ELEKTŘINA A MAGNETISMUS

Transkript

FYZIKA – pracovní sešit pro ekonomické lyceum
Jiří Hlaváček, OA a VOŠ Příbram, 2015
1
ELEKTRICKÝ NÁBOJ A ELEKTRICKÉ POLE
Již před naším letopočtem bylo známo, že třený jantar k sobě přitahoval drobná tělíska.
Podobný jev pozorujeme při česání vlasů, tření svetru o vlasy, tření podrážek o podlahu, tření papíru o
umělou podložku, tření umělého prádla o tělo. Při tření hrotu o gramofonovou desku přitahuje deska
snadno prach a hrot bývá pak prachem obalen.
Tyto a podobné jevy se nazývají elektrické.
Pokus 1
Třená novodurová tyč přitahuje papírky.
Pokus 2
Třená fólie z umělé hmoty vytáhne z nádoby papírové hady.
Pokus 3
Třená novodurová tyč vychýlí dlouhý smeták, který je podepřen v těžišti.
Pokus 4
Třená novodurová tyč také přitahuje tenký vodní pramínek.
Jsou-li elektrické jevy výraznější, všimneme si přeskakujících jisker a praskání:
Pokus 5
Pokus 6
Kromě přitažlivých sil ukážeme i existenci sil odpudivých:
Nabijeme van de Graaffův generátor a všimneme si, že se jeho kyvadélka odpuzují.
Nabijeme van de Graaffův generátor a ke kyvadélkům se přiblížíme
a) třenou novodurovou tyčí – kyvadélka se k tyči přitáhnou,
b) třenou skleněnou tyčí – kyvadélka se od tyče odpuzují.
Závěr:
Na tělesech vznikají třením elektrické náboje dvou druhů „+“ a „ - “.
Stejnojmenné náboje se odpuzují, nestejnojmenné náboje se přitahují.
Zavádíme veličinu Q – elektrický náboj.
[Q] = C – coulomb (kulomb) – viz str. 48
(Charles de Coulomb (1736 – 1806) – francouzský fyzik. Používají se mC, C.)
Výklad: Při tření přejdou elektrony z atomů jednoho tělesa (to se nabíjí kladně) na druhé
těleso, které se nabíjí záporně. Elektron při tom nese nejmenší – tzv. elementární elektrický
náboj Qe = 1,6.10-19C. Stejnou velikost má i náboj protonu v jádře atomu.
Cvičení 1
Cvičení 2
Cvičení 3
Cvičení 4
Z kolika elementárním nábojů se skládá náboj 1 C?
Výpočet:
Proč jsou někdy u aut a letadel vybíječe?
(obrázek)
Jak funguje bleskosvod?
(obrázek)
Proč hrozí při práci na strojích s řemenicemi vtažení vlasů do stroje?
------------------------------------------Jméno studenta:
2
Zapište do řádek odpovědi na otázky z učebnice str. 50:
otázka 1___________________________________________________________________________
otázka 2___________________________________________________________________________
Obrázek:
Elektrostatický odlučovač popílku, kopírovací zařízení.
Coulombův zákon, intenzita elektrického pole, elektrické siločáry
Mezi dvěma bodovými tělesy ve vzdálenosti r s náboji Q1, Q2 působí přitažlivé síly
o velikosti F:(v případě stejnojmenných nábojů jsou síly odpudivé)
F
Q1 Q 2
r2
k
(str. 51)
přičemž ve vakuu má konstanta k hodnotu přibližně 9.109 j. SI, v jiném prostředí je tato konstanta
(i síla) tolikrát menší, kolik udává tzv. relativní permitivita r (viz tabulky).
Zákon je analogický gravitačnímu zákonu
F
κ
m1 m 2
r2
, ale tam jsou jen síly přitažlivé a mnohem menší ( = 6,7.10-11j. SI)
str.52 cv.1 (1/21)
str.52 cv.2 (2/21)
Elektrické pole, intenzita elektrického pole
Kolem nabitého tělesa je elektrické pole, které působí na jiná nabitá tělesa silou – podobně
jako gravitační pole působilo na jiná tělesa silou.
Elektrické pole se dá (podobně jako gravitační pole) znázornit siločárami a ty mají směr síly,
která působí na kladný náboj umístěný do elektrického pole. (str. 54, 55)
Touto silou je definována veličina E – intenzita elektrického pole
E
F
,
Q
ať je přinesený náboj Q jakkoliv veliký. [E] = N.C-1
str.55 cv.1 (1/23)
str.55 cv.2 (2/23)
Elektrické pole, elektrické napětí
Řekli jsme, že elektrické náboje působí na sebe silami na dálku a kolem nich je elektrické
pole. Toto elektrické pole je zvláštní formou hmoty, má energii a může proto konat práci např.
tím, že zapůsobí silou na nějaké další nabité částice a uvede je do pohybu.
Pomocí práce W, která se vykoná při přenesení náboje 1C z bodu A do bodu B elektrického
pole, určujeme elektrické napětí UAB mezi body A, B tohoto pole.
------------------------------------------Jméno studenta:
Podílem U AB
3
W
definujeme pak elektrické napětí přepočtením vykonané práce na 1C,
Q
ať je přenášený náboj Q jakýkoliv. [U] = J.C-1 = V (volt)
Alessandro Volta (1745 – 1827) – italský fyzik. Používají se V, mV, kV, MV.
Jak v případě intenzity elektrického pole, tak v případě elektrického napětí používáme
v definicích pomocný náboj Q, na který pole působí. Těleso s tímto nábojem vystupuje tedy v roli
měřicího zařízení.
Často se body A, B označují ještě znaménky + a – .
Např. označení
A+
B–
by znamenalo, že by elektrické pole přenášelo kladný náboj
z bodu A do bodu B a tím by konalo práci (UAB > 0). Naopak při přenesení kladného náboje z B do A
bychom práci museli konat „my“ (UBA < 0).
K měření elektrického napětí používáme voltmetry (založené na průchodu el.
proudu) nebo elektrometry (založené na odpuzování elektrických nábojů).
Příklady elektrických polí s odhadem velikosti elektrických napětí:
Cvičení 1
4
Mezi dvěma nabitými deskami vzniklo homogenní elektrické pole (na určitý elektrický
náboj by působila ve všech místech pole stejná síla).
Porovnejte UAB, UBC, UAC.
Cvičení 2
V okolí nabité koule vzniká tzv. radiální elektrické pole (ve větší vzdálenosti působí na
náboj menší síla).
Porovnejte UAB, UBC, UAC.
Cvičení 3
Vypočtěte elektrické napětí mezi body elektrického pole, jestliže se při přesunutí
náboje 5 C z jednoho bodu do druhého vykoná práce 0,25 J.
Výpočet:
Cvičení 4
Jak velká práce se vykoná při přesunutí náboje 1 C mezi místy elektrického pole
s napětím 300 kV?
Výpočet:
Vodiče, izolanty, kondenzátor
Pokus s kovovou a novodurovou tyčí a dvěma elektroskopy:
Přítomnost elektrických nábojů ukazují elektroskopy (elektrometry).
Přes kovovou tyč náboj na pravý elektroskop přešel, přes novodurovou tyč náboj nepřešel.
------------------------------------------Jméno studenta:
5
Ve vodičích se elektrické náboje mohou volně pohybovat.
Příklady vodičů jsou kovy, grafit, roztoky kyselin, solí, zásad.
V nevodičích (izolantech) se elektrické náboje nemohou volně pohybovat.
Příklady izolantů jsou papír, sklo, porcelán, guma, slída, plastické hmoty, suchý vzduch.
Na každém vodiči se mohou hromadit elektrické náboje. Zvláště mnoho nábojů mohou
pojmout kondenzátory. Jsou to v podstatě dvě vodivé desky oddělené izolantem. Nabíjíme-li
jednu z desek, druhá, uzemněná (nebo spojená s jiným velkým vodičem, např. s kostrou
přístroje) se nabije opačným nábojem.(Tento jev se nazývá elektrostatická indukce).
Příklady kondenzátorů: Leydenská láhev, svitkový kondenzátor, elektrolytický,
vzduchový otočný, slídový, keramický aj. (str. 63)
Kondenzátory mají velmi široké využití v elektronických zařízeních.
Veličina C – kapacita popisuje, jak velký náboj kondenzátor pojme, je-li mezi jeho deskami
napětí 1 V:
C
Q
U
[C] = F (farad)
Jednotka je pojmenována po slavném anglickém fyzikovi a chemikovi Michaelu Faradayovi ( 1791 – 1867). V praxi se
používají především díly F, nF, pF.
str.64 cv.1 (1/29)
str.64 cv.2 (2/29)
S velikostí desek kapacita kondenzátoru roste, se vzdáleností desek klesá. Kvalitnější izolant
mezi deskami zvětší hodnotou kapacity kondenzátoru.
Vložíme-li do kondenzátoru, mezi jehož deskami je vakuum (nebo vzduch) izolant s relativní
permitivitou r, zvětší se kapacita kondenzátoru r-krát.
Na kondenzátoru je napsána kapacita a napětí, na které lze nejvýše kondenzátor nabít (jinak
hrozí proražení izolantu). Rozměry kondenzátorů závisí na kapacitě, ale zejména na tomto napětí.
Elektrostatická indukce – vodič v elektrickém poli
nakreslete obrázek před a po elektrostatické indukci:
Polarizace izolantu – izolant v elektrickém poli (str. 60)
nakreslete obrázek před a po polarizaci:
------------------------------------------Jméno studenta:
6
Souhrnná cvičení z oddílu elektrický náboj a elektrické pole
a) Vysvětlete funkci elektroskopu a elektrometru.
b) Proč se nedá třením zelektrovat hřebík, který držíme v ruce?
c) Nabijeme-li plnou mosaznou kouli, rozmístí se náboje rovnoměrně po jejím povrchu.
Uvnitř náboje nebudou. Vysvětlete.
d) Náboje se soustřeďují na hrotech a hranách vodičů. Proč?
e) Mezi každými dvěma body nabitého kovového tělesa je nulové napětí. Proč?
f) Proč přitahuje nabitá tyč drobné papírky, i když nejsou nabité?
g) Jak funguje tzv. Faradayova klec?
h) Proč se nesmí nalévat benzín do nádob z umělé hmoty?
i) Při řezání pěnového polystyrenu se piliny lepí k pilce i k jiným předmětům. Vysvětlete
tento jev.
j) Při stříkání nátěrů je výhodné nastříkávaný předmět elektricky nabít. Proč?
k) Bude přitahovat nabitá tyč kovové předměty? Vysvětlete.
l) Proč se vychýlí elektrometr i tehdy, když nabitou tyč jen přiblížíme?
m) Proč přeskakuje blesk od kladně nabitého mraku do nejvyšších věží?
------------------------------------------Jméno studenta:
7
ELEKTRICKÝ PROUD
Dosud jsme se zabývali elektrickými náboji, které vznikly třením. Mezi třenými tělesy vzniklo
elektrické napětí, nebylo však stálé, při přeskoku jiskry v krátké době zmizelo. Náboje pak opět
zůstávaly relativně v klidu. Takové situace se popisují v části elektřiny, které říkáme elektrostatika.
Přeskok jiskry byl však určitě uspořádaným pohybem elektrických nábojů – tj. elektrickým proudem.
Tím se dostáváme k základnímu pojmu této kapitoly.
Elektrický proud jako jev a jako veličina
Definice:
Elektrický proud je uspořádaný pohyb elektricky nabitých částic.
K této obecné definici uveďme několik poznámek: definice záměrně neudává druh částic, mohou to být kromě elektronů
protony, ionty nebo i jiné částice, v definici by bylo nevhodné slůvko „usměrněný“, to se používá u střídavých proudů,
některé definice hovoří o pohybu „volných“ částic, ale i vázané částice vytvářejí druh elektrického proudu, také pohyb
nabitého tělesa jako celku je podle této definice druhem elektrického proudu.
Cvičení 1:
Představují následující jevy elektrické proudy? Rozhodněte ano – ne.
pohyb kladných iontů v plynu směrem k záporně nabité desce
tepelný pohyb iontů plynu v nádobě
pohyb záporných iontů v kapalině ke kladné desce
pohyb elektronů v měděném drátu ke kladnému pólu zdroje
kmitavý pohyb kladných iontů v krystalové mřížce kovu
let velkého množství protonů jedním směrem ve vakuu
průchod elektronů závity cívky
pohyb hozeného kladně nabitého tělesa
chaotický pohyb elektronů v kovovém vodiči
krouživý pohyb elektronů v elektronovém obalu atomu (podle modelu atomu)
kmitavý pohyb elektronů v kovu vlivem střídavého elektrického pole
proud plynu v potrubí
elektrická jiskra mezi elektrodami indukční elektriky
Elektrický proud může být „silnější“, projde-li zvolenou plochou za sekundu větší celkový
náboj Q, nebo „slabší“, projde-li plochou náboj menší.
Cvičení 2:
Nakreslete dva obrázky – první pro „silnější“, druhý pro „slabší“ proud:
Zavádíme proto veličinu I elektrický proud podílem
prošel za dobu t.
[I]
[Q]
[t ]
C
s
I
Q
,
t
kde Q je náboj, který
A -ampér (základní jednotka SI)
André Marie Ampére (1775 – 1836) – významný francouzský fyzik; používají se díly a násobky µA, mA, kA.
Elektrické proudy měříme ampérmetry.
Veličině I přisuzujeme též směr, který je dohodnut jako směr pohybu kladných nábojů
(od + k - ) a zakreslujeme ho šipkou. Tento směr proudu stanovený dohodou – konvencí se nazývá
také konvenční.
Asi víte, že směr pohybu elektronů v kovovém vodiči je právě opačný a např. v kapalinách se pohybují ionty oběma směry
(záporné k anodě, kladné ke katodě).
------------------------------------------Jméno studenta:
8
Zdroje stálého elektrického napětí
V praxi potřebujeme spíše zdroje
nižšího, ale stálého elektrického napětí, aby
mohl vzniknout trvalý elektrický proud.
Významnými zdroji takového napětí
jsou galvanické články. Na podnět italského
lékaře Luigi Galvaniho (1737-1798) objevil
Alessandro Volta dnes už historický Voltův
článek.
Existuje celá řada dalších článků,
nejvýznamnějším je dnes suchý článek (také se
nazývá salmiakový) s napětím 1,5 V. Jednotlivé
články se mohou skládat do baterií. Příkladem je
Voltův sloup (str. 46) nebo plochá baterie ze
salmiakových článků.
Dalšími významnými zdroji jsou
akumulátory. Akumulátory se nejdříve nabíjejí –
vytvářejí se v nich pomocí elektrického proudu
chemické změny. Po vybití se mohou na rozdíl od
galvanických článků znovu nabít. Nejvýznamnějšími akumulátory jsou olověný (pro motorová
vozidla), oceloniklový (NiFe) a hermeticky uzavřený nikl-kadmiový (NiCd). V dnešní době se stále
pracuje na nových typech akumulátorů, které jsou potřebné pro mobilní telefony a další elektronické
přístroje.
Elektrický proud v kovech, Ohmův zákon
Nejvýznamnějším materiálem pro vedení elektrického proudu jsou kovy. Proto se jimi budeme
podrobněji zabývat. Pouze v závěru kapitoly se zmíníme o vedení proudu v jiných materiálech.
Model kovu: Krystalovou mřížku tvoří kladné ionty, které kmitají kolem svých rovnovážných
poloh a mezi nimi se neuspořádaně pohybují volné elektrony.
Pro kovové vodiče o stálé teplotě a pro některé další látky platí
Ohmův zákon:
Proud procházející určitým vodičem a napětí na jeho koncích jsou
veličiny navzájem přímo úměrné.
Pokus:
K vodiči připojíme postupně jeden, dva, tři články akumulátoru. Napětí změříme voltmetrem,
odpovídající proud ampérmetrem. Pak ověříme přímou úměrnost.
1 článek
V
mA
2 články
V
mA
3 články
V
mA.
Cvičení 1:
Při napětí 5 V tekl vodičem proud 0,8 A. Jaký proud poteče při napětí 7 V?
Řešení:
5 V . . . 0,8 A
x : 0,8 = 7 : 5
7V... x A
x = 0,8 . 7/5 = 1,1
Vodičem poteče při 7 V proud 1,1 A.
Cvičení 2
Vodičem teče při 6 V proud 100 mA. Platí pro něj Ohmův zákon, když při 120 V jím
tekl proud 0,004 kA ?
Řešení:
------------------------------------------Jméno studenta:
9
Matematicky se vyjadřuje Ohmův zákon ve tvaru
I
1
U ,
R
1
jsou konstanty přímých úměrností.
R
kde R a
1
U
se nazývá elektrický odpor (určitého vodiče), konstanta
jeho vodivost.
I
R
Konstanta R
[R]
U R I nebo
[ U]
[I ]
V
A
- ohm.
Georg Simon Ohm (1787 – 1854) – německý fyzik. Dále se používají díly a násobky µΩ, mΩ, kΩ, MΩ. K měření odporu
slouží ohmmetr.
Rezistory („odpory“) jsou součástky s určitým elektrickým odporem (str. 75)
Schématické značky rezistorů:
Na čem závisí odpor drátu?
Při větší délce l je odpor větší (přímá úměrnost), při větším obsahu S je
odpor menší (nepřímá úměrnost). Nejlepšími vodiči („s malým odporem“) jsou stříbro, měď, zlato,
hliník. „Velký odpor“ mají naopak odporové slitiny – viz tabulky „rezistivita látky“.
Odpor kovového vodiče vzrůstá s rostoucí teplotou.
Cvičení:
Odpovězte na otázky 2, 3, 4 str. 76.
Podílem R
U
definujeme elektrický odpor i v případě, že neplatí Ohmův zákon. V takovém případě
I
nebude ovšem odpor konstantní.
Příklad:
Nepřesná formulace úlohy: Na žárovce je napsáno 3,5 V / 0,2 A. Určete její odpor.
Hodnoty, které vyjdou výpočtem a změřením ohmmetrem budou rozdílné. Pro žárovku neplatí Ohmův
zákon, rozžhavené vlákno má větší odpor než za studena (při měření ohmmetrem).
Přesnější formulace úlohy: Žárovkou protéká při 3,5 V / 0,2 A. Vypočítejte za těchto podmínek její
odpor.
Proto pozor!
Vzorce
R
U
, U R I, I
I
U
R
platí vždy, jsou to jen různé obměny definice
elektrického odporu, ale nemusejí vyjadřovat Ohmův zákon!
V různých učebnicích se stále hovoří jen o Ohmově zákoně, autoři neuvažují jiné materiály než kovy za stálé teploty.
str.78 cv.1 (1/42)
str.78 cv.2 (2/42 – 230 V)
str.78 cv.3 (3/42)
str.78 cv.4 (4/42)
Sériové a paralelní řazení rezistorů
------------------------------------------Jméno studenta:
10
Naším úkolem bude vypočítat obecně odpor celé sériové a pak paralelní kombinace rezistorů.
Vyznačte do obrázků: U1 napětí na prvním rezistoru, U2 napětí na druhém rezistoru, U napětí na celé
kombinaci rezistorů, I1 proud prvním rezistorem, I2 proud druhým rezistorem, I proud celou kombinací
rezistorů.
1) Podle definice elektrického napětí (je definováno pomocí práce, kterou pole vykoná…) musí
při sériovém zapojení platit mezi U1, U2, a U vztah: __________________
Podle definice elektrického proudu musí v ustáleném stavu platit pro proudy:_____________
Vypočteme odpor sériového zapojení:
R
U
I
2) Při paralelním zapojení musí platit pro napětí U1, U2, a U:______________
Podle definice elektrického proudu musí v ustáleném stavu platit pro proudy _____________
Vypočteme vodivost paralelního zapojení:
1
R
I
U
Snadno upravíme tyto vztahy pro větší počet sériově nebo větší počet paralelně zařazených rezistorů.
Sériově řadíme ke spotřebiči pojistku, ampérmetr, spínač. Sériově jsou zapojeny žárovky na
vánočním stromku.
Paralelně řadíme spotřebiče do zásuvek sítě, voltmetr ke spotřebiči atd.
str.88 cv.1 (1/50)
str.88 cv.2 (2/50)
str.88 cv.3 (3/50)
str.89 cv.4 (4/50)
Elektromotorické a svorkové napětí
Elektromotorické napětí Ue je napětí zdroje nepřipojeného do obvodu, svorkové napětí U je
napětí zdroje, který je do obvodu připojen a dodává do něj proud str. 79 (str. 43).
Zdroj musíme chápat jako zařízení s určitým vnitřním odporem Ri, na kterém se průchodem
proudu objeví elektrické napětí Ui, o které se snižuje původní elektromotorické napětí zdroje a na
svorkách zdroje vznikne nižší napětí svorkové.
Nakreslíme obrázek se zdrojem a jeho vnitřním odporem v sérii,
spotřebičem, procházejícím proudem, svorkovým napětím U,
napětím Ui, elektromotorickým napětím Ue :
------------------------------------------Jméno studenta:
11
str.81 cv.1,2 (1,2/45)
str.81 cv.3 (3/45)
str.81 cv.4 (4/45)
str.81 cv.5 (5/45)
Práce a výkon elektrického proudu
Elektrické náboje mají v elektrickém poli potenciální energii, které říkáme elektrická energie.
Pole na ně působí silou a volné náboje uvede do uspořádaného pohybu – začne procházet elektrický
proud.
W
plyne, že práce vykonaná elektrickým polem na
Q
Q
přenesení náboje Q mezi místy s napětím U, je W = U.Q . Z definice I
vypočteme Q = I.t .
t
Z definice elektrického napětí U
Po dosazení do vztahu pro práci dostaneme W = U.I.t
[W] = J; používá se také vedlejší jednotka kilowatthodina (kWh).
Pro výkon vychází P
W
t
U I t
t
U I . Tedy P = U.I .
[P] = W; k měření příkonů elektrických spotřebičů se používají wattmetry.
Pomocí jednotky watt odvodíme pro jednotku práce kWh: kWh = 1 000 W . 1 h = 1000 W . 3 600 s =
3 600 000 Ws = 3,6 MJ.
Pohyb elektrických nábojů v elektrickém poli by měl být zrychlený, protože na ně působí stálá
síla. V kovových vodičích se však rychlost elektronů ustálí, neboť elektrony předávají svou kinetickou
energii iontům krystalické mřížky. Ionty se uvedou do rychlejšího pohybu a zvýší se vnitřní energie
vodiče. Vodič se zahřeje a bude předávat teplo do okolí.
Pokud by veškerá elektrická energie přešla v teplo (u tepelných spotřebičů), platilo by pro toto teplo
Q = U.I.t .
str.92 cv.1 (1/53)
str.92 cv.2 (2/53)
str.92 cv.3 (3/53)
str.93 cv.5 (5/53- 230 V, 60 W)
str.95 cv.3 (3/53)
str.95 cv.4 (4/53)
------------------------------------------Jméno studenta:
12
Zatím jsme probrali vedení elektrického proudu v kovových vodičích. Nyní probereme stručně
vedení proudu v dalších látkách. Jsou to:
polovodiče (na vedení proudu v polovodičích je dnes založena velká část elektroniky a
sdělovací techniky)
elektrolyty a plyny
vakuum (část elektroniky zkoumá pohyb elektronů ve vakuu)
Vedení elektrického proudu v polovodičích
Polovodiče kladou průchodu elektrického proudu větší odpor než vodiče, ale menší než
izolanty. Tento odpor klesá výrazně se zvyšující se teplotou nebo osvětlením. Nejpoužívanějšími
polovodičovými materiály jsou germanium a křemík. Dále se používají Bi, B, P, Se, ZnO, Cu2O,
Cu2S, aj.
Vedení proudu ve vlastním polovodiči str. 161 – 163
Znázorníme-li krystalovou mřížku křemíku; všechny čtyři valenční elektrony se zúčastňují
vazeb a nejsou volné.
Při zvýšení teploty (nebo při osvětlení) se některé elektrony z vazeb uvolní a na jejich místě
vznikají kladné díry. Polovodič je schopen vést proud, protože obsahuje volné elektrické náboje.
Poklesu odporu s teplotou využíváme u polovodičových součástek – termistorů, poklesu
odporu s osvětlením u fotorezistorů
Vedení proudu v příměsových polovodičích str. 163 - 164
Přidáme-li do křemíku malé množství prvku z páté skupiny periodické soustavy (P, As, Sb,
Bi), zúčastní se jeho čtyři valenční elektrony vazeb a pátý elektron zůstane volný. Vodivost
polovodiče tím velmi vzroste (odpor poklesne). Budeme hovořit o příměsovém polovodiči typu N.
Přidáme-li do křemíku příměs ze třetí skupiny periodické soustavy (např. B, In, Ga), bude
jeden elektron po uskutečnění vazby chybět – vytvoří se volná díra, které se bude podobně jako volný
elektron pohybovat. Budeme hovořit o příměsovém polovodiči typu P.
PN přechod – polovodičová dioda
Přitavením polovodiče typu P a N k sobě vznikne PN přechod, který má usměrňující účinek
str. 164 -165. Takové součástce, která vznikne popsaným způsobem, říkáme polovodičová dioda a
slouží k usměrňování střídavých proudů při nabíjení akumulátorů, v elektronických zařízeních,
v elektrických lokomotivách aj.
PN přechod v propustném směru – proud prochází
PN přechod v závěrném směru – proud neprochází
Tranzistor
Tranzistor je polovodičová součástka se dvěma PN přechody a s třemi elektrodami –
emitorem (E), bází (B), kolektorem (K) str. 169 – 170
Funkci tranzistoru vysvětlíme v zapojení se společnou bází:
Nakreslete:
Přechod BK je zapojen v závěrném směru a proud jím, pokud není zapojen přechod EB, téměř
neprochází.
Zapojíme-li přechod EB v propustném směru, začne jím téci proud. Tento proud se přes
tenkou bázi dostává až do přechodu BK a probíhá jím pod vyšším napětím. Tím dochází k zesílení
výkonu, signál o menším výkonu z obvodu EB se převádí na signál o větším výkonu v obvodu BK.
Tranzistory nacházejí uplatnění v zesilovačích, rozhlasových přijímačích, v televizorech,
magnetofonech, v počítačích aj.
Z dalších polovodičových součástek je dnes významný tyristor. Tyristor slouží jako
bezkontaktní spínač, který při slabém elektrickém impulzu je schopen uvést do provozu obvod se
silným elektrickým proudem i mnohokrát za sekundu. Nahrazuje a předčí tím relé, které spíná
mechanicky a je proto pomalejší.
------------------------------------------Jméno studenta:
13
Vynález polovodičových součástek umožnil miniaturizaci elektronických obvodů. Na
jediném kousku polovodiče (čipu) je možno na ploše několika čtverečních milimetrů vytvořit tisíce
propojených elektronických součástek. Vznikne integrovaný obvod (str. 172), z kterého se vyvedou
jen vstupy a výstupy. Integrované obvody, které tvoří podstatu počítačů, se nazývají mikroprocesory.
Vedení elektrického proudu v elektrolytech, plynech, vakuu
Elektrolyty vzniknou rozpuštěním kyselin, solí nebo zásad ve vodě. Iontové sloučeniny ve
vodě disociují – jejich molekuly se vlivem molekul vody rozdělí na ionty. Např. NaCl -> Na+ + Cl –
Cvičení :
Napište rovnice pro disociaci H2SO4, HNO3, KOH, CuSO4:
Vložíme-li do elektrolytu dvě elektrody a připojíme je ke zdroji elektrického napětí, uvedou se
ionty do pohybu a poteče proud. Kladné ionty se budou pohybovat k záporné elektrodě – ke
katodě, záporné ionty se budou pohybovat ke kladné elektrodě – k anodě.
Průtoku proudu elektrolytem využíváme při elektrolýze, galvanickém pokovování,
v galvanických článcích a akumulátorech, v polarografii apod. – str. 101 – 106.
Plyny jsou za normálních okolností izolanty, k vedení proudu je nutno plyn ionizovat.
Ionizátorem může být plamen nebo zdroj vhodného záření např. ultrafialového, rentgenového,
radioaktivního. Pokud po odstranění ionizátoru proud ustane, budeme hovořit o nesamostatném
výboji.
Když budou mít letící elektrony a ionty dostatečnou energii, budou ionizovat další molekuly
plynu nárazem a může vzniknout samostatný výboj. Samostatný výboj ionizátor již nepotřebuje.
Příklady samostatných výbojů jsou jiskrový výboj (blesk, výboj ze zapalovací svíčky, jiskry
indukční elektriky aj.), dále obloukový výboj (obloukové svařování, oblouková lampa) a doutnavý
výboj ve zředěných plynech (doutnavky, „neonové“ reklamní trubice) – str. 108 – 111.
K vedení elektrického proudu ve vakuu je nutné do vakua dopravit elektrické náboje.
Nejčastěji se toho dosáhne termoemisí, při níž rozžhavené kovové vlákno vysílá do okolí
elektrony.
Popsaného jevu se využívá u vakuových elektronek. Vakuová dioda se používala k usměrňování,
vakuová trioda a další elektronky k zesilování signálů. Dnes jsou tyto elektronky vytlačeny
polovodičovými součástkami. Stále má ale značný význam vakuová obrazovka a rentgenka.
Princip oscilografické nebo televizní obrazovky:
Elektrony proletí anodou, potom budou vychylovány elektrickým
nebo magnetickým polem, aby dopadly na určené místo stínítka, na
němž vytvoří svítící bod. Z většího počtu bodů se vytvoří křivka
nebo televizní obraz
Princip rentgenky:
Dopadem rychlých elektronů na kovovou anodu vzniká
rentgenové záření.
Rentgenové záření se využívá v lékařské diagnostice,
defektoskopii (zjišťování vad materiálů), ke zkoumání struktury
molekul v látkách aj.
------------------------------------------Jméno studenta:
14
MAGNETICKÉ POLE
Magnety
Již před naším letopočtem bylo známo, že magnetovec přitahuje železné předměty. Tato
vlastnost se nazývá magnetismus a lze ji převést na tvrdou ocel. Tím získáme trvalé magnety
(permanentní magnety).
Každý magnet má dva póly – severní a jižní. Značí se S, J nebo mezinárodně N (north),
S (south), severní pól též barvou.
Nesouhlasné póly dvou magnetů se přitahují, souhlasné póly se odpuzují.
Protože se magnetické vlastnosti projevují nejvíce na pólech magnetu, jsou kromě tyčových
magnetů často používány magnety podkovové.
S magnety se setkáváme u „magnetické tabule“, magnetického zavírání dvířek nábytku,
magnetických šachů, u hry „Ukaž, co víš“, u hraček apod. Také jsou součástí malých elektromotorů,
dynam, reproduktorů.
Cvičení:
Máme sebrat železné piliny nebo hřebíčky a uložit je do kelímku z umělé hmoty.
Kromě kelímku máme ještě list papíru a tyčový magnet. Jak to provedeme?
Magnety na sebe působí na dálku, říkáme, že v okolí magnetu je magnetické pole. Toto pole
je neviditelné, znázorňujeme ho magnetickými indukčními čárami (stručněji: indukčními čarami).
V místě, kde jsou indukční čáry hustší, je magnetické pole silnější. Indukční čáry orientujeme
od severního pólu k jižnímu a tento směr vyznačujeme šipkami. Tvar indukčních čar zjistíme
například pomocí pilinových obrazců.
Pokus:
indukční čáry tyčového magnetu
indukční čáry podkovového magnetu
Magnetické pole vodičů s proudem
Roku 1820 provedl dánský fyzik Hans Christian Oersted (ersted, 1777 – 1851) významný
pokus:
Těsně nad magnetkou vedl ve směru sever-jih přímý vodič a zavedl do něj elektrický
proud. Po zavedení proudu se magnetka vždy ze severojižního směru vychýlila (str. 114 obr. 5.1)
Načrtněte vodič a magnetku v Oerstedově pokusu:
------------------------------------------Jméno studenta:
15
Závěr Oerstedova pokusu: Kolem vodiče s proudem vzniká magnetické pole.
Po bližším zkoumání se ukázalo, že indukční čáry přímého vodiče s proudem mají tvar
soustředných kružnic okolo vodiče str. 115 obr. 5.2
Směr indukčních čar určíme Ampérovým pravidlem pravé ruky:
Uchopíme-li pravou rukou vodič tak, aby palec ukazoval směr proudu (od + k - ), ukáží
zahnuté prsty směr indukčních čar (str. 115 obr. 5.3)
Významným tvarem vodiče je smyčka (závit) nebo válcová cívka (solenoid). Tvar indukčních
čar cívky s proudem se velmi podobá tvaru indukčních čar tyčového magnetu (str. 116 obr. 5.4)
Směr indukčních čar cívky s proudem opět určíme Ampérovým pravidlem pravé ruky:
Uchopíme-li cívku pravou rukou tak, aby prsty ukazovaly směr proudu v závitech, ukáže
odchýlený palec směr indukčních čar (nebo též severní pól „magnetu“, který cívka představuje)
viz str. 115 obr. 5.5, 5.6
Cvičení:
Odpovězte na otázky 1, 2, 3, 4 na straně 117(85)!
Vložíme-li do cívky jádro z měkkého železa, získáme elektromagnet.
Pokus:
Na jádro tvaru U navlékneme cívku o 300 závitech, uzavřeme jádrem tvaru I a do
cívky zavedeme proud kolem 2 A.
Elektromagnety mají v praxi široké využití. Uveďme alespoň elektromagnetický jeřáb,
elektromagnetické upínání, elektrický zvonek, elektromotory, relé (str. 126).
Proč používáme u elektromagnetu železné jádro?
chaoticky rozmístěné „malé magnety“
uspořádání „magnetů“ vnějším magnetickým
v železe:
polem:
Podobnou schopnost jako měkké železo – uspořádat malé magnety uvnitř – mají i další, tzv.
feromagnetické látky; jsou to kobalt, nikl, některé slitiny a také ferity (sloučeniny železa, kyslíku a
dalších prvků). Všechny tyto látky výrazně zesilují vnější magnetické pole.
Silové působení magnetického pole na vodič s proudem
Pokud by byl vodič tvaru cívky, nahrazoval by svými magnetickými účinky tyčový magnet a
magnetické pole by na něj muselo při vhodném uspořádání působit silou. Tohoto jevu se využívá např.
u elektromotorů, měřících přístrojů s otočnou cívkou a reproduktorů.
------------------------------------------Jméno studenta:
16
měřicí přístroj:
elektromotor:
reproduktor:
Přejdeme k případu, kdy vodič bude přímý:
Vodič umístíme kolmo k indukčním čárám podkovového magnetu. Pustíme-li do vodiče
proud, vychýlí se vodič ve směru kolmém k indukčním čarám i ke směru vodiče (str. 118 obr. 5.9.).
Směr síly, která působí na přímý vodič s proudem v magnetickém poli, určujeme
Flemingovým pravidlem levé ruky:
Položíme-li levou ruku na vodič, aby prsty ukazovaly směr proudu a magnetické
indukční čáry vstupovaly do dlaně, ukáže odchýlený palec směr síly.
Není-li vodič kolmý k indukčním čárám, je působící síla menší, je-li rovnoběžný s indukčními čárami,
je nulová.
Pokusy ukazují, že velikost síly F je přímo úměrná délce vodiče l v magnetickém poli a
protékajícímu proudu I:
F= B.I.l
Konstanta úměrnosti B charakterizuje magnet a
nazývá se magnetická indukce (str. 119), [B] = T (tesla)
Magnetická indukce je vektorová veličina, její směr je určen tečnou k indukční čáře.
Hustotou indukčních čar vyjadřujeme velikost magnetické indukce (při větší hustotě čar bude délka
úsečky vyznačující vektor větší).
Vyznačíme vektory magnetické indukce, známe-li tvar indukčních čar:
Ampérovo a Flemingovo pravidlo naznačují, že v případě elektromagnetických dějů musíme
počítat se zvláštní „kolmostí“, kterou z mechaniky neznáme.
Budeme-li potřebovat nakreslit směr kolmý do nákresu, použijeme symbolu „opeření šípu“,
pro směr kolmý z nákresu symbolu „hrot šípu“.
Cvičení 1:
a)
Určete směr síly působící na vodič v magnetickém poli:
b)
------------------------------------------Jméno studenta:
c)
17
Flemingovo pravidlo můžeme použít nejen pro vodič s proudem, ale i pro letící kladné částice. Směr
proudu je pak směrem jejich rychlosti. Letícím záporným částicím by příslušel směr proudu opačný
než směr jejich rychlosti.
Cvičení 2:
a)
Určete, kam budou vychylovány letící nabité částice:
b)
c)
Vychylování letících elektronů magnetickým polem se využívá v obrazových elektronkách,
v elektronových mikroskopech aj. Vychylování letících částic magnetickým polem se používá i při
jejich výzkumu nebo urychlování (v atomové fyzice a jejich aplikacích).
Cvičení 3:
a)
Pomocí Ampérova případně Flemingova pravidla vysvětlete následující jevy:
chování magnetky v Oerstedově pokusu
b)
magnetické chování atomů látek pomocí nejjednoduššího modelu atomu s kladným
jádrem uprostřed a obíhajícími elektrony:
c)
chování dvou závitů s proudy
d)
chování drátěné smyčky zavěšené na vlákně po zavedení proudu:
+e)
vzájemné silové působení dvou přímých
rovnoběžných vodičů s proudy:
+f)
rozkmitání Petřinovy spirály po připojení zdroje:
(hrot spirály se bude střídavě vynořovat a opět
ponořovat do nádobky se rtutí)
+g)
hliníkový kotouč umístěný mezi póly podkovového magnetu
se po zavedení proudu podle obrázku začne otáčet –
tzv. Barlowovo kolečko:
+h)
Hallův jev (hól-) – při průchodu proudu vodičem
kolmo k indukčním čarám magnetického pole
vzniká mezi body A, C, (obrázek!) elektrické napětí:
------------------------------------------Jméno studenta:
18
i)
určete směr indukčních čar obdélníkové smyčky s proudem pomocí pravidla
pro cívku i pomocí pravidla pro přímý vodič a výsledky porovnejte
Úvahou spojenou s použitím Flemingova pravidla se můžeme pokusit předpovědět tak
významný jev, jako je jev elektromagnetické indukce.
Kovovým vodičem pohneme v naznačeném směru kolmo k indukčním
čarám magnetického pole.
S vodičem se pohnou uspořádaně všechny elektrony uvnitř a vytvoří
tím vlastně elektrický proud. Směr tohoto proudu bude opačný než směr
naznačené rychlosti (elektrony jsou záporné částice).
a)
Na elektrony bude působit síla – v případě a) zprava do leva,
v případě b) zdola nahoru (směr určíme Flemingovým pravidlem).
Tato síla uvede volné elektrony do pohybu a vytvoří
v případě a) vodorovně tekoucí elektrický proud,
v případě b) svisle tekoucí elektrický proud.
b)
Elektromagnetická indukce
Stručně řečeno: Vodič, kterým protéká elektrický proud, se v magnetickém poli uvede do
pohybu. Budeme-li vodičem v magnetickém poli pohybovat – poteče jím naopak elektrický proud?
Úvaha provedená výše k takovému závěru vede. Zbývá provést skutečné pokusy.
Pokus 1:
Nasuneme cívku na tyčový magnet:
Na měřicím přístroji se objeví výchylka,
která je tím větší, čím je pohyb rychlejší.
Při zpětném pohybu se objeví
výchylka opačná.
Pokus 2:
V dalších pokusech necháme cívku v klidu,
ale budeme pohybovat magnetem
Pokus 3:
nebo měnit magnetické pole zapínáním a
vypínáním elektromagnetu.
Výsledky pokusů 1 a 2 jsou stejné. V pokusu 3 se výchylky přístroje objevují jen při zapojení
nebo vypojení elektromagnetu. Je-li elektromagnet trvale připojen – jsou nulové.
Uděláme-li závěr z těchto a dalších pokusů, dojdeme k zákonu elektromagnetické indukce, na jehož
objevení má největší zásluhu slavný anglický fyzik Michael Faraday (1791 – 1867).
Mezi konci vodivé smyčky se indukuje elektrické napětí, jestliže se změní počet
magnetických indukčních čar procházejících plochou omezenou smyčkou. Čím rychlejší je tato
změna, tím větší napětí se indukuje.
Je-li smyčka uzavřená, začne v ní téci indukovaný elektrický proud, který svým
magnetickým polem bude působit proti změně, která jej vyvolala.
------------------------------------------Jméno studenta:
19
Příklady:
zeslabení magnetického pole – plochou smyčky prochází méně indukčních čar
zesílení magnetického pole – plochou smyčky prochází více indukčních čar
otočení smyčky – plochou smyčky prochází méně indukčních čar
posunutí smyčky v homogenním magnetickém poli – plochou smyčky
prochází stejný počet indukčních čar
Často vystačíme s méně přesnou, ale jednodušší formulací zákona elektromagnetické indukce:
Změnami magnetického pole v okolí vodiče se na vodiči indukuje elektrické napětí a uzavřeným
vodičem může téci indukovaný proud. Jsou-li změny magnetického pole rychlejší, jsou indukované
napětí i proud větší.
Naproti tomu, chceme-li vyjádřit zákon elektromagnetické indukce matematicky přesněji, zavedeme
veličinu magnetický indukční tok = B.S. Velikost indukovaného napětí je potom rovna rychlosti
změn tohoto magnetického indukčního toku (str. 130).
Pokus:
Pohybující se kyvadlo tvaru plné hliníkové desky (nakresli)
se mezi póly silného elektromagnetu ihned zastaví, zapojíme-li do elektromagnetu
proud. Kyvadlo se zářezy (nakresli) se v takovém případě pouze přibrzdí.
Vysvětlení: Při pohybu kyvadla se pohybují elektrony, které jsou uvnitř, v silném magnetickém poli.
Podle Flemingova pravidla na ně působí síla kolmo ke směru pohybu a v desce vzniknou tzv. vířivé
proudy tekoucí podél kružnic. Tyto proudy svým magnetickým polem desku zastaví. Účinek
indukovaných vířivých proudů je v plné desce mnohem větší než v desce se zářezy.
Cvičení s pokusy a ukázkami:
a)
Pokus s volně zavěšeným hliníkovým kroužkem a magnetem – zasouváním magnetu do kroužku
a jeho vysouváním se kroužek značně rozkývá (str. 130. obr. 5.23). Vysvětlete.
b)
Na hrotu je pod skleněným poklopem podepřen kruhový kotouč z alobalu.
Úkolem je kotouč roztočit (stolem nesmíme pohybovat).
c)
Jádra pro cívky transformátorů se nedělají z jednoho kusu, ale skládají se z navzájem
izolovaných plechů. Proč?
+d)
Co to je a jak funguje induktor?
+e)
Pokus s hliníkovým kroužkem navlečeným na jádro elektromagnetu. Po zapojení proudu do
elektromagnetu kroužek vyskočí. Vysvětlete.
------------------------------------------Jméno studenta:
20
+f)
Měřicí přístroje s otočnou cívkou mají kostru cívky vyrobenou z lehké kovové slitiny.
Proč se nepoužívá raději izolačních materiálů?
g)
Tramvaje jsou vybavené účinnou indukční brzdou. V prostoru nad kolejnicemi má tramvaj
silné elektromagnety, do kterých se zavede při brzdění proud. Jak brzda funguje?
h)
Kotouč elektroměru prochází úzkou štěrbinou mezi póly podkovového magnetu.
Jaký to má účel?
Tachometr má uvnitř dutého hliníkového válce rotující tyčový magnet. Při větších otáčkách
se stále více napíná pružinka, která brání válci v otáčení. Proč se válec snaží rovněž otáčet?
+i)
+j)
Rozeberte případ rotující obdélníkové smyčky v homogenním magnetickém poli.
+k)
Jak funguje indukční ohřev u elektrických sporáků, v čem je výhodnější než klasický ohřev na
plotýnce nebo na běžné sklokeramické desce?
Vlastní indukce
Zapojíme-li proud do elektromagnetu, změní se magnetické pole, stejně tomu bude při jeho
vypojení. V obou případech se výrazně změní počet indukčních čar, které procházejí závity
elektromagnetu. Proto se na cívce elektromagnetu naindukuje napětí. Tento jev, který nastává u
každého vodiče, se nazývá vlastní indukce (str. 132).
Jev se výrazně projevuje u cívek s velkým počtem závitů a se železným jádrem. Zavádíme veličinu L
– vlastní indukčnost, která popisuje jak výrazně se u zvoleného vodiče (zejména cívky) vlastní
indukce projevuje. [L] = H – henry (Joseph Henry, americký fyzik, 1799-1878).
Pokus 1:
Cívkou s několika sty závity necháme protékat proud několika ampérů. Při odpojení
cívky si povšimneme výrazné jiskry mezi konci rozpojovaných vodičů. Jiskra svědčí o
vzniku dosti vysokého napětí při přerušení proudu.
Pokus 2:
Zapojíme elektrický obvod podle tohoto schématu:
Při odpojení zdroje doutnavka krátce zasvitne.
Toto zasvitnutí je opět dokladem vzniku vyššího napětí
při přerušení proudu.
V praxi se setkáváme s těmito jevy u běžících elektromotorů domácích spotřebičů
(stálé zapojování a odpojování cívek rotoru), u indukčních zapalovacích cívek motorových vozidel
(před cívkou je přerušovač) aj.
Cvičení:
Když připojujeme cívku k 4,5 V baterii tím, že přidržujeme kontakty prsty, dostaneme
snadno elektrickou ránu. Vysvětlete.
------------------------------------------Jméno studenta:
21
STŘÍDAVÉ PROUDY
Vznik střídavého elektrického napětí
Otáčejme vodivou obdélníkovou smyčkou v homogenním magnetickém poli. (str.138,
obr. 6.2). Několik fází otáčení a odpovídající indukovaná napětí zachycuje následující obrázek:
Na koncích smyčky vzniká střídavé elektrické napětí, uzavřeme-li obvod, poteče v něm
střídavý elektrický proud. Průběh indukovaného napětí i proudu se dá vyjádřit pomocí funkce sinus.
Doba jedné otočky se nazývá stejně jako u kmitavých pohybů perioda a značí se T.
Frekvence, která se značí f, určuje počet otáček za sekundu a platí pro ni známý vztah f=T-1.
Rovněž známe jednotku frekvence [f]= s-1 = Hz.
Efektivní hodnoty střídavého napětí a proudu
Připojme ke zdroji střídavého napětí rezistor o odporu R:
Obvodem začne protékat střídavý elektrický proud, jehož průběh
(jako i průběh napětí) můžeme vystihnout grafem (obrázek vlevo):
22
Mezi maximálními hodnotami napětí a proudu Um a Im (amplitudami napětí a proudu) platí podle
Ohmova zákona I m
Um
R
Jak vypočítáme výkon střídavého elektrického proudu?
Pro výkon stejnosměrného proudu platilo P=U.I, pro střídavé proudy musíme nahradit U, I tzv.
efektivními hodnotami Uef a Ief :
P =Uef.Ief
(prohlédni obrázek vpravo).
Efektivní hodnota střídavého proudu je rovna hodnotě stejnosměrného proudu se stejnými
tepelnými účinky (stejným výkonem).
Efektivní hodnoty jsou ty hodnoty, které v praxi naměříme “střídavými“ voltmetry a ampérmetry.
Matematicky lze pro sinusové průběhy napětí a proudů odvodit:
U ef
Um
2
 0,707 U m a
Z Ohmova zákona opět plyne
I ef
I ef
Im
2
 0,707 I m
U ef
R
Cvičení 1:
Vypočtěte maximální hodnotu napětí ve světelné síti s Uef = 230V, f =50 Hz.
Cvičení 2:
Jak velký proud naměří „střídavý“ ampérmetr v obvodu 40 W žárovky připojené ke
světelné síti?
Cvičení 3:
Proč se kondenzátory dimenzují na nižší hodnoty střídavých napětí než napětí
stejnosměrných (např. =350/~300V) ?
Připojíme-li k střídavému zdroji cívku, bude se proud za napětím opožďovat o 90o- str. 142
(cívka proud „nechce pustit“ – uplatňuje se jev vlastní indukce).
Cívka se přitom chová jako prvek se zdánlivým odporem (induktancí) XL = 2 .f.L
amplitudu a efektivní hodnotu proudu platí
Im
Um
2 f L
I ef
a pro
U ef
2 f L
Připojíme-li ke střídavému zdroji kondenzátor, bude proud napětí předcházet o 90o- str. 142
(aby vzniklo na kondenzátoru napětí, musí se nejprve přitékajícím proudem nabít).
Kondenzátor se chová jako prvek se zdánlivým odporem (kapacitancí) X C
a pro amplitudu a efektivní hodnotu proudu platí
------------------------------------------Jméno studenta:
I m Um 2π f C
1
2π f C
I ef Uef 2π f C
23
To se týkalo ideální cívky a ideálního kondenzátoru.
Ve skutečnosti je přítomen i ohmický odpor.
Posun napětí a proudu pak není 90o ale v nějaký úhel φ. Nakreslíme obrázek:
Výkon střídavého proudu bude potom P = Uef Ief cos φ
(u ideální cívky a ideálního kondenzátoru je φ = 90o a P = 0).
K obvodu s cívkou a kondenzátorem se ještě vrátíme při výkladu oscilačního obvodu (kmitavého
obvodu), v němž vzniknou střídavá elektrická napětí a proudy o vysokých frekvencích.
Vraťme se k střídavým proudům o nízké frekvenci vzniklých na principu otáčení vodivé
smyčky v magnetickém poli. Na tomto principu je založena silnoproudá elektrotechnika a „výroba“ a
přenos elektrické energie (z hlediska fyziky je slovo výroba v uvozovkách).
Generátory a elektromotory
Generátory jsou točivé stroje, které přeměňují mechanickou energii na energii
elektrickou. Jsou založeny na principu elektromagnetické indukce.
Generátory dělíme na dynama, která vytvářejí stejnosměrná napětí a na alternátory,
v nichž se indukují střídavá napětí.
Dynama mají na ose rotoru, v němž se indukuje napětí, komutátor, který zajistí usměrnění
vznikajícího napětí.
Dynama se používají pro menší výkony k dobíjení akumulátorů dopravních prostředků a jako
pomocné zdroje – budiče alternátorů v elektrárnách. Dnes jsou dynama stále více vytlačována
alternátory.
Princip alternátoru byl vysvětlen při výkladu vzniku střídavého napětí. V rotoru alternátoru je
ale elektromagnet a zdrojem stejnosměrného proudu pro něj je již zmíněné dynamo, budič.
Silné indukované proudy se pak s výhodou odvádějí z nepohyblivé části – statoru.
Alternátory se používají tedy pro velké výkony v elektrárnách, ale i pro menší výkony místo
dynam (doplňujeme je usměrňovači).
Elektromotory jsou točivé stroje, které přeměňují elektrickou energii na energii
mechanickou.
Stejnosměrné elektromotory mají podobnou konstrukci jako dynama (mají tedy komutátor).
Pokus:
Zavedeme do dynama stejnosměrný proud vhodné velikosti. Dynamo se roztočí.
Cvičení:
Přestože je konstrukce dynama a stejnosměrného elektromotoru téměř stejná, pracují
na odlišných principech. Vysvětlete.
Stejnosměrné elektromotory, které mají elektromagnety jak rotoru tak ve statoru, fungují i po
připojení na střídavá napětí (proč?). Používají se hodně v domácnosti k pohonu vysavačů, mixerů,
kávomlýnků, vysoušečů vlasů apod.
Nejvýznamnější střídavé elektromotory jsou trojfázové, se kterými se seznámíme v dalším
výkladu.
------------------------------------------Jméno studenta:
24
Trojfázová soustava střídavých proudů
V elektrárnách se používají jako zdroje střídavých napětí trojfázové alternátory. Jejich
rotorem je elektromagnet (str. 147, obr. 6.10), který se otáčí v dutině statoru složeného ze tří cívek.
V cívkách se budou indukovat tři střídavá napětí o frekvenci 50 Hz. Jejich maximální hodnoty budou
vůči sobě časově posunuty o třetinu periody.
Vhodným propojením vývodů cívek (na obrázku je zapojení „do hvězdy“) získáme
trojfázovou soustavu střídavých napětí (proudů, obvodů) se třemi fázovými vodiči a s jedním
vodičem nulovacím.
Nakreslíme schéma zapojení tří cívek do hvězdy
a vyznačíme fázové vodiče a nulovací vodič:
Na straně 149 je znázorněn rozvod do bytů a závodů. Mezi
kterýmikoliv dvěma fázemi je efektivní napětí 400V (tzv. sdružené),
mezi libovolným fázovým vodičem a nulovacím vodičem je
efektivní napětí 230V (tzv. fázové).
Točivé magnetické pole, trojfázové elektromotory
Zapojme dva trojfázové alternátory
s trvalými magnety na místě rotorů
podle následujícího schématu:
Magnet alternátoru vlevo roztočíme, v jeho
cívkách se budou indukovat střídavá napětí, cívkami
alternátoru vpravo začnou téci střídavé proudy, v dutině
statoru pravého alternátoru vznikne točivé magnetické
pole, stejné jako u levého alternátoru. Vlivem tohoto pole
se roztočí magnet pravého alternátoru. Alternátor vpravo
se stal synchronním trojfázovým motorem.
Synchronní trojfázový motor bude mít stálé otáčky, nesnese však přílišné zatížení.
Vložíme-li do točivého magnetického pole jako rotor tzv. klecovou kotvu (str. 151, obr. 6.15),
vznikne trojfázový asynchronní elektromotor.
Vlivem točivého magnetického pole se budou ve vodičích klecové kotvy indukovat elektrické
proudy, které svým magnetickým polem kotvu roztočí. Motor se nazývá asynchronní, protože otáčky
kotvy jsou vždy pomalejší než otáčky magnetického pole (proč?).
Asynchronní motor se hodí pro velké výkony, snese značná zatížení, má jednoduchou
konstrukci a vysokou spolehlivost. Jeho použití je rozsáhlé. Výzkumy točivého magnetického pole a
asynchronního motoru se zabýval jihoslovanský fyzik Nikola Tesla (1856 – 1943).
Transformátory
Transformátory jsou netočivé stroje, které mění elektromagnetickou indukcí střídavá
napětí a proudy na jiné. Frekvence střídavého napětí se při tom nemění.
Transformátor se skládá z primární cívky s N1 závity, ze sekundární cívky s N2 závity a ze
železného jádra.
Existují i oddělovací transformátory, které transformují napětí na stejné.
Existují autotransformátory, které mají jen jednu cívku s odbočkou.
------------------------------------------Jméno studenta:
25
Na primární cívku se přivádí střídavé napětí o efektivní hodnotě U1 a teče jí proud s efektivní
hodnotou I1. Tím se vytvoří stále se měnící magnetické pole, které v sekundární cívce indukuje napětí
o efektivní hodnotě U2 a v sekundárním obvodu bude procházet proud o efektivní hodnotě I2 :
zapojení transformátoru:
častější provedení v praxi:
Pro transformátor beze ztrát ( = 100%) platí:
U1
U2
N1
N2
Dále platí zákon zachování energie a tedy rovnost přiváděného výkonu P1 (příkonu) a výkonu
odváděného P2 . Proto U1 I1 = U2 I2 a také:
U1
U2
I2
I1
Shrneme:
Napětí na cívkách jsou přímo úměrná počtům závitů cívek a nepřímo úměrná
proudům v cívkách.
Transformátory se používají v rozhlasových a televizních přijímačích, magnetofonech,
počítačích a dalších elektronických zařízeních. Hlavní součástí indukční pece, svářečky, pistolové
páječky jsou rovněž transformátory. Známe dobře malý zvonkový transformátor, transformátory pro
nabíječky mobilů i velké transformátory v transformačních stanicích (str. 154).
Pokus1:
Pokus 2:
Cvičení:
Vaření vody ve žlábku modelu indukční pece.
Bodové svařování žiletek.
Vysvětlete funkci transformátorů v předchozích pokusech.
str.155 cv.1,2 (1,2/121)
str.155 cv.3 (3/121)
str.155 cv.4 (4/121)
str.155 cv.5 (5/121)
Nejvýznamnější využití transformátoru je při rozvodu el. energie. Generátory v elektrárnách
vytvářejí elektrická napětí nejčastěji okolo 6 000 V. Pomocí transformátorů se toto napětí zvyšuje
postupně až na 220 000 V nebo 400 000 V a proudy tečou dálkovým vedením stovky kilometrů.
Poblíž měst se transformátory napětí snižuje na 22 000 V a v jednotlivých městských čtvrtích až na
3x400 V / 230 V. Jaký je důvod těchto transformací?
Při vysokých napětích tečou vedením jen malé proudy (přenášený výkon je stejný) a tím se
omezí ztráty vzniklé zahříváním vodičů.
------------------------------------------Jméno studenta:
26
Elektrárny
K pohonu alternátoru v elektrárně používáme nejčastěji páru, která velkou rychlostí naráží na
lopatky turbíny a předává jí kinetickou energii. Vytvoříme-li páru zahříváním vody při spalování
paliv, hovoříme o tepelné elektrárně. Vytváříme-li páru zahříváním vody pomocí jaderné reakce,
hovoříme o jaderné elektrárně. Využíváme-li kinetickou energii vody k roztočení vodní turbíny,
hovoříme o vodní elektrárně.
Výroba elektrické energie uvedenými způsoby je spojena s potížemi ekologického charakteru.
Při spalování nekvalitního hnědého uhlí v tepelných elektrárnách se dostává do ovzduší množství
škodlivých zplodin – připomeňme si pojednání o tepelné výměně v Termice a molekulové fyzice.
U jaderných elektráren vzniká problém s uskladňováním vyhořelého jaderného paliva a
s bezpečností provozu jaderné elektrárny.
Nádrže vodních elektráren zaplavily nejednu krásnou krajinu, která byla ekologicky významná
a měla být zachována. Na místo toho došlo ke vzniku stojatých vod, v nichž se soustřeďují a zahnívají
různé organické odpadky. Je tedy nutno hledat další alternativní zdroje elektrické energie a spotřebu
elektrické energie pokud možno omezovat.
Celá problematika je rozebrána i na str. 155 – 158.
Bezpečnost elektrických zařízení
Při průchodu elektrického proudu lidským tělem může dojít k úrazu. Důležitá je v tomto
případě hodnota elektrického proudu. Za velmi nebezpečný se uvádí proud 0,1 A, ale už při 0,025 A,
mohou vznikat svalové křeče.
Proud závisí na napětí, na které je lidské tělo připojeno a na elektrickém odporu těla.
Elektrický odpor těla se výrazně zmenšuje ve vlhkém a horkém prostředí. Proto jsou nebezpečná
napětí v takovém prostředí již od 12 V. V suchém prostředí se uvádí 65 V. Podrobně je celá
problematika rozebrána v bezpečnostních předpisech.
Cvičení:
Posuďte bezpečnost těchto zdrojů:
a) akumulátor s napětím 6 V
b) plochá baterie s napětím 4,5 V
c) síťová zásuvka
d) akumulátor s napětím 12 V
Síťové napětí je pro nás nebezpečné. Při poruše přístroje s kovovým krytem by se na krytu
mohlo objevit napětí 230 V proti zemi (viz obrázek!). Proto se takové přístroje musí nulovat – spojit
jejich kryt s kolíkem zásuvky třetím (ochranným) vodičem ve šňůře:
------------------------------------------Jméno studenta:
27
Přístroje s krytem z izolantu např. rozhlasové a televizní přijímače, videa, CD a DVD
přehrávače, malé mixéry aj., mají přívodní šňůru bez ochranného vodiče, jen se dvěma prameny.
Při tření různých materiálů a jejich oddálení vznikají mezi nimi napětí řádů kilovoltů až
desítek kilovoltů. Tato napětí nejsou nebezpečná, protože nemohou vytvořit pro člověka nebezpečné
proudy.
ELEKTROMAGNETICKÉ KMITY
Připojíme-li cívku ke kondenzátoru, vznikne tzv. oscilační (kmitavý) obvod. V tomto obvodu
mohou vzniknout střídavá napětí a proudy o vysoké frekvenci.
Podrobný výklad dějů v oscilačním obvodu najdeme na str. 173 – 175 (112 – 114).
Oscilační obvod, v němž probíhají elektromagnetické kmity, může být zdrojem elektromagnetického
vlnění. Takto vzniklé elektromagnetické vlnění se pak využívá velmi široce ve sdělovací technice
(rozhlas, televize, mobilní telefony a mikrofony atd.) – str. 177 – 183.
Sdělovací technika s polovodičovou technikou a optoelektronikou se dnes řadí k nejrychleji se
rozvíjejícím disciplínám.
------------------------------------------Jméno studenta:

ELEKTŘINA A MAGNETISMUS

Transkript

Podobné dokumenty

Pracovní sešit OA

Alchymie - prvky, sloučeniny, chemické reakce a

Miroslav Morovič - Ingrid Hympánová: XXIII. zborík z dejín fyziky

Bulletin Chemických listů

ZÁKLADY ELEKTROTECHNIKY 1

Přečtěte si celé číslo

Ele 1 – elektrolýza, magnety a magnetické pole, trvalé magnety a

Úkoly prokázání praxe_maturkanic

Elektrický náboj, elektrické pole

Studijní příručka - ELEKTRO Studijní příručka - ELEKTRO

Úvod do elektrických měření

petr kolář - Supraphonline

Vícevstupový PQ monitor MEg37

66605X-X-CZ

Door meten tot weten - Fyzikální ústav AV ČR

206 (20.1) 20 ELEKTRICKÝ PROUD Ohmův zákon Rovnice

chiptech

Návod na montáž, obsluhu a údržbu

Astronomické montáže

Pokusná sada – elektronický elektroskop

1 Vedení elektrického proudu v kapalinách a plynech

PD05P-X-X