FII-II. Elektrokinetika

Prezentace na téma: "FII-II. Elektrokinetika"— Transkript prezentace:

1 FII-II. Elektrokinetika
Stacionární elektrické proudy

2 FII–8 Ohmův zákon

3 Hlavní body Elektrické proudy = pohyb nábojů, změna pole
Elektrické zdroje napětí (a proudu) Ohmův zákon Rezistance a rezistory Přenos náboje, energie a výkon Rezistory zapojené sériově a paralelně

4 Elektrické proudy I Zatím jsme se zabývali rovnovážnými stavy.
Avšak než je jich dosaženo, dochází obvykle k pohybu volných nositelů náboje v nenulovém elektrickém poli, čili tam existují proudy. Často záměrně udržujeme na vodičích rozdíl potenciálů, abychom udrželi elektrický proud. Elektrický proud v určitém okamžiku je definován jako :

5 Elektrické proudy II Z fyzikálního hlediska rozlišujeme tři druhy proudu. První dva jsou přímo přenos náboje: kondukční – pohyb volných nositelů náboje v látkách, pevných nebo roztocích konvekční – pohyb nábojů ve vakuu (např. elektronů v obrazovce) posuvný – je spojený s časovou změnou elektrického pole (depolarizace dielektrik)

6 Elektrické proudy III Elektrické proudy mohou být uskutečněny pohybem nábojů obojí polarity. Podle konvence směřuje proud ve směru elektrického pole, čili stejně, jako kdyby nositelé náboje byli kladné. Pokud jsou volné nositele v určité látce záporné, jako například u kovů, pohybují se fyzicky proti směru konvenčního proudu.

7 Elektrické proudy IV Nejprve se budeme zabývat stacionárními proudy. Jedná se o zvláštní případ rovnováhy, kdy napětí a proudy v obvodech jsou stálá a konstantní. Stacionární proudy tedy mohou být jen konvekční nebo kondukční. Později se také zmíníme o časově proměnných proudech. Ty mohou být i posuvné.

8 Jednotkou proudu je 1 ampér se zkratkou A 1 A = 1 C/s.
Elektrické proudy V Jednotkou proudu je 1 ampér se zkratkou A 1 A = 1 C/s. Proudy lze relativně snadno měřit, proto je ampér přijat jako jedna ze základních jednotek soustavy SI. Pomocí něj jsou potom definovány i další elektrické jednotky. Například 1 Coulomb : 1C = 1 As.

9 Elektrické zdroje I Abychom udrželi konstantní proud, například ve vodivé tyčce, musíme udržet konstantní elektrické pole, které se snaží přivést náboje v tyčce k rovnováze. To je ekvivalentní udržování konstantního rozdílu potenciálu neboli napětí mezi konci tyčky. K tomu potřebujeme elektrický zdroj napětí.

10 Otázka Může být nabitý kondenzátor využit jako elektrický zdroj k dosažení stacionárního proudu? A) Ano B) Ne

11 Odpověď Odpověď je NE! Nabitý kondenzátor může být využit jako zdroj například k pokrytí krátkodobých výpadků jiných zdrojů. Vybíjecí proud kondenzátoru však je nestacionární. Proud totiž vybíjí kondenzátor, čili způsobuje pokles jeho napětí a proto sám postupně klesá.

12 Elektrické zdroje II Elektrický zdroj
je podobný kondenzátoru, ale musí obsahovat mechanismus, který doplňuje náboje odvedené z jednotlivých elektrod, aby napětí mezi nimi zůstalo zachováno. musí obsahovat síly neelektrické povahy (tzv. vtištěné např. chemické), které ho dobíjí. Musí například přenášet kladný náboj ze záporné elektrody na kladnou, a protož je mezi nimi napětí, konat tak práci. napětí je dáno rovnováhou mezi neelektrickými a elektrickými silami.

13 Elektrické zdroje III K udržení konstantního napětí při určitém konstantním proudu se dobíjení, čili i práce, musí vynakládat s určitou rychlostí, takže elektrický zdroj dodává do obvodu určitý výkon. Tam se výkon může transformovat na jiné formy, jako tepelný, světelný nebo mechanický. Část se ovšem vždy ztratí jako nechtěné teplo.

14 Elektrické zdroje IV Existují speciální dobíjitelné zdroje – akumulátory. Jejich vlastnosti jsou velmi podobně kondenzátorům, ale pracují při (téměř) konstantním napětí. Proto potenciální energie nabitého akumulátoru nabitého nábojem Q na napětí U je : W = QU a ne QU/2 , jak by tomu bylo u kondenzátoru.

15 Ohmův zákon Každé vodivé těleso potřebuje určité napětí mezi svými konci, aby vzniklo dostatečně intenzivní elektrické pole k dosažení určitého proudu. Napětí a proud jsou si přímo úměrné podle Ohmova zákona : U = RI Konstanta úměrnosti se nazývá rezistance. Její jednotkou je 1 ohm : 1  = 1 V/A

16 Rezistance a rezistory I
Každé situaci, kdy jistým elementem protéká při určitém napětí určitý proud, můžeme přiřadit určitou rezistanci. U ideálního rezistoru (odporu) je rezistance konstantní bez ohledu na napětí a proud. V elektronice se používají speciální součástky – rezistory, které jsou vyvíjeny tak, aby jejich vlastnosti byly blízké ideálním rezistorům. Rezistance obecně závisí na napětí, proudu, i jiných faktorech.

17 Rezistance a rezistory II
Důležitou informací o každém materiálu je jeho volt-ampérová charakteristika. Je to naměřená a (vhodně) vynesená závislost proudu na napětí nebo naopak. Může odhalit důležité vlastnosti látek. V každém bodě takové charakteristiky můžeme definovat diferenciální rezistanci jako : dR = U/I Pro ideální odpor je tato veličina konstantní.

18 Rezistance a rezistory III
V elektronice se používá dalších speciálních součástek například variátorů , Zenerových diod nebo varistorů, které jsou vyvinuty tak, aby měly speciální v-a charakteristiku. Používá se jich například ke stabilizaci napětí nebo proudu.

19 Přenos náboje, energie a výkonu I
Ke zdroji o určitém napětí U připojme vodiči se zanedbatelným odporem jistý rezistor R. Získáváme jednoduchý elektrický obvod. Na odporu je stejné napětí jako na zdroji, ale věnujme pozornost orientaci elektrického pole.

20 Přenos náboje, energie a výkonu II
Pole má snahu vyvolat proudy, které zdroj vybíjí v jeho vnitřku i vnějším obvodem. Proudy mají samozřejmě směr snižování potenciální energie. Ve zdroji ale jsou síly neelektrické povahy, které pohybují náboji proti směru pole, takže v celém obvodu se proud pohybuje stejným směrem. Ve zdroji vykonávají vnější síly práci, kterou pole vrací v rezistoru opět do vnějšího prostředí.

21 Přenos náboje, energie a výkonu III
Vezmeme náboj dq a obejdeme s ním obvod. Ve zdroji musí vnější činitel vykonat práci proti poli Udq nebo naopak pole vykoná práci –Udq. V rezistoru koná pole práci Udq, čili vnější činitel koná práci –Udq. Celková práce vykonaná jak vnějším činitelem tak i polem je rovna nule, což je samozřejmě ekvivalentní konzervativnosti elektrického pole. Derivujeme-li časem, dostáváme výkon : P = UI. A po dosazení za rezistanci : P = U2/R = RI2.

22 Přenos náboje, energie a výkonu IV
Neelektrické síly tedy ve zdroji odevzdávají výkon P = UI. Ten je elektrickým obvodem přenesen do spotřebiče jako výkon elektrický. Tam se opět mění na výkon neelektrický (teplo, světelný…). Výhoda je v tom, že zdroj může být ve velké dálce od spotřebičů a výkon se relativně jednoduše a s malými ztrátami přenáší prostřednictvím elektrického pole.

23 Přenos náboje, energie a výkonu V
Ve skutečnosti ztráty v přívodních vodičích nemohou být zanedbány, zvláště při přenosu na dlouhou vzdálenost. Protože ztráty závisí na I2, přenáší se výkon při co nejvyšíšm napětí a nejnižším proudu.

24 Seriové zapojení rezistorů
Rezistory, zapojenými seriově, prochází stejný společný proud. Současně napětí na všech dohromady musí být součet napětí na rezistorech jednotlivých. Seriové zapojení tedy můžeme nahradit jedním rezistorem, pro jehož rezistanci platí : R = R1 + R2 + …

25 Paralelní zapojení rezistorů
Jsou-li rezistory zapojeny paralelně, je na každém stejné společné napětí. Současně se celkový proud dělí mezi ně a je tedy součtem proudů jednotlivými rezistory. Paralelní zapojení tedy můžeme nahradit jedním rezistorem, pro jehož rezistanci platí 1/R = 1/R1 + 1/R2 + …

26 Homework Problems due Monday! 25 – 2, 6, 8, 13, 29, 32, 39
26 – 23, 31, 34

27 Things to read Chapter 25 – 1, 2, 3, 5, 6