ELEKTRICKÝ PRÚD 1. VZNIK ELEKTRICKÉHO PRÚDU ELEKTRICKÝ PRÚD - Je usporiadaný pohyb voľných častíc s elektrickým nábojom. Podmienkou vzniku elektrického prúdu v látke je: prítomnosť voľných častíc s elektrickým nábojom, utvorenie elektrického poľa v tejto látke. Udržiavané elektrické pole vo vodiči nastane, ak je vodič pripojený na elektrický zdroj. Smer elektrického prúdu - podľa dohody sa za smer prúdu pokladá smer usporiadaného pohybu voľných častíc s kladným nábojom. Smer elektrického prúdu v kovoch je opačný ako smer pohybu elektrónov. Meranie elektrického prúdu - Elektrický prúd meriame ampérmetrom, ktorý pripájame do obvodu sériovo s tou časťou, v ktorej chceme odmerať elektrický prúd. 1
Elektrický prúd I Elektrický prúd I je definovaný podielom celkového náboja častíc prierezom vodiča S za čas, a času., ktoré prejdú Elektrický zdroj - Elektrický zdroj (zdroj napätia) je každé zariadenie, medzi ktorého dvoma rozličnými časťami (pólmi) je aj po pripojení vodiča udržiavané napätie. Vo vnútri zdroja musia pôsobiť neelektrostatické sily, ktoré odvádzajú voľné elektróny z kladnej svorky na zápornú. Zdroje elektrického napätia - elektrochemický (batéria), fotoelektrický (fotočlánok), termoelektrický (termočlánok), elektrodynamický (dynamo, alternátor), mechanický (van der Graaffov generátor). Experiment 2. OHMOV ZÁKON PRE ČASŤ ELEKTRICKÉHO OBVODU 2
Ohmov zákon pre časť elektrického obvodu Elektrický prúd I v kovovom vodiči je priamo úmerný elektrickému napätiu U medzi koncami vodičov. G elektrická vodivosť [ G ] = 1 S (Siemens) R elektrický odpor [ R ] = 1 Ω (Ohm) ; je rovný prevrátenej hodnote elektrickej vodivosti. Príčinou elektrického odporu sú zrážky voľných elektrónov s iónmi mriežky v dôsledku ich tepelného pohybu. Menší počet zrážok znamená menší elektrický odpor. Podiel je pre daný vodič konštantný, nezávisí od napätia alebo prúdu vo vodiči. Závislosť elektrického odporu od parametrov vodiča l - dĺžka kovového vodiča S - obsah kolmého prierezu vodiča ρ - merný elektrický odpor látky [ ρ ] = Ω. m (dobré vodiče odporové materiály majú viac jako Ω.m) Ω.m; Závislosť elektrického odporu od teploty vodiča R - odpor pri teplote T 2 R 0 - odpor pri teplote T 1, pričom α - teplotný súčiniteľ elektrického odporu 3. OHMOV ZÁKON PRE UZAVRETÝ ELEKTRICKÝ OBVOD Uzavretý elektrický obvod sa skladá z: vonkajšej časti, ktorú tvoria rezistory, vodiče, spotrebiče pripojené na svorky zdroja. Odpor vonkajšej časti je označovaný R. vnútornej časti, ktorú tvorí vodivý priestor medzi pólmi vo vnútri zdroja. Odpor vnútornej časti je vnútorný odpor zdroja a je označovaný. 3
Ohmov zákon pre uzavretý elektrický obvod Súčet napätí na vonkajšej a vnútornej časti elektrického obvodu sa rovná elektromotorickému napätiu zdroja. svorkové napätie zdroja (voltmeter pripojený k svorkám zdroja meria jeho svorkové napätie) úbytok napätia na zdroji Elektromotorické = svorkové + úbytok napätia napätie zdroja napätie zdroja na zdroji Prúd v uzavretom obvode sa rovná podielu elektromotorického napätia zdroja a súčtu odporov vonkajšej a vnútornej časti obvodu. Režimy práce elektrického zdroja Nezaťažený zdroj (zapojenie naprázdno) Ak je spínač rozpojený, obvodom prúd neprechádza. Úbytok napätia na zdroji je rovný nule. Pri nezaťaženom zdroji je svorkové napätie U rovné elektromotorickému napätiu zdroja U e. Zaťažený zdroj 4
Ak je spínač zopnutý, obvodom prúd prechádza. Úbytok napätia na zdroji nie je rovný nule. Pri zaťaženom zdroji je svorkové napätie U menšie ako elektromotorické napätie zdroja U e. Skratovaný zdroj (zapojenie nakrátko) Pri skrate je odpor vonkajšej časti takmer nulový, prúd v obvode dosahuje najväčšiu možnú hodnotu (skratový prúd). Odber veľkých prúdov poškodzuje každý zdroj, preto sa do obvodu zapájajú ističe a poistky, ktoré odpoja zdroj, ak je prúd väčší ako povolená hodnota. 4. KIRCHHOFFOVE ZÁKONY Jednoduchý elektrický obvod sa skladá zo zdroja napätia, rezistora, ampérmetra a vypínača. Elektrická sieť - rozvetvený elektrický obvod. Uzol - miesto, kde sa stýkajú najmenej tri vodiče. A, B - uzly Vetva - časť obvodu medzi dvoma susednými uzlami. 5
Prvý Kirchhoffov zákon (pre uzol jednosmerného obvodu) V elektrickej sieti sa algebrický súčet prúdov v každom uzle rovná nule. Prúdy vstupujúce do uzla majú kladné znamienko, prúdy vystupujúce z uzla majú záporné znamienko. Napríklad pre uzol A platí: Druhý Kirchhoffov zákon (pre jednoduché uzavreté obvody) V každom jednoduchom uzavretom obvode elektrickej siete sa algebraický súčet elektromotorických napätí zaradených zdrojov rovná súčtu úbytkov napätí na jednotlivých odporoch. Pre zvolený obvod teda platí: 6
Pre iný obvod bude platiť: Postup pri zostavovaní rovníc: 1. ľubovoľne vyznačíme smery prúdov v jednotlivých vetvách siete, 2. označíme smery napätí na zdrojoch (smer rastúceho potenciálu, od do +), 3. v jednoduchom uzavretom obvode ľubovoľne vyznačíme smer obiehania, 4. zostavíme rovnice: - napätia so súhlasným smerom ako smer obiehania majú kladné znamienko (nesúhlasné záporné), - úbytky napätí majú kladné znamienko, ak smer prúdu súhlasí so smerom obiehania ( ak nie nesúhlasné). Príklad 1: Určte prúdy v jednotlivých vetvách siete, ak. 7
Príklad 2: Určte prúdy v jednotlivých vetvách siete, ak,. Spájanie rezitorov Sériové zapojenie rezistorov (za sebou) Celkový odpor sériovo zapojených rezistorov sa rovná súčtu hodnôt jednotlivých odporov rezistorov. 8
Paralelné zapojenie rezistorov (vedľa seba) Prevrátená hodnota celkového odporu paralelne zapojených rezistorov sa rovná súčtu prevrátených hodnôt jednotlivých odporov rezistorov. 9