Elektrotechnika

Elektrotechnika Základní pojmy

Fyzikální veličiny a jednotky • Fyzikální veličiny • měřitelné vlastnosti těles, tekutin, polí, stavů a dějů – tj. fyzikálních jevů • ( např.délka, teplota, elektrické napětí . . . ) • lze pomocí nich kvalitativně i kvantitativně popsat jevy, stavy a vlastnosti různých materiálních objektů • ke kvantitativnímu stanovení veličiny je zapotřebí jejich jednotky • Jednotka fyzikální veličiny • vhodně zvolená a přesně stanovená veličina, kterou používáme k porovnávání (měření) veličin stejného druhu.

Definice fyzikální veličiny je její určení co do velikosti a fyzikálního rozměru Např.s = 5 m s ... fyzikální veličina5 .. číselná hodnota m .. fyzikální rozměr (jednotka) • označovány zkratkovými značkami – tisknou se kurzívou • hodnota se skládá z číselné hodnoty a značky jednotky – tisknou se antikvou l - délka U- napětí T - teplota F – farad – jednotka kapacity N – newton – jednotka síly

Mezinárodní soustava jednotek SI zkráceně soustava SI či pouze SI, francouzsky Systeme International ďUnités • soubor hlavních jednotek • doplněný jednotkami násobnými a dílčími • používání soustavy SI je v České republice stanoveno zákonem s účinností od 1.8.1974. základních doplňkových odvozených

Základní jednotky • vhodně zvolené jednotky základních veličin • každá základní veličina má pouze jedinou hlavní jednotku, která slouží současně jako základní jednotka • v mezinárodní soustavě jednotek SI je sedm základních jednotek v dohodnutém pořadí:

Definice základních jednotek metr délka dráhy, kterou proběhne světlo ve vakuu za 1/299 792 458 sekundy kilogram hmotnost mezinárodního prototypu kilogramu uloženého v Mezinárodním úřadě pro váhy a míry v Sévres u Paříže sekunda doba rovnající se 9 192 631 770 periodám záření, které odpovídá přechodu mezi dvěma hladinami velmi jemné struktury základního stavu atomu cesia 133 ampér stálý elektrický proud, který při průchodu dvěma přímými rovnoběžnými nekonečně dlouhými vodiči zanedbatelného kruhového průřezu umístěnými ve vakuu ve vzájemné vzdálenosti 1 metr vyvolá mezi nimi stálou sílu 2.10-7 newtonu na 1 metr délky vodiče

Definice základních jednotek kelvin kelvin je 1/273,16 termodynamické teploty trojného bodu vody mol mol je látkové množství soustavy, která obsahuje právě tolik elementárních jedinců (entit), kolik je atomů v 0,012 kilogramu nuklidu uhlíku 612C (přesně) kandela kandela je svítivost zdroje, který v daném směru vysílá monochromatické záření o kmitočtu 540.1012 hertzů a jehož zářivost v tomto směru je 1/683 wattu na steradián

Doplňkové jednotky • jsou to takové jednotky, o nichž Generální konference pro váhy a míry dosud nerozhodla, zda mají být zařazeny mezi základní jednotky nebo jednotky odvozené Definice doplňkových jednotek radián rovinný úhel sevřený dvěma polopřímkami, které na kružnici opsané z jejich počátečního bodu vytínají oblouk o délce rovné jejímu poloměru. steradián prostorový úhel s vrcholem ve středu kulové plochy, který na této ploše vytíná část s obsahem rovným druhé mocnině poloměru této kulové plochy.

Odvozené jednotky • vznikají pomocí fyzikálních definičních vztahů z jednotek základních nebo doplňkových • k vytváření dalších odvozených jednotek mohou být použity odvozené jednotky, které mají samostatný název • jsou koherentní vzhledem k jednotkám základním, resp. doplňkovým • některé odvozené jednotky jsou uvedeny v následující tabulce

Násobné a dílčí jednotky • tvoří se pomocí předpon, které také předepisuje norma • u názvu nesmí být použito více než jedné předpony • předpony pro tvoření násobků a dílů jednotek podle třetí mocniny deseti jsou uvedeny v následující tabulce.

Násobné a dílčí jednotky • kromě těchto předpon je možno užívat i předpon odstupňovaných po jednom dekadickém řádu • užívání těchto předpon je dovoleno jen ve zvláštních případech, tj. např. hektolitr (hl) nebo centimetr (cm), kterých se běžně užívalo před zavedením nové normy • všeobecně se dává přednost užívání předpon odstupňovaných podle třetí mocniny deseti.

Vedlejší jednotky • nepatří do soustavy SI, ale norma povoluje jejich používání • nejsou koherentní vůči základním nebo doplňkovým jednotkám SI • jejich užívání v běžném praktickém životě je však tradiční a jejich hodnoty jsou ve srovnání s odpovídajícími jednotkami SI pro praxi vhodnější - bylo tedy nutné (a vhodné) povolit jejich užívání • vedlejší jednotky uvádí • následující tabulka

Vedlejší jednotky • k vedlejším jednotkám času a rovinného úhlu se nesmějí přidávat předpony • předpony nelze také používat u astronomické jednotky, světelného roku, dioptrie a atomové hmotnostní jednotky • lze používat také jednotek kombinovaných z jednotek SI a jednotek vedlejších nebo i kombinované z vedlejších jednotek • bez časového omezení lze používat poměrových a logaritmických jednotek (např. procento, bel, decibel, oktáva)

Stavba hmoty Hmota základní fyzikální pojem látka, skládající se z „hmotných“ částic (částic s hmotností) dva projevy hmoty pole, které se podle klasické fyziky nemělo skládat z částic, ale projevovat se jako kontinuum ve svých vlastnostech - v moderní fyzice (přinejmenším v mikrosvětě) jsou látka a pole, dva navzájem spjaté „projevy“ či „strukturní formy“ hmoty, protože se ukázalo, že elementární částice vystupují jako kvanta (nejmenší nedělitelné částice) jistých polí, ztrácejí tedy čistě korpuskulární povahu - skutečnost, že na každý hmotný objekt (částici i pole) je možné se dívat buď jako na částici nebo jako na vlnu nazýváme korpuskulárně-vlnový dualizmus (či dualizmus vlna-částice)

Složenílátek látka • jedna z forem hmoty • materiál, ze kterého jsou tvořena fyzikální tělesa • tvořená molekulami ( atomy ) látky homogenní (sourodé, stejnorodé) • vlastnosti (např. barva, hustota, teplota) se v celém objemu tělesa vůbec nemění (nebo - v případě kontinuálního homogenního tělesa, jímž je například sloupec vzduchu od povrchu Země do stratosféry - se mění plynule) látky heterogenní (různorodé, nestejnorodé) • složené z fyzikálních tělísek různých vlastností • například beton je obvykle složen z tělísek kameniva (např. štěrku), zrnek písku a jehlicovitých krystalků vzniklých krystalizací z mokré betonové směsi (malty) při jejím tvrdnutí

Stavba atomu všechny atomy jsou dělitelné a jsou složeny ze základních elementárních částic • elektron e- - částice s nejmenším záporným nábojem • proton p+- částice s nejmenším kladným nábojem • neutron n0- částice bez elektrického náboje uloženy v elektronovém obalu nukleony uloženy v jádře atomu Bohrův model atomu vodíku

Obal atomu • vrstvy ( slupky ) • maximální počet v jednom atomu je sedm • dělí se na hladiny – dráha, po které se pohybují elektrony – mají zcela určitou energii • atom lithia • vnitřní vrstva – 2 elektrony • vnější vrstva – 1 elektron • jádro – 3 protony + 4 neutrony • atom se chová elektricky neutrálně • záporný náboj elektronů vyvážen kladným nábojem protonů stavba atomu lithia

Ionty • záporné nebo kladné nosiče náboje • vznikají z neutrálních atomů přijetím nebo odnětím ekĺektronu kationt aniont kladný iont záporný iont menší počet protonů než elektronů menší počet elektronů než protonů

Elektrický náboj Q fyzikální veličina lze jej spočítat z počtu elektronů nebo protonů

ELEKTROSKOP Pomocí elektroskopu zjišťujeme, zda má těleso elektrický náboj. Navíc můžeme poznávat i velikost náboje. princip elektroskopu Po dotyku kladně nabité tyče a kovové desky elektroskopu přecházejí elektrony z desky na tyč. Tím se elektroskop nabíjí kladně a ručka se odpuzuje od tyčinky. Pokud se tedy při dotyku tělesa a desky elektroskopu ručička vychýlí, je těleso nabité. ELEKTROMETR Je elektroskop umístěný v kovové krabici a opatřený stupnicí. Při výchylce ručičky můžeme na stupnici odečítat velikost kladného či záporného náboje.

Zákon zachování náboje V izolované soustavě se zachovává celkový elektrický náboj (neboli: Elektrický náboj je nestvořitelný a nezničitelný). Elektrostatické kyvadélko

Vznik elektrického proudu elektrický proud I fyzikální veličina • uspořádaný pohyb částic s el. nábojem • (= nosičů náboje, např. elektronů, iontů atd.). • udává množství náboje, které projde průřezem vodiče za jednotku času

Dohodnutý směr proudu (jinak také technický směr proudu) • směr pohybu proudu od kladného pólu (+) k zápornému pólu (–) • byl stanoven v době, kdy nebyla známa podstata vedení el. proudu ve vodičích dnes víme • směr proudu záleží na tom, které náboje, zda kladné nebo záporné, zprostředkovávají vedení el. proudu • v kovových vodičích obstarávají transport el. proudu elektrony, které mají záporný náboj (–), a proto je skutečný směr proudu od záporného pólu (–) ke kladnému pólu (+), tedy opačný na rozdíl od dohodnutého směru proudu • dohodnutý směr proudu je skutečným směrem pohybu pro kladné náboje

výpočet elektrického proudu el. proud = podíl celkového náboje Q, který projde průřezem vodiče, a času t, za který projde jednotka el. proudu A (ampér) = C  s–1 Definice ampéru: Vodičem prochází proud 1A, jestliže projde průřezem vodiče náboj 1C za 1s

Proudová hustota intenzita proudu na jednotku průřezu vodiče J jednotky

výpočet proudové hustoty J proudová hustota I el. proud A průřez vodiče

přípustná proudová hustota vodič se ohřívá tím více, čím větší je hustota protékajícího proudu řídí se podle: podmínek chlazení průřezu vedení materiálu vodičů

Druhy látek v závislosti na vodivosti Elektrická vodivost schopnost látky vést elektrický proud G udává velikost elektrického proudu procházející vodičem při jednotkovém napětí na koncích vodiče. čím větší je vodivost, tím silnější elektrický proud prochází vodičem při stejném napětí - dobrý vodič má vysokou hodnotu vodivosti, špatný vodič má nízkou hodnotu vodivosti vodič s odporem 1Ω má vodivost 1 S (siemens).

výpočet vodivosti převrácená hodnota elektrického odporu:

podle vodivosti dělíme materiály na: vodiče • látky, které vedou elektrický proud • musí obsahovat volné částice s elektrickým nábojem, nejčastěji elektrony, příp. kladné nebo záporné ionty nevodiče neboli izolanty • látky, které nevedou elektrický proud • neobsahují volné částice s elektrickým nábojem, nebo je obsahují v zanedbatelném množství • zamezují průtoku elektrického proudu mezi vodiči, které mají rozdílný elektrický potenciál polovodiče • látka, jejíž elektrická vodivost závisí na vnějších nebo vnitřních podmínkách, a dá se změnou těchto podmínek snadno ovlivnit • změna vnějších podmínek znamená dodání některého z druhů energie – nejčastěji tepelné nebo světelné • změnu vnitřních podmínek představuje příměs jiného prvku v polovodiči

Vodiče elektrického proudu vodiče 1. řádu • el. proud přenáší volné elektrony • vodiče se při průchodu el. proudu chemicky nemění kovy a uhlík ve formě grafitu vodiče 2. řádu • proud přenášejí el. nabité částice zvané ionty • jejich pohybem dochází k přenosu hmoty a chemickým změnám • ionty jsou proti elektronům větší, jejich pohyblivost je menší, takže i vodivost je nižší roztoky a taveniny = elektrolyty dobré vodiče • zahřívají se málo, nedochází k velkým ztrátám elektrické energie • vhodné jako přívodní vodiče stříbro měď zlato hliník špatné vodiče ( odporové vodiče ) • zahřívají hodně, ve vodiči vzniká velké množství tepla • používají se jako topné spirály v tepelných elektrických spotřebičích konstantan chromnikl uhlík nikelin

Izolanty elektrického proudu ideální izolant • látka absolutně nevodivá • neobsahuje žádné nosiče el. náboje • v praxi se nevyskytuje, ale tento ideální stav se používá pro zjednodušení • výpočtů reálný izolant • materiál, kde se malý počet nosičů el. nábojů vyskytuje • když vložíme takovou látku do el. pole, vede zanedbatelný proud porcelán plyny plasty sklo papír

Polovodiče • elektrické vlastnosti polovodičů můžeme vysvětlit na základě vlastností jejich krystalové mřížky • atomy čtyřmocného křemíku jsou uspořádány v krystalové mřížce • nízké teploty - valenční elektrony silně poutány v mřížce → křemík proud nevede • zahřátí – rozkmitání iontů v mřížce → uvolňování valenčních elektronů • prázdné místo = „díra“, chybějící záporný náboj se navenek projeví jako náboj kladný • do "díry" může přeskočit jiný elektron z krystalové mřížky a doplnit chybějící záporný náboj • po připojení zdroje napětí → přesun záporných elektronů ke kladnému pólu, kladných děr k pólu zápornému → usměrněný • pohyb nábojů • elektrický proud v polovodičích je způsoben • usměrněným pohybem uvolněných elektronů a „děr“ Polovodiče s vlastní vodivostí • vodivost se zvyšuje (elektrický odpor snižuje) dodáním energie

Příměsové polovodiče • volné elektrony, resp. kladné díry lze do polovodiče dostat také pomocí příměsí v krystalové mřížce Polovodič typu N • příměsí je prvek obsahující více valenčních elektronů než základní složka polovodiče • v polovodiči je přebytek elektronů, vzniká elektronová vodivost • polovodič negativní křemík s příměsí pětimocného fosforu nebo arsenu

Polovodič typu P • příměsí je prvek obsahující méně valenčních elektronů než základní složka polovodiče • v polovodiči je nedostatek elektronů, vzniká děrová vodivost • polovodič pozitivní křemík s příměsí trojmocného india

Literatura: TKOTZ, K.: Příručka pro elektrotechnika. Praha: Sobotáles, 2002 Děkuji za pozornost

Elektrotechnika