elektrický proud v kovech

Elektrický proud

Děj

• uspořádaný pohyb částic s nábojem
• směr se domluvou určil podle směru pohybu kladně nabitých částic(dohodnut v době,kdy se nevědělo, že vedení proudu zprostředkovávají elektrony -> reálný směr proudu je opačný)

Veličina

• vektorová fyzikální veličina
• náboj, který projde vodičem za jednotku času, [I] = A = velikost proudu, jestliže vodičem projde náboj 1 C za dobu 1s

Podmínky vzniku proudu

• látka obsahuje volné částice s nábojem(zprostředkovávají vedení proudu)
• k uzavřenému obvodu je připojen stálý zdroj napětí(usměrňuje pohyb částic s nábojem)

Elektrický zdroj(zdroj napětí)

• přeměňuje energii na elektrickou energii

Vnitřní část obvodu

• zdroj napětí
• dvě svorky s rozdílným potenciálem, který je roven elektromotorickému napětí, část energie se ale spotřebuje už ve zdroji(práce potřebná na přemisťování náboje uvnitř zdroje) -> výsledné napětí je menší = svorkové napětí

Práce zdroje

• elektrický proud teče i uvnitř zdroje, ale proti pohybu elektrických sil(práci vykonají neelektrické síly)
• je potřeba vykonat práci, aby ve zdroji mohl téct proud

Vnitřní odpor zdroje

• je odpor elektrolytu, ze kterého je zdroj složen
• ideálně by měl být co nejmenší

Vnější část obvodu

• ostatní prvky v obvodu(vodič, rezistor, cívka…)
• při protékání proudu se volné částice s nábojem pohybují ve směru působení elektrických sil, aby se pohybovali musí vykonat práci
• U je svorkové napětí
• funguje jako spotřebič – elektrickou potenciální energii mění na jiné formy energie

Elektrická vodivost

• pokud vodič připojíme k regulovatelnému zdroji napětí, napětí na zdroji postupně měníme a pozorujeme jednotlivé hodnoty proudu, zjistíme, že za podmínky, že teplota vodiče je konstantní, je proud přímo úměrný napětí
• konstanta úměrnosti je elektrická vodivost – G, [G] = A.V^-1 = S (siemens)

Ohmův zákon pro část obvodu

• za stále teploty vodiče(musíme chladit), je proud procházející vodiče přímo úměrný napětí na konci vodiče

Elektrický odpor

• krystalická mřížka je vyplněna volně se pohybující záporně nabitými částicemi a kladně nabitými částicemi tvořícím mřížku samotnou, kladně nabité částice kmitají kolem bodu mřížky
• při připojení zdroje napětí se záporně nabité částice začnou usměrněně pohybovat ve směru proudu a některé z nich při průchodu mřížkou naráží do kladně nabitých částic – elektrický odpor látky
• vlastnost látky, hodnota elektrického odporu je míra, kterou látka zabraňuje průchodu elektrického proudu
• [R] = V.A = S^-1 = Ω – velikost odporu, který prochází vodiče při napětí 1 V a proudu 1 A
• zvětšením teploty se zvýší energie kmitajících kladně nabitých částic -> částice budou kmitat do větší výchylky -> srážky budou častější -> odpor s teplotou roste
• – α – teplotní součinitel elektrického odporu(MFChT), [α] = K^-1
• odpor závisí i na materiálu, délce a ploše průřezu vodiče
• ρ – měrný odpor vodiče – vlastnost kovů, hodnoty v MFChT, [ρ] = ohm.m^-1
• měrný odpor vodiče se mění v závislosti na teplotě analogicky jako odpor
• využití: při zjišťování místa havárie na vedení – prakticky je proud veden dvojdrátem, aby mohl vzniknout obvod s cílovým spotřebičem, pokud se jeden vodič přeruší tak, aby překřižoval druhý vodič proud bude stále procházet, změříme-li hodnotu odporu, můžeme pomocí údajů o vodiči, které máme(průřez a materiál) určit s přesností na metry místo havárie

• u některých materiálu při extrémně nízkých teplotách klesá měrný odpor na nulu = supravodivost

 

Rezistor

• součástka vyrobená z materiálu s malým teplotní součinitelem odporu -> konstantní R

Reostat

• rezistor s plynule měnitelným odporem, pokud zapojíme obvod na jezdce můžeme měnit odpor, lze ale i zapojit přímo a získáme rezistor
• k regulaci proudu v obvodu, posunováním jezdce zmenšuje délku vodiče a tím i odpor reostatu

Potenciometr

• kombinace rezistoru a reostatu, slouží ke změně napětí
• na pevné konce potenciometru se zapojí zdroj napětí(rezistor), na jezdce a jeden pevný konec se napojí obvod samotný, pohybem jezdce se mění odpor v obvodu a tudíž i napětí

Zapojení rezistoru

Sériové(za sebou)

• všemi rezistory v obvodu prochází stejný proud, celkové napětí obvodu je rovno součtu dílčích napětí na rezistorech

Paralelní(vedle sebe)

• napětí ve všech větších obvodu bude stejné, celkový proud je roven součtu proudu na jednotlivých rezistorech(částice s nábojem se rozdělí v uzlu)

Ohmův zákon pro uzavřený obvod

• reálný zdroj má vnitřní odpor, proto napětí ve vnější části obvodu(svorkové) je vždy menší než napětí ve vnitřní části obvodu(elektromotorické – napětí nezatíženého zdroje)
• rozdíl elektromotorického a svorkového napětí je rovný napětí, které by měl rezistor o vnitřním odporu zdroje

Měření elektrického proudu

• elektrický proud se měří pomocí ampérmetru, který se zapojuje do série se spotřebičem na němž proud měříme

Změna rozsahu ampérmetru

• potřebná pokud hodnoty měřené ampérmetrem jsou příliš malé nebo příliš velké
• provádí se tak,že paralelně k ampérmetru připojíme rezistor(reostat) = bočník
• na rezistoru i ampérmetru je stejné napětí U, proud procházející celým obvodem je součet proudu na rezistoru a ampérmetru ->

Měření napětí

• provádíme pomocí voltmetru, zapojuje se do série paralelně ke spotřebiči na kterém napětí měříme

Změna rozsahu voltmetru

• provádí se tak, že k voltmetru do série připojíme rezistor(reostat) = předřadný odpor

 

• prou bude stejný na voltmetru i předřadném odporu ale napětí bude různé

Zkrat

• nastane pokud snížíme odpor ve vnější části obvodu na nulu
• zdroje se konstruují tak, aby byl vnitřní odpor zdroje minimální
• součástky zabraňující zkratu jsou pojistky nebo jističe – přeruší obvod při velkém proudu

Elektrická síť

• složitější obvod
• uzel – místo styku alespoň 3 vodičů, větev – vodivé spojení 2 uzlů

Kirchhofovy zákon

• slouží k výpočtu proudu v jednotlivých větvích

1.KZ

– součet proudů do uzlů vstupujících je rovný součtu proudu z uzlů z proudu vystupujících

2. KZ

– součet napětí na zdrojích se rovná se rovná součtu napětí na rezistorech

Postup

• síť si podle uzlů na více jednoduchých obvodů
• zvolíme si směr proudu v jednotlivých větvích(libovolné)
• vyznačíme si směr růstu potenciálu na zdrojích(potenciál roste z kratší svorky na delší)
• zvolíme směr postupu(po směru, či proti směru hodinových ručiček)
• vybereme 1 uzel, pro který zapíšeme 1. KZ(proudy vystupující na 1 straně rovnice, proudy vstupující na druhé)
• napíšeme 2. KZ pro větve(v každé větvi postupujeme dle zvoleného směru, na jednu stranu napíšeme hodnoty napětí na zdrojích – pokud na zdroji roste potenciál ve směru postupu, pak je hodnota napětí kladná, pokud potenciál klesá ve směru postupu, pak je hodnota napětí záporná, na druhou stranu rovnice napíšeme napětí na rezistorech jako násobek proudu a hodnoty odporu, pokud je směr proudu stejný jako směr postupu – kladné, pokud je směr proudu opačný než směr postupu – záporné)
• z 2. KZ si vyjádříme neznámé proudy pomocí proudu, který je v obou rovnicích stejný a dosazujeme do 1. KZ, spočítaný proud se vyskytuje v obou rovnicích 2. KZ, takže po dosazení můžeme spočítat zbylé proudy
• pokud nám vyjdou záporné hodnoty proud znamená to, že jsme špatně zvolili směr proudu

Elektrická práce v kovech

• přenesením náboje vnější částí obvodu koná zdroj práci

Joulovo teplo

• průchodem proudu vodičem se zvyšuje teplota vodiče, což vede k tepelné výměně mezi vodičem a okolím -> takto odevzdané teplo je Joulovo teplo
• pokud nedochází zároveň k jiným přeměnám energie Joulovo teplo je rovno elektrické práci

Výkon proudu

• práci v obvodu koná svorkové napětí U, které je menší než elektromotorické

Příkon proudu

• práce vykoná jak elektrickými silami ve vnější části obvodu, tak neelektrickými silami ve vnitřní části

Účinnost zdroje

– účinnost se zvyšuje, když se vnitřní odpor snižuje