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

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

Elektřina

Toto slovo se používá k charakterizaci pohybu nabitých částic (elektronů, děr, kationtů a aniontů) určitým prostředím látky. Směr a počet nosičů náboje určuje typ a sílu proudu.

Hlavní charakteristiky proudu ovlivňují jeho praktické použití

Předpokladem pro tok nábojů je přítomnost okruhu nebo jinými slovy uzavřené smyčky, která vytváří podmínky pro jejich pohyb. Pokud se uvnitř pohybujících se částic vytvoří dutina, jejich směrový pohyb se okamžitě zastaví.

Na tomto principu fungují všechny spínače a ochrany používané v elektroenergetice.Vytvářejí oddělení mezi pohyblivými kontakty vodivých částí a tímto působením přerušují tok elektrického proudu, čímž se zařízení vypne.

V energetice je nejběžnější metodou vytvoření elektrického proudu v důsledku pohybu elektronů uvnitř kovů vyrobených ve formě drátů, pneumatik nebo jiných vodivých částí.

Kromě této metody se také používá vytváření proudu uvnitř:

1. plyny a elektrolytické kapaliny v důsledku pohybu elektronů nebo kationtů a aniontů – ionty s kladnými a zápornými znaménky náboje;

2. prostředí vakua, vzduchu a plynů vystavených pohybu elektronů způsobenému jevem termionického záření;

3. polovodičové materiály vlivem pohybu elektronů a děr.

K úrazu elektrickým proudem může dojít, když:

• aplikace rozdílu vnějšího elektrického potenciálu na nabité částice;

• topné dráty, které v současné době nejsou supravodiče;

• průběh chemických reakcí souvisejících s uvolňováním nových látek;

• účinek magnetického pole aplikovaného na drát.

Tvar vlny elektrického proudu může být:

1. konstanta ve tvaru přímky na časové ose;

2. proměnná sinusová harmonická dobře popsaná základními goniometrickými vztahy;

3. meandr, zhruba připomínající sinusovku, 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 být pro člověka užitečný, když:

• přeměněn na světelné záření;

• vytváří ohřev tepelných prvků;

• vykonává mechanickou práci přitahováním nebo odpuzováním pohyblivých kotv nebo otáčením rotorů s pohony upevněnými v ložiskách;

• v některých jiných případech generuje elektromagnetické záření.

Když elektrický proud prochází vodiči, poškození může být způsobeno:

• nadměrné zahřívání proudových obvodů a kontaktů;

• vzdělání vířivé proudy v magnetických obvodech elektrických strojů;

• záření elektřiny elektromagnetické vlny v prostředí 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 se zmírňují smícháním jader používaných k přenosu magnetických toků. Vířivý proud se přitom úspěšně využívá k ohřevu média v elektrických troubách a mikrovlnných troubách pracujících na indukčním principu.

Střídavý elektrický proud se sinusovým průběhem může mít různou frekvenci oscilací za jednotku času — sekundu. Průmyslová frekvence elektrických instalací v různých zemích je standardizována čísly 50 nebo 60 hertzů. Pro jiné účely elektrotechniky a rádiového podnikání se signály používají:

• nízkofrekvenční, s nižšími hodnotami;

• vysokofrekvenční, výrazně přesahující rozsah průmyslových zařízení.

Obecně se uznává, že elektrický proud vzniká pohybem nabitých částic v určitém makroskopickém prostředí a nazývá se vodivý proud... Jiný typ proudu zvaný konvekce však může nastat, když se makroskopicky nabitá tělesa pohybují, například kapky deště. .

Jak vzniká elektrický proud v kovech

Pohyb elektronů pod vlivem na ně působící konstantní síly lze přirovnat k sestupu parašutisty s otevřeným vrchlíkem. V obou případech je dosaženo rovnoměrně zrychleného pohybu.

Parašutista se pohybuje vlivem gravitace směrem k zemi, proti které působí síla odporu vzduchu. Elektrony jsou ovlivněny silou, která na ně působí elektrické polea jeho pohybu brání nepřetržité srážky s jinými částicemi — ionty krystalových mřížek, díky nimž část účinku působící síly zhasne.

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

To vytváří poměrně unikátní situaci, kdy rychlost:

• vlastní pohyb elektronu je určen hodnotou řádově 0,1 milimetru za sekundu;

• průtoku elektrického proudu odpovídá mnohem vyšší hodnota — rychlost šíření světelných vln: asi 300 tisíc kilometrů za sekundu.

Tím pádem, tok elektrického proudu vzniká tam, kde se na elektrony přivede napětí a v důsledku toho se začnou pohybovat rychlostí světla uvnitř vodivého prostředí.

Když se elektrony pohybují v krystalové mřížce kovu, vzniká další zajímavá zákonitost: sráží se asi s každým desátým protiiontem.To znamená, že se úspěšně vyhýbá asi 90 % iontových srážek.

Tento jev lze vysvětlit nejen zákony základní klasické fyziky, jak je běžně chápe většina lidí, ale také dalšími provozními zákony popsanými v teorii kvantové mechaniky.

Pokud stručně vyjádříme jejich působení, můžeme si představit, že pohybu elektronů uvnitř kovů brání těžké „houpající se“ velké ionty, které poskytují dodatečný odpor.

Tento efekt je patrný zejména při zahřívání kovů, kdy se zvyšuje „houpačka“ těžkých iontů a snižuje se elektrická vodivost krystalových mřížek drátů.

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 hodnotě absolutní nuly, u mnoha z nich nastává fenomén supravodivosti.

Elektrický proud, v závislosti na jeho hodnotě, je schopen dělat různé věci. Pro kvantitativní posouzení jeho schopností se bere hodnota nazývaná proud. Jeho velikost v mezinárodním systému měření je 1 A. Pro označení aktuální síly v technické literatuře se používá index «I».

Napětí

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 zdrojích aktivního pole.

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

Pro výpočet napětí v závislosti na protékajících proudech se používají různé termíny a metody. Nemůže být:

1. konstantní — v elektrostatických obvodech a obvodech s konstantním proudem;

2. střídavý — v obvodech se střídavým a sinusovým proudem.

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

• amplituda — největší odchylka od nulové polohy osy úsečky;

• okamžitá hodnota, která je vyjádřena v určitém okamžiku;

• efektivní, efektivní nebo jinak zvaná střední kvadratická hodnota, určená aktivní prací vykonanou za jedno pololetí;

• rektifikovaná průměrná hodnota vypočtená modulo rektifikovaná hodnota jedné harmonické periody.

Pro kvantitativní hodnocení napětí byla zavedena mezinárodní jednotka 1 volt a jejím označením se stal symbol «U».

Při dopravě elektrické energie nadzemním vedením závisí provedení podpěr a jejich rozměry na hodnotě použitého napětí. Jeho hodnota mezi vodiči fází se nazývá lineární a relativní ke každému vodiči a zemní fázi.

Toto pravidlo platí pro všechny typy leteckých společností.

V domácích elektrických sítích naší země je standardem třífázové napětí 380/220 voltů.

Elektrický odpor

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

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

Ve schématech střídavého proudu jsou zavedeny následující koncepty:

• impedance;

• vlnový odpor.

Elektrická impedance se také nazývá komplexní nebo komponentní impedance:

• aktivní;

• reaktivní.

Reaktivita zase může být:

• kapacitní;

• induktivní.

Jsou popsána spojení mezi impedančními složkami odporového trojúhelníku.

V elektrodynamickém výpočtu je vlnová impedance silnoproudého vedení určena poměrem napětí z dopadající vlny k hodnotě proudu procházejícího vlnovodem.

Hodnota odporu je brána jako mezinárodní jednotka měření 1 Ohm.

Vztah proudu, napětí, odporu

Klasickým příkladem vyjádření vztahu těchto charakteristik je srovnání s hydraulickým obvodem, kde síla pohybu proudu života (analogová - velikost proudu) závisí na hodnotě síly působící na píst (vytvořený napětí) a charakter linií proudění, tvořených zúžením (odpor).

Matematické zákony popisující vztah elektrického odporu, proudu a napětí byly poprvé publikovány a patentovány Georgem Ohmem. Odvodil zákony pro celý obvod elektrického obvodu a jeho úsek. Další podrobnosti naleznete 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 nemění v celém uzavřeném prostoru, je ampérmetr umístěn kdekoli mezi zdrojem napětí a uživatelem a vytváří průchod nábojů měřicí hlavicí přístroje.

Voltmetr se používá k měření napětí na uživatelských svorkách připojených ke zdroji proudu.

Měření odporu ohmmetrem lze provádět pouze s vypnutým uživatelem. Ohmmetr totiž vydává kalibrované napětí a měří proud protékající testovací hlavicí, který se převádí na ohmy vydělením napětí hodnotou proudu.

Jakékoli připojení externího nízkého napětí během měření vytvoří další proudy a zkreslí výsledek. Vzhledem k tomu, že vnitřní obvody ohmmetru mají malý výkon, pak v případě chybného měření odporu při přivedení vnějšího napětí zařízení poměrně často selže, protože jeho vnitřní obvod vyhoří.

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