Co je napětí, proud a odpor: jak se používají v praxi?

V elektrotechnice se pojmy „proud“, „napětí“ a „odpor“ používají k popisu procesů probíhajících uvnitř elektrických obvodů. Každý z nich má svůj vlastní účel se specifickými vlastnostmi.

Toto slovo se používá k charakterizaci pohybu nabitých částic (elektronů, děr, kationtů a aniontů) přes určité médium hmoty. Směr a počet nosičů náboje určuje typ a sílu proudu.

Základní charakteristiky proudu ovlivňující jeho praktické využití

Povinným požadavkem na tok nábojů je přítomnost okruhu nebo jinými slovy uzavřeného okruhu, který vytváří podmínky pro jejich pohyb. Pokud se uvnitř pohybujících se částic vytvoří mezera, pak se jejich řízený pohyb okamžitě zastaví.

Na tomto principu fungují všechny spínače a ochrany používané v elektroinstalačních pracích. Pohybem kontaktů vytvářejí oddělení mezi vodivými částmi a tímto působením přerušují tok elektrického proudu a vypínají zařízení.

V energetice je nejrozšířenější metodou vytváření elektrického proudu pohybem elektronů uvnitř kovů vyrobených ve formě drátů, pneumatik nebo jiných vodivých částí.

Kromě této metody se také používá vytváření proudu uvnitř:

1. plyny a kapalné elektrolyty vlivem pohybu elektronů nebo kationtů a aniontů – ionty s kladnými a zápornými znaménky náboje;

2. prostředí z vakua, vzduchu a plynů, které jsou vystaveny pohybu elektronů způsobenému jevem termionické emise;

3. polovodičové materiály vlivem pohybu elektronů a děr.

Elektrický proud se může objevit, když:

• aplikace rozdílu vnějšího elektrického potenciálu na nabité částice;
• topné vodiče, které v současnosti nejsou supravodiče;
• výskyt chemických reakcí spojených s uvolňováním nových látek;
• vliv magnetického pole působícího na vodič.

Průběh elektrického proudu může být:

1. konstanta ve tvaru přímky na časovém grafu;

2. proměnná sinusová harmonická, dobře popsaná základními goniometrickými vztahy;

3. meandr, zhruba připomínající sinusoidu, ale s ostrými, výraznými úhly, které lze v některých případech dobře vyhladit;

4. pulzující, kdy směr zůstává stejný beze změny a amplituda periodicky kolísá od nuly do maximální hodnoty podle přesně definovaného zákona.

Elektrický proud může pro člověka vykonávat užitečnou práci, když:

• přeměněn na světelné záření;
• vytváří ohřev tepelných prvků;
• vykonává mechanickou práci v důsledku přitahování nebo odpuzování pohyblivých kotv nebo otáčení rotorů s pohony uloženými v ložiskách;
• v některých jiných případech generuje elektromagnetické záření.

Když elektrický proud prochází dráty, může dojít k poškození v důsledku:

• nadměrné zahřívání proudových obvodů a kontaktů;
• vznik vířivých proudů v magnetických obvodech elektrických strojů;
• vyzařování elektřiny elektromagnetickým vlněním do okolí a některé podobné jevy.

Projektanti elektrických zařízení a vývojáři různých obvodů zohledňují uvedené možnosti elektrického proudu ve svých zařízeních. Například škodlivé účinky vířivých proudů v transformátorech, motorech a generátorech jsou redukovány fúzí jader používaných k průchodu magnetických toků. Vířivý proud se přitom úspěšně využívá k ohřevu prostředí uvnitř elektrických trub a mikrovlnných trub pracujících na indukčním principu.

Střídavý elektrický proud se sinusovým průběhem může mít různé frekvence kmitů za jednotku času – sekundu. Průmyslová frekvence elektrických instalací v různých zemích je standardizována na 50 nebo 60 hertzů. Pro jiné účely elektrotechniky a radiotechniky se používají signály:

• nízkofrekvenční, mající nižší hodnoty;
• vysokofrekvenční, výrazně přesahující rozsah průmyslových zařízení.

Obvykle se uznává, že elektrický proud vzniká pohybem nabitých částic v určitém makroskopickém prostředí a nazývá se vodivý proud. Při pohybu makroskopických nabitých těles, jako jsou dešťové kapky, však může také dojít k jinému typu proudu, nazývanému konvekce.

Jak vzniká elektrický proud v kovech?

Pohyb elektronů pod vlivem neustále působící síly lze přirovnat k sestupu parašutisty s otevřeným vrchlíkem. V obou případech dochází k rovnoměrně zrychlenému pohybu.

Parašutista se pohybuje díky přitahování k zemi gravitační silou, proti které působí síla odporu vzduchu. Elektrony jsou ovlivňovány silou elektrického pole, která na ně působí, a nepřetržité srážky s jinými částicemi – ionty krystalových mřížek – ruší jejich pohyb, díky čemuž část vlivu působící síly zaniká.

V obou případech dosahuje průměrná rychlost parašutisty a pohyb elektronů konstantní hodnoty.

To vytváří poměrně unikátní situaci, kdy rychlost:

• vlastní pohyb jednoho elektronu je určen hodnotou řádově 0,1 milimetru za vteřinu;
• průtoku elektrického proudu odpovídá mnohem větší hodnota – rychlost šíření světelných vln: asi 300 tisíc kilometrů za sekundu.

V místě, kde je na elektrony přivedeno napětí, tedy vzniká rychlost toku elektrického proudu a v důsledku toho se uvnitř vodivého prostředí začne pohybovat rychlostí světla.

Když se elektrony pohybují uvnitř krystalové mřížky kovu, vzniká další zajímavý vzorec: jeho srážka nastává přibližně s každým desátým přilétajícím iontem. To znamená, že se úspěšně vyhýbá asi 90 % srážek s ionty.

Zákony základní klasické fyziky, jak je běžně chápe většina lidí, pomáhají vysvětlit tento jev, ale také existující další zákony popsané teorií kvantové mechaniky.

Abychom stručně vyjádřili jejich působení, můžeme si představit, že pohyb elektronů uvnitř kovů je brzděn těžkými „houpajícími se“ velkými ionty, které poskytují dodatečný odpor.

Tento efekt je zvláště patrný při ohřevu kovů, kdy se „houpy“ těžkých iontů zvyšují a snižují elektrickou vodivost krystalických mřížek vodičů.

Proto se při zahřívání kovů vždy zvyšuje jejich elektrický odpor a při ochlazování se zvyšuje jejich vodivost. Když teplota kovu klesne na kritické hodnoty blízké absolutní nule, u mnoha z nich dochází k jevu supravodivosti.

Elektrický proud je v závislosti na své velikosti schopen vykonávat různou práci. Pro kvantifikaci jeho schopností je přijata hodnota nazývaná proudová síla. Jeho rozměr v mezinárodním měřicím systému je 1 ampér. Index „I“ se používá k označení síly proudu v technické literatuře.

Tento termín se používá jako charakteristika fyzikální veličiny, která vyjadřuje práci vynaloženou na přenos elektrického náboje testovací jednotky z jednoho bodu do druhého, aniž by se změnila povaha umístění zbývajících nábojů na existujících zdrojích pole.

Protože počáteční a koncový bod mají různé energetické potenciály, práce vykonaná pro přesun náboje nebo napětí se shoduje s poměrem rozdílu mezi těmito potenciály.

V závislosti na protékajících proudech se používají různé termíny a způsoby výpočtu napětí. Může to být:

1. konstantní – v elektrostatických a stejnosměrných obvodech;

2. proměnná – v obvodech se střídavými a sinusovými proudy.

Ve druhém případě se používají další charakteristiky a typy napětí, jako například:

• amplituda – největší odchylka od nulové polohy osy abscisy;
• okamžitá veličina, která je vyjádřena v určitém časovém okamžiku;
• aktuální, efektivní nebo jinak zvaná střední kvadratická hodnota, určená aktivní prací vykonanou během jednoho půlcyklu;
• průměrná rektifikovaná, vypočtená modulo rektifikovaná hodnota jedné harmonické periody.

Pro kvantifikaci napětí byla zavedena mezinárodní jednotka 1 volt a její symbol byl „U“.

Při dopravě elektrické energie nadzemním vedením závisí provedení podpěr a jejich rozměry na použitém napětí. Jeho hodnota mezi fázovými vodiči se nazývá lineární a vzhledem ke každému vodiči a zemi – fáze.

Toto pravidlo platí pro všechny typy venkovních vedení.

V elektrických sítích domácností u nás je standardem třífázové napětí 380/220 voltů.

Termín se používá k charakterizaci vlastností látky k oslabení průchodu elektrického proudu přes ni. V tomto případě lze volit různá prostředí, měnit se teplota látky nebo její rozměry.

Ve stejnosměrných obvodech odpor vykonává aktivní práci, proto se nazývá aktivní. Pro jakýkoli úsek je přímo úměrná použitému napětí a nepřímo úměrná procházejícímu proudu.

V AC obvodech jsou zavedeny následující koncepty:

• impedance;
• vlnový odpor.

Elektrická impedance se jinak nazývá komplexní nebo celkový odpor se svými součástmi:

Reakce zase může být:

• kapacitní;
• induktivní.

Vztahy mezi složkami impedance jsou popsány odporovým trojúhelníkem.

Při provádění elektrodynamických výpočtů je vlnová impedance silnoproudého vedení určena poměrem napětí z dopadající vlny k množství proudu procházejícího vlnovodem.

Mezinárodní jednotka měření odporu je 1 ohm.

Vztah mezi proudem, napětím, odporem

Klasickým příkladem vyjádření vztahů mezi těmito charakteristikami je srovnání s hydraulickým obvodem, ve kterém síla pohybu proudu života (analogová – velikost proudu) závisí na velikosti síly působící na píst ( vytvořené napětí) a charakter průtokových čar vytvořených zúžením (odpor).

Matematické zákony popisující vztah mezi elektrickým odporem, proudem a napětím byly poprvé publikovány a patentovány Georgem Ohmem. Odvodil zákony pro úplný obvod elektrického obvodu a jeho úsek. Více čtěte zde: Aplikace Ohmova zákona v praxi

K měření základních elektrických veličin elektřiny se používají ampérmetry, voltmetry a ohmmetry.

Ampérmetr měří proud protékající obvodem. Protože se v celém uzavřeném úseku nemění, vkládá se ampérmetr kamkoli mezi zdroj napětí a spotřebič, čímž vzniká průchod nábojů měřicí hlavicí přístroje.

Voltmetr měří napětí na svorkách spotřebiče připojeného ke zdroji proudu.

Měření odporu ohmmetrem lze provádět pouze na spotřebiči bez napětí. Ohmmetr totiž vytváří kalibrované napětí a měří proud procházející měřicí hlavou, který se převádí na Ohmy vydělením napětí výslednou hodnotou proudu.

Jakékoli připojení cizího napětí nízkého výkonu při provádění měření vytvoří další proudy a zkreslí výsledek. Vzhledem k tomu, že vnitřní obvody ohmmetru jsou vyrobeny s nízkým výkonem, pokud je odpor nesprávně změřen při použití cizího napětí, poměrně často zařízení selže kvůli skutečnosti, že jeho vnitřní obvod vyhoří.

Znalost základních charakteristik proudu, napětí, odporu a vztahů mezi nimi umožňuje elektrikářům úspěšně vykonávat svou práci a spolehlivě obsluhovat elektrické systémy a chyby, kterých se dopustí, mají velmi často za následek úrazy a úrazy.

Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře