uzavřený obvod. Jaké účinky má elektrický proud a kde je například využíváme. Vysvětlete pojem supravodivost. Jak definujeme elektrický odpor a na čem závisí? Vysvětlete, jakou funkci v elektrickém obvodu mají jističe (pojistky). 6. Vypočítejte proudy v jednotlivých větvích elektrického obvodu podle schématu obvodu: I1 I3 I2

Zdroje a použitá literatura [1] MATANYA. wikipedia [online]. [cit. 23.7.2014]. Dostupný na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Andr%C3%A9-Marie_Amp%C3%A8re#mediaviewer/File:Ampere1.jpg [2] CQDX. wikipedia [online]. [cit. 23.7.2014]. Dostupný na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:381070-A.jpg?uselang=cs [3] BANGIN. wikipedia [online]. [cit. 23.7.2014]. Dostupný na WWW: http://cs.wikipedia.org/wiki/Elektrotechnick%C3%A1_sou%C4%8D%C3%A1stka#mediaviewer/Soubor:Ammeter.png [4] LUESTLING. wikipedia [online]. cit. 23.7.2014]. Dostupný na WWW: http://cs.wikipedia.org/wiki/Georg_Simon_Ohm#mediaviewer/Soubor:Georg-simon-ohm_1.jpg [5] THEDREAMSTREE. wikipedia [online]. cit. 23.7.2014]. Dostupný na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Caract%C3%A9ristique_r%C3%A9sistance.PNG?uselang=cs [6] JDH. wikipedia [online]. cit. 23.7.2014]. Dostupný na WWW: http://cs.wikipedia.org/wiki/Heike_Kamerlingh_Onnes#mediaviewer/Soubor:Kamerlingh_portret.jpg [7] RAMA. wikipedia [online]. [cit. 23.7.2014]. Dostupný na WWW: http://cs.wikipedia.org/wiki/Supravodivost#mediaviewer/Soubor:CERN-cables-p1030764.jpg [8] PRYKU. wikipedia [online]. [cit. 23.7.2014]. Dostupný na WWW: http://cs.wikipedia.org/wiki/Maglev#mediaviewer/Soubor:Shanghai_Transrapid_002.jpg [9] VENDISTOMAS. wikipedia [online]. [cit. 23.7.2014]. Dostupný na WWW: http://cs.wikipedia.org/wiki/Magnetick%C3%A1_rezonance#mediaviewer/Soubor:3TMRI.jpg [10] MKOTL. wikipedia [online]. [cit. 23.7.2014]. Dostupný na WWW: http://cs.wikipedia.org/wiki/Supravodi%C4%8D#mediaviewer/Soubor:SuperconductingMagnet.jpg [11] SCOOTRIK. wikipedia [online]. [cit. 23.7.2014]. Dostupný na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ide%C3%A1ln%C3%AD_a_re%C3%A1ln%C3%BD_zdroj.pdf [12] ŠEVELA, Pavel. wikipedia [online]. [cit. 23.7.2014]. Dostupný na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cork_fuses,_switche_and_mains_sockets.jpg?uselang=cs [13] LEOTARD. wikipedia [online]. [cit. 23.7.2014]. Dostupný na WWW: http://cs.wikipedia.org/wiki/Elektrick%C3%BD_jisti%C4%8D#mediaviewer/Soubor:Cicuit_breaker_1_pole.jpg [14] SARANG. wikipedia [online]. [cit. 23.7.2014]. Dostupný na WWW: http://cs.wikipedia.org/wiki/Elektrick%C3%BD_jisti%C4%8D#mediaviewer/Soubor:Symbol_leitungsschutzschalter.svg [15] QWERK. wikipedia [online]. [cit. 23.7.2014]. Dostupný na WWW: http://cs.wikipedia.org/wiki/Gustav_Robert_Kirchhoff#mediaviewer/Soubor:Gustav_Robert_Kirchhoff.jpg [16] INDUCTIVELOAD. wikipedia [online]. [cit. 23.7.2014]. Dostupný na WWW: http://cs.wikipedia.org/wiki/Kirchhoffovy_z%C3%A1kony#mediaviewer/Soubor:Kirchhoff%27s_Current_Law.svg [17] PAJS. wikipedia [online]. [cit. 23.7.2014]. Dostupný na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Kirchhoff_law2.svg?uselang=cs [18] AUDRIUSA. wikipedia [online]. [cit. 23.7.2014]. Dostupný na WWW: http://cs.wikipedia.org/wiki/Elektrick%C3%BD_v%C3%BDkon#mediaviewer/Soubor:Wattmeter.jpg schémata elektrických obvodů byla vyrobena ve freewarovém programu Curcuit Diagram 2.0 SVOBODA, Emanuel a kol. Přehled středoškolské fyziky. Praha: SPN, 1990, ISBN 80-04-22435-0