16. Elektrický prúd v kovoch

16. Elektrický prúd v kovoch

• elektrický prúd ako fyzikálny jav – usporiadaný pohyb voľných častíc s elektrickým nábojom (voľných elektrónov)
• podmienky vzniku elektrického prúdu sú – prítomnosť voľných elektrónov

- trvale udržiavané elektrické pole

• smer elektrického prúdu bol stanovený dohodou ako smer pohybu kladných častíc ( od plus k mínus)
• jednosmerný elektrický prúd bol je taký, ktorého smer sa nemení
• striedavý elektrický prúd je taký, ktorého smer sa pravidelne mení
• pri prechode elektrického prúdu kovom sa tento zohrieva

• elektrický prúd ako fyzikálna veličina – elektrický prúd udáva náboj, ktorý prejde prierezom vodiča za jednotku času

I = ΔQ / Δt [I] = A

• konštantný prúd – prúd, ktorého hodnota sa s časom nemení (za rovnaké časové intervaly prejde prierezom vodiča vždy rovnaký náboj)
• prúd meriame ampérmetrom a sériovo

• zdroj elektrického napätia – zariadenie medzi pólmi, ktorého je trvale udržiavané elektrické napätie pôsobením neelektrostatických síl

- póly vyvedené na povrch zdroja a upravené na pripojenie vodiča sa volajú svorky zdroja

• 
  v obvode sa voľné elektróny pohybujú vplyvom elektrostatických síl zo zápornej na kladnú svorku zdroja
• aby sa náboje na póloch zdroja neminuli vo vnútri zdroja musia pôsobiť neelektrostatické sily v dôsledku, ktorého sa náboj na póloch obnoví (prevládajú nad elektrostatickými)
• druhy neelektrostatických síl :

1) elektrochemický zdroj – chemická reakcia elektród a elektrolytu (akumulátor,galvanické články)

2) elektrodynamický zdroj – pohybom vodiča v magnetickom poli (dynamo, alternátor)

3) mechanický zdroj – trenie pásu a jeho pohyb

4) fotoelektrický zdroj – pôsobením svetla s elektrónmi v kovoch (fotočlánok)

5) termoelektrický zdroj – teplotný rozdiel medzi ohrievaným spojom a voľnými koncami

• jednou zo základných charakteristík každého zdroja je elektromotorické napätie zdroja – charakterizuje prácu vykonanú neelektrostatickými silami vo vnútri zdroja pri prenesení jednotkového náboja

U _e = W _z / Q

• napätie, ktoré nameriame v obvode sa nazýva svorkové napätie – charakterizuje prácu, ktorú vykonávajú elektrostatické sily v obvode pri prenesení jednotkového náboja
• svorkovéje vždy menšie ako elektromotorické, lebo elektrostatické sily vykonajú menšiu prácu ako neelektrostatické
• elektromotorické a svorkové sa rovnajú len v prípade, že zdroj nie je zaťažený

• Ohmov zákon pre časť obvodu – platí pre ktorúkoľvek časť obvodu okrem zdroja

• elektrický prúd v kovovom vodiči je priamo úmerný elektrickému napätiu medzi koncami vodiča

U / I = R => konšt. I = G . U [G] = S => Siemens

• G – vodivosťou

• Ohmov zákon pre uzavretý obvod – uzavretý obvod má dve časti a to :

1) vonkajšiu časť, ktorá je charakterizovaná odporom R (vodiče, spotrebiče, merače)

2) vnútorná časť, ktorá je charakterizovaná vnútorným odporom R _i

• elektrický zdroj dodáva do uzavretého obvodu energiu

E _z = E + E _i

• elektromotorické napätie zdroja sa rovná súčtu napätí na vonkajšej a vnútornej časti obvodu

I = U _e / ( R + R _i )

• prúd v uzavretom obvode sa rovná podielu elektromotorického napätia zdroja a celkového odporu vonkajšej a vnútornej časti obvodu
• prúd v obvode závisí odvlastnosti zdroja (U _e a R _i ) a od vlastnosti obvodu ( R )

U = U _e – R _i . I

• elektrický odpor – charakteristika vodiča, nezávisí od prúdu prechádzajúceho vodičom a od napätia na koncoch vodiča
• závisí od : geometrických rozmerov vodiča, merného elektrického odporu vodiča a od teploty vodiča

R = ƍ . l / S R = R ₀ . (1 + α . Δ t ) [R] = Ω => Ohm

• jednotkou merného elektrického odporu je Ohmmeter
• merná elektrická vodivosť – prevrátená hodnota merného elektrického odporu

γ = 1 / ƍ [γ] = S / m

• súčiastky, ktoré majú stály elektrický odpor sa volajú rezistory
• súčiastky s meniteľným odporom sú reostaty
• pri výbere vhodného rezistora používame voltampérovu charakteristiku vodiča
• 
  čím strmší je graf, tým má vodič väčšiu vodivosť a menší odpor

• rezistory môžeme spájať – 1) sériovo

2) paralelne

• 
  Kirchhoffove zákony – rozvetvené elektrické obvody sú tvorené viacerými zdrojmi, rezistormi a spotrebičmi => elektrické siete
• sú zovšeobecnením Ohmových zákonov pre rozvetvené elektrické obvody
• vetva – časť elektrického obvodu medzi dvomi uzlami
• uzol – miesto v elektrickom obvode kde sa stretnú aspoň tri vodiče

• algebraický súčet prúdov v uzle sa rovná nule, prúdy ktoré do uzla vstupujú sú kladné a tie čo vystupujú sú záporné, vyjadrujú zákon zachovania náboja ( náboj sa nemôže nikde v obvode hromadiť)

• v jednoduchej časti elektrickej siete sa súčet elektromotorických napätí zdrojovrovná súčtu úbytkov napätí na rezistoroch

• majú praktické využitie – zväčšenie rozsahu ampérmetra alebo voltmetra
• rozsah ampérmetra zväčšíme tak, že k nemu paralelne pripojíme bočník s odporom

R _b = R _A / n – 1

• rozsah voltmetra zväčšíme tak, že k nemu sériovo pripojíme predradný rezistor s odporom

R p = (n – 1) . R _V

• práca a výkon v obvode s konštantným prúdom – pri prenose častíc s nábojom vo vonkajšej časti obvodu sa koná práca

W = U . I . t

• výkon tejto vonkajšej časti je potom – P = R . I ²
• pri premiestnení častíc s nábojom vo vnútri zdroja sa koná práca – W _z = U _e . I . t
• vnútorná časť obvodu má potom výkon – P _z = U _e² / R + R _i
• účinnosť zdroja – veličina charakterizujúca akú časť práce zdroja spotrebič využije

η = R / R + R _i - v percentách