Škola Elektrotechniky - Part 2 - Elektrické pole, potenciál, odpor, merný odpor, ohmov zákon

04.02.2009 13:20 | Samael

Tak a je tu druhá časť elektrotechniky. Na úvod by som len rád dodal to, čo chýbalo v prvej časti :

- je to úroveň strednej školy
- sú to najnevyhnutnejšie veci, ktoré by mal každý elektrotechnik ovládať
- nebude tu nijaká vysoká matematika, kvantová fyzika, ani chemia (nič také, ako maxwellové rovnice, orbitaly alebo nedokázané teorie fyzikov), možno neskor v elektrotechnike pre pokročilých
- budú tu veci, ktoré všeobecne platia a sú v obehu už pekných pár rokov (netvrdím to len ja, ale aj autori zo zdrojov)
- texty budem písať tak(resp. snažiť sa písať), aby ich pochopil každý - nielen ludia, ktorí majú za sebou elektrotechnické vzdelanie či vyššie vzdelanie
- zmyslom týchto článkov je, aby každý mal nejaké to elektrotechnické minimum, poprípade si preopakoval, či naučil elektrotechniku
- nikoho nenutím čítať a za vaše komentáre budem vdačný
- budem rád, ked niekto nájde chybu nech ju oznámi a ja ju opravím. Ani ja nie som neomylný a stane sa, že može byť chyba hlavne pri konverzii znakov

Elektrické pole

- Prúdové: využíva pohybujúci sa elektrický náboj.
- Elektrostatické: využíva nepohyblivý elektrický náboj.

Dráha, po ktorej sa elektrický náboj Q pohybuje a tým koná prácu, nazývame elektrický obvod .
Elektrický obvod:

1. Jednoduchý – obsahuje jeden napájací zdroj
2. Zložený – obsahuje viac napájacích zdrojov

Jednoduchý napájací obvod:

Elektrotechnická schéma = schéma zapojenia obvodu

Elektrickým obvodom tečie prúd iba vtedy, ak je obvod uzavretý.
Použité vodiče musia byť dimenzované k pretekajúcemu prúdu, z toho vyplýva, že v praxi používame mernú veličinu elektrického prúdu nazvanú hustota elektrického prúdu J.

J = I / S [ A . m-2 ( A . mm-2 ) , A , m2 ]

Hustota elektrického prúdu J nám udáva, aký veľký elektrický prúd I môže tiecť vodičom tak, aby sa vodič nepoškodil.

Prierez vodiča má kruhový tvar. Dimenzovanie znamená výber vhodného vodiča (dlžka , prierez).
Základná jednotka hustoty elektrického prúdu je A . m-2 - je však moc veľká a preto sa používa menšia jednotka A . mm-2 .

Hodnota hustoty elektrického prúdu je udávaná v každých elektrotechnických tabulkách.
V tabulkách sú potom zobrazené jednotlivé druhy materiálov pri roznych referenčných hodnotách hrubky , dlžky , triedy materiálu a pod. V prípade ,že v obvode omnoho vačší prúd ako je dovolený tzv. nadprúd , tak nastavá prieraz materiálu (prepalenie či poškodenie drotu , vlákna atd. ).
"Elektrický prúd I preteká v obvode v mieste, kde sa mu kladie čo najmenší odpor R ( v mieste, kde je odpor najmenší )."
V mieste kde máme najmenší odpor nastane prieraz.

Elektrický potenciál

Ak ku elektrickému náboju Q1 ( - ) približujeme elektrický náboj Q2 ( - ), pôsobí medzi nábojmi odpudivá sila F. Túto silu musíme prekonať -> musíme konať prácu A. Elektrický potenciál je skalárna fyzikálna veličina, ktorá popisuje potenciálnu energiu jednotkového elektrického náboja v nemennom elektrickom poli.


Elektrické napätie sa označuje na zdroji U¯ (U so šípkou určujúcou smer napatia).

Napätie je definované, ako rozdiel potenciálov. Zem má podla medzinárodnej dohody nulový potenciál.
Jednotky napätia používané v bežnej praxi : mV , V , KV.

Intenzita elektrického poľa E:

Je fyzikálna veličina vyjadrujúca veľkosť a smer elektrického poľa. Je definovaná, ako elektrická sila pôsobiaca na teleso s kladným jednotkovým elektrickým nábojom.

E = U / l [ V . m-1 , V , m-1 ] Volt na meter

Elektrický odpor

Je vlastnosť materiálu, spôsobená kryštalickou mriežkou. Pohybujúci sa elektrón narazí do mriežky a odovzdá jej časť energie. Elektrický odpor R [ Ω – Ohm ]
Veľkosť elektrického odporu R závisí od druhu materiálu napr. Al , Cu , Au , Ag.
Schopnosť materiálu viesť elektrický prúd I je daná merným elektrickým odporom ρ [ Ω . mm2 . m-1 ]. Hodnoty merného odporu ρ sú udávané v elektrotechnických tabuľkách.
Elektrický odpor R závisí od geometrických rozmerov vodiča - to je dĺžka vodiča l a prierez vodiča S.

R = ρ. l / S [ Ω , Ω . mm2 . m-1 , m , mm2 ]

Prevrátená hodnota odporu je elektrická vodivosť ( elektrický zvod ) G.

G = 1 / R = I / U [ S – Siemens , Ω-1 ] S = Ω-1

Prevrátená hodnota merného odporu ρ je merná vodivosť γ.

γ = 1 / ρ [ S . m-1 ]

V každej schéme sú definované obvodové veličiny:

- Elektrický prúd I (A)
- Elektrické napätie U (V)

Rozdelenie látok podľa merného elektrického odporu ρ

1. Vodiče: Ag , Cu , Al , Zn , W
ρ = 10^-3 Ω . m

2. Odporový materiál: Konšťantán, Nikelín
ρ = 10^-6 – 10^7 Ω . m

3. Izolanty: Keramika, sľuda, sklo
ρ = 10^-7 – 10^16 Ω . m

4. Polovodiče: Si, Ge, In
ρ = 10^-7 – 10^1 Ω . m

5. Elektrolyty: CuSo4, KOH, AgNO3
ρ = 10^-4 – 10^0 Ω . m
Sú vodné roztoky solí kovov. Sú kvapaliny, ktoré vedú elektrický prúd.

Činitele ovplyvňujúce merný odpor ρ

ρ ≠ Konšt. -> R ≠ Konšt. , ak ρ ↑ -> R ↑

1. Vplyv teploty:

ak t ↑ -> ρ ↑ platí pre kovy
ak t ↑ -> ρ ↓ platí pre polovodiče

Pre kovy platí: Rt = R20 . ( 1 + α . ∆t ) [Ω]

Rt – odpor pre teplote t
R20 – odpor pri teplote t = 20 °C = odpor za studena
α – teplotný súčiniteľ odporu, vyjadruje o koľko Ω sa zmení elektrický odpor R, ak sa zmení teplota o 1 ° C. Udáva sa v elektrotechnických tabuľkách.
∆t – rozdiel teplôt, konečná teplota mínus počiatočná ∆t = t2 – t1.

Použitie: Pri meraní teploty.

Ak znížime teplotu na hodnotu – 273 ° C = 0 K -> R = 0 Ω

Platí pre určité druhy materiálov. Takýto stav R = 0 Ω sa nazýva supravodivosť.
Praktické video : http://youtube.com/watch?v=0IkiEQTpqgU

Použitie: Supravodivé káble, supravodivé materiály.

2. Vplyv tlaku:

Ak tlak vzduchu p ↑ -> ρ ↑

Použitie: Na meranie tlaku elektrickými metódami.

3. Vplyv svetla:

Ak intenzita svetla E ↑ -> ρ ↓

Praktická ukážka fotodiody: http://youtube.com/watch?v=PDOv-WUABJo

Použitie: Pri polovodičoch, napríklad fotodióda.

4. Vplyv magnetizácie:

V kovoch sa merný elektrický odpor ρ takmer nemení, jedine bizmut Bi. Ten reaguje na elektrické pole E.

Ak magnetické pole H ↑ -> ρ ↑

Použitie: meranie magnetických polí.

Ohmov zákon


Elektrický prúd pretekajúci vodičom je priamo úmerný rozdielu elektrických napätí na koncoch vodiča a nepriamo úmerný elektrickému odporu medzi koncami vodiča.

V každej schéme musia byť pooznačované obvodové veličiny: elektrický prúd I a elektrické napätie U. Napätie na rezistore má vždy súhlasný smer s pretekajúcim prúdom.

Elektrický prúd I preteká v obvode v mieste, kde sa mu kladie čo najmenší odpor R ( v mieste, kde je odpor najmenší ).

Zdroje :

Elektrotechnika 1 - Tomáš Hajach, Miroslav Tuma a Eva Steliarová
Základy elektrotechnika - Franko L., Tomáš Hajach
Teoretická elektrotechnika - Kneppo L., Benda
Elektrotechnika I fyzikálne základy - Hlávka

    • Re: Škola Elektrotechniky - Part 2 - Elektrické pole, potenciál, 05.02.2009 | 00:16
      Avatar k0fein   Používateľ

      Tak a je tu druhá časť mojich pripomienok a nevysvetlených záhad (nehovoriac o tom, že predošlý článok nebol updatovaný a vysvetlený). Vzhľadom na uvedenú skotočnosť, že budú články na úrovni strednej školy, pokúsim sa aj ja moje pripomienky ponechať na úrovni strednej školy. Moje otázky budú členené na dve časti. Prvá bude otázka a druhá - v rámci otázky - to ako to myslím. Zároveň ťa žiadam, aby si mi odpovedal na stránke a nie na IRC.

      1. Ako hustota elektrického prúdu udáva aký veľký prúd môže tiecť vodičom aby sa nepoškodil ?
        V text uvádzaš len vzťah samotnej hustoty. Potom hovoríš, že ona sama udáva maximálny možný prúd. Kde udáva ? Neuviedol si žiadnu podmienku. Vzorec, v texte uvedený, je len na výpočet nejakého čísla z nejakých iných čísiel. Nie je tam podmienka ktorá by hovorila kedy je už prúdová hustota pre daný vodič príliš veľká. Predpokladám, že sú to tabuľkové hodnoty pre konkrétny typ materiálu. Je to tak ? Predpokladám, že máš tabuľky, kde je napísané, že keď máš napr. medenný vodič s kruhovým prierezom a priemerom 5mm, tak možeš mať prúdovú hustotu maximálne toľko a toľko. Je to tak, sú na to tabuľky? Ak áno, v akých tabuľkách to možno nájsť, ak nie ako je to potom ?

      2. Čo sa stane keď prekročím prúdovú hustotu pre vodič ?
        Po tom čo vysvetlíš 1) mi, odpovedz na to čo sa stane ak bude prúdová hustota príliš veľká. Prepáli sa vodič ? Presnejšie, čo znamená, že sa zničí ? Ako to bude potom z jeho fyzikálnymi vlastnosťami ? Predpokladám že ostane takým istým vodičom ako predtým, len sa mechanicky poškodí, je to tak ?

      3. V časti elektrický potenciál dopíš, čo to ten potenciál je
        Uviedol si akúsi prácu, náboje, a silu. Doplň, čo z toho je potenciál.

      4. Rozdelenie látok podľa merného odporu - tvar čísiel.
        Predpokladám, že 10-3 je 10 na -3. Ak je to tak, potom sa drž nejakej rozumnej konvencie, napríklad 10E-3 alebo 10^-3

      major_kusanagi
      /* no comment */

      major_kusanagi /* no comment */
      • Re: Škola Elektrotechniky - Part 2 - Elektrické pole, potenciál, 05.02.2009 | 13:13
        Avatar blackhole_ventYl   Používateľ

        V prvom rade veci, ako prudova hustota ta pri rieseni zakladnych elektrickych obvodov nezaujimaju, kym sa nehrabes v samotnej podstate elektromagnetickej indukcie, co je zas trocha ina disciplina trocha blizsia fyzike, nez elektrotechnike.

        ---
        Cuchat s nadchou, to je ako sniffovat bez promiscu.

        --- Cuchat s nadchou, to je ako sniffovat bez promiscu.
      • Re: Škola Elektrotechniky - Part 2 - Elektrické pole, potenciál, 05.02.2009 | 14:21
        Avatar Samael   Používateľ

        Dakujem za pripomienky. Text bol editnutý ,tak si možeš prezrieť odpoved na tvoje otázky.
        Počítanie hustoty elektrického prúdu sa využiva hlavne pri elektromagnetizme napr. skin-efekt .
        Pri uploade som skutočne zabudol vložiť jeden obrazok a vetu ohladom potencialu.
        Ako najvačšie chybu si uznávam tvar čísiel , bola to školárska chyba :-).
        Každopádne dakujem.

        Only two things are infinite, the universe and human stupidity, and Im not sure about the former.
        ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯
        Albert Einstein

        Only two things are infinite, the universe and human stupidity, and Im not sure about the former. ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ Albert Einstein