Elektřina

4. listopadu 2008 v 16:59 | Martin Smolák |  elektrotechnika

Elektřina




Elektřina je definována například jako souhrn elektrických jevů a stavů (z nichž mezi prvními byly silové účinky vyvolané třením izolantů), přičemž se rozlišují dva druhy elektřiny, kladná a záporná. Elektřina též byla definována jako pomyslné množství vyjadřující míru zelektrování látek. Ve spisovné i obecné češtině slovo označuje specifické jevy vyvolané vzájemným působením elektronů - např. elektrický proud, elektrické napětí, elektrickou energii ap.
Elektřina má název od jantaru (řecky élektron), na němž byly pozorovány silové účinky statické elektřiny.Josef Jungmann zaznamenal starší českou podobu slova - električina, lidově se elektřina označuje též slovem elektrika.[zdroj?] Jevy spojené s elektřinou i magnetismem se nazývají elektromagnetismus. Praktický technický obor zabývající se elektřinou se nazývá elektrotechnika. Název jevu (elektřina) se přenesl i na vědecký obor,[zdroj?] který tento jev zkoumá a spadá do fyziky.

Elektrický náboj

Základní elektrickou vlastností těles je elektrický náboj. Těleso s elektrickým nábojem se nazývá elektricky nabité a je schopno působit elektrickou silou na jiné elektricky nabité těleso. V prostoru kolem nabitého tělesa se nachází elektrické pole, které popisujeme veličinou elektrická intenzita. Velikost elektrické síly vyjadřuje Coulombův zákon, v jiném tvaru pak Gaussův zákon elektrostatiky.
Tělesa lze zelektrovat různými způsoby - elektrostatickou indukcí, ionizací, chemickou disociací, třením, působením světla, tepla, aj. Ve všech případech jde uvnitř tělesa o oddělení některých elementárních částic s různým nábojem. Záporně nabité těleso má přebytek elektronů, kladně nabité těleso má nedostatek elektronů (má více protonů).
Elektrický náboj lze uchovat v kondenzátoru, příp. jiné součástce s elektrickou kapacitou.

Elektrický proud

Podrobnější informace naleznete v článku Elektrický proud.
Pohybu elektricky nabitého tělesa nebo částice se říká elektrický proud. Nejčastěji je elektrický proud tvořen usměrněným pohybem elektronů nebo jiných částic s elektrickým nábojem uvnitř vodiče, kdy se nabité částice kromě svého tepelného pohybu posouvají ve směru působení elektrické síly.
Elektrická síla způsobující elektrický proud má svůj původ ve vnějším elektrickém poli, které vytváří na koncích vodiče elektrické napětí jako rozdíl elektrických potenciálů. Vztah mezi odporem, napětím a proudem ve vodiči vyjadřuje Ohmův zákon.


Elektrický proud v různých skupenstvích

Elektrický proud v pevných látkách je možný (vodiče), nemožný (izolanty), nebo možný za určitých podmínek (polovodiče). Elektrický proud v kapalinách je možný (vodivé kapaliny) nebo možný za určitých podmínek (např. po disociaci molekul při rozpuštění jiné látky). Elektrický proud v plynech se za normálních podmínek nevyskytuje, ale je možné jej vyvolat ionizací nebo zvláštními podmínkami (vysokou teplotou, silným elektrickým polem, nízkým tlakem). Důležitou podmínkou vedení elektrického proudu látkou je vždy přítomnost volných elektricky nabitých částic.
V oblasti velmi nízkých teplot (blížících se k absolutní nule) se látky mohou stát supravodivými.


Stejnosměrný a střídavý proud

Proud v elektrickém obvodu může být stejnosměrný nebo střídavý. Střídavý proud vzniká ze zdroje střídavého napětí a mění svůj směr a velikost. Při pravidelných změnách se maximální hodnota proudu (amplituda) střídá v každém směru s určitou frekvencí. V obvodech střídavého proudu (LRC obvody) může docházet k fázovým posuvům mezi proudem a napětím v závislosti na použitých součástkách. Výkon střídavého proudu se odvozuje z efektivní hodnoty střídavého proudu.

Elektrická práce, výkon, energie

Elektrické síly posouvající částice konají elektrickou práci. Elektrická práce vykonaná za jednotku času je elektrický výkon. Spotřebovaná elektrická energie za jednotku času se nazývá elektrický příkon.
Každý vodič klade průchodu elektrického proudu odpor. To má za následek ztrátu elektrické energie a její přeměnu na tepelnou energii - vodiče se zahřívají. Teplo, vzniklé průchodem elektrického proudu vodičem, se nazývá Jouleovo teplo.


Souvislost elektřiny a magnetismu

Kolem vodiče, kterým prochází elektrický proud (obecně kolem jakékoli pohybující se elektricky nabité částice) se vždy vytváří magnetické pole. Opačně jestliže se mění magnetické pole, pak se ve vodiči vždy indukuje elektrický proud (obecně vzniká elektrická síla působící na elektricky nabité částice). Každá změna v elektrickém poli indukuje změnu v poli magnetickém a naopak, každá změna v magnetickém poli pak indukuje změny v poli elektrickém. Tyto jevy ukazují na neoddělitelnou spojitost mezi elektřinou a magnetismem. Jednotná teorie elektromagnetismu resp. elektromagnetického pole je dána Maxwellovou teorií elektromagnetického pole. Podle této celistvé teorie, která je základem veškeré praktické elektrotechniky, elektrickou energii vždy přenáší pouze a výhradně elektromagnetické pole a to v celém prostoru (teoreticky nekonečně velkém) okolo elektrického vodiče.


Elektrický obvod

Elektrický proud v praxi prochází vždy nějakým elektrickým obvodem. Jeho nejdůležitějšími částmi jsou zdroj elektromotorického napětí, elektrický spotřebič a elektrické vodiče, které jednotlivé části propojují. V elektrickém obvodu bez spotřebiče dochází ke zkratu kdy enormě narůstá hodnota elektrického proudu ve vodiči což způsobuje i prudkou změnu intenzity doprovodného magnetického pole. Proti zkratu bývají elektrické obvody chráněny specializovanými elektrickými přístroji (kupř. pojistkami, bleskojistkami, nadproudovými ochranami či motorovými jističi).
Elektrický obvod může být jednoduchý - součástky spolu s propojovacími vodiči tvoří jeden uzavřený okruh (součástky jsou zapojeny sériově), nebo rozvětvený - v uzlech se vodiče rozvětvují (jednotlivé větve jsou zapojeny paralelně). Vztahy mezi napětím a proudem v jednotlivých částech obvodu popisují Kirchhoffovy zákony. Zákonitosmi průchodu elektrického proudu elektrickými obvody se zabývá obecná teorie elektrických obvodů, která je jen praktickou aplikací jednotné teorie elektromagnetického pole.
Zvláštním druhem elektrických obvodů jsou elektronické obvody.


Elektrotechnické součástky

Nejpoužívanějšími součástkami v elektrických obvodech jsou kromě zdroje a vodičů také spínač, rezistor, reostat, potenciometr, kondenzátor, cívka, elektromagnetické relé, elektronka, polovodičová dioda, tranzistor, integrovaný obvod a další polovodičové součástky.


Elektrické spotřebiče

Mezi nejběžnější elektrické spotřebiče patří tepelné elektrické spotřebiče (žárovka, infrazářič, elektrická trouba), zářivka, elektromotor a různé elektronické spotřebiče (rádiový přijímač, televizní přijímač, různé druhy přehrávačů a rekordérů, telefon, počítač, ad.).


Výroba elektřiny

Dráty vysokého napětí, součást elektrorozvodné sítě.


Dráty vysokého napětí, součást elektrorozvodné sítě.


Při výrobě elektřiny jde o přeměnu jiného druhu energie na elektrickou energii. Přímá přeměna chemické energie je základem různých galvanických článků (alkalické články, akumulátory), přeměna mechanické energie se uskutečňuje elektromagnetickou indukcí v elektrickém generátoru což bývá alternátor v případě střídavé napájecí soustavy, nebo stejnosměrný generátor resp. dynamo v případě stejnosměrné napájecí soustavy, přeměna světelné energie na elektrickou energii pak využívá fotoelektrického jevu.
Podle druhu primárního zdroje vnější energie rozlišujeme několik druhů výroben elektrické energie - tedy elektráren (vodní, tepelná, jaderná, větrná, atd.). Z elektráren je elektrická energie dále rozváděna prostřednictvím veřejné elektrorozvodné sítě, pro tento účel musí být primární napětí vhodně transformována transformátory na různě vysoká provozní napětí. Pro dálkové rozvody větších objemů elektrické energie se používájí vedení velmi vysokého či vysokého napětí o napětí až stovek kilovolt. Místní rozvody pak používají napětí desítek kilovolt. Domovní rozvody pak užívají provozní napětí řádově stovek voltů. Běžné rozvodné soustavy používají třífázové systémy rozvodu, kdy elektrické napětí v každé fázi je fázově posunuto o 120 stupňů oproti zbylým dvěma fázím. Velké spotřebiče elektrické energie se vyskytují zejména v průmyslu (méně už v domácnostech), ty bývají konstruovány jako spotřebiče třífázové (kupř.velké elektromotory nebo velké elektrické pece). V domácnostech, ve školách a na úřadech či jinde je běžně používána vždy pouze jedna fáze. Domovní rozvody v těchto případech bývají rozděleny na více vzájemně nezávislých napájecích okruhů, každý okruh je pak kvůli rovnoměrném zatížení elektrorozvodné sítě zapojen na jinou fázi rozvodu. Z původního trojfázového napětí může koncový uživatel dostat podle druhu rozvodu a jeho zapojení zapojení fázové ze systému jednofázového (napětí jedné fáze proti zemi) nebo sdružené mezifázové napětí u systému třífázového.


Stručná historie elektřiny

Mezi obory fyziky patří elektřina k těm mladším. Její rozvoj nastal po objevu prvního použitelného zdroje stálého elektrického proudu - Voltova článku - v roce 1800. Během krátké doby v první polovině 19. století byla prozkoumána většina elektrických vlastností látek za normálních podmínek, byly objeveny zákony platící v elektrických obvodech a nalezena souvislost elektřiny s magnetismem. Nejvýznamnější jména té doby jsou Alessandro Volta, André Marie Ampere, Georg Simon Ohm, Hans Christian Oersted, Michael Faraday. Průkopnické období bylo v roce 1865 završeno Dynamickou teorií elektromagnetického pole, ve které James Clerk Maxwell pouhými čtyřmi rovnicemi vyjádřil vše podstatné z dosavadních objevů a zároveň jako důsledek svých rovnic předpověděl další, dosud neznámé elektromagnetické jevy.
Období druhé poloviny 19. století bylo ve znamení technických aplikací elektřiny, vynálezů různých elektrických spotřebičů (generátor, oblouková lampa, žárovka, elektromotor, telefon) a jejich zavádění do výroby a domácností. K slavným fyzikům a vynálezcům té doby lze řadit jména jako Heinrich Hertz, William Thomson lord Kelvin, Thomas Alva Edison, Werner von Siemens, Nikola Tesla, Alexander Graham Bell, z Čechů František Křižík.
Třetí období bylo odstartováno objevem elektronu v roce 1897 J. J. Thomsonem. To vyvrátilo dosavadní představy o elektrickém fluidu uvnitř látek a umožnilo spolehlivě vysvětlit podstatu většiny elektrických jevů. Dalšími kroky vpřed byly Planckova kvantová teorie, Einsteinova teorie relativity a objevy dalších subatomárních částic - protonu v roce 1911 a neutronu v roce 1932. V elekrotechnice se novou součástkou stala vakuová elektronka, umožňující vysílání a příjem rozhlasu. Jinak po celou první polovinu 20. století bylo charakteristické masové rozšiřování elektřiny (elektrifikace obcí, stavba elektráren).
V druhé polovině 20. století se nejdůležitějším objevem stal tranzistorový jev v roce 1947, který uskutečnili John Bardeen, William Brattain a William Shockley. Po zvládnutí technologie výroby příměsových polovodičů se tranzistor stal základem elektronických obvodů používaných prakticky ve všech běžných elektronických přístrojích (dnešní procesory či mikroporcesory obsahují milióny až miliardy mikroskopických tranzistorů a tvoří základ pro počítač, mobilní telefon a mnohá další elektronická zařízení). Velký význam mělo rovněž umožnění přenosu obrazu na dálku pomocí televize, nejprve černobílé, později barevné. Velký praktický dopad přineslo i používání optických vláken, CCD obvodů a dalších součástí moderní elektroniky.
V současné době je elektřina běžnou a neodmyslitelnou součástí života lidí v podobě nejrůznějších domácích spotřebičů, výrobních prostředků a prostředků komunikační a zábavní techniky.
 

Buď první, kdo ohodnotí tento článek.

Anketa

Jaký Internetový vyhledávač používáte?

Google 22.8% (134)
Seznam 16.5% (97)
Atlas 16.7% (98)
Centrum 13.1% (77)
Slunečnice 17% (100)
idnes 13.8% (81)

Nový komentář

Vezměte na vědomí, že diskuse je moderována. Než se nový komentář začne zobrazovat, musí jej nejdříve schválit autor blogu.

Přihlásit se
  Ještě nemáte vlastní web? Můžete si jej zdarma založit na Blog.cz.
 

Aktuální články

Reklama