Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/03.0009 Elektrický proud Elektrický proud je uspořádaný tok volných elektronů ze záporného pólu ke kladnému pólu zdroje. Kde se však vzaly volné elektrony? Víme, že látky jsou složeny z atomů a ty mají jádro a elektronový obal. Elektrony jsou záporně nabité, jádro atomu je nabito kladně. To si můžeme zjednodušeně představit například na atomu lithia takto: Elektrony se zdržují od jádra v různých vzdálenostech, jejich dráhy vytvářejí kulové slupky. Elektronový obal je poměrně velmi vzdálen od jádra atomu a síly, které je poutají k jádru, jsou u nejvzdálenějších slupek menší. Nejmenší jsou u poslední (nejvzdálenější), které říkáme valenční a také elektrony zde umístěné se nazývají valenční. Elektrický proud v kovech V kovech jsou ve vnější slupce elektronového obalu atomu pouze jeden až dva elektrony. Ty jsou přitahovány k jádru velmi málo a stačí mírné působení vnějších si (teplota, elektrické napětí), aby se odpoutaly a stanou se z nich volné elektrony. U nejběžnějšího vodiče mědi vypadá model atomu takto:
- 2 - Elektrony se v atomech vyskytují na různých hladinách, kde mohou nabývat určitých energetických stavů. Existuje souvislost mezi energií elektronu a hladinou, na níž se elektron vyskytuje (vzdálenost od středu atomu). Energetické stavy, v nichž se mohou nacházet elektrony v atomu, lze znázornit energetickým schématem (pásovým diagramem). Hodnoty energií se znázorňují vodorovnými čarami energetickými hladinami. Čím vyšší je čára, tím vyšší má elektron energii. Valenční elektrony mají nejvyšší energie, proto když jim dodáme další (malou) energii, překonají přitažlivost k jádru a snadno se odpoutají. Pásový diagram kovu: Pásový diagram izolantu: U vodičů se valenční pás překrývá s vodivostním energetickým pásem, to znamená, že některé elektrony ve valenčním pásu se již nachází ve vodivostním, jejich energie je natolik velká, že se již podílejí na vedení proudu. Mezi oběma pásy chybí tzv. zakázaný pás ΔW, který vidíme u pásového diagramu izolantů. U izolantu naopak musíme elektronům dodat velkou energii, aby překonaly šířku zakázaného pásu a způsobily vodivost izolantu, tedy jeho elektrický průraz. V kovech se některé elektrony nacházejí ve vodivostním pásu již při teplotě blízké 0 K. Pohybují se chaoticky (neuspořádaně) v mezerách krystalové mřížky:
- 3 - Po přiložení napětí mezi konce vodiče se okolo vodiče vytvoří rychlostí světla elektrické pole, které dá téměř okamžitě do usměrněného pohybu všechny volné elektrony v celém vodiči (i když je pohyb jednotlivých elektronů poměrně pomalý): Velikost elektrického proudu I definujeme jako velikost náboje Q, který projde vodičem za určitý čas t: Jednotkou proudu je ampér [A]. Elektrický proud v kapalinách Elektrický proud však může být veden nejen v kovech, ale i v kapalinách. Zde je veden pomocí ionizovaných atomů či částí molekul iontů: Proud tedy může být veden i kladně nabitými částicemi (kationty), které se pohybují od kladné elektrody (anody) k záporné elektrodě (katodě). Záporně nabité ionty se nazývají anionty.
- 4 - Směr elektrického proudu byl tedy určen dohodou: Proud v jednoduchém elektrickém obvodu vychází z kladného pólu zdroje a jde k zápornému pólu. Stejnosměrný proud Odebíráme ho ze zdrojů stejnosměrného napětí. V současné době se nejčastěji používají tzv. suché články (monočlánky) nebo nepřeberného množství typů akumulátorů lithiových, niklmetalhydridových, niklkadmiových, olověných. Změny stejnosměrného proudu: Zvýšení lze dosáhnout paralelním spojením potřebného počtu článků. Jejich proudy se sčítají. Snížení velikosti proudu se provádí pomocí rezistorů: Střídavý proud Vyrábí se pomocí generátorů (alternátorů), ve kterých dochází prostřednictvím elektromagnetické indukce k přeměně mechanické energie na elektrickou.
- 5 - Změny střídavého proudu: a) změna velikosti proudu Zvyšování hodnoty odebíraného střídavého lze provádět paralelním připojováním dalších střídavých zdrojů. Zvyšování hodnoty proudu ve spotřebiči lze provádět snižováním hodnoty odporu spotřebiče. Podobně snížení proudu se docílí zvýšením hodnoty odporu spotřebiče. b) změna střídavého proudu na stejnosměrný Tato změna se provádí pomocí usměrňovačů. Nejběžnějším typem usměrňovače je usměrňovač neřízený, používající jednu či více polovodičových diod. Neumožňuje řízení výstupního napětí či proudu v samotné usměrňovací součástce. Druhy usměrňovačů a způsoby usměrnění jsou popsány v článku o stejnosměrném (usměrněném) napětí. Řízené usměrňovače Umožňují řízení usměrněného výstupního proudu přímo v usměrňovací součástce. Řízenými součástkami jsou tyristory, jejichž činnost ovládáme pomocí řídících obvodů prostřednictvím řídící elektrody. Nejjednodušším řízeným usměrňovačem je jednofázový: Dokud na řídící elektrodu tyristoru nepřivedeme proudový impuls ig, tyristor nevede proud. Tyristor můžeme otevírat pomocí impulsů v potřebném okamžiku a tak řídit usměrněný výstupní proud Id.
- 6 - Řízení usměrněného proudu: Přivedením řídícího impulzu do tyristoru v určitý okamžik v určité fázi sinusovky, dostaneme příslušnou hodnotu řízeného proudu. Úseky I., II. a III. ukazují tři různé okamžiky otevření tyristoru na samém začátku kladné půlperiody, se zpožděním 90 a na konci kladné půlperiody (180 ). Používají se také můstkové polořízené usměrňovače, které mohou mít v jedné polovině větví tyristory a v druhé diody, přesto lze jimi řídit proud od nuly až do maxima: a) jednofázové
- 7 - b) trojfázové Tyto polořízené usměrňovače však nelze použít pro rekuperaci elektrické energie, tzn. zpětný přenos energie ze stejnosměrné sítě do střídavé. Měření elektrického proudu Elektrický proud má jednotku ampér [A]. Pro měření velmi malých proudů slouží galvanometry (na, μa). Pro vyšší proudy se používají miliampérmetry a ampérmetry. Schématická značka miliampérmetru a ampérmetru: Ampérmetry se připojují do obvodu sériově:
- 8 - Z tohoto důvodu musí mít ampérmetry velmi malý vnitřní odpor (malou spotřebu), aby nezatěžovaly měřený obvod. a) ručkové (analogové) měřící přístroje Mohou být určeny jen pro měření proudu. Měřená jednotka je uvedena na číselníku: Tyto přístroje mívají často vyšší přesnost než tzv. multimetry, které jsou určeny i pro měření jiných veličin než je proud. Obvykle bývá součástí multimetru také voltmetr, ohmmetr, případně další měřiče:
- 9 - Mimo stupnice je další důležitou částí multimetru přepínač, kterým se přepíná nejen měřená veličina, ale také měřicí rozsahy pro danou veličinu. Pro každý rozsah měřeného proudu (pro dané rozpětí hodnot) se přepínačem rozsahů zařazuje paralelně k měřidlu rezistor (bočník Rb) určité hodnoty odporu: S přihlédnutím ke vnitřnímu odporu ampérmetru RA pak určíme hodnotu odporu potřebného bočníku: Abychom zjistili hodnotu, kterou jsme naměřili ručkovým přístrojem, musíme si nejprve stanovit konstantu k pro dané měření. Konstanta je podíl hodnoty přepnutého rozsahu a celkové délky stupnice. Jestliže výchylku ručky označíme α, pak naměřená hodnota proudu je I = α. k [A] b) číslicové (digitální) měřící přístroje Digitální ampérmetry bývají součástí multimetrů. Mají poměrně velkou přesnost. Jejich další výhodou je, že ukazují naměřenou hodnotu přímo bez přepočtu:
- 10 - c) osciloskopy Jsou to přístroje, které znázorňují měřenou veličinu (napětí) dvojrozměrně na obrazovce. Osciloskopické obrazovky mohou být jak s elektrostatickým vychylováním elektronového paprsku (vakuové obrazovky), tak s LCD displejem. d) měřící transformátory proudu
- 11 - Měřící transformátory proudu se používají pro měření velkých střídavých proudů. Při měření se zapojuje vstupní vinutí do série se zátěží. Na svorky výstupního vinutí se připojuje ampérmetr na normalizovaný rozsah do 5 A, popř. 1 A. Výstupní vinutí je ampérmetrem spojeno nakrátko, a proto ho nikdy nesmíme odpojit. Transformátor by se nebezpečně přehřál, do výstupního vinutí by se indukovalo nebezpečné vysoké napětí. Proto má transformátor zkratovací spojku na výstupním vinutí, abychom mohli bezpečně vyměnit ampérmetr. e) další měřiče proudu Klešťový měřící přístroj: Měří veličinu bezdotykově pomocí elektromagnetické indukce. Zpracoval: ing.stoklasa František