Co je elektrický proud?

V této sérii článků se pokusím vysvětlit základy elektrotechniky.

Hlavní pozornost bude věnována fyzice procesů bez systematické prezentace.

1. Co je elektrický proud.

„Hlavní inženýr otočil vypínačem a elektrický proud procházel dráty rychleji a rychleji“ (c)

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, nosiči jsou 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 informací hledejte „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.

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 pak mohou pohybovat podél vodiče, pokud jsou nuceny. Pokud jsou konce vodiče navzájem spojeny, získá se uzavřený obvod. Stejnosměrný proud může téci pouze v uzavřeném okruhu. Pokud je obvod otevřený, neteče žádný proud. K tomu, aby voda proudila 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). Pokud je kohout plně otevřený, bude proud roven I. Napětí (tlak) bude stejné.

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 by bylo dobré zvážit možnosti pro obvody s paralelním nebo sériovým zapojením odpory, ale je zde neochota. 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.

Nejdůležitějším obvodem, kterým se bude elektronik neustále po celý život zabývat, je dělič napětí.

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.

Elektrický proud — řízený pohyb nabitých částic v elektrickém poli.

Nabité částice mohou být elektrony nebo ionty (nabité atomy).

Atom, který ztratil jeden nebo více elektronů, získává kladný náboj. — Anion (kladný iont).
Atom, který získal jeden nebo více elektronů, získává záporný náboj. — Kation (záporný iont).
Ionty jsou považovány za pohyblivé nabité částice v kapalinách a plynech.

V kovech jsou nosiče náboje volné elektrony, jako záporně nabité částice.

U polovodičů je uvažován pohyb (pohyb) negativně nabitých elektronů od jednoho atomu k druhému a v důsledku toho pohyb mezi atomy vzniklých kladně nabitých vakancí – děr.

Pro směr elektrického proudu směr pohybu kladných nábojů je konvenčně přijímán. Toto pravidlo bylo zavedeno dávno před studiem elektronu a zůstává platné dodnes. Síla elektrického pole je také určena pro kladný zkušební náboj.

Na každé jedno nabití q v elektrickém poli intenzity E silové akty F = qE, který pohybuje nábojem ve směru vektoru této síly.

Obrázek ukazuje, že vektor síly F_– = -qE, působící na záporný náboj -q, směřuje ve směru opačném k vektoru intenzity pole jako součin vektoru E na zápornou hodnotu. V důsledku toho mají záporně nabité elektrony, které jsou nosiči náboje v kovových vodičích, ve skutečnosti směr pohybu opačný k vektoru intenzity pole a obecně akceptovanému směru elektrického proudu.

Částka poplatku Q = 1 Coulomb se pohyboval v čase průřezem vodiče t = 1 sekunda, určena aktuální hodnotou I = 1 ampér z poměru:

Aktuální poměr I = 1 ampér ve vodiči k jeho průřezu S = 1 m 2 určí proudovou hustotu j = 1 A/m2:

Práce A = 1 Joule vynaložený na přepravu náboje Q = 1 Coulomb z bodu 1 do bodu 2 určí hodnotu elektrického napětí U = 1 volt jako rozdíl potenciálu φ₁ и φ₂ mezi těmito body z výpočtu:

U = A/Q = φ₁ – φ₂

Elektrický proud může být stejnosměrný nebo střídavý.

Stejnosměrný proud je elektrický proud, jehož směr a velikost se v čase nemění.

Střídavý proud je elektrický proud, jehož velikost a směr se v čase mění.

Již v roce 1826 objevil německý fyzik Georg Ohm důležitý zákon elektřiny, který určuje kvantitativní vztah mezi elektrickým proudem a vlastnostmi vodiče, charakterizující jejich schopnost odolávat elektrickému proudu.
Tyto vlastnosti se následně začaly nazývat elektrický odpor, označovaný písmenem R a měřeno v Ohmech na počest objevitele.
Ohmův zákon ve své moderní interpretaci pomocí klasického poměru U/R určuje množství elektrického proudu ve vodiči na základě napětí U na koncích tohoto vodiče a jeho odporu R:

Elektrický proud ve vodičích

Vodiče obsahují volné nosiče náboje, které se vlivem elektrického pole pohybují a vytvářejí elektrický proud.

V kovových vodičích jsou nosiči náboje volné elektrony.
S rostoucí teplotou chaotický tepelný pohyb atomů interferuje se směrovým pohybem elektronů a zvyšuje se odpor vodiče.
Když se ochladí a teplota se blíží absolutní nule, když se tepelný pohyb zastaví, odpor kovu má tendenci k nule.

Elektrický proud v kapalinách (elektrolytech) existuje jako řízený pohyb nabitých atomů (iontů), které vznikají v procesu elektrolytické disociace.
Ionty se pohybují směrem k elektrodám opačného znaménka a jsou neutralizovány a usazují se na nich. — Elektrolýza.
Anionty jsou kladné ionty. Přesouvají se k záporné elektrodě – katodě.
Kationty jsou záporné ionty. Přesouvají se ke kladné elektrodě – anodě.
Faradayovy zákony elektrolýzy určují hmotnost látky uvolněné na elektrodách.
Při zahřívání se odpor elektrolytu snižuje v důsledku zvýšení počtu molekul rozložených na ionty.

Elektrický proud v plynech – plazma. Elektrický náboj nesou kladné nebo záporné ionty a volné elektrony, které vznikají vlivem záření.

Ve vakuu je elektrický proud jako tok elektronů od katody k anodě. Používá se v zařízeních s elektronovým paprskem – lampy.

Elektrický proud v polovodičích

Polovodiče zaujímají střední polohu mezi vodiči a dielektriky z hlediska jejich měrného odporu.
Za významný rozdíl mezi polovodiči a kovy lze považovat závislost jejich měrného odporu na teplotě.
S klesající teplotou odpor kovů klesá, u polovodičů naopak roste.
Jak se teplota blíží absolutní nule, kovy mají tendenci se stávat supravodiče a polovodiče – izolanty.
Faktem je, že v absolutní nule budou elektrony v polovodičích zaneprázdněny vytvářením kovalentních vazeb mezi atomy krystalové mřížky a v ideálním případě nebudou žádné volné elektrony.
Jak teplota stoupá, některé z valenčních elektronů mohou přijmout energii dostatečnou k přerušení kovalentních vazeb a v krystalu se objeví volné elektrony a v místech zlomu se vytvoří volná místa, která se nazývají díry.
Uvolněné místo může obsadit valenční elektron ze sousedního páru a díra se přesune na nové místo v krystalu.
Když se volný elektron setká s dírou, obnoví se elektronová vazba mezi atomy polovodiče a dojde k opačnému procesu – rekombinaci.
Páry elektron-díra se mohou objevit a rekombinovat, když je polovodič osvětlen v důsledku energie elektromagnetického záření.
V nepřítomnosti elektrického pole se elektrony a díry účastní chaotického tepelného pohybu.
Na elektrickém poli se při uspořádaném pohybu podílejí nejen vzniklé volné elektrony, ale i díry, které jsou považovány za kladně nabité částice. Proud I v polovodiči se skládá z elektronu I_n a díra I_p proudy

Mezi polovodiče patří chemické prvky jako germanium, křemík, selen, telur, arsen atd. Nejběžnějším polovodičem v přírodě je křemík.

Komentáře a návrhy jsou přijímány a vítány!