3. Elektrický náboj Q [C]

Transkript

1

2

3

4 3. Elektrický náboj Q [C] Atom se skládá z neutronů, protonů a elektronů. Elektrony mají záporný náboj, protony mají kladný náboj a neutrony jsou bez náboje. Protony jsou společně s neutrony v jádře atomu a elektrony jsou v obalu atomu, viz. obr Náboje elektronů a protonů jsou stejně velké pouze s opačnou polaritou. Jestliže je počet elektronů a protonů stejný, atom je elektricky neutrální. Bude li počet elektronů a protonů různý, máme elektricky reagující atom iont, a to buď: a) Kation: atom má méně elektronů než protonů kladný iont. b) Anion: atom má více elektronů než protonů záporný iont. Obr. 3.1: Model atomu: Animace model atomu. Celkový počet kladně nabitých částic protonů a záporně nabitých elektronů určuje elektrický stav tělesa: 1. Je-li počet částic stejný těleso je elektricky neutrální, protože se náboje těchto částic vzájemně vyruší. 2. Má-li těleso více protonů, je kladně nabito. 3. Má-li těleso více elektronů, je záporně nabito. 3

5 3. Elektrický náboj Q [C] Elektrický náboj protonu nebo elektronu je tzv. elementární náboj je to nejmenší možný náboj v přírodě, je tedy dále nedělitelný a jakýkoliv jiný náboj může být pouze násobkem tohoto elementárního náboje. Jeho velikost se značí písmenem e. Proton má + e a elektron e, viz. obr a 3.3. Jednotkou elektrického náboje je coulomb (čti kulomb) [ C ]. Jeho velikost je: Animace dvou nesouhlasných bodových nábojů (+, ). Animace dvou souhlasných bodových nábojů (+). náboj Q = It 1 coulomb je elektrický náboj, který proteče vodičem za 1 sekundu při konstantním proudu 1 ampér. Obr. 3.2: Kladný náboj + e. Obr. 3.3: Záporný náboj e. 4

6 3. Elektrické pole Jednou ze základních vlastností elektrických nábojů je, že na sebe vzájemně silově působí. Souhlasné náboje se navzájem odpuzují, nesouhlasné se naopak přitahují. Příčinou tohoto jevu je elektrické pole, které vzniká v okolí každého elektricky nabitého tělesa, se vzrůstající vzdáleností však slábne, až zaniká. Elektrické pole nemůže existovat samostatně, je vždy vázáno na elektrický náboj. Pro jeho znázornění používáme tzv. elektrické siločáry, viz. obr. 3.4.: Animace dvou souhlasných bodových nábojů ( ). Obr. 3.4.: Elektrické pole náboje: a) Elektrické pole náboje plus (+) Animace silové působení dvou kladných nábojů c) Elektrické pole náboje dvou souhlasných nábojů. b) Elektrické pole náboje mínus ( ) d) Elektrické pole náboje dvou nesouhlasných nábojů. 5

7 3. Elektrické napětí U [V] Animace silové působení dvou záporných nábojů Dva nesouhlasné elektrické náboje se přitahují. Vůči sobě mají nejmenší energii, jestliže jsou těsně vedle sebe. Začneme li tyto náboje od sebe oddalovat, musíme překonat jejich přitažlivé síly, musíme tedy konat práci. Při vzdalování nábojů dochází ke změně jejich polohy, tedy ke změně jejich polohové, neboli potenciální energie, viz. obr Mezi takto vzdálenými elektrickými náboji vzniká elektrické napětí. Elektrické napětí můžeme vyjádřit jako rozdíl potenciálních energií, tedy potenciálů dvou míst elektrického pole. Místo s vyšším elektrickým potenciálem označujeme (+), místo s nižším elektrickým potenciálem označujem ( ) Pro měření velikosti elektrického napětí se používá voltmetr. a) nulová práce b) malá práce Obr. 3.5.: K přesunu el. nábojů musíme vykonat práci: c) velká práce 6

8 3. Elektrické napětí U [V] Elektrické napětí značíme U, jeho jednotkou je 1 volt [V]. Napětí vyjádříme poměrem práce W potřebné k přenesení určitého náboje Q mezi dvěma místy různého potenciálu: definice: 1 volt V je práce W jednoho joulu J, která je potřebná k přemístění náboje Q jednoho coulombu C. Obr. 3.6.: Vzdalováním opačných nábojů vzniká elektriské napětí: a) nulové napětí b) nízké napětí c) vysoké napětí 7

9 3. Elektrický obvod Nejjednodušší elektrický obvod znázorněný na obr je tvořen: 1. zdrojem napětí 2. vedením 3. vypínačem 4. spotřebičem Z d r o j n a p ě t í zdroj napětí může být buď stejnosměrný, nebo střídavý. a) Stejnosměrný (např. baterie), kde je trvale na jedné svorce přebytek elektronů (označuje se +) a na druhé svorce nedostatek elektronů (označuje se ), stejnosměrný zdroj se značí =. Obr Nejjednodušší elektrický obvod. Animace jednoduchý elektrický obvod b) Střídavý (např. generátor), kde se na svorkách zdroje stále mění přebytek a nedostatek elektronů a tento zdroj se značí ~. Vedení je tvořeno vodiči, které můžeme dělit na: a) Holé vodiče b) Izolované vodiče c) Plošné spoje Vypí na č slouží k připojení či odpojení spotřebiče do obvodu (uzavírá elektrický obvod). Spotřebič jedná se o takové zařízení, které přeměňuje elektrickou energii na jinou, např. žárovka (světelná energie), elektromotor (mechanická energie). 8

10 3. Elektrický proud I [A] Dále se budeme zabývat stejnosměrným napětím a proudem. Uvnitř vodiče se nachází velké množství volných elektronů, které se chaoticky pohybují všemi směry. Jestliže tímto vodičem propojíme dva nesouhlasné póly elektrického zdroje (např. + a u baterie), vytvoří se uvnitř vodiče elektrické pole, jehož účinkem se změní chaotický pohyb elektronů tak, že se začnou pohybovat jedním směrem, a to od záporného pólu ke kladnému. Tento uspořádaný pohyb volných elektronů se nazývá elektrický proud, který se značí písmenem I a jednotkou je 1 ampér [A]. Pro měření velikosti elektrického proudu se používá ampérmetr. Skutečný směr elektrického proudu je od záporného pólu ke kladnému (od k +), zatímco dohodnutý směr elektrického proudu je od kladného pólu k zápornému (od + k ), viz. obr. 3.9.: Víte proč vznikl dohodnutý směr proudu? Obr. 3.9: Skuetčný a dohodnutý směr proudu. definice: Elektrický proud je usměrněný pohyb volných elektronů či nosičů náboje jedním směrem. Elektrický proud prochází vodičem jen tehdy, jestliže existuje elektrické napětí, zatímco elektrické napětí muže být i bez průchozího elektrického proudu. 9

11 3. Elektrický odpor R [Ω] Klást průchozímu elektrickému proudu elektrický odpor je vlastnost materiálu. Čím větší elektrický odpor vodiče, tím je menší průchozí elektrický proud. Tento odpor se značí písmenem R a jednotkou je ohm [Ω]. Elektrický odpor vodiče závisí na: Víte proč se staví dráty vysokého napětí, které jsou dlouhé stovky kilomerů? viz. obr a) délce vodiče čím je délka vodiče větší, tím je i elektrický odpor větší b) průřezu vodiče čím je průřez vodiče větší, tím je elektrický odpor vodiče menší c) materiálu vodiče každý materiál má jiné vlastnosti, rezistivita je vlastnost materiálu, která vyjadřuje, jak daný materiál klade odpor průchodu elektrickému proudu d) teplotě vodiče čím má vodič vyšší teplotu, tím má větší elektrický odpor Obr : Skuetčný a dohodnutý směr proudu. Obr : Reostat (potenciometr) 10

12 3. Vodivost G [S] Vodivost je převrácená hodnota odporu. Čím lépe vede vodič elektrický proud, tím má větší vodivost a menší odpor. Označuje se písmenem G a jednotkou je siemens [S]. Animace model reostatu. Najdi na internetu jáké materiály se užívají jako odporový drát. V elektrotechnice se používají rezistory, jedná se o součástky, které mají stálý elektrický odpor R, viz. obr Vyrábí se z navinutého drátku na keramický váleček a nebo z uhlíkové vrstvy. Obr : Elektrické odpor. Obr : Reostat je proměnný elektrický odpor. 11

13 3. Elektrická práce W [J] Elektrická práce se vykonává, přesunujeme li náboj Q mezi dvěma místy, mezi nimiž je napětí U. Její jednotkou je joul [J]. W = QU Jelikož Q = UI Elektrická práce je dána vztahem W = UIt Př. Vypočítejte elektrickou práci, kterou spotřebuje zařízení, kterým při napětí 50 V prochází proud 2,3 A po dobu 45 min. U = 50 V, I = 2,3 A, t = 45 min = = s Řešení: W = UIt = 50. 2, = J = 310,5 kj Zařízení spotřebuje práci 310,5 kj. 12

14 3. Elektrický výkon P [W] Elektrický výkon je přímo úměrný práci W a nepřímo úměrný době t, po kterou se práce koná: Výsledný vztah je tedy: P = UI Jednotkou práce je watt [W]. Koukni se doma s tatínkem: Jaké výkony a příkony mají domácí spotřebiče. Např: varná konvice žehlička fén na vlasy... definice: Jeden watt je výkon, při němž se rovnoměrně vykoná práce jednoho joulu za jednu sekundu. 13

15 3. Příkon, výkon, účinnost U elektrických strojů a přístrojů rozlišujeme dva druhy výkonu: 1. příkon P1 jedná se o výkon, který do spotřebiče dodáváme 2. výkon P2 výkon, který dodává spotřebič Obr : Elektrická účinnost Například: žárovka s příkonem 100 W dodává světelný výkon asi 10 W, z čehož vyplývá, že 90 W se Najdi si účinnosti elektrických strojů: transformátor elektrický motor... v ní neúčelně mění v teplo. Poměr mezi výkonem P2 a příkonem P1 je účinnost η (čti éta) spotřebiče, která se udává v procentech %, viz. obr Její hodnota nemůže být nikdy větší nebo rovna 100 % a je dána vztahem: Rozdíl mezi příkonem P1 a výkonem P2 se nazývá ztráty spotřebiče. Ztráty spotřebiče je energie, která se spotřebovává, např. u motorů na překonání tření v ložiskách. 14

16 4. Měření elektrického proudu Ampérmetr vždy musí být zapojený do serie!!! Pro měření elektrického proudu se užívá ampérmetr, a to buď analogový viz. obr. 4.1, nebo digitální, viz. obr Před vlastním měřením musíme vždy zjistit rozsah ampérmetru, který musí být větší, než je měřený proud, aby nedošlo ke zničení ampérmetru. Na analogových ampérmetrech hodnotu proudu znázorňuje vychýlení ručky měřícího přístroje nad stupnicí. Při měření na analogovém přístroji musíme nejprve zjistit jeho měřicí rozsah a hodnotu nejmenšího dílku v ampérech. Ta se určí z podílu: Hodnotu měřeného proudu poté určíme tak, že výchylku ručky v dílkách vynásobíme hodnotou jednoho dílku. Obr. 4. 1: Zapojení ampérmetru. Obr. 4. 2: Schéma zapojení ampérmetru. 15

17 4. Měření elektrického proudu Příklad: Na obr. 4.3 je znázorněna stupnice ampérmetru, jehož ručka se ustálila v určité poloze. Jaký proud prochází obvodem? Řešení: Rozsah stupnice je 60 μa, hodnota jednoho dílku je Animace měření elektrického proudu., počet dílků, které ukazuje ručka ampérmetru je 20, hodnota měřeného proudu I = μa = 40 μa. Obvodem prochází proud 40 μa. U digitálních ampérmetrů se měřící rozsah nastavuje pomocí přepínáním rozsahů, přičemž se měřená hodnota proudu zobrazí v číselné podobě na displeji přístroje. Ampérmetr zapojujeme do obvodu pouze sériově, viz. obr Obr. 4. 3: Stupnice analogového apermetru. Obr. 4. 4: Analogový ampermetry. Obr. 4. 5: Digitální ampérmetr. 16

18 4. Měření elektrického napětí Voltmetr musí být vždy zapojený paralelně s měřeným spotřebyčem! K měření elektrického napětí se užívá voltmetr, který může být opět buď analogový, nebo digitální. Před vlastním měřením musíme zjistit rozsah voltmetru, který musí být větší než je měřené napětí, aby nedošlo ke zničení voltmetru. Na analogových voltmetrech hodnotu proudu znázorňuje vychýlení ručky měřícího přístroje nad stupnicí. Při měření na analogovém přístroji musíme nejprve zjistit jeho měřicí rozsah a hodnotu nejmenšího dílku ve voltech. Ta se určí z podílu: Hodnotu měřeného napětí poté určíme tak, že výchylku ručky v dílkách vynásobíme hodnotou jednoho dílku. Obr. 4. 5: Zapojení voltmetru. Obr. 4. 6: Schéma zapojení voltmetru. 17

19 4. Měření elektrického napětí Příklad: Měřicí rozsah voltmetru je 15 V. Stupnice voltmetru má 30 dílků. Ručka voltmetru připojeného ke svorkám spotřebiče se ustálí na 12. dílku stupnice. Jaké je elektrické napětí mezi svorkami spotřebiče? Řešení: Hodnota jednoho dílku je spotřebiče je elektrické napětí mezi svorkami U = 0,5. 12 V = 6 V. Voltmetr zapojujeme do obvodu pouze paralelně, viz. obr Animace měření elektrického napětí. Obr. 4. 8: Analogový voltmetr Obr. 4. 9: Digitální voltmetr. Obr. 4. 7: Stupnice analogového apermetru. 18

20 5. Ohmův zákon Ohmův zákon vyjadřuje vztah mezi napětím U a proudem I při konstantním odporu R. Vodič má elektrický odpor 1 Ω, jestliže při elektrickém napětí 1 V mezi konci vodiče prochází vodičem elektrický proud 1 A, viz. obr V praxi se užívají také větší jednotky: 1 MΩ = kω = Ω Animace jednoduchý elektrický obvod. Obr. 7.1: Jednoduchý alektrický obvod: a) s rezitorem Ohmův zákon je dán vztahem: b) se žárovkou Proud I protékající vodičem je přímo úměrný přiloženému napětí U a nepřímo úměrný odporu vodiče R. 19 1

21 5. Ohmův zákon Příklad: Měřením jsme zjistili, že rezistorem prochází elektrický proud 1,2 A při napětí 30 V mezi svorkami rezistoru. Určete elektrický odpor rezistoru, viz. obr Řešení: I = 1,2 A, U = 30 V, R =? Ω Animace dělič elektrického proudu. Na základě animace se pokus změřit protékající proud a sestavit tento obvod. R Elektrický odpor rezistoru je 25 Ω. Obr. 7.2.: Schéma zapojení 20

22 5. Řazení rezistorů a) sériové řazení rezistorů (za sebou): Elektrický proud I protékající všemi rezistory je konstantní (stejný) a celkové napětí elektrického zdroje U se rovná součtu jednotlivých úbytků napětí na rezistorech, viz. obr U = U1 + U2 + U3 Animace sériové řazení rezistorů (za sebou). Obr. 7.3.: Sériové řazení rezistorů (za sebou) Celkový elektrický odpor sériového zapojení je roven součtu jednotlivých hodnot rezistorů. R = R1 + R2 + R3 21

23 5. Řazení rezistorů b) paralelní řazení rezistorů (vedle sebe): Elektrické napětí U na všech rezistorech je konstantní (stejné). Celkový elektrický proud I je roven součtu elektrických proudů, které procházejí jednotlivými rezistory, viz. obr I = I1 + I2 + I3 Celkový elektrický odpor paralelního zapojení je roven součtu jednotlivých vodivostí rezistorů. Animace dělič napětí (potenciometr). Na základě animace se pokus změřit el. napětí. Pokus se najít spotřebiče, které využívají tzv. děliče napětí. Sestav cvičně tento obvod. Obr. 7.4.: Paralelní řazení rezistorů (vedle sebe). 22

24 5. Řazení rezistorů Kirchhoffovy zákony patří společně s Ohmovým zákonem k nejdůležitějším zákonitostem, používaným při řešení složitých elektrických obvodů. 1. Kirchhoffův zákon algebraický součet všech proudů do uzlu vstupujících je roven součtu proudů z uzlu vystupujících, viz. obr Animace paralelní řazení rezistorů (vedle sebe) Pro uzel A platí: + I1 + I2 = + I3 Pro uzel B platí: I3 = + I1 + I2 Proudy do uzlu vstupující mají kladnou hodnotu a proudy z uzlu vystupující zápornou. Uvedené rovnice můžeme proto také napsat ve tvaru: + I1 + I2 I3 = 0 A I1 I2 + I3 = 0 A Obr. 7.5.: 1. Kirchhoffův zákon, směr proudu 23

25 5. Řazení rezistorů 2. Kirchhoffův zákon algebraický součet všech svorkových napětí zdrojů a všech úbytků napětí na spotřebičích se v uzavřené smyčce rovná nule, viz. obr U1 + R1I2 + R3I3 = 0 A U2 + R1I2 R3I3 = 0 A Tedy rovnice bude: + I1 + I2 I3 = 0 A + U1 + R1I2 + R3I3 = 0 A U2 + R1I2 R3I3 = 0 A Výsledkem jsou tyto proudy I1 = 1/11, I2 = 5/11, I3 = 4/11. Proud I1 vyšel se záporným znaménkem. Znamená to, že jeho skutečný směr je opačný než směr námi zvolený. Hodnoty odporů a napětí pro vzorový výpočet: U1=10 V U2=20 V R1=10 Ω R2=20 Ω R3=30 Ω Obr. 7.6.: 2. Kirchhoffův zákon, uzlové body 24

26 5. Řazení rezistorů V jednotlivých větvích označíme smysl proudu na spotřebičích (šipka nad spotřebičem). Tento smysl může být libovolný. Vyjde li při konečném řešení některá hodnota proudu záporná, bude mít proud v této části obvodu opačný smysl, viz. obr Zvolíme uzel, od kterého postupujeme stále stejným směrem po obvodu smyčky. Tento směr označíme šipkou. Hodnoty úbytků napětí (RI) budou mít kladnou hodnotu v případě, že smysl proudu v daném spotřebiči bude stejný jako zvolený směr postupu řešení ve smyčce. V opačném případě bude hodnota záporná. Na zdrojích volíme smysl úbytků napětí od kladného k zápornému pólu. Pro výše uvedený obrázek bude zápis rovnice následující: Výsledkem jsou tyto proudy I1 = 1/11, I2 = 5/11, I3 = 4/11. Proud I1 vyšel se záporným znaménkem. Znamená to, že jeho skutečný směr je opačný než směr námi zvolený. Obr. 7.6.: 2. Kirchhoffův zákon, smyčky 25

27 6. Základní schematické značky a zapojení Pro kreslení a čtení elektrotechnických schémat je třeba znát značky elektrotechnických součástek a také možnosti spojení vodičů. Vodiče se v elektrotechnických schématech značí rovnou čarou, která spojuje dva vývody různých součástek, které mají být vodivě propojeny, viz obr Animace značek spotřebičů (jednoduchý elektrický obvod) Obr. 6.1: Propojení dvou rezistorů. Další možností je spojení vodičů s jedním odbočením, viz. obr Na obr. 6.3 je znázornění dvou variant, jak se nechá nakreslit spojení vodičů s jedním odbočením. Obr. 6.2: Spojení vodičů s jedním odbočením. Obr. 6.3: Varianta spojení vodičů s jedním odbočením. Spojení vodičů se dvěma odbočkami je znázorněno na obr. 6.4, pozor je zde nutné vždy kreslit uzel (černá tečka), protože tímto uzlem se liší toto zapojení od křížení dvou vodičů, viz obr Rozdíl v těchto zapojení je v tom, že při křížení vodiče nejsou spolu vodivě propojeny (proto zde není uzel), zatímco u obr. 6.4 jsou vodiče spolu vodivě propojeny. Animace zdroj napětí 4.5V Obr. 6.4: Spojení vodičů se dvěma odbočkami. Obr. 6.5: Křížení vodičů vodiče nejsou spojeny. 26

28 6. Základní schematické značky a zapojení U kreslení a čtení elektrotechnických schémat se vždy vychází od zdroje, proto si nyní ukážeme schematické značení zdrojů: Animace model reostatu Obr. 6.6: Schémata elektrického zdroje: a) zdroj stejnosměrného napětí b) zdroj střídavého napětí c) baterie s vyznačenou polaritou Po zdroji elektrického napětí následuje buď spínač (vypínač), tlačítko, nebo přepínač, kterým zapneme či vypneme elektrický obvod. Spínač slouží pro zapnutí a vypnutí elektrického obvodu (obvod uzavře zapne, nebo otevře vypne), je znázorněn na obr Animace jak funguje spinač Tlačítko slouží pro zapnutí obvodu, ale pouze po dobu, po kterou je zmáčknuto. Jakmile se uvolní, obvod se opět rozepne. Jeho značka je znázorněna na obr Obr. 6.7: Spínač. Obr. 6.8: Tlačítko. 27

29 6. Základní schematické značky a zapojení Přepínač přepínač umožňuje přepínat z jedné polohy do druhé, přičemž některé mají ještě tzv. nulovou polohu, kdy je obvod vypnutý. Schematická značka je na obr Obr. 6.9: Přepínač. Animace model elektrický zvonek Za spínacími součástkami následuje pojistka, která chrání spotřebič před zničením velkým proudem jestliže by obvodem procházel větší proud, než pro který byl spotřebič vyroben, dojde k přepálení pojistky a tím k ochraně spotřebiče před zničením. Obr. 6.10: Pojiska. Po pojistce následuje vlastní elektronický obvod, který se skládá ze zapojení jednotlivých elektronických součástek a nebo z koncového spotřebiče, např. žárovky, elektromotoru. Značky vybraných elektronických součástek a spotřebičů jsou znázorněny na obr

30 6. Základní schematické značky a zapojení Obr. 6.11: Přehled schématických značek. 29

31 7. Magnety Magnety jsou tělesa, která kolem sebe vytvářejí magnetické pole. Nejvýraznějším vnějším projevem tohoto pole je přitahování těles obsahujících železo, nikl, kobalt a jiné kovy či jejich slitiny. Trvalé (permanentní) magnety jsou buď z přírodního materiálu magnetovce, nebo vyrobené uměle zmagnetováním převážně ocelí, viz. obr Dočasné magnety vyrobené z magneticky měkké oceli (nízký podíl uhlíku). Jejich účinky se projevují, jen jsou li umístěny ve vnějším magnetickém poli. Elektromagnety využívají magnetické účinky elektrického proudu, viz. Obr. 7.1: Elektromagnet. obr Značení magnetů: Každý magnet má vždy dva póly, které můžeme označovat několika způsoby: Animace funkce elektromagnetu S (sever) N (north) Obr. 7.2: a) Trvalí magnet. J (jih) S (south) 30

32 7. Magnetické pole Jedná se o oblast, kde se projevují magnetické účinky magnetu. Magnetické pole se zobrazuje pomocí magnetických indukčních čar, což jsou myšlené čáry, které mimo magnet procházejí od severního k jižnímu pólu. Oproti siločárám elektrického pole jsou vždy uzavřené, procházejí tedy i magnetem, kde mají logicky směr od pólu jižního k severnímu, viz. obr Animace elektromagnet využití v elektrickém zvonku Kompas slouží k určení polohy. Ukazuje nám směr magnetického pole země Obr. 7.3.: a) Magnetické pole tyčového magnetu: b) Dva nesouhlasné poly magnetu: c) Dva souhlasné poly: 31

33 7. Magnetické pole b) Magnetické pole přímého vodiče Při průchodu elektrického proudu vodičem se kolem vodiče vytváří magnetické pole. Směr magnetických indukčních čar určíme podle pravidla pravé ruky, viz. obr Animace Ampérovo pravidlo pravé ruky pro přímý vodič Ampérovo pravidlo pravé ruky pro přímý vodič: Uchopíme li vodič pravou rukou tak, že palec ukazuje směr proudu, ukazují prsty směr indukčních čar. Animace magnetické pole země Obr. 7.4.: Ampérovo pravidlo pravé ruky pro přímý vodič. 32

34 7. Magnetické pole c) Magnetické pole cívky Válcovou cívku nazýváme solenoid. Má jednu řadu závitů stejného průměru, navzájem stejně vzdálených. Severní pól cívky určíme podle Ampérova pravidla, viz. obr Animace Ampérovo pravidlo pravé ruky pro cívku Ampérovo pravidlo pravé ruky pro cívku: Uchopíme li cívku do pravé ruky tak, aby prsty směřovaly po proudu, odkloněný palec ukáže severní pól cívky. Animace magnetické pole trvalého magnetu Obr. 7.5.: Ampérovo pravidlo pravé ruky procívku. 33

35 7. Elektromagnetická indukce Jestliže kolem vodiče budeme měnit magnetické pole (např. kolem vodiče budeme pohybovat magnetem nebo naopak), ve vodiči se bude indukovat elektrické napětí. Velikost tohoto napětí je závislá na magnetické indukci B, rychlosti změny v a délce vodiče l, na kterou kolmo působí magnetická indukce B, viz. obr Výsledné napětí je dáno vztahem: U = Blv Animace Flemingovo pravidlo levé ruky Obr. 7.6.: Flemingovo pravidlo levé ruky Při změně magnetického pole v okolí uzavřeného elektrického obvodu vzniká v obvodu elektrický proud. Tento proud se nazývá indukovaný proud. 34

36 7. Elektromagnetická indukce Změnu magnetického pole můžeme způsobit nejen permanentním magnetem, ale i elektromagnetem či jinou cívkou. Jestliže dáme vedle sebe dvě cívky viz. obr. 7.7, přičemž první (primární) cívkou bude procházet elektrický proud, v druhé (sekundární) cívce se bude indukovat elektrické napětí a po připojení spotřebiče a uzavření elektrického obvodu zde vznikne indukovaný proud. Tohoto jevu se využívá u transformátorů. Animace transformátor Obr. 7.7.: Popis funkce transformátoru. 35

37 7. Dynamické účinky elektrického proudu Jestliže vložíme vodič ve tvaru závitu nebo cívku do homogenního magnetického pole a necháme jím protékat elektrický proud, vytvoří se kolem něj magnetické pole, které společně s magnetickým polem magnetu vyvolá u rotačně uloženého závitu točivý efekt, viz. obr Animace Jak funguje elektromotor. Obr. 7.8.: Princip elektromotoru. Animace průběh střídavého napětí. Obr. 7.9.: Princip komutátoru. Síly vyvolávající tento efekt se u cívky násobí počtem jejích závitů. Natočí li se však závit či cívka tak, že jejich magnetické pole bude mít stejný směr jako magnetické pole magnetu, síla přestane působit. Jestliže chceme, aby se cívka otáčela stále v původním směru, musíme v ní vždy ve vhodném okamžiku změnit smysl proudu. K tomuto účelu slouží měnič směru proudu, tzv. komutátor, viz. obr Nejjednodušší komutátor je tvořen dvěma měděnými lamelami, které jsou vzájemně odizolovány. Na lamely jsou vyvedeny konce vinutí cívky a ta se společně s nimi otáčí. Do cívky je proud dodáván pomocí tzv. kartáčů, což jsou špalíky z uhlíku, které dosedají na otáčející se lamely. Toto je princip činnosti některých elektromotorů, dynam, a jevu se využívá i u některých měřících přístrojů, stykačů či relé. 36

38 7. Vznik střídavého elektrického proudu Jestliže mechanicky roztočíme smyčku umístěnou v magnetu, vlivem protínání magnetického pole se ve smyčce bude indukovat elektrické napětí. Po připojení spotřebiče na výstupní svorky se uzavře elektrický obvod, kterým poteče indukovaný elektrický proud. Animace generátor střídavého elektrického proudu Obr : Průběh střídavého napětí [U]. Obr : Vznik střídavého proudu. Animace generátor stejnosměrného elektrického proudu Střídavé sinusové napětí: Napětí sinusového průběhu se získávají pomocí generátorů střídavého napětí, jehož zjednodušené schéma je uvedeno na obrázku, viz. obr Závit vodiče (cívka) je rotačně umístěn v homogenním magnetickém poli. K jeho koncům jsou umístěny vodivé prstence, které se otáčejí společně s ním. Na tyto prstence doléhají kartáče, na kterých se indukuje střídavé sinusové napětí a pomocí nichž se při zatížení odebírá indukovaný proud. 37

39 8. Polovodiče Existují látky které se za určitých okolností blíží izolantům a za jiných vodičům tyto látky se nazývají polovodiče a skládají se zejména z křemíku a germania. Nyní si vysvětlíme jak vzniká takový polovodič a za jakých podmínek vede elektrický proud. Druhy polovodičů: Rozlišujeme dva druhy polovodičů: polovodič typu N negativ a polovodič typu P positiv. Na obrázku, viz. obr a 8.2. jsou znázorněny polovodičové součástky. Obr. 8.1.: Dioda Obr. 8.2.: Tranzistory 38

40 8. Polovodič typu N Animace polovodič typu N Polovodič typu N vzniká přidáním pětimocného prvku do krystalické mřížky křemíku znázorněné na, viz. obr V krystalické mřížce křemíku nejsou žádné volné elektrony, které by mohly vést elektrický proud. Přidáním pětimocného prvku, např. fosforu, vzniknou volné elektrony, které mohou vést elektrický proud, viz. obr Po připojení zdroje napětí k polovodiči je neuspořádaný pohyb takto vzniklých volných elektronů usměrňován působením elektrického pole. Volné elektrony se pohybují od záporného pólu zdroje napětí ke kladnému pólu, viz. obr Obr. 8.3.: Polovodiče typu N v elektrickém poli. Vedení elektrického proudu v tomto polovodiči je způsobeno volnými elektrony tj. částicemi se záporným (negativním) elektrickým nábojem. Proto se takový polovodič nazývá polovodič typu N. Obr. 8.4.: Elementární buňka polovodiče typu N s příměsí bóru (B). 39

41 8. Polovodič typu P Animace polovodič typu P Polovodič typu P vzniká přidáním třímocného prvku do krystalické mřížky křemíku, viz. obr Takovým prvkem je např. bór (B), který má ve vnější vrstvě tři elektrony, a tím vznikne ve struktuře tzv. díra, která se chová jako kladný náboj. Vedení elektrického proudu v tomto polovodiči je způsobeno volnými děrami, které si představujeme jako částice s kladným (pozitivním) elektrickým nábojem, viz. obr Proto se takový polovodič nazývá polovodič typu P. Obr. 8.5.: Polovodiče typu N v elektrickém poli. Obr. 8.6.: Elementární buňka polovodiče typu P s příměsí bóru (B). Elektrický proud v polovodičích je tvořen usměrněným pohybem volných elektronů se záporným nábojem a děr jako volných částic s kladným nábojem. Převládají li v polovodiči volné elektrony, nazývá se polovodič typu N. Převládají li volné díry, nazývá se polovodič typu P. 40

42 8. Přechod PN Jestliže spojíme polovodič typu P s polovodičem typu N, viz. obr. 8.7., vznikne přechod PN. Přechod PN se nechá zapojit ve dvou směrech: 1. v propustném směru 2. v závěrném směru Animace zapojení přechodu PN v propustném směru 1. zapojení přechodu PN v propustném směru Připojíme li polovodič s přechodem PN ke zdroji napětí tak, že oblast typu P je spojená s kladným pólem zdroje a oblast typu N se záporným pólem zdroje, viz. obr. 8.7., volné elektrony z oblasti N se působením elektrického pole pohybují ke kladnému pólu zdroje. Pohybují se přes přechod PN do oblasti P. Naopak díry z oblasti P se působením elektrického pole pohybují k zápornému pólu zdroje. Pohybují se přes přechod PN do oblasti N. Elektrický proud tvořený usměrněným pohybem volných elektronů a děr prochází přechodem PN a současně celým obvodem. Přechod PN je takto v elektrickém obvodu zapojen v propustném směru. Obr. 8.7.: Zapojení přechodu PN v propustném směru. 41

43 8. Přechod PN 2. zapojení přechodu PN v závěrném směru Připojíme li polovodič s přechodem PN ke zdroji napětí tak, že je oblast P spojena se záporným pólem zdroje a oblast N s kladným pólem zdroje, viz. obr V tomto případě se volné elektrony v oblasti N a díry v oblasti P pohybují ve směru od přechodu PN. Proto v oblasti přechodu PN nejsou volné částice s elektrickým nábojem. Přechodem PN neprochází elektrický proud. Oblast přechodu PN má v tomto případě vlastnosti izolantu. Přechod PN je takto v elektrickém obvodu zapojen v závěrném směru. Obr. 8.8.: Zapojení přechodu PN v závěrném směru. 42

44 8. Polovodičová dioda Na uvedených vlastnostech je založena funkce polovodičové diody. Polovodičová dioda je elektronická součástka, která v sobě obsahuje právě jeden přechod PN. Její schematická značka je znázorněna na, viz. obr Animace funkce tranzistoru Obr. 8.9.: Schématická značka diody. 43

45 8. Tranzistor Tranzistor je polovodičová součástka, která obsahuje dva přechody PN, viz. obr a tři oblasti vodivosti NPN, viz. obr nebo PNP, viz. obr Každá z oblastí má svůj vývod, který se označuje příslušným názvem: E emitor, B báze, C kolektor. Jednotlivé označení je znázorněno na obrázku, viz. obr a také na obrázku, viz. obr u schematických značek tranzistorů NPN a PNP. U tranzistorů NPN směřuje šipka emitoru ven, zatímco u tranzistoru PNP dovnitř. Obr : Schématická značka transformátoru (NPN). Obr : Schématická značka transformátoru s el. proudem. Obr : Průchod elektrického proudu transformátorem (NPN). 44

46 8. Tranzistor Po zapojení tranzistoru do elektrického obvodu dle obrázku, viz. obr tak v tranzistoru nastává tzv. tranzistorový jev: malé napětí mezi bází a emitorem vybudí v obvodu báze malý proud, který je poté příčinou vzniku mnohem většího proudu v obvodu kolektorovém. Obr : Schématická značka transformátoru (PNP). Obr : Schématická značka transformátoru s el. proudem. Obr : Průchod elektrického proudu transformátorem (PNP). 45

47

48