Elektrický prúd

Elektrický prúd je tvorený usporiadaným pohybom elektricky nabitých častíc (nosičov náboja – elektrónov, iónov,dier) vo vodičoch, prípadne vo vákuu.
Smer prúdu: je smer pohybu kladných nosičov náboja (smer prúdu sa stanovil dohodou)
Príčinou elektrického prúdu: je elektrické pole vo vodiči

→ príklad: Dočasný elektrický prúd vynikne napr. ak spojíme vodivo dosky nabitého kondenzátora. Po vyrovnaní nábojov na doskách zanikne vo vodiči elektrické pole a ním aj elektrický prúd.

Elektrický prúd I: je základnou fyzikálnou veličinou

Elektrický prúd je charakterizovaný ako celkový elektrický náboj častíc, ktoré prejdú kolým prierezom vodiča za 1 sekundu. Ak prenesú nosiče náboja prierezom vodiča za čas ∆t celkový náboj ∆Q, potom
I = ∆Q/∆t.

[I] = A (ampér – základná jednotka SI)
→ Vodičom preteká prúd 1 A, ak za čas 1 s prejdú kolmým prierezom vodiča častice s celkovým nábojom Q = 1 C.

Konštantný jednosmerný prúd: je prúd, ktorého smer ani veľkosť sa s časom nemenia (I = Q/t).
→ zo vzťahu I = Q/t vyplýva Q = I · t, z toho [Q] = A · s (ampérsekunda = C (coulomb))

Podmienky pre jednosmerný konštantný prúd: • prítomnosť voľných častíc s nábojom
• uzavretý elektrický obvod
• elektrický zdroj v obvode
(→ zaisťuje časovo nepremenné elektrické pole vo vodiči, na jeho svorkách je stále, nepremenné napätie U)

Meranie: • elektrický prúd → ampérmetrom (zapájame sériovo)
• elektrické napätie → voltmetrom (zapájame paralérne)

Elektrický prúd v kovoch

V kovoch je elektrický prúd tvorený usmerneným pohybom elektrónov (elektrónová vodivosť).

V kryštalickej mriežke kovu sú valenčné elektróny atómov (vodivostné elektróny) viazané k atómovým jadrám zanedbateľnými silami, a preto sa pohybujú neusporiadaným pohybom podobne ako molekuly v plyne. Pričom + ióny sú pevne viazané a voľné elektróny konajú mimo EP tepelný (chaotický) pohyb. Ak je vodič v EP, získavajú unášavú rýchlosť a okrem tepelného pohybu konajú aj usporiadaný pohyb (smerom ku + nabitej svorke zdroja). Ak pripojíme kovový vodič k zdroju elektrického napätia, elektrické pole spôsobí usmernený pohyb elektrónov.

Elektrický odpor je zapríčinený zrážkami vodivostných elektrónov s iónmi mriežky, pričom čím viac je zrážok, tým väčší je odpor vodiča.

Veličina R = U/I , [R] = V · A-1 = Ω (ohm) → elektrický odpor zdroja
( → rezistencia: v obvode so zdrojom závisí od napätia U)

Závislosť elektrického odporu kovového vodiča:

a) Odpor závisí od materiálu, dĺžky a prierezu vodiča

R = · l/S
[ ] = Ω · m-1

- merný odpor: vyjadruje závislosť od materiálu (je to látková konštanta)
l - dĺžka vodiča
S – obsah prierezu
─Merný odpor je odpor vodiča s dĺžkou 1 m a obsahom prierezu 1 m2.

b) Odpor závisí od teploty

R = R1(1 + α∆t) ; [α] = K-1

∆t = t2 – t1 – rozdiel teplôt
α – teplotný súčinitel elektrického odporu

Supravodivosť: vzniká u niektorých látok (napr.: Hg pri T = 4,15 K) pri veľmi nízkych teplotách, kedy merný odpor klesá na nenamerateľnú hodnotu.

Ohmov zákon pre časť obvodu: Elektrický prúd, ktorý preteká vodičom je za stálej teploty priamo úmerný napätiu I medzi jeho koncami (I = U/R → I ~ U).

Ohmov zákon pre celý obvod: Prúd v uzavretom elektrickom obvode je priamo úmerný elektromotorickému napätiu zdroja a nepriamo úmerný súčtu odporov vonkajšej a vnútornej časti.

I = Ue / (R + Ri)

→ ak zaťažíme zdroj s elektromotorickým napätím (Ue), na svorkách nameriame svorkové napätie (U < Ue). Svorkové napätie klesá s rastúcim prúdom v obvode. Zdroj sa správa ako ideálny zdroj s elektromotorickým napätím Ue, ku ktorému je sériovo pripojený rezistor s vnútorným odporom zdroja Ri.

Elektrická sieť: zložitejší elektrický obvod ; obsahuje uzly a vetvy
→ uzol: je vodivé spojenie min. troch vodičov
→ vetva: je vodivé spojenie susedných uzlov

1. Kirchoffov zákon: (platí pre uzol)
Algebraický súčet prúdov v uzle je rovný nule. Prúdy do uzla vstupujúce kladne, z uzla vystupujúce záporne.

2. Kirchoffov zákon: (platí pre uzavretý obvod alebo obvod vyčlenený zo siete)
Súčet úbytkov napätí na rezistoroch (I · R) je v uzavrenej slučke rovný súčtu elektromotorických napätí zaradených zdrojov.

Z druhého Kirchoffovho zákona: Ue = I · Ri + I · R = I · (R + Ri)

I · Ri – je úbytok napätia na vnútornom odpore zdroja
I · R = U – je svorkové napätie zdroja
R + Ri – je celkový elektrický odpor obvodu
Ue – elektromotorické napätie
Ui = Ri · I – úbytok napätia na zdroji
U = Ue - Ri · I – svorkové napätie → napätie na vonkajšej časti obvodu

Elektrický obvod má: 1, Vonkajšiu časť (vodiče, spotrebiče, spínače)
→ všetky prvky pripojené na svorky zdroja
→ označenie odporu R, napätia U

2, Vnútornú časť (vodivý priestor medzi svorkami zdroja)
→ parametre zdroja:
Ri – vnútorný odpor zdroja
Ue – súčet napätí na vnútornej a vonkajšej časti
Ue = Ui + U