Elektřina a magnetizmus

Transkript

1 Elektřina a magnetizmus Elektrický náboj Všechny věci kolem nás se skládají z atomů. Atom obsahuje jádro (tvořené protony a neutrony) a obal tvořený elektrony. Protony a elektrony jsou částice elektricky nabité, neutron je částice elektricky neutrální (bez náboje). Proton má kladný elektrický náboj a elektron stejně velký záporný elektrický náboj. Velikost náboje je u těchto částic velice malá Q = 1, C. Elektrický náboj se značí: Q Jednotka je: C (coulomb) elektrony kladně nabité jádro tvořené protony a neutrony Počet elektronů v obalu neutrálního atomu je stejný jako počet protonů v jádru atomu. Záporný elektrický náboj obalu je tedy stejně velký jako kladný elektrický náboj jádra atomu. Říkáme, že atom je elektricky neutrální. Elektrování těles Při elektrování těles dochází k přechodu elektronů mezi tělesy. Těleso s přebytkem elektronů je nabité záporně (záporný iont aniont) a těleso s nedostatkem elektronů je nabité kladně (kladný iont kationt). Souhlasně nabitá tělesa se odpuzují a nesouhlasně nabitá tělesa se přitahují.

2 Elektrické pole Elektrické pole je kolem každého zelektrovaného tělesa a můžeme je znázornit pomocí elektrických siločar. V elektrickém poli se projevují přitažlivé a odpudivé síly. Velikost těchto síl závisí na velikosti elektrického náboje těles a na jejich vzájemné vzdálenosti. elektrické pole kolem protonu elektrické pole kolem elektronu Elektrické pole mezi kladným a záporným nábojem Stejnorodé elektrické pole Elektroskop Elektroskop je přístroj určený k měření velikosti elektrického náboje. Při dotyku kovové desky elektroskopu zelektrovaným tělesem se vychýlí otočná ručička, která je odpuzována od souhlasně nabité nehybné tyčky. Výchylka je tím větší, čím větší je náboj.

3 Elektrické napětí Elektrické napětí je mezi tělesy s opačnými náboji. Jeho velikost můžeme měřit voltmetrem, který zapojujeme do obvodu vždy paralelně. Elektrické napětí se značí: U Jednotka je: V (volt) Chemické zdroje elektrického napětí 1. Galvanický článek Elektromotorické napětí na galvanickém článku vzniká důsledkem chemických reakcí mezi elektrodami a elektrolytem. Po zapojení článku do elektrického obvodu probíhají uvnitř článku reakce, kterými se postupně snižuje elektrická energie uložená v článku, článek se vybíjí. Galvanický článek je vždy zdroj stejnosměrného proudu. Je proto třeba před zapojením zkontrolovat správnou polaritu elektrod. Složení galvanických článků Vhodnými a nejčastěji používanými látkami pro zápornou elektrodu jsou zinek, kadmium, lithium a hydridy různých kovů, pro kladnou elektrodu uhlík, nikl a stříbro. Jako elektrolyt se používá v suchých článcích a olověném akumulátoru roztok kyselin nebo jejich solí. Galvanické články se používají nejčastěji v přenosných elektrických spotřebičích (svítilnách, hodinkách, mobilních telefonech, přenosných počítačích a fotoaparátech). Výhodou galvanických článků je snadná údržba, malé rozměry a nízká hmotnost. Nevýhodou může být nízké napětí, malý výkon a krátká životnost. 2. Akumulátor Elektrochemický akumulátor je zařízení na opakované uchovávání elektrické energie. Využívají přeměnu elektrické energie na energii chemickou, kterou je možno v případě potřeby přeměnit zpět na elektrickou energii. Mezi nejpoužívanější akumulátory patří Olověný (Pb), Nikl-kadmiový (NiCd), Nikl-metal hydridový (NiMH) a Lithium-iontový (Liion). Životnost většiny elektrochemických akumulátorů se pohybuje řádově ve stovkách nabíjecích/vybíjecích cyklů (NiMH akumulátory cyklů). Po tuto dobu postupně klesá kapacita akumulátoru kvůli chemické korozi jeho elektrod. Životnost je značně ovlivněna způsobem vybíjení a nabíjení a také provozní teplotou. Akumulátory se využívají jako zdroj energie v elektronice (mobilní telefony, notebooky) i v různých strojích (malé ponorky, elektromobily).

4 3. Olověný akumulátor Nejčastěji se používají v automobilech jako zdroj elektrické energie. Jedná se o chemický zdroj elektrické energie. Autobaterie je sestavena z článků, každý má napětí přibližně 2,1 V, které jsou umístěny v plastové nádobě. Každý článek se skládá z deskových elektrod (kladná elektroda z PbO 2, záporná elektroda z houbovitého olova) a elektrolytu (obvykle H 2 SO 4 + H 2 O). Olovo se používá v akumulátoru kvůli schopnosti dodat najednou velký proud, bez poškození, to je vhodné například při startování motoru automobilu. Elektrický proud Elektrický proud v kovech je usměrněný pohyb elektronů. Jeho velikost můžeme měřit ampérmetrem, který zapojujeme v obvodu do série. Elektrický proud se značí: I Jednotka je: A (ampér) I = Q / t Q elektrický náboj t čas Elektrický odpor Elektrický odpor je veličina charakterizující schopnost látky vést elektrický proud. Hodnota elektrického odporu je dána materiálem, tvarem i teplotou vodiče. Odpor vodičů se vzrůstající délkou stoupá. Naopak odpor vodiče je tím menší, čím větší je plocha jeho příčného průřezu. Velikost elektrického odporu měříme ohmmetrem. Elektrický odpor se značí: R Jednotka je: Ω (ohm) R = ρ. l / S ρ - rezistivita l délka S plocha příčného průřezu V praxi je často potřeba v obvodu dosáhnout určitého proudu při daném napětí. K těmto účelům se požívá rezistor. Rezistor je součástka, která má určitý odpor. schematická značka rezistoru Rezistory se vyrábí z drátu (nejčastěji ze slitiny niklu, chrómu, železa a manganu) který je navinut do šroubovice na porcelánový váleček. Menší rezistory se vyrábí nanášením tenkých vrstev grafitu na izolační podložku.

5 Reostat, dělič napětí (potenciometr) Reostat je rezistor, jehož odpor je možné měnit. Můžeme jej používat ke změně proudu v obvodu, nebo jako dělič napětí. Vodivost pevných látek Vodiče jsou látky, které vedou elektrický proud. Mezi tyto látky patří železo, zlato, stříbro, hliník a měď. Elektrický proud vedou díky tomu, že mají dostatek volných elektronů. Nevodiče jsou látky, které nevedou elektrický proud, protože nemají dostatek volných elektronů. Mezi ně patří guma, plast, dřevo a vzduch. Vodivost kapalin Elektrický proud v kapalinách je usměrněný tok iontů. Čistá voda je nevodivá, ale po přidání příměsí (NaCl - kuchyňská sůl) se stává vodivou. Rozpuštěním NaCl ve vodě dochází k uvolňování iontů, které se podílejí na vodivosti kapaliny. Kladné ionty sodíku jsou přitahovány k záporné elektrodě a záporné ionty chlóru jsou přitahovány ke kladné elektrodě. V kapalině dochází k usměrněnému pohybu elektrických nábojů, roztokem prochází elektrický proud. Vodivost plynů Vedení elektrického proudu v plynech je způsobeno volnými elektrony a ionty. Aby byl vzduch vodivý, musíme jej ionizovat zahřáním, nebo ultrafialovým zářením.

6 Plazmová koule Elektrodový výboj v plazmové kouli je napájen střídavým proudem o frekvenci khz a napětím 2-5 kv. Má přitom jen nízkou proudovou intenzitu, takže nám neublíží. Poměrně silně však vyzařuje do okolí parazitní frekvence v rádiovém spektru. Díky tomu ruší příjem rádia a televize a působí problém počítačům. Také úsporné žárovky, nebo zářivky se při přiblížení k zapnuté plazmové kouli rozsvítí. Barva výboje v kouli se liší podle použitého plynu. Koule plněná čistým heliem září jen nevýrazně modře. Nejběžnější plazmové koule jsou plněny směsí neonu a xenonu. K ionizaci plynů v kouli dochází přeskoky a nárazy elektronů, které jsou elektrickým polem mezi sklem a centrální elektrodou urychlovány. Jakmile rychlost elektronů dosáhne několika stovek m/s, roztříští nárazem do atomů jejich elektronové obaly a dojde k uvolnění dalších elektronů. Ty při návratu zpět k atomům vyzáří energii v podobě světla. Pokud k povrchu plazmové koule přiložíme prst, tak se provazce plazmy v daném místě spojí do jediného, protože tím pro elektrický proud vznikne nejkratší možná cesta uzavírající elektrický obvod. Ionty plynu jsou však nabité a odpuzují se, takže jakmile prst oddálíme, zaujmou vzájemnou polohu uvnitř koule tak, aby se k sobě přibližovali co nejméně. Ohmův zákon Elektrický proud procházející kovovým vodičem, na jehož konci je stejné napětí, je nepřímo úměrný odporu vodiče. Tuto závislost (Ohmův zákon) vyjádříme vztahem I = U / R I elektrický proud (A) U elektrické napětí R elektrický odpor (V) (Ω) Úprava vzorečku: I = U / R U = R. I R = U / I

7 Sériové zapojení rezistorů Sériové zapojení je zapojení elektrotechnických součástek v elektrickém obvodu za sebou. Elektrický proud I je ve všech místech sériového obvodu stejný. Elektrické napětí mezi svorkami jednotlivých součástek (U1, U2, U3) je různé a součet všech těchto napětí je roven napětí U na svorkách zdroje. U = U 1 + U 2 + U 3 Celkový elektrický odpor v sériovém obvodu se rovná součtu odporů jednotlivých součástek. R C = R 1 + R 2 + R 3 Přerušení sériového obvodu v kterémkoli místě má za následek přerušení celého obvodu. Paralelní zapojení rezistorů Paralelní zapojení je zapojení elektrotechnických součástek v elektrickém obvodu vedle sebe. Elektrické napětí U mezi dvěma uzly je stejné pro všechny větve. Elektrický proud procházející jednotlivými větvemi (I 1, I 2, I 3 ) je různý a závisí na odporu součástek ve větvích. Součet těchto proudu je roven celkovému proudu I v obvodu. I = I 1 + I 2 + I 3 Celkový elektrický odpor v paralelním obvodu se vypočítá: 1 / R C = 1 / R / R / R 3 Příkladem paralelního obvodu je současné zapojení více spotřebičů v domácnosti, protože přerušením obvodu v některé větvi (vypnutí spotřebiče) se nepřeruší obvod v jiné větvi (jiný spotřebič funguje dál).

8 Měření elektrického napětí a proudu Elektrické napětí měříme voltmetrem (V), který zapojujeme do obvodu paralelně. Elektrický proud měříme ampérmetrem (A), v obvodu je zapojen do série. V současnosti se pro měření proudu a napětí používají digitální měřicí přístroje, multimetry. Výkon elektrického proudu Výkon elektrického proudu vypočítáme jako součin napětí na spotřebiči a proudu, který spotřebičem protéká. Výkon elektrického proudu se značí: P Jednotka je: W (watt) P = U. I U elektrické napětí I elektrický proud Elektrický příkon Elektrický příkon je výkon elektrického proudu, který potřebuje spotřebič ke své činnosti. Bývá udán na elektrických spotřebičích společně s napětím, pro které je spotřebič určen. Příkon některých spotřebičů: - kalkulačka 0,001 W - úsporná žárovka 10 W - žárovka 100 W - televizor 150 W - notebook 360 W - žehlička, vařič W Elektrická energie Je to energie přeměněná elektrickým spotřebičem na práci nebo na jiný druh energie. Elektrickou energii vypočítáme jako součin elektrického napětí, proudu a času. Elektrická energie se značí: E Jednotka je: kwh (kilowatthodina) E = U. I. t U elektrické napětí I elektrický proud t čas Elektrická energie odebraná z elektrické sítě spotřebičem se měří elektroměrem.

9 Elektromagnet Elektromagnet se používá k vytváření dočasného magnetického pole. Skládá se z cívky a železného jádra, které zesiluje účinky magnetického pole. Když cívkou prochází elektrický proud, vzniká kolem ní magnetické pole. V tomto poli jsou přitahovány všechny kovové předměty. Elektromagnet je používán např. v elektrickém zvonku, v jističích, v hutním průmyslu nebo ve sběrnách kovového šrotu. Elektromagnetická indukce Změnou magnetického pole v okolí cívky se v cívce indukuje elektrické napětí a v uzavřeném obvodu prochází indukovaný proud. Směr proudu je závislý na směru změny magnetického pole a na orientaci pólů magnetu vůči cívce. Velikost indukovaného napětí závisí na rychlosti změny magnetického pole. Elektromotor Elektromotor je zařízení, které přeměňuje elektrickou energii na mechanickou. Používá se například ve spotřební elektronice, elektromobilech, elektrických lokomotivách, elektrických vrtačkách a pilách.

10 Elektromotor má vždy dvě části: stator a rotor. Stator je nehybná (pevná) část elektromotoru a jsou v něm cívky, které vytváří magnetické pole. Toto magnetické pole působí na rotor (otáčivá část elektromotoru), který je tvořený trvalým magnetem nebo elektromagnetem. Působením magnetického pole se jednotlivé části rotoru přitahují k nesouhlasně zmagnetovaným částem statoru a odpuzují se od jeho souhlasně zmagnetovaných částí. Konstrukce elektromotoru umožňuje neustále měnit magnetické póly ve statoru a proto se rotor otáčí. Transformátor Transformátor je elektrický netočivý stroj, který umožňuje přenášet elektrickou energii z jednoho obvodu do jiného pomocí elektromagnetické indukce. Používá se většinou pro přeměnu střídavého napětí (z nízkého napětí na vysoké a naopak) nebo pro galvanické oddělení obvodů. Transformátor se skládá ze dvou vinutí (cívek), primární (vstupní) cívky a sekundární (výstupní) cívky. Střídavý proud v primární cívce vytváří proměnlivé magnetické pole, které v sekundární cívce vyvolá vznik indukovaného napětí. Pro poměr napětí na primární a sekundární cívce platí: U 2 / U 1 = N 2 / N 1 U 1 primární (vstupní) napětí U 2 sekundární (výstupní) napětí N 1 počet závitů v primární cívce N 2 počet závitů v sekundární cívce

11 Pro poměr proudu v primární a sekundární cívce platí: U 1 / U 2 = I 2 / I 1 Polovodiče Polovodiče jsou látky, které jsou za určitých podmínek vodivé. Polovodiče dělíme : - vlastní polovodiče (Ge, Si) - příměsové U 1 primární (vstupní) napětí U 2 sekundární (výstupní) napětí I 1 proud v primární cívce I 2 proud v sekundární cívce Vlastní polovodiče Za normálních okolností jsou nevodivé, ale se zvyšující se teplotou se stávají vodivé. Elektrony ve vlastním polovodiči jsou za normální teploty pevně vázány k atomu a podílejí se na vzájemné vazbě se sousedními atomy. Za těchto okolností nemohou přenášet elektrický náboj a látkou nemůže procházet elektrický proud. Při zvýšení teploty se valenční elektrony uvolní z vazeb a mohou se volně pohybovat v látce. Tyto elektrony se pak podílí na vodivosti. Vlastní polovodiče se používají k výrobě termistorů. Příměsové polovodiče Příměsové polovodiče vzniknou přidáním některého prvku do vlastního polovodiče. Dělíme je: - polovodiče typu P - polovodiče typu N Polovodič typu N Polovodič typu N vznikne přidáním arsenu (As) do křemíku (Si). Křemík má 4 valenční elektrony, které se podílejí na vazbě mezi atomy. Nahradíme-li atom křemíku atomem arsenu, který má 5 valenčních elektronů, objeví se ve struktuře jeden volný elektron. Tento elektron se může podílet na vodivosti polovodiče. Polovodič typu P Polovodič typu P vznikne přidáním india (In) do křemíku (Si). Křemík má 4 valenční elektrony, které se podílejí na vazbě mezi atomy. Nahradíme-li atom křemíku atomem india, které má 3 valenčních elektronů, je jeden elektron křemíku neobsazený, vzniká zde díra. Tuto díru může zaplnit elektron ze sousední vazby, ale to neznamená nic jiného, než že se díra objeví na jiném místě. Protože tato díra vzniká přemisťováním elektronů, je tato látka také vodivá.

12 Přechod P-N Dáme-li vedle sebe polovodič typu P a polovodič typu N vznikne přechod P-N. Tento přechod vede elektrický proud jen v propustném směru. To znamená, že pokud k polovodiči typu P připojíme kladnou svorku zdroje a k polovodiči typu N zápornou svorku zdroje je přechod P-N vodivý. Při opačném zapojení P-N přechod elektrický proud nevede. Přechod PN se používá u moderních polovodičových součástek jako je dioda, tranzistor, integrovaný obvod a mikroprocesor. P-N přechod: a) v propustném směru b) v závěrném směru Polovodičová dioda Polovodičová dioda je nejjednodušší součástka s PN přechodem. Dioda vede elektrický proud pouze v propustném směru. V závěrném směru je dioda nevodivá. Toho se využívá například při přeměně střídavého napětí na stejnosměrné. Volt ampérová charakteristika polovodičové diody. Tranzistor PNP NPN Tranzistor je polovodičová součástka, kterou tvoří dvojice přechodů PN. Je základem všech dnešních integrovaných obvodů, procesorů a pamětí. Základní vlastností tranzistoru je schopnost zesilovat elektrický signál - malé změny napětí nebo proudu na vstupu mohou vyvolat velké změny napětí nebo proudu na výstupu. Podle principu činnosti se tranzistory dělí na bipolární a unipolární. Každý tranzistor má (nejméně) tři elektrody, které se u bipolárních tranzistorů označují jako kolektor, báze a emitor, u unipolárních jako drain, gate a source. Podle uspořádání použitých polovodičů

13 se rozlišují dva typy bipolárních tranzistorů, NPN a PNP (prostřední písmeno odpovídá bázi). Unipolární tranzistory jsou označovány jako N-FET nebo P-FET. Integrovaný obvod Integrovaný obvod je moderní elektronická součástka. Jedná se o spojení (integraci) mnoha jednoduchých elektrických součástek (rezistorů, kondenzátorů, cívek, diod a tranzistorů), které společně tvoří elektrický obvod vykonávající nějakou složitější funkci. Integrované obvody dělíme na monolitické a hybridní. V dnešní době mají největší využití monolitické integrované obvody. Jejich jednotlivé součástky jsou vytvořeny a vzájemně spojeny na jediné polovodičové, nejčastěji křemíkové, destičce. Mikroprocesor Procesor je základní součást počítače, která vykonává strojový kód spuštěného počítačového programu. Ten je složen z jednotlivých instrukcí (příkazů), které jsou uloženy v operační paměti počítače. Procesory prvních počítačů se skládaly z obvodů obsahujících množství tzv. diskrétních součástek (elektronek nebo tranzistorů, rezistorů a kondenzátorů). Počátkem 70. let 20. století započala miniaturizace procesorů. Nejprve byly složeny z několika desítek nebo stovek integrovaných obvodů. V současné době obsahuje procesor miliony základních stavebních součástek na křemíkové destičce, která je umístěna v kompaktním pouzdře. Dělení procesorů podle délky operandu v bitech Základní vlastností procesoru je počet bitů, tj. šířka operandu, který je procesor schopen zpracovat v jednom kroku. Dá se říci, že např. 8bitový procesor umí přímo počítat s čísly od 0 do 255, 16bitový s čísly od 0 do atd. Pro velmi jednoduché aplikace se používají 4bitové nebo 8bitové procesory. To platí například pro zabudované systémy např. v mikrovlnných troubách, kalkulačkách, počítačových klávesnicích a infračervených dálkových ovládání. Pro středně složité aplikace, jako jsou programovatelné automaty, jednoduché mobilní telefony, PDA nebo přenosné videohry se používají zpravidla 8bitové nebo 16bitové procesory. Současné osobní počítače již většinou obsahují vícejádrové 64bitové procesory. Starší osobní počítače, laserové tiskárny, mobilní telefony střední a vyšší třídy a jiná komplikovaná zařízení většinou obsahují 32bitové procesory.

14 Výroba elektrické energie Tepelná elektrárna Elektrická energie se získává z tepla, které vzniká spalováním fosilních paliv (uhlí, ropy a zemního plynu). Vzniklé teplo ohřívá vodu na teplotu varu a vzniklá pára pohání lopatky turbíny, ke které je připojen elektrický generátor. Ten vyrábí elektrickou energii, která je dodává do rozvodné sítě. Nevýhodou tepelné elektrárny je velké množství zplodin, které vznikají při spalování fosilních paliv a jsou vypouštěny do ovzduší. Jaderná elektrárna Jaderná elektrárna je velice podobná elektrárně tepelné, jen s tím rozdílem, že kotel je nahrazen jaderným reaktorem a parogenerátorem. V jaderném reaktoru dochází ke štěpení jader uranu a vzniklé teplo se využívá k ohřevu vody primárního okruhu. Přehřátá voda s velkým tlakem vyrábí páru v parogenerátoru a ta následně pohání lopatky turbíny. K turbíně je připojen elektrický generátor, který vyrábí elektrickou energii. Nevýhodou jaderných elektráren je jaderný odpad, který vzniká při štěpení uranu. Ten je velice nebezpečný a proto je třeba jej uchovávat po dlouhou dobu ve speciálních kontejnerech umístěných v meziskladu vyhořelého jaderného paliva.

15 Vodní elektrárny Vodní elektrárny jsou většinou součástí přehrad, které se staví v údolí větších řek. Voda vytékající tlakovým přivaděčem z nádrže přehrady roztáčí díky své kinetické energii turbínu, která je spojena s elektrickým generátorem. Ten vyrábí elektrickou energii, která je dodávána do elektrické sítě. Sluneční (solární) elektrárny Sluneční elektrárny přeměňují sluneční energii na energii elektrickou pomocí slunečních baterií. Ty jsou tvořeny křemíkovými destičkami, na kterých vzniká při osvícení malé elektrické napětí. Protože vzniklé napětí je velmi malé, jsou destičky zapojeny do série. Velkou nevýhodou slunečních elektráren je, že nepracují stále. Při špatném počasí je vyráběná energie velmi malá, v noci nepracují vůbec. Větrné elektrárny Větrné elektrárny využívají k výrobě elektrické energie sílu větru. Ten roztáčí vrtule elektrárny, na které je připojen elektrický generátor. Podobně jako solární elektrárny mají i větrné nevýhodu v tom, že nepracují stále. Když fouká slabý vítr, je dodávaná elektrická energie velice malá, při bezvětří nepracují vůbec.

16 Použité zdroje a literatura: