1

Téma: Úplné začátky

Pro mnohé lidi je elektřina něco, s čím se denně setkávají, ale představu jak to vlastně funguje nemají žádnou. Je to dáno tím, že našimy smysly elektřinu dokážeme vnímat pouze nepříjemným pocitem při kontaktu s vyšším napětím. Ve fyzikálním principu jsu to částice hmoty, které nesou elektrický náboj. Takových částic je v našem hmotném prostředí obrovské množství, ale elektřina to není, pro vznik elektřiny je potřeba vyrobit jakousi nerovnováhu, polarizaci. V tom fyzikálním modelu je to velice složité a málo představitelné. Naštěstí lze tyto základy demonstrovat na vodním modelu.
  Snad ksždý zná jako zdroj elektřiny obyčejnou baterii. Jasně, ale jsou různé typy: malé, velké, do mobilu, do auta, do mp3.... Tyto zdroje se liší nejenom rozměrem, ale také svými elektrickými parametry. Hlavním parametrem je napětí, které je udáváno ve voltech. Jednotkou je Volt, značka [V]. Co si pod pojmem napětí představit? Je to laicky řečeno elektrický tlak, porovnatelný na vodním modelu s tlakem vody. Každý s trochou znalostí základní fyziky si dokáže představit, že čím má voda větší tlak tím má jakousi větší snahu opustit prostředí v němž je stlačena. Platí to i u elektřiny, čím větší napětí (víc voltů) tím ochotněji elektřina prochází různými látkami (kovy, plyny, kapaliny, ale také třeba plasty) ze svého zdroje, kde je akumulovaná (stlačena). Definujme tedy ten vodní model. Řekněme, že 1 volt odpovídá 1 dm (10 cm) vodního sloupce.

2

Re: Úplné začátky

Takže, čím vyšší vodní sloupec, tím vyšší napětí analogicky. Představme si 2 odměrné válce, jeden 15 cm nysoký a druhý 120 cm vysoký. Každý z nich nám dle modelu, který jsme stanovili v předchozím příspěvku představuje jakýsi zdroj napětí (tlaku), ten menší odpovídá 1,5 V a ten druhý 12 V napětí. Nyní si představme, že do obou válců u dna vyvrtáme malou dírku stejného průměru, aby mohla voda vytékat. A uvidíme, že z vysokého válce bude voda vytékat s daleko větší energií, než z toho malého. Je to dáno hydrostatickým tlakem vody, který je dán přesně rozdílem vzdálenosti otvoru od hladiny. Pokud si to někdo nedokáže představit, může si udělat jednoduchý pokus dle tohoto obrázku. Samozřejmě, že petka musí být bez uzávěru nahoře.
http://files.zs-fyzika.webnode.cz/200000013-b5131b60d8/hydrotlak2.jpg

3

Re: Úplné začátky

Z předchozího je vidět, že dírkama umístěnýma v různé vzdálenosti od hladiny teče stejnými dírkami různý proud vody. Dírky zde reprezentují jakýsi odpor, který brání vytékání vody z válců, nebo láhve. Kdyby tam nebyl odpor, voda by vytekla z válce během jediného okamžiku, ale protože určitý odpor vykazuje voda vtéká stálým proudem (pokud bychom tedy doléváním udržovali stálou hladinu vody ve válci). Odpor pro vytékání vody z válce je dán zejména průměrem otvoru, uděláme li otvor větší, vyteče z válce více vody za určitý čas. Tady se nabízí pěkná rýmovačka, čím větší otvor, tím menší odpor. Ještě pro pozdější analogii s elektřinou, si představme, že k otvotu přilepíme hadičku, s vnitřním průměrem stejmým, jako má otvor ve válci, dlouhou řekněme 1 metr. Změříme-li nějakým způsobem průtok a potom hadičku zkrátíme na polovinu, zjistíme, že průtok se zvýšil. Z čehoš vyplývá, že čím je hadička delší a má menší vnitřní průřez, tím klade vodě větší odpor při proudění. A nyní se vraťme k elektrice, zde si hadičky nahradíme vodiči, dráty. Z elektrického hlediska se materiály dělí na vodiče a nevodiče (také polovodiče, ale o těch až později). Liší se právě schopností vést elektrický proud, vodiče vedou proud docela dobře a nevodiče (též izolanty) které vedou velice špatně. Analogicky si můžeme představit izolant jako třeba zamrzlou hadičku ledem, nebo prostě hadičku "bez díry" plyný pryžový váleček. Naopak vodiče, zejména kovy lze přirovnat k hadicím s různou délkou a průžezem. Navíč řekněme s jakousi, pevně přichycenou vláknitou strukturou s různou porézností uvnitř hadice. Pro představu, třeba různě zmačkaná dřevitá vata. Potom vychází, že trubka, nebo hadice, čím je delší, má menší vnitřní průřez a čím je víc "ucpaná" třeba tou dřevitou vatou, tak má větší odpor pro protékající vodu. Stejně tak je tomu u vodičů. Dřevitá vata z vodního modelu se zde nazývá měrný odpor. Je to veličina specifická pro každý materiál. Čím má, jaký který materiál menší měrný odpor (čím je méně ucpaný jakousi brzdnou látkou), tím lépe vede elektrický proud. A znovu zhrnutí, čím je drát (vodič) delší, má menší průřez a větší měrný odpor, tím větší vykazuje celkový odpor vodiče. A samozřejmě obráceně, čím kratší, větší průřez a menší měrný odpor, tím menší celkový odpor a tím lepší vedení elektrického proudu.

4

Re: Úplné začátky

V předchozím, se stále objevuje nějaký proud, co si pod tím představit. Zase nám asi nejlíp poslouží vodní analogie. Vodní proud, zde spíše nazývaný průtok, je definovaný množstvím vody za jednotku času. V základních jednotkách tedy litr za vteřinu. Z praxe určitě znáte i další, u řek se udávají kubíky za vteřinu, u čerpadel litry za minutu atd. Prostě jednotky odvozené a přizpůsobené konkrétní praxi. Každopádně čím větší množství vody za kratší časový úsek tím je ten proud silnější, mohutnější. V malé říčce protéká řekněme 0.5 m3 za vteřinu, kdežto při povodních protékalo Vltavou třeba 700 m3 za vteřinu. Stejně tak je tomu s elektřinou, s tím že množství je zde dáno tzv. nábojem a jeho velikost je dána součtem všech elementárních nábojů zůčastněných částic, tedy elektronů. Zní to jaksi moc vědecky. Ten náboj si můžeme představit jako množství vody v tom odměrném válci. Když uděláme dole zase nějakou dírku, tak voda bude postupně vytékat. Zpočátku tychleji a s klesající hladinou se bude zmenšovat výstupní proud, až nakonec při vyprázdnění válce přestane téci úplně. Matematicky např. zpočátku bude voda vytékat "rychlostí" 10 ml (mililitrů) za vteřinu, bude li ve válci jen poloviční výška hladiny poteče řekněme 5 ml za vteřinu na konci 0 ml za vteřinu. A to je ten proud. V elekrice se to množství, ten náboj, značí Q a jeho jednotka je  C [kulomb] .  Jeden C za vteřinu je jeden ampér a to je ten proud.  Prostě čím víc náboje za kratší čas, tím větší proud. Příklad: vodičm prochází proud 2A. Jaký náboj prošel vodičem za 1 minutu? Výpočet velice snadný: 2A x 60 sekund = 120 C

5

Re: Úplné začátky

Víme co je napětí, odpor a proud. Už z vodní analogie víme, že tyto veličiny spolu velice úzce souvisí. Ve vodní analogii, jsme vodu z válce vypouštěli ven, do prostoru. Správně by se voda měla, z důvodu podobnosti s elektřinou, vracet do druhé nádoby, řekněme odpadní. Sloučíme li obě nádoby do jednoho celku dostaneme model elektrického zdroje. jedna nádoba plná, druhá prázdná. Až všechna voda přeteče přes spotřebič do druhé nádoby je zdroj (třeba baterie) vybitý. Z toho plyne nutnost připojit spotřebič dvěma přívody, teda jeden přívod a drhý odvod vody. V elektrice je to naprostou nutností, má-li procházet spotřebičem proud, musí být okruh takzvaně uzavřený. V předchozím jsme mluvili o odporu, jako o vlastnosti vodičů, nyní si musíme uvědomit, že odpor může znamenat i konkrétní elektronickou součástku. Kterou lze vyrobit, třeba tak, že vezmeme dlouhý tenký drát s velkým měrným odporem a namotáme ho třeba na keramickou trubičku. Vznikne nám jakýsi váleček se dvěma vývody.
http://zozei.sssebrno.cz/userdata/imagelibrary/upload/dratovy-odpor.jpg

6

Re: Úplné začátky

Když nyní, dvěma dráty připojíme k odporu na obrázku nahoře třeba tužkovou baterii začne z baterie procházet proud z jednoho pólu přes odpor do druhého pólu baterie. A bude procházet tak dlouho dokud obvod zase nerozpojíme, nebo dokud se nevyrovnají náboje na obou pólech baterie (baterie se vybije). A teď se ptáme, jak velký proud protékal tímto odporem? Na to přišel pan Ohm a definoval ohmův zákon. Ten lze vyjářit nejlépe matematickou pomůckou ve tvaru trojůhelníku.
http://referaty.chytrak.cz/uceni/fyzika/ohm.JPG
Jak se takový trojúhelník používá? Velice jednoduše, prostě zakryjte veličinu, kterou chcete vypočítat. V našem případě chceme znát proud I, takže vyjde U / R, to znamená napětí děleno odporem. V našem případě 1.5 / 0.4 = 3.37 A
  To je docela velký proud a i kvalitní alkalická baterka by se do půlhodiny úplně vybila. No ale kam se poděla ta elektrika, půl hodiny tekl velký proud, nic nebylo vidět ani slyšet.... , bylo by cítit a sice teplo, které by sálalo z odporu. Dle zákona o zachování energie, se náboj ukrytý v baterii přeměnil na teplo. Takovýto pokus ani nedělejte, jednak by jste se mohli popálit a jednak škoda dvacetikoruny za baterku, která mohla třeba celý rok napájet hodiny u vás doma.

7

Re: Úplné začátky

Pro odlehčení tématu, jeden obrázek
http://elektrotest.cz/files/images/elektro/ohmuv_zakon_pro_laiky.png