Výpis souhrnů

Základní pojmy elektřiny

Prohlížíte si souhrny informací k určitým tématům. Systémy Umíme se zaměřují hlavně na jejich procvičování. Ke cvičením k jednotlivým podtématům se dostanete pomocí odkazů níže.

« Zpět na procvičování

Podtémata

Elektrický náboj
Elektrické napětí
Elektrická práce a výkon

Elektrický náboj

Přejít ke cvičením na toto téma »

Elektrický náboj, je základní elektrická veličina. Označuje jednu ze základních vlastností látky – podobně jako hmotnost označuje jakou mají látky setrvačnost, nebo jak silně je přitahuje gravitace, popisuje náboj elektrické chování látky. Značíme jej q (nebo Q) a jeho jednotkou je coulomb (C). Měříme jej elektroskopem.

Na rozdíl od hmotnosti existují dva typy náboje – kladný (+) a záporný (−) náboj. Přitahují se vždy tělesa s opačným nábojem. Souhlasné náboje (např + a +) se odpuzují. Čím větší náboj, tím větší působení (elektrostatická síla), které ale se vzdáleností klesá.

Elektrický náboj tělesa se vlastně objevuje proto, že jej nesou různé elementární částice:

elektrony mají jeden záporný náboj e^-
protony mají jeden kladný náboj e
neutrony mají nulový náboj (jsou neutrální a elektricky netečné)

Přitom e je tzv. elementární náboj – nejmenší možná hodnota náboje.

Látky se skládají z atomů a atomy se skládají z těchto částic. Jádro atomu tvoří protony a neutrony a obal je z elektronů. Pokud je součet kladných a záporných nábojů stejný, je atom (nebo molekula) elektricky neutrální. Pokud obsahuje jednoho náboje více jde o elektricky nabitou částici – iont (kladný = kationt, záporný = aniont). Také elektrony mohou existovat samostatně (a přecházet z jednoho těles na druhé).

Pokud tedy obsahuje těleso takové ionty (a součet jejich nábojů není 0), je těleso elektricky nabité. To je spíš výjimka (většina látek a těles kolem nás je elektricky neutrální).

Elektrické napětí

Přejít ke cvičením na toto téma »

Elektrické napětí je veličina odpovídající silám, které pohání tok elektřiny (elektrický proud). Jeho značka je U a jednotka volt (V). Napětí můžeme definovat pomocí práce vykonané W zdrojem (elektrickým polem) na přenesení náboje Q náboje. Je to jejich podíl:

U=\frac{W}{Q}.

Platí tedy také vztahy W=Q\cdot U a Q=\frac{W}{U}.

Jak si můžeme napětí intuitivně představit?

Můžeme si také představovat napětí jako rozdíl hladin vody v přehradě a pod přehradou. Pokud budou hladiny vyrovnané (napětí nula), voda neteče (proud neteče). Čím je rozdíl hladin (napětí) vyšší, tím větší tok vody (větší proud) může způsobit.

Napětí mezi dvěma body v obvodu měříme voltmetrem (popřípadě multimetrem nastaveným na voltmetr), který do obvodu připojujeme paralelně.

Zdroje napětí mají dva póly které určují směr toku proudu – kladný (+) a záporný (−). Tomu říkáme polarizace zdroje. Kolem sebe se setkáme různými zdroji napětí – chemickými (baterie a akumulátory), nebo těmi, kde jej na začátku vytváří z mechanické energie nějaký generátor:

Voltův článek – historicky první baterie, stejnosměrné napětí
AA baterie – 1,5 V, stejnosměrné napětí
akumulátory – dobíjecí varianta „baterie“
zásuvka doma – 230 V, póly ve zdířkách se vyměňují (střídavé napětí)
svetr třený o vlasy – 10 000 V, stejnosměrné napětí
dráty vysokého napětí – např. 22 000 V, polarizace drátu se střídá (střídavé napětí)

Z napětí svetru je také vidět, že velikost napětí, není úplně rozhodující pokud jde o nebezpečnost. Nebezpečné je totiž hlavně, když zdroj dokáže dodávat velký elektrický proud.

Elektrická práce a výkon

Přejít ke cvičením na toto téma »

Práce a výkon jsou u elektřiny chápány stejně jako u mechaniky. Jen je popisujeme pomocí elektrických veličin.

Výkon elektrického proudu

Elektrický proud protékající spotřebičem má výkon roven součinu proudu a napětí na spotřebiči. Tedy:

P=U\cdot I

Je tedy přímo úměrný jako proudu tak napětí.

Příklad: Jedna žárovka

Tužková baterie 1,5 V přímo napájí žárovku, kterou teče 0,5 A. Jaký je výkon dodávaný žárovce?

Na žárovce je zřejmě celé napětí dodávané baterií (U=1{,}5\,\mathrm V)
Teče jí proud 0,5 A (I=0{,}5\,\mathrm A)
Proud žárovkou a napětí na ní dosadíme do P=U\cdot I.
P=1{,}5\cdot 0{,}5\,\mathrm W=0{,}75\,\mathrm W

Příklad: Výkon LED diody

LED diodou při napětí 2 V teče proud 20 mA. Jaký je výkon tohoto proudu dodávaný diodě?

U=1{,}5\,\mathrm V
Pokud chceme výsledek ve wattech převedeme proud 20 mA na 0,02 A (I=0{,}02\,\mathrm{A}).
Dosadíme do P=U\cdot I.
P=2\cdot 0{,}02\,\mathrm W=0{,}04\,\mathrm W

Příklad: Výkon jedné z mnoha žároviček

Napětí zdroje 12 V se rovnoměrně rozdělilo na 6 stejných žároviček, kterými teče 0,1 A. Jaký je výkon dodávaný jedné žárovičce?

Napětí připadající na jednu žárovičku je 12 děleno 6, tedy U=2\,\mathrm V
Proud je (I=0{,}1\,\mathrm{A}).
Dosadíme do P=U\cdot I.
P=2\cdot 0{,}1\,\mathrm W=0{,}2\,\mathrm W

Výkon, který dodává zdroj spotřebiči označujeme jako příkon spotřebiče. To čemu říkáme výkon spotřebiče, je jen ta část výkonu, kterou spotřebič využije jak chceme (nepatří sem například tepelné ztráty žárovky).

Příklad: Výkon a příkon žárovky

Žárovkou pod napětím 12 V teče proud 1 A. Žárovka září výkonem 2 W. Je příkon a výkon stejný?

Příkon žárovky je roven dodávanému výkonu tedy P=U\cdot I.
Dosadíme: P=12\cdot 1\,\mathrm W=12\,\mathrm W
Výkon žárovky (jako spotřebiče) je přimo zadaný – 2 W
Výkon (záměrně přeměněná energie) je tedy mnohem menší než příkon (spotřebovaná energie). Zbytek jsou tepelné ztráty.

Elektrická práce

Je ve stejném vztahu k výkonu jako mechanická práce. Tedy při stálém výkonu platí W=P\cdot t. Pokud dosadíme za výkon ze vzorce výše dostaneme:

W=U\cdot I \cdot t

Je tedy přímo úměrná proudu, napětí a době provozu spotřebiče.

Příklad: Práce mixéru o známém výkonu

Mixér má výkon 20 W. Jakou práci vykoná za 100 s provozu?

Použijeme vzorec W=P\cdot t.
Výkon P je 20 W.
Čas t je 100 s.
Dosadíme: W=P\cdot t=20\cdot 100\,\mathrm J = 2000\,\mathrm J
Vykonaná práce je 2000 J.

Příklad: Práce LED diody

LED dioda pod napětím 2 V dokonale přeměňuje proud 0,03 A na světlo. Jakou práci vykoná za 4 s?

Použijeme vzorec W=U\cdot I\cdot t.
Napětí U je 2 V, proud I je 0,03 A a čas t je 4 s.
Dosadíme: W=U\cdot I\cdot t=2\cdot 0{,}03\cdot 4\,\mathrm J = 0{,}24\,\mathrm J
Vykonaná práce je 0,24 J.

Protože je součin proudu a času roven přenesenému náboji Q, můžeme také psát W=U\cdot Q.

Příklad: Práce vykonaná přenesením náboje

Napětí 60 V přeneslo náboj 2 C z jednoho pólu zdroje na druhý. Jakou práci tak vykonalo?

Použijeme vzorec W=U\cdot Q.
Napětí U je 60 V a náboj Q je 2 C.
Dosadíme: W=U\cdot Q=60\cdot 2\,\mathrm J = 120\,\mathrm J
Vykonaná práce je 120 J.

Také práci můžeme dělit na skutečnou (odpovídající práci příkonu spotřebiče) a na užitečnou práci (odpovídá práci výkonu spotřebiče).

Příklad: Rozdíl skutečné a užitečné práce

Napětí 5 V přeneslo spotřebičem náboj 12 C. Přitom vykonal spotřebič mechanickou práci 50 W. O kolik byla užitečná práce menší než ta skutečná?

Skutečnou práci konal zdroj při přenosu elektrického náboje, tedy W_\mathrm{skut}=U\cdot Q.
Po dosazení W_\mathrm{skut}=U\cdot Q=5\cdot 12\,\mathrm J = 60\,\mathrm J
Užitečnou práci W_\mathrm{uzit} jsme tentokrát dostali přímo zadanou, tedy 50 J.
Rozdíl je tedy 10 J, které byly ztraceny (pravděpodobně se přeměnily na teplo).

Hlavně v energetice se používají alternativní jednotky práce. Jouly můžeme podle vzorce W=P\cdot t (watty krát sekundy) pojmenovat jako wattsekundy, zkráceně Ws.

Když tedy dosadíme watty a sekundy, dostaneme práci v joulech neboli wattsekundách. Pokud dosadíme výkon ve wattech a čas v hodinách, dostaneme výsledek ve watthodinách. A pokud dosadíme výkon v kilowattech a čas v hodinách, dostaneme známé kilowatthodiny.

Výpis souhrnů

Základní pojmy elektřiny

Podtémata

Elektrický náboj

Elektrické napětí

Elektrická práce a výkon

Výkon elektrického proudu

Elektrická práce

Děkujeme za vaši zprávu, byla úspěšně odeslána.

Napište nám

Nevíte si rady?

Čeho se zpráva týká?