Nedávno jsme vyzvali čtenáře humanitních oborů, aby se ptali na vše technické. Mezi deset nejoblíbenějších otázek patří, jak proud protéká dráty a další otázky související s elektřinou. Pokusíme se odpovědět co nejjednodušeji.
Co je elektrický proud
„Proud“ pochází ze slova „flow“, tedy něco plyne. Dokážete si představit, že teče voda.
„Elektrický proud“ znamená, že proudí určité částice, které přenášejí elektrický náboj.
„Elektrický náboj“ lze považovat za kus energie, který může přimět některé speciální mechanismy, aby něco udělaly: roztočili, zahřáli, ochlazovali, zmenšovali se, žhnuli atd. Pokud máte například elektromotor, začne se otáčet. když do něj proudí elektrický náboj.
Částice, které přenášejí elektrický náboj v proudu, se nazývají elektrony. Dokážete si představit, že jde o molekuly vody, i když ve skutečnosti je to složitější.
Vědci nazývají elektron elementární částicí – tedy tou nejjednodušší věcí, která existuje a kterou nelze rozebrat.
Předpokládá se, že elektron je schopen přenášet minimální záporný náboj, jaký je v přírodě možný.
S elektrony je to tak, že je velmi obtížné je zachytit. Toto není nějaký bod v prostoru, který můžete vzít malou pinzetou a cítit. Je to spíše mrak, uvnitř kterého s určitou pravděpodobností může být v každém bodě elektron.
Existuje teorie, že elektron není jen částice, ale projev poruchy v elektromagnetickém poli. Můžete si to představit takto: prochází námi neviditelné pole, zdá se, že jsme do něj ponořeni. Oscilace tohoto pole vytvářejí v prostoru to, co vnímáme jako částici-elektron. Je to, jako bychom seděli na jezeře a viděli vlny, ale nevěděli, že přicházejí z jezera.
Jiný matematický koncept říká, že elektron je neviditelná struna, která určitým způsobem vibruje. To nebylo prokázáno, ale existuje teorie.
Jak proud protéká dráty?
- Představte si, že máte dýmku.
- Na jedné straně je k potrubí připojena velká nádrž na vodu. Voda na sebe tlačí.
- Na druhé straně potrubí je kohoutek. Když je zavřený, voda nikam neteče, protože nemá kam jít.
- Otevřete kohoutek, voda začne téct: z místa, kde na sebe tlačí, do místa, kde na ni nic netlačí.
Jak se to přenese do elektřiny:
- Máte materiál, ve kterém se mohou elektrony pohybovat s určitou volností. Takové materiály se nazývají vodiče – to jsou všechny druhy kovů, například měď.
- V jednom místě vodiče vzniká přebytek elektronů, které na sebe tlačí, jsou tam stísněné a namáhané.
- Jinde ve vodiči vzniká nedostatek elektronů.
- Elektrony začnou proudit z místa napětí do místa relaxace (relativně řečeno).
Ve skutečnosti se elektrony ve vodiči pohybují velmi málo a samy nepřenášejí energii z bodu A do bodu B.
Správnější by bylo říci toto: elektrony se obecně pohybují chaoticky a obecný směr jejich pohybu je řízen elektromagnetickým polem. Je to pole, které určuje, kolik energie kam přenést, a je to pole, které je zodpovědné za přenos této energie.
Ale zvenčí to vypadá k nerozeznání od samotných elektronů proudících dráty, jako voda. Učebnice se proto většinou omezují na toto vysvětlení.
Jak se proud přeměňuje na běžící motory, ohřívače a další užitečná zařízení
Lidé vynalezli zařízení, která přeměňují elektrický proud na užitečnou práci. Například:
Elektrický motor Funguje to takto: existuje centrální rotační osa a její okolí. Prostředím prochází proud, který vytváří elektromagnetické pole (představte si to jako magnet, který se tam objevuje). Na středové ose je také něco jako magnet, který působením vnějšího magnetu začne tuto osu otáčet. To má za následek rotaci.
Ohřívače Fungují takto: elektrony narážejí na atomy v topném článku a předávají jim energii. Atomy se začnou pohybovat, protože na ně narazí elektrony. Pohyb atomů je tepelná energie.
LED diody Fungují takto: používají kousky křemíku, do kterých se přimíchávají různé doplňkové materiály. Kombinace těchto směsí umožňují elektronům přenášet energii z jednoho kusu křemíku na druhý a současně tuto energii přeměňovat na fotony, tedy na světlo. V závislosti na tom, co je do křemíku přimícháno, lze získat LED diody různých barev.
O počítačích a jak tam funguje elektřina – řekneme vám to samostatně.
Co je stejnosměrný a střídavý proud?
Lidé přišli s myšlenkou, že elektrony mohou být poháněny podél vodiče dvěma způsoby: jednoduše jedním směrem a tam a zpět.
DC – to je, když proud teče jedním směrem z místa, kde máte přebytek elektronů (mínus) do místa, kde máte nedostatek elektronů (plus). Stejnosměrný proud se používá uvnitř čehokoli, co je napájeno bateriemi; ve veškeré elektronice; v počítačích a chytrých telefonech.
Střídavý proud – to je, když proud teče jedním směrem a poté druhým. Směr proudu se mění 50–60krát za sekundu. Tento vynález umožnil přenášet proud na velké vzdálenosti a jeho použití bylo pohodlnější. Vaše zásuvka má střídavý proud.
Vaše spotřební elektronika má AC/DC měnič. Odebírá střídavý proud ze zásuvky a převádí jej na stejnosměrný proud potřebný pro zařízení.
Co je zkrat?
Obvykle je proud veden dráty z nějakého důvodu, ale pro přenos energie do nějakého užitečného zařízení – například LED. Na tomto zařízení dochází ke ztrátě určité energie a je omezen tok proudu.
Pokud jednoduše necháte proud protékat dráty bez zátěže, poběží velmi energicky a cestou se srazí s atomy svého vodiče. Atomy z tak silného toku se začnou zahřívat. A pokud je velký proud, vodič se velmi rychle zahřeje a může se vznítit. Toto je zkrat.
Zkrat nastane, když jsou kladný a záporný nebo dva vodiče se střídavým proudem připojeny přímo. To se může stát, pokud váš pes žvýká váš napájecí kabel a spojí se dva dráty. Poté se během několika sekund dráty přehřejí a mohou se vznítit.
Aby se zabránilo požáru v důsledku zkratu, jsou nyní ve všech bytech instalována speciální zařízení: automaticky vypnou proud, když vidí, že proud je příliš vysoký.
Co potřebuje humanista vědět o proudu?
Neopravujte zásuvky sami a nevěšujte lustry na holé dráty. Zavolejte elektrikáře.
Nedotýkejte se nechráněných vodičů. Žádný a nikdy.
Nerozebírejte zařízení, pokud jsou označena štítkem „Nebezpečí úrazu elektrickým proudem“. Pravděpodobně je tam nějaký ošklivý kondenzátor, který by vám mohl způsobit elektrický šok. Obecně je lepší zařízení nerozebírat, pokud přesně nevíte, jak je opravit.
Máte-li malé děti, nasaďte nejprve na zásuvky krytky a potom poučte své děti o bezpečnosti zásuvek.
V tomto krátkém článku se pokusím vysvětlit základy elektrotechniky. Pro ty, kteří nechápou, odkud se bere elektřina, ale zdá se neslušné se ptát.
1. Co je elektrický proud.
„Hlavní inženýr otočil vypínačem a elektrický proud procházel dráty rychleji a rychleji“ (c)
1.1 Pár obecných slov k fyzice problému
Elektrický proud je pohyb nabitých částic. Z nabitých částic máme elektrony a některé ionty. Ionty jsou atomy, které ztratily nebo získaly jeden nebo více elektronů, a proto ztratily elektrickou neutralitu a získaly elektrický náboj. Takto je atom elektricky neutrální – náboj kladně nabitého jádra je kompenzován nábojem elektronového obalu. Ionty obvykle nesou náboj v elektrolytech, v kovových drátech jsou nosiči elektrony. Kovy dobře vedou proud, protože některé elektrony mohou přeskakovat z jednoho atomu na druhý. V nevodivých materiálech jsou elektrony vázány na jejich atom a nemohou se pohybovat. (Dovolte mi připomenout, že tento článek je stručným vysvětlením fyziky! Pro více podrobností vyhledejte „teorie elektronické vodivosti“).
Budeme uvažovat proud v kovových vodičích, který je vytvářen elektrony. Analogii lze nakreslit mezi elektrony ve vodiči a kapalinou ve vodním potrubí. (V počáteční fázi byla elektřina považována za speciální kapalinu.) Stejně jako voda neprotéká stěnami potrubí, nemohou elektrony opustit vodič, protože kladně nabitá jádra atomů je přitahují zpět. Elektrony se mohou pohybovat pouze uvnitř vodiče.
1.2 Vznik elektrického proudu.
Ale proud nevznikne jen ve vodiči. Je to jako nalít vodu do kusu trubky a utěsnit ji na obou koncích. Voda nikam nepoteče. V kusu vodiče se elektrony také nemohou pohybovat jedním směrem. Pokud se elektrony z nějakého důvodu přesunou doprava, pak se vlevo objeví nekompenzovaný kladný náboj, který je stáhne zpět. Proto mohou elektrony pouze přeskakovat z jednoho atomu na druhý a zpět. Ale pokud je trubka stočena do prstence, pak voda již může proudit podél trubky, pokud je nějak nucena se pohybovat. Stejně tak konce vodiče mohou být vzájemně spojeny a elektrony se mohou pohybovat podél vodiče, pokud jsou nuceny. Pokud jsou konce vodiče vzájemně spojeny, získá se uzavřený obvod. Stejnosměrný proud může téci pouze v uzavřeném okruhu. Pokud je obvod otevřený, neteče žádný proud. K tomu, aby voda protékala potrubím, se používá čerpadlo. V elektrickém obvodu bude roli čerpadla hrát baterie. Baterie protlačuje elektrony vodičem a tím vytváří elektrický proud. Vědecky se baterie nazývá generátor. To je to, co elektrotechnika nazývá čerpadlo pro vytváření elektrického proudu.
Existují dva typy generátorů – generátor napětí a generátor proudu.
To je ve skutečnosti základní věc, pozor! Viz obrázek níže
Obr. 1. Generátor napětí hodnoty U
Obr 2. Generátor proudu o velikosti I
Horní obrázek ukazuje napěťový generátor, spodní obrázek ukazuje generátor proudu. Čerpadlo generátoru napětí vytváří konstantní tlak, čerpadlo generátoru proudu vytváří konstantní průtok. Horní okruh je otevřený a spodní okruh je uzavřený. Zvažme, jaké vlastnosti má generátor napětí. Představme si následující řetězec
Obr. 3. Generátor napětí hodnoty U se zátěží R1
Z hlediska instalatérské analogie je generátor čerpadlo, které vytváří konstantní tlak, spínač SW1 je ventil, který otevírá potrubí, a odpor R1 je kohoutek, který je mírně otevřený. Tento blatník lze zakrýt – zvýší se odpor a sníží se průtok vody. Můžete jej více otevřít – odpor se sníží, průtok vody se zvýší. Vše se zdá být intuitivní. Nyní si představte, že kohoutek otevíráme stále více. Pak se bude průtok vody zvyšovat a zvyšovat. V tomto případě generátor napětí podle definice udržuje napětí (tlak) konstantní bez ohledu na průtok! Pokud se kohout otevře úplně a odpor se stane 0, pak se průtok rovná nekonečnu. V tomto případě bude generátor stále produkovat napětí rovné U! To vše se samozřejmě děje v ideálním modelu, kdy je výkon generátoru nekonečný. Skutečné generátory (baterie nebo akumulátory) tomuto modelu v určitém rozsahu napětí a proudů zhruba odpovídají.
Uvažujme nyní obvod s generátorem proudu.
Obr. 4. Generátor proudu o velikosti I se zátěží R2
Co dělá generátor proudu? Pohání proud! Je mu řečeno, aby poháněl proud o velikosti I, a on ho pohání bez ohledu na velikost odporu (jak je otevřený kohoutek). Kohoutek je plně otevřený – proud bude roven I. Napětí (tlak) se bude rovnat.
Pokud je kohoutek zcela uzavřen, proud bude stále roven I! Ale v tomto případě se napětí (tlak) bude rovnat nekonečnu. Opět v modelu.
Z těchto úvah intuitivně vyplývá základní zákon elektrotechniky – Ohmův zákon. („Od červené čáry. Podtržení“ (c))
2. Ohmův zákon.
Nejprve z pohledu generátoru napětí
Pokud je na odpor R přivedeno napětí U, pak odporem poteče proud
I = U/R Nyní z pohledu generátoru proudu
Pokud odporem R prochází proud I, dojde na odporu k poklesu napětí U=I*R
Nějak si musíte tento okamžik uvědomit. Tyto dvě formulace jsou zcela ekvivalentní a jejich použití závisí pouze na tom, který generátor je uvažován. Můžete samozřejmě napsat i R=U/I. Něco jako – pokud je na část obvodu přivedeno napětí U a touto částí prochází proud I, pak má obvod odpor R. Dále je dobré zvážit možnosti pro obvody s paralelním nebo sériovým zapojením rezistorů , ale není touha. To jsou čistě technické body. Něco jako
Obr. 5. Sériové zapojení rezistorů
Tímto obvodem sériově zapojených rezistorů R1 a R2 prochází proud o velikosti I. Jaký bude úbytek napětí na každém rezistoru U1 a U2?
Použijte Ohmův zákon a je to!
Tento obvod má mimochodem generátor proudu, protože vstupní proměnnou je zde proud. No, to znamená, že nemusí existovat samotný generátor proudu, jde pouze o to, že proud v obvodu je známý a je považován za konstantní a rovný I. Proto je to, jako by tento proud byl poháněn generátorem proudu.
Říkají také „úbytek napětí na rezistoru“, protože generátor „vyrábí“ napětí (tlak) a po každém rezistoru se napětí sníží, pokles na tomto rezistoru o hodnotu U=I*R.
I když stále zvážíme několik důležitých praktických případů.
1. Nejdůležitější schéma.
Nejdůležitějším obvodem, se kterým se bude muset elektronik neustále po celý život potýkat, je dělič napětí.
(„Od červené čáry. Podtržení“ (c))
3. Dělič napětí
Diagram vypadá takto:
Obrázek 6. Dělič napětí
Dělič napětí se skládá ze dvou rezistorů zapojených do série.
Mimochodem, rezistor je elektronická součástka (část), která poskytuje elektrický odpor určité hodnoty. Je to také (část) často nazývaná odpor. Ukazuje se to trochu jako tautologie – odpor má odpor R. Proto je pro díly lepší používat název odpor. Rezistor s odporem například 1 kiloohm.
Tak tady to je. Co tento okruh dělá? Dva sériové rezistory mají nějaký ekvivalentní odpor, říkejme tomu R12. Proud I prochází obvodem, z plusu generátoru do mínusu přes rezistor R1 a přes rezistor R2. V tomto případě napětí U1=I*R1 poklesne na rezistoru R1 a napětí U2=I*R2 klesne na rezistoru R2. Podle Ohmova zákona. Napětí U=U1+U2, jak je patrné z diagramu. Tedy U=I*R1+I*R2=I*(R1+R2).
To znamená, že ekvivalentní odpor sériově zapojených odporů se rovná součtu jejich odporů.
Výraz pro proud I=U/(R1+R2)
Nyní zjistíme, čemu se rovná napětí U2. U2=I*R2= U*R2/(R1+R2).
Příklad obrázku z internetu. Pokud jsou odpory stejné, pak se vstupní napětí Uвx rozdělí na polovinu.
Druhým důležitým případem je zohlednění výstupního odporu zdroje (generátoru) a vstupního odporu přijímače (obvodu, ke kterému je generátor připojen)
Obrázek 7. Výstupní impedance zdroje a vstupní impedance přijímače.
Ideální generátor napětí má nulový výstupní odpor, to znamená, že s nulovým odporem vnějšího obvodu bude hodnota proudu rovna nekonečnu ∝. Generátor skutečného napětí nemůže poskytnout nekonečný proud. Proto, když je vnější obvod uzavřen, proud v něm bude omezen vnitřním odporem generátoru, na obr. označeno písmenem r.
Mimochodem, správným způsobem testování AA baterií je měření proudu, který mohou dodat. To znamená, že tester nastaví limit na 10A, režim měření proudu a sondy se přiloží na kontakty baterie. Proud v oblasti 1A nebo více znamená, že je baterie čerstvá. Pokud je proud menší než 0.5A, můžete jej vyhodit. Nebo to zkuste na nástěnné hodiny, třeba to bude chvíli fungovat.
Pokud je výstupní odpor zdroje (vnitřní odpor r na obrázku) srovnatelný se vstupním odporem přijímače (R3 na obrázku), pak budou tyto odpory fungovat jako dělič napětí. V tomto případě přijímač nepřijme plné napětí zdroje U, ale U1=U*R3/(r+R3). Pokud je tento obvod určen k měření napětí U, pak bude ležet!
V následujících článcích je plánováno uvažovat o obvodech s kondenzátory a induktory.
Dále pak diody, tranzistory a operační zesilovače.
