Elektrické pole a elektrický prúd
elektrický náboj a jeho vlastnosti
vyjadruje stav elektricky nabitých telies
vyjadruje fyzikálnu veličinu, ktorá je mierou tohto stavu
značka je Q
jednotka je coulomb, C
je to základná vlasnosť častíc
vlastnosti elektrického náboja
- elektricky nabité teleso pôsobí silou na iné telesá
- elektrický náboj sa dá prenášať z povrchu jedného telesa na povrch iného telesa
- elektrický náboj sa môže premiestňovať v telese
- existujú 2 druhy elektrického náboja, kladný a záporný
- elektrické silové pôsobenie môže byť príťažlivé alebo odpudivé
- elektrický náboj je deliteľný
- každý atóm je sústava kladných a záporných nábojov
- atóm je navonok elektricky neutrálny
- z neutrálneho atómu sa môže stať ión
- v kovoch sa elektróny od jadier ľahko odpútajú
- trením 2 telies sa premiestňujú elektróny
pre veľkosť elektrickej sily platí
- je nepriamo úmerná druhej mocnine vzdialenosti r
bodový náboj
si predstavujeme ako hmotný bod, ktorého elektrický náboj je rovnaký ako náboj na zelektrizovanom telese 
elektrické napätie, elektrický potenciál
rôzne vodiče
definícia elektrického poľa
elektrické pole je v okolí každého elektricky nabitého telesa
je veličina charakterizujúca elektrické pole
je číselne rovná elektrickej sile, ktorá v danom mieste poľa pôsobí na elektrický náboj 1C
modely elektrického poľa
vektorový
siločiarový
radiálne(centrálne)
radiálne pole je v okolí bodového náboja
intenzita elektrického poľa E smeruje od náboja alebo do neho vstupuje
homogénne
homogénne pole je medzi 2 rovnobežnými kovovými platňami
intenzita má všade rovnaký smer aj veľkosť
2 nesúhlasných nábojov
siločiara je myslená čiara, ktorej dotyčnica zostrojená v každom jej bode má určitý smer intenzity E
2 súhlasných nábojov
častica s elektrickým nábojom v elektrickom poli má potenciálnu energiu Ep
každý bod elektrického poľa ma elektrický potenciál
definujeme ho ako podiel elektrickej potenciálnej energie kladného elektrického náboja Q v tomto bode poľa a veľkosti tohto náboja
množstvo práce potrebné na prenesenie jednotkového elektrického náboja zo vzťažného bodu, ktorému je prisúdený nulový potenciál, do daného miesta
značka E
absolútna hodnota rozdielu potenciálov medzi 2 bodmi elektrického poľa je elektrické napätie
jednotka je volt V
značka je U
značka je φ
jednotka je volt V
meracie prístroje: voltmeter, osciloskop
závisí od tvaru vodiča a prostredia, v ktorom je vodič
značka je C
jednotka je farad, F
je to schopnosť predmetu udržať na sebe elektrický náboj pri určitom elektrickom napätí
je to množstvo elektrického náboja vo vodiči s jednotkovým elektrickým potenciálom
Kapacita vodiča C je definovaná podielom náboja Q izolovaného vodiča a jeho napätia U voči Zemi
vyjadruje smer a veľkosť elektrického poľa
jednotka je volt na meter, skratka V.m-1
elektronická súčiastka so schopnosťou uchovávať elektrickú energiu, teda kapacitu
má schopnosť akumulovať elektrický náboj (vzhľadom na jednotku svojho potenciálu) a tým aj energiu v elektrickom poli medzi doskami kondenzátora – t.j. má kapacitu
platňový kondenzátor
pozostáva z 2 rovnakých oproti sebe umiestnených navzájom rovnobežných kovových platní oddelených(izolovaných) vrstvou dielektrika
kapacita platňového kondenzátora je priamo úmerná obsahu účinnej plochy platní S a nepriamo úmerná vzdialenosti platní d
kapacitu platňového kondenzátora môžeme ovplyvniť
prostredím medzi platňami, permitivita prostredia
permitivitu prostredia meníme vkladaním dielektrika
ε = ε0 . εr
ε - permitivita prostredia
ε0 - permitivita vákua
εr - relatívna permitivita
pri vložení dielektrika sa kapacita kondenzátora zvýši ε-krát a potenciál sa zmenší ε-krát
φ´= φ/ε
C´= C.ε
plochu a vzdialenosť platní meníme zapojením kondenzátorov sériovo alebo paralelne
dielektrikum je izolant, ktorý nedovolí, aby sa častice s nábojom dostali do kontaktu, a tým došlo k vybitiu elektrického náboja
má molekuly s nábojom, ktoré majú náboje + aj – , ktoré sa nazývajú dipóly
v elektrickom poli sa priestorovo usporiadajú a znižujú intenzitu E medzi platňami a teda aj potenciál sa zníži
paralelné zapojenie
sériové zapojenie
vzniká kondenzátor s väčšou plochou platní
výsledná kapacita je väčšia ako kapacita najväčšieho kondenzátora v obvode
je daná súčtom kapacít kondenzátorov
napätie kondenzátorov sa rozdeľuje podla ich kapacity U = U1 + U2
napätie kondenzátorov je rovnaké U = U1 = U2
na platniach je rovnaký elektrický náboj Q = Q1 = Q2
náboj sa rozdelí tak, aby sa nachádzal na každej platni kondenzátora Q = Q1 + Q2
výsledná kapacita je menšia ako kapacita najmenšieho kondenzátora v obvode
je daná prevrátenou hodnotou výslednej kapacity, ktorá je daná súčtu prevrátených hodnôt kapacít kondenzátorov
Cv = C1 + C2
veličina
pohyb častíc
je to usporiadaný pohyb voľných elektrónov medzi atómami vodiča
podmienky vzniku elektrického prúdu v látke
prítomnosť voľných elektrónov
utvorenie elektrického poľa v tejto látke, teda nemenného napätia
jednosmerný prúd
striedavý prúd
t.j. prúd, ktorý v čase nemení ani veľkosť, ani smer
t.j. prúd, ktorého veľkosť sa v čase mení s určitou periódou, pričom jeho stredná hodnota je nulová
značka je I
jednotka je ampér [A]
vyjadruje množstvo elektrického náboja, ktorý prejde prierezom vodiča za jednotku času
I = Q/t
merací prístroj je ampérmeter
smery elektrického prúdu
dohodnutý
skutočný
skutočný smer elektrického prúdu je daný od '−' póla zdroja k '+' póla zdroja
dohodnutý smer elektrického prúdu je daný od '+' póla zdroja k '-' pola zdroja
keď vodičom tečie elektrický prúd, vodič sa: zohrieva, môžu v ňom nastať chemické zmeny, v jeho okolí vzniká magnetické pole
vyjadruje veľkosť schopnosti pôsobiť elektrickou silou
predstavuje energiu potrebnú na premiestnenie elektrického náboja medzi týmito 2 bodmi v určitom elektrickom poli
veľkosť elektrickej sily Fe je priamo úmerná súčinu bodových nábojov Q1,Q2 a nepriamo úmerná druhej mocnine ich vzdialeností
- je priamo úmerná súčinu nábojov Q1 a Q2
elektrická práca a výkon v obvode s konštantným prúdom
vodivostné elektróny pri svojom pohybe narážajú do častíc a tým sa časť ich kinetickej energie mení na vnútornú energiu vodiča
mierou zmeny vnútornej energie je teplo Qj - joulovo teplo
elektrické pole má hmotnú povahu, je jednou z foriem hmoty
je to energia prenesená do vodiča prechodom prúdu
elektrický prúd v kvapalinách a plynoch
elektrický prúd v polovodičoch
definícia elektrického obvodu
elektrický obvod je súhrn prvkov, ktoré spoločne vytvárajú cestu pre voľný prechod elektrického prúdu.
prvky sú usporiadané v určitom poradí a sú pripojené na zdroj elektrickej energie
cesta je uzavretá
spojenie prvkov musí byť vodivé
elektrické náboje na seba vzájomne pôsobia silou prostredníctvom elektrického poľa
Existujú dve formy hmoty
- látka (pevná, kvapalná, plynná),
- pole (gravitačné, magnetické, elektrické)
vyjadruje schopnosť materiálu zabraňovať prechodu elektricky nabitých častíc
je definovaný ako podiel napätia a prúdu
značka je R
jednotka je ohm Ω
merací prístroj je ohmmeter
meracie prístroje: elektroskop, elektrometer
merný odpor je odpor vodiča jednotkovej dĺžky a jednotkového prierezu
jednotkoa je ohm meter [Ωm]
značka je ρ
rôzne materiály kladú elektrickému prúdu rôzny odpor
joulovo teplo závisí od času t, ako dlho pri danom napätí prechádzal vodičom elektrický prúd
zmena vnútornej energie nastane konaním práce, pri ktorej napätie U presunie náboj Q
Zdroje elektrického napätia
rotačné generátory (alternátor, dynamo)
W=QU
W=UIt
ak nedochádza v elektrickom obvode k iným premenám energie, je joulovo teplo Qj rovné elektrickej práci W
značka je W
QJ =W
QJ=UIt
výkon konštantného prúdu v spotrebiči P
výkon vyjadruje prácu (resp. energiu, resp. teplo), ktorú zdroj dodá do obvodu za 1 sekundu
výkon konštantného prúdu v spotrebiči je elektrický príkon spotrebiča
merací prístroj je wattmeter
jednotka je watt [W]
Qj = U.I.t
značka je Qj
jednotka je joule [J]
elektrické pole sa dá definovať pomocou sily, ktorú vytvára
vzorce
W=Qj=U.I.t
P = W/t = U.I.t / t = U.I
I = U/R
P = W/t = U.I = U.U/R = R.I.I
výkon zdroja
výkon zdroja je energia, ktorú zdroj dodá do obvodu
za 1 sekundu
P = Wz/t = Ue.I = Ue.Ue / R+Ri = (R+Ri).I.I
účinnosť premeny energie v obvode n
výkon je vyjadrený ako práca za čas a udáva sa vo wattoch
1W = 1J
P = W / t -> W = P.t
v jednotkách [W . s]
v praxi používame kWh
účinnosť vyjadruje pomer medzi energiou, ktorú dokážeme využiť a energiou, ktorú sme dodali zo zdroja (zbytok sú straty)
účinnosť je tým väčšia, čím je väčší odpor spotrebiča R v porovnaní s vnútorným odporom zdroja Ri
definuje vzájomný vzťah medzi elektrickým prúdom, elektrickým napätím a elektrickým odporom
elektrický prúd pretekajúci v uzavretom elektrickom obvode je priamo úmerný napätiu zdroja a nepriamo úmerný elektrickému odporu obvodu
vzorce
I = U/R
R = U/I
U = I.R
zákon platí
pre obvody zložené z lineárnych prvkov, ktorými preteká jednosmerný prúd
za ideálnych podmienok
konštantná teplota
konštantný odpor
ideálne prívodné vodiče
uzavretý elektrický obvod sa skladá z
vonkajšej časti
vnútornej časti
rezistory
vodiče
spotrebiče pripojené na svorky zdroja
vodivý priestor medzi pólmi vo vnútri zdroja
odpor vonkajšej časti je vonkajší odpor obvodu R
odpor vnútorrnej časti je vnútorný odpor zdroja Ri
ak je spínač rozpojený (zdroj je nezaťažený) voltmeter meria elektromotorické napätie zdroja Ue
ak obvod uzavrieme (zdroj je zaťažený) voltmeter ukáže napätie U2 menšie ako elektromotorické napätie zdroja Ue
U = R.I
Ui = Ri.I
prúd v uzavretom obvode sa rovná podielu elektormotorického napätia zdroja a súčtu odporov vonkajšej a vnútornej časti obvodu
voltmeter pripojený k svorkám zdroja meria jeho svorkové napätie U
U= R.I - svorkové napätie zdroja
Ui = Ri.I - úbytok napätia na zdroji
nezaťažený zdroj
ak je spínač rozpojený, obvodom prúd neprechádza
úbytok napätia na zdroji je rovný 0
pri nezaťaženom zdroji je svorkové napätie U rovné elektromotorickému napätiu zdroja Ue
zaťažený zdroj
úbytok napätia na zdroji nie je rovný 0
pri zaťaženom zdroji je svorkové napätie U menšie ako elektromotorické napätie zdroja Ue
ak je spínač zopnutý, obvodom prúd prechádza
pri skrate je odpor vonkajšej časti takmer nulový, prúd v obvode dosahuje najväčšiu možnú hodnotu
odber veľkých prúdov poškodzuje každý zdroj
ističe a poistky odpoja zdroj, ak je prúd väčší ako povolená hodnota
- Kirchhoffov zákon (pre uzol jednosmerného obvodu)
zapojenie ampérmetra a voltmetra v obvode
A - ampérmeter zapájame do obvodu sériovo
V - voltmeter zapájame k súčiastke paralelne
prúdy vstupujúce do uzla majú kladné znamienko
prúdy vystupujúce z uzla majú záporné znamienko
algebrický súčet prúdov v uzle sa rovná nule
- Kirchhoffov zákon (pre jednoduché uzavreté obvody)
v jednoduchom uzavretom obvode sa súčet elektromotorických napätí Ue zaradených zdrojov rovná súčtu úbytkov napätí Rk . Ik
jednoduchý (nerozvetvený)
rozvetvený
uzol je miesto, kde sa stýkajú najmenej tri vodiče
vetva je časť obvodu medzi dvoma uzlami
rozvetvený elektrický obvod (elektrická sieť)
postup pri zostavovaní rovníc
- ľubovolne vyznačíme smery prúdov v jednotlivých vetvách siete
- označíme smery napätí na zdrojoch (smer rastúceho potenciálu, od – do +)
- v jednoduchom uzavretom obvode ľubovolne vyznačíme smer obiehania
- zostavíme rovnice
napätia so súhlasným smerom ako smer obiehania majú kladné znamienko (nesúhlasné záporné)
úbytky napätí majú kladné znamienko ak smer prúdu súhlasí so smerom obiehania ( ak nie nesúhlasné)
praktické aplikácie Kirchhofových zákonov
- výsledný odpor paralelných rezistorov
prevrátená hodnota celkového odporu sa rovná súčtu
prevrátených hodnôt jednotlivých odporov rezistorov
- výsledný odpor sériových rezistorov
- zväčšenie rozsahu ampérmetra
4.zväčšenie rozsahu voltmetra
celkový odpor sériových rezistorov sa rovná súčtu hodnôt jednotlivých odporov rezistorov
Ra - vnútorný odpor ampérmetra
ampérmetrom môže prechádzať maximálny prúd Ia
odpor ampérmetra Ra musí byť malý, aby čo najmenej
ovplyvnil prúdové a napäťové pomery v obvode
pri meraní prúdov n-krát väčších
chránime prístroj pred poškodením paralelným pripojením rezistora s odporom Rb, tzv. bočník
odpor voltmetra Rv má byť veľký, aby sa prúdové pomery v obvode veľmi nezmenili
Voltmeter je stavaný na maximálne napätie Uv
Pri meraní napätí n-krát väčších
s voltmetrom spojíme sériovo tvz. predradný rezistor s odporom Rp
dej, pri ktorom prechodom elektrického prúdu elektrolytom nastávajú látkové zmeny
Chemické zmeny prebiehajúce na elektródach možno v praxi využiť rozličným spôsobom
- elektrometalurgia
- galvanostégia
- elektrolytický kondenzátor
- zábrana pred vlhnutím muriva
- korózia
galvanický článok je zdroj jednosmerného napätia, ktorý sa skladá z elektrolytu a dvoch chemicky odlišných elektród
Pri elektrolýze sa na katóde vždy vylučuje vodík
alebo kov
Daniellov článok
polarizovaný článok
suchý článok
akumulátor
vedný odbor zaoberajúci sa výrobou alebo čistením kovov elektrolýzou
vedný odbor zaoberajúci sa pokovovaním kovových predmetov elektrolytickým spôsobom
Prechodom prúdu sa na elektróde utvorí vrstva Al2O3, ktorá
je izolant medzi anódou a katódou - vznikol kondenzátor
elektrolyt v kapilárach sa elektrolýzou rozkladá, čiastočkami soli sa kapiláry zaplnia
kyslík a vodík vzniknutý pri elektrolýze vyprchávajú zo steny a urýchľujú jej vysúšanie
porušenie povrchu kovu chemickým alebo elektrochemickým pôsobením
pri elektrolýze sa na katóde vždy vylučuje vodík
alebo kov
- Faradayov zákon
- Faradayov zákon
hmotnosti látok vylúčených na elektródach sú priamo úmerné celkovému elektrickému náboju, ktorý preniesli pri elektrolýze ióny
hmotnosti rozličných prvkov vylúčených pri elektrolýze tým istým nábojom sú chemicky ekvivalentné
Mm - mólová hmotnosť
F = eNa = 9,652.104 C.mol-1, Faradayova konštanta
v - valencia (mocenstvo)
ionizácia, vedenie prúdu v plynoch
plyny sa stanú elektricky vodivými
zohriatím na vysokú teplotu,
ožiarením ultrafialovými lúčmi,
ožiarením röntgenovými lúčmi,
ožiarením rádioaktívnymi lúčmi
elektrický prúd v plynoch je vyvolaný usporiadaným pohybom iónov a elektrónov účinkom elektrického poľa
prechod elektrického prúdu plynom sa nazýva
elektrický výboj
ionizácia je dej, pri ktorom sa vonkajším zásahom
odtrhávajú z atómov neutrálnych molekúl elektróny
ionizátory sú prostriedky, ktorými sa vyvoláva ionizácia
každý zdroj energie, ktorý poskytuje elektrónom v atómoch (molekulách) energiu potrebnú na ich uvoľnenie
nesamostatný
elektrický prúd sa udržuje iba počas pôsobenia ionizátora
samostatný
výboj pokračuje aj po odstránení ionizátora
Voltampérová charakteristika výboja
graf závislosti elektrického prúdu I elektrického výboja od napätia U medzi elektródami
ionizačná komora
zariadenie na skúmanie výboja
platňový kondenzátor, ktorý je izolovane umiestnený v kovovej škatuli s okienkom pre pôsobiaci ionizátor
elektrický výboj býva väčšinou sprevádzaný svetelnými a zvukovými efektami
charakter samostatného výboja závisí od
chemického zloženia plynu
teploty a tlaku plynu
kvality elektród a ich vzdialenosti
stupňa ionizácie plynu
parametrov obvodu
pri malých napätiach prevláda rekombinácia a iba malé
percento elektrónov a iónov sa dostane na platne
So zväčšovaním napätia sú elektróny a ióny sú viac urýchlené a nestihnú rekombinovať, prúd sa zväčšuje
Keď sú všetky ióny utvorené ionizátorom zachytené plat-
ňami, prúd v obvode dosiahne hodnotu In - nasýtený prúd
Pri zápalnom napätí Uz nastáva elektrický prieraz plynu,
dochádza k ionizácii nárazom – výboj je samostatný
tlejivý elektrický výboj
oblúkový elektrický výboj (pri zváraní)
iskrový elektrický výboj
koróna
vzniká v blízkosti vodičov vo vzduchu, ktoré sú pod
vysokým napätím a dostatočne od seba vzdialené
je to krátkodobý výboj
voria ho elektrónové a iónové lavíny v iskrových kanálikoch, v ktorých sa tlak zvyšuje na desiatky MPa a teplota na 105 K
pri väčších hodnotách prúdu ióny dopadajúce na elektródy ich rozžeravia (tepelná ionizácia)
teplota plynu sa zväčšuje až na hodnotu 6000 K
pri malej hodnote prúdu pozorujeme slabé svetielkovanie plynu
elektrickú vodivosť polovodičov, ktorá je spôsobená prítomnosťou cudzích, nie vlastných atómov sa nazýva nevlastná vodivosť
elektrické vlastnosti polovodičov výrazne závisia od prímesí
znečistenie kremíka tak, že na sto miliónov jeho atómov pripadá jeden jediný atóm prímesí výrazne ovplyvní jeho elektrické vlastnosti
polovodič s elektrónovou vodivosťou, polovodič typu N
poskytujú kryštálu voľné elektróny
prevažujúce voľné častice s nábojmi nazývame väčšinové (majoritné)
voľné častice s opačným nábojom sú menšinové
(minoritné)
voľné elektróny sú majoritné a diery minoritné
polovodič s dierovou vodivosťou, polovodič typu P
elektrický prúd sprostredkujú voľné elektróny
diery sú majoritné a voľné elektróny minoritné
nazývajú sa akceptory
sú schopné zo svojho okolia prijať jeden
väzbový elektrón, čím vznikajú diery
nazývajú sa donory
polovodiče s týmto mechanizmom elektrickej vodivosti sa volajú nevlastné (prímesové) polovodiče
prechod PN
rozhranie dvoch polovodičov s rozličným typom vodivosti
v časti P voľné elektróny rekombinujú s dierami, v blízkosti rozhrania sa vytvoria záporné ióny akceptorov
V časti N v blízkosti rozhrania zostanú nevykompenzované kladné ióny donorov
elektrický prúd sprostredkujú diery
G - generátor striedavého prúdu
elektrický obvod
jednoduchý
rozvetvený
prvky elektrického obvodu
zdroj
jednosmerný (monočlánok, batéria článkov)
striedavý
spojovacie vodiče
vodič
vodiče s uzlom
Spotrebič(el. záťaž)
žiarovka
LED dióda
kondenzátor
rezistor
cievka
ďalšie prvky
spínač
zvonček
motor
polovodičové súčiastky
(usmerňovacia) dióda
tranzistor
transformátor