ELEKTŘINA
Elektrický náboj
Atomy látky obsahují částice, které nesou kladný (+) a záporný (–) elektrický náboj. Nejmenší záporný náboj (elementární náboj) nese částice obíhající kolem jádra atomu — elektron. Nositeli kladného náboje jsou částice v atomovém jádře — protony.
Za normálních podmínek se v látce počet kladně nabitých protonů rovná počtu záporně nabitých elektronů (elektroneutrální stav). Vnějším působením se tato rovnováha může porušit (např. třením skleněné tyče kůží získá tyč kladný a kůže záporný náboj).
Elektrické náboje na sebe působí silou:
Opačně nabité náboje se přitahují, souhlasně nabité se odpuzují. Síla, kterou na sebe působí, je dána Coulombovým zákonem:
| F= k · | Q1 · Q2 |
| r2 |
(Q1 a Q2 je velikost obou nábojů, r vzdálenost, součinitel k ≐ 9 · 109 Nm2/C2.)
Jednotkou elektrického náboje je 1 C (coulomb, čti kulomb).
Kolem elektrického náboje vzniká silové elektrické pole. Intenzita elektrického pole (E) je síla, kterou působí elektrické pole na jednotkový náboj:
| E= | F |
| Q |
Látky, které dobře vedou elektrický náboj, jsou vodiče. Nejlepšími vodiči jsou kovy (zvláště stříbro, měď, hliník).
Látky, které nevedou elektrický náboj, jsou nevodiče (izolanty). Jsou to např. sklo, ebonit, guma. porcelán, hedvábí aj.
Některé látky vedou elektřinu pouze za určitých podmínek (např. za určité teploty, při osvětlení). Patří k nim polovodiče (např. křemík, germanium, selen), které mají za obvyklých podmínek elektrickou vodivost menší než vodiče, ale větší než nevodiče.
Elektrická indukce: Přiblížíme-li vodič k elektricky nabitému tělesu, náboje ve vodiči se rozdělí na kladné a záporné, které se rozprostřou na protilehlých koncích vodiče. Říkáme, že se na koncích vodiče indukují náboje.
Jiskra je výboj dvou nesouhlasných elektrických nábojů.
Blesk je výboj atmosférické elektřiny.
Vodiče mají schopnost pojmout elektrický náboj. Tato jejich schopnost se nazývá kapacita. Elektrické součástky, které mají při malých rozměrech velkou kapacitu, se nazývají kondenzátory. Jednotkou kapacity je 1 F (farad).
Elektricky proud
Působením elektrického pole se elektrony začnou ve vodiči pohybovat jedním směrem. Tento pohyb elektronů se označuje jako elektrický proud (I). Elektrony se přemisťují z místa nadbytku elektronů (záporný pól) do místa nedostatku záporného náboje (kladný pól). Jednotkou elektrického proudu je 1 A (ampér). Podmínkou vzniku proudu je elektrické napětí (U). Vzniká mezi kladným a záporným pólem zdroje. Jednotkou napětí je 1 V (volt). Různé vodiče kladou elektrickému proudu různý odpor (R).
Působením téhož napětí (U) prochází různými vodiči různý proud (I).
Ohmův zákon:
| I = | U | U = I · R R = | U |
| R | I |
Jednotkou elektrického odporu je 1 Ω (ohm, čti óm). Je to odpor vodiče, kterým prochází proud 1 A při napětí 1 V.
Odpor vodiče roste úměrně s jeho délkou (l) a klesá úměrně s jeho průřezem (S).
Odpor vodiče závisí na kvalitě materiálu — na měrném odporu vodiče (ρ):
| R = ρ · | l |
| S |
Měrný odpor vodiče je odpor vodiče o délce 1 m a průřezů 1 mm2.
Reostaty jsou elektrické přístroje, jimiž měníme odpor obvodu, a tím i velikost proudu.
Elektrický obvod tvoří zdroj, spotřebič a vodič s vypínačem.
Zapojení zdrojů do elektrického obvodu:
Za sebou (sériově): Výsledné napětí je rovno součtu všech napětí.
Vedle sebe (paralelně): Výsledný proud je roven součtu proudů všech zdrojů.
Spotřebiče v elektrickém obvodu kladou elektrickému proudu odpor.
Zapojení odporů v elektrickém obvodu:
Za sebou
Celkový odpor je roven součtu všech odporů:
R = R1 + R2
Vedle sebe
Převrácená hodnota odporu je rovna součtu převrácených hodnot všech odporů:
| 1 | = | 1 | + | 1 |
| R | R1 | R2 |
Výkon elektrického proudu (P) je roven součinu napětí (U) a proudu (I):
P = U · I
Jednotkou výkonu je 1 W (watt). Je to výkon spotřebiče, kterým prochází při napětí 1 V proud 1 A. Většími jednotkami jsou 1 kW (kilowatt) a 1 MW (megawatt).
Práce je výkon násobený časem (t)
A = P · t
Jednotkou práce elektrického proudu je Wh (watthodina), větší jednotkou je kWh (kilowatthodina). Při převodu na jednotku mechanické práce 1 J (joule) platí:
1 Wh = 3 600 J.
Magnetické účinky elektrického proudu
Stejné účinky jako magnety má i elektrický proud. Okolo cívky, kterou prochází elektrický proud, vzniká magnetické pole stejně jako v okolí magnetu — cívka působí jako magnet. Vsuneme-li do cívky tyč z feromagnetické látky (jádro), zesílí se magnetické pole cívky. Cívka s jádrem se nazývá elektromagnet. Síla elektromagnetu závisí na velikosti proudu, počtu závitů a jakosti jádra. Jádro může být z magneticky měkkého nebo tvrdého magnetu. Měkké jádro po vypnutí proudu magnetické vlastnosti rychle ztrácí. Elektromagnet má v praxi bohaté použití: relé, automatické spínače, upínání materiálů při obrábění, nakládání železného šrotu apod.
Elektromagnetická indukce
Pohybem magnetu v cívce nebo nasouváním cívky na magnet vzniká v cívce indukovaný proud. To je základ výroby elektrické energie. Stroje, které vyrábějí elektrický proud, jsou generátory. V nich se přeměňuje mechanická energie (pohyb cívky nebo magnetu) na energii elektrickou. Generátor na střídavý proud je alternátor. Stejnosměrný proud vyrábí dynamo. U stejnosměrného proudu se pohybují elektrické náboje stále stejných směrem. U střídavého proudu se směr proudu v obvodu mění (tam a zpět). V domácnostech se používá střídavého proudu s kmitočtem 50 Hz.
Stroje, které mění elektrickou energii v mechanickou, jsou elektromotory. Transformátor zvyšuje nebo snižuje napětí střídavého proudu.
Skládá se z uzavřeného jádra a dvou cívek: cívka, do níž proud vchází, je cívka primární, cívka, z níž proud odebíráme, je cívka sekundární. Napětí na sekundární cívce (U2) je tolikrát větší než napětí na cívce primární (U1), kolikrát je větší počet závitů na cívce sekundární (n2) než na primární (n1). Proudy v cívkách jsou v opačném poměru:
| U1 | = | n1 | = | I1 |
| U2 | n2 | I2 |
Transformátor pracuje velmi úsporně, jeho účinnost je až 98 %.
Transformátory jsou důležitým prvkem soustav přenášejících elektrickou energii od výrobců ke spotřebitelům — továrnám a domácnostem. Elektrický proud vyrobený alternátory v elektrárnách se transformuje na velmi vysoké napětí, až 750000 V. Čím vyšší je totiž napětí v síti, tím menší jsou ztráty elektrické energie při přenosu. Před rozvodem k uživatelům se napětí postupně snižuje na 22 000 V v lokálních sítích a na 380 a 220 V, na které jsou konstruovány spotřebiče v domácnostech: vodárny, osvětlení, pračky, vysavače, televizory apod.