Fyzika elektřiny je něco, s čím se musí vypořádat každý z nás. V článku se budeme zabývat základními pojmy s tím spojenými.
Co je elektřina? Pro nezasvěceného člověka je spojena se zábleskem blesku nebo s energií, která napájí televizi a pračku. Ví, že elektrické vlaky využívají elektrickou energii. Co ještě může říct? Elektrické vedení mu připomíná naši závislost na elektřině. Někdo může uvést několik dalších příkladů.
S elektřinou je však spojeno mnoho dalších, ne tak samozřejmých, ale každodenních jevů. Fyzika nás se všemi seznamuje. Elektřinu (úkoly, definice a vzorce) začínáme studovat ve škole. A dozvídáme se spoustu zajímavých věcí. Ukazuje se, že tlukoucí srdce, běžící sportovec, spící miminko a plavající ryba – ti všichni generují elektrickou energii.
Elektrony a protony
Pojďme definovat základní pojmy. Fyzika elektřiny je z pohledu vědce spojena s pohybem elektronů a dalších nabitých částic v různých látkách. Vědecké porozumění povaze jevu, který nás zajímá, proto závisí na úrovni znalostí o atomech a jejich subatomárních částicích. Malý elektron je klíčem k tomuto pochopení. Atomy jakékoli látky obsahují jeden nebo více elektronů, které se pohybují po různých drahách kolem jádra, stejně jako planety obíhají kolem Slunce. Obvykle se počet elektronů v atomu rovná počtu protonů v jádře. Nicméně protony, které jsou mnohem těžší než elektrony, lze považovat za fixované ve středu atomu. Tento extrémně zjednodušený model atomu stačí k vysvětlení základů takového jevu, jakým je fyzika elektřiny.
Co dalšího potřebujete vědět? Elektrony a protony mají stejný elektrický náboj (ale jiné znaménko), takže se k sobě přitahují. Náboj protonu je kladný a náboj elektronu záporný. Atom, který má více nebo méně elektronů než obvykle, se nazývá iont. Pokud jich v atomu není dostatek, pak se nazývá kladný iont. Pokud jich obsahuje přebytek, pak se nazývá záporný ion.
Když elektron opustí atom, získá kladný náboj. Elektron, zbavený svého protikladu - protonu, se buď přesune k jinému atomu, nebo se vrátí k tomu předchozímu.
Proč elektrony opouštějí atomy?
To je způsobeno několika důvody. Nejobecnější je, že vlivem pulsu světla nebo nějakého vnějšího elektronu může být elektron pohybující se v atomu vyražen z jeho oběžné dráhy. Teplo způsobuje, že atomy vibrují rychleji. To znamená, že elektrony mohou vyletět z jejich atomu. Při chemických reakcích se také pohybují z atomu naatom.
Dobrým příkladem vztahu mezi chemickou a elektrickou aktivitou jsou naše svaly. Jejich vlákna se stahují, když jsou vystavena elektrickému signálu z nervového systému. Elektrický proud stimuluje chemické reakce. Vedou ke svalové kontrakci. Externí elektrické signály se často používají k umělé stimulaci svalové aktivity.
Vodivost
V některých látkách se elektrony působením vnějšího elektrického pole pohybují volněji než v jiných. O takových látkách se říká, že mají dobrou vodivost. Říká se jim vodiče. Patří mezi ně většina kovů, zahřáté plyny a některé kapaliny. Vzduch, guma, olej, polyethylen a sklo jsou špatnými vodiči elektřiny. Říká se jim dielektrika a používají se k izolaci dobrých vodičů. Ideální izolanty (absolutně nevodivé) neexistují. Za určitých podmínek mohou být elektrony odstraněny z jakéhokoli atomu. Tyto podmínky je však obvykle tak obtížné splnit, že z praktického hlediska lze takové látky považovat za nevodivé.
Když se seznámíme s takovou vědou, jako je fyzika (část „Elektřina“), zjistíme, že existuje zvláštní skupina látek. Jedná se o polovodiče. Chovají se částečně jako dielektrika a částečně jako vodiče. Patří sem zejména: germanium, křemík, oxid měďnatý. Díky svým vlastnostem nachází polovodič mnoho aplikací. Může sloužit například jako elektrický ventil: jako ventilek pneumatiky jízdního kolaumožňuje nábojům pohybovat se pouze jedním směrem. Taková zařízení se nazývají usměrňovače. Používají se v miniaturních rádiích i ve velkých elektrárnách k přeměně AC na DC.
Teplo je chaotická forma pohybu molekul nebo atomů a teplota je měřítkem intenzity tohoto pohybu (u většiny kovů se s klesající teplotou pohyb elektronů stává volnějším). To znamená, že s klesající teplotou klesá odpor vůči volnému pohybu elektronů. Jinými slovy, vodivost kovů se zvyšuje.
Supravodivost
V některých látkách při velmi nízkých teplotách odpor vůči toku elektronů úplně mizí a elektrony, když se daly do pohybu, pokračují v něm neomezeně dlouho. Tento jev se nazývá supravodivost. Při teplotách několik stupňů nad absolutní nulou (-273 °C) je pozorován v kovech, jako je cín, olovo, hliník a niob.
Van de Graaffovy generátory
Školní osnovy zahrnují různé experimenty s elektřinou. Existuje mnoho typů generátorů, o jednom z nich bychom chtěli mluvit podrobněji. Van de Graaffův generátor se používá k výrobě ultravysokého napětí. Pokud je do nádoby umístěn předmět obsahující přebytek kladných iontů, objeví se elektrony na jejím vnitřním povrchu a stejný počet kladných iontů se objeví na vnějším povrchu. Pokud se nyní dotkneme vnitřního povrchu nabitým předmětem, pak k němu přejdou všechny volné elektrony. Navenekkladné poplatky zůstanou.
Ve Van de Graaffově generátoru jsou kladné ionty ze zdroje aplikovány na dopravní pás uvnitř kovové koule. Páska je spojena s vnitřní plochou koule pomocí vodiče ve formě hřebenu. Elektrony proudí dolů z vnitřního povrchu koule. Na jeho vnější straně se objevují kladné ionty. Efekt lze zvýšit použitím dvou generátorů.
Elektrický proud
Školní kurz fyziky zahrnuje také něco jako elektrický proud. Co je to? Elektrický proud je způsoben pohybem elektrických nábojů. Když je elektrická lampa připojená k baterii zapnutá, proud protéká vodičem z jednoho pólu baterie do lampy, poté přes její vlasy, což způsobí, že svítí, a zpět přes druhý vodič k druhému pólu baterie.. Pokud je spínač otočen, obvod se otevře - tok proudu se zastaví a lampa zhasne.
Pohyb elektronů
Proud je ve většině případů uspořádaný pohyb elektronů v kovu, který slouží jako vodič. Ve všech vodičích a některých dalších látkách vždy probíhá nějaký náhodný pohyb, i když neteče proud. Elektrony ve hmotě mohou být relativně volné nebo silně vázané. Dobré vodiče mají volné elektrony, které se mohou pohybovat. Ale ve špatných vodičích nebo izolátorech je většina těchto částic dostatečně pevně spojena s atomy, což brání jejich pohybu.
Někdy se pohyb elektronů v určitém směru vytváří přirozeně nebo uměle ve vodiči. Tento tok se nazývá elektrický proud. Měří se v ampérech (A). Jako nosiče proudu mohou sloužit i ionty (v plynech nebo roztocích) a „díry“(nedostatek elektronů v některých typech polovodičů), které se chovají jako kladně nabité nosiče elektrického proudu. K tomu, aby se elektrony pohybovaly jedním směrem, resp. jiné. V přírodě mohou být jeho zdroji: vystavení slunečnímu záření, magnetickým účinkům a chemickým reakcím. Některé z nich se používají k výrobě elektřiny. Obvykle pro tento účel jsou: generátor využívající magnetické efekty a článek (baterie), jehož působení je způsobeno k chemickým reakcím. Obě zařízení vytvářejí elektromotorickou sílu (EMF) a způsobují, že se elektrony obvodem pohybují jedním směrem. Hodnota EMF se měří ve voltech (V). Toto jsou základní jednotky elektřiny.
Velikost EMF a síla proudu jsou vzájemně propojeny, jako tlak a průtok v kapalině. Vodovodní potrubí se vždy plní vodou pod určitým tlakem, ale voda začne téct, až když je kohoutek zapnutý.
Podobně může být elektrický obvod připojen ke zdroji EMP, ale proud v něm nebude protékat, dokud nebude vytvořena dráha pro pohyb elektronů. Může to být řekněme elektrická lampa nebo vysavač, spínač zde hraje roli kohoutku, který „pustí“proud.
Vztah mezi aktuálním anapětí
S rostoucím napětím v obvodu roste i proud. Při studiu fyziky se dozvídáme, že elektrické obvody se skládají z několika různých částí: obvykle spínač, vodiče a zařízení, které spotřebovává elektřinu. Všechny, spojené dohromady, vytvářejí odpor vůči elektrickému proudu, který se (za předpokladu konstantní teploty) pro tyto komponenty s časem nemění, ale je pro každou z nich jiný. Pokud se tedy na žárovku a na žehličku přivede stejné napětí, pak se tok elektronů v každém ze zařízení bude lišit, protože jejich odpory jsou různé. Síla proudu procházejícího určitým úsekem obvodu je tedy určena nejen napětím, ale také odporem vodičů a zařízení.
Ohmův zákon
Hodnota elektrického odporu se ve vědě, jako je fyzika, měří v ohmech (Ohm). Elektřina (vzorce, definice, experimenty) je rozsáhlé téma. Nebudeme odvozovat složité vzorce. Pro první seznámení s tématem stačí to, co bylo řečeno výše. Jeden vzorec však přesto stojí za to odvodit. Je celkem nekomplikovaná. Pro jakýkoli vodič nebo systém vodičů a zařízení je vztah mezi napětím, proudem a odporem dán vzorcem: napětí=proud x odpor. Toto je matematické vyjádření Ohmova zákona, pojmenovaného po Georgi Ohmovi (1787-1854), který jako první stanovil vztah mezi těmito třemi parametry.
Fyzika elektřiny je velmi zajímavým vědním oborem. Zvažovali jsme pouze základní pojmy, které jsou s tím spojené. Věděl jsiCo je elektřina a jak se vyrábí? Doufáme, že pro vás budou tyto informace užitečné.
