Elektrický proud v kovech

Elektrický odpor kovového vodiče. Ohmův zákon pro část obvodu

• závislost proudu na napětí – voltampérová charakteristi­ka vodiče
• pokud je teplota vodiče stálá, proud procházející obvodem je přímo úměrný napětí mezi konci vodiče … – Ohmův zákon, R – elektrický odpor (rezistence), jednotkou je ohm –
• obrácený poměr určuje elektrickou vodivost (konduktivitu) G: , jednotkou je siemens – S
• elektrický odpor je přímo úměrný jeho délce, nepřímo úměrný průřezu a závisí na materiálu , kde se nazývá měrný elektrický odpor (rezistivita)

Závislost odporu kovového vodiče na teplotě

• s rostoucí teplotou odpor vodiče roste s ní
• , kde je teplotní součinitel elektrického odporu
• také měrný elektrická odpor závisí na teplotě –

Model vedení elektrického proudu v kovovém vodiči

• valenční elektrony atomů kovů, jsou vázány jen malými silami k jádrům, volně se pohybují a tvoří elektronový plyn, jejich pohyb můžeme přirovnat tepelnému pohybu molekul tekutin
• pohybují se neuspořádaně, když připojíme zdroj napětí ve vodiči vznikne elektrické pole a elektrony začínají konat uspořádaný unášivý pohyb proti směru intenzity
• nepravidelnosti krystalové mřížky brzdí upořádaný pohyb a tvoří tak odpor vodiče
• je náboj , který projde průřezem za dobu a je hustota vodivostních elektronů, proud je
• supravodivost – vlastnost kovového vodiče, kdy jeho odpor za velmi nízké teploty klesne pod měřitelnou hodnotu (olovo 7,2 K)

Spojování rezistorů

1. sériové spojení

• rezistory prochází stejný proud, celkové napětí je rovno součtu napětí na rezistorech
• celkový odpor je dán součtem jednotlivých odporů
• ;

2. paralelní spojení

• na všech rezistorech stejné napětí U, celkový proud je roven součtu proudů na jednotlivých rezistorech
• celkový odpor je dán ;

Zatěžovací charakteristika zdroje – Ohmův zákon pro uzavřený obvod

• závislost napětí a proudu při zmenšování odporu je zatěžovací charakteristi­ka zdroje
• s rostoucím proudem se svorkové napětí zmenšuje a rozdíl mezi svorkovým a napětím v obvodu se zvětšuje
• baterie se chová jako by byla složená s ideálního zdroje a rezistoru , který nazýváme vnitřní odpor zdroje

Ohmův zákon pro uzavřený obvod

• odběr velkých proudů ze zdrojů s malým vnitřním odporem může zdroje poškodit, proto se do obvodu zařazují pojistky a jističe, které při překročení proudu obvod přeruší

Příklady sériově a paralelně spojených obvodů

A. Regulace proudu a napětí reostatem

• můžeme regulovat procházející proud změnou odporu reostatu
• nejmenší proud bude procházet při největším odporu

B. Regulace proudu a napětí potenciometrem

• umožňuje regulovat napětí od nulové hodnoty
• obvod je kombinací paralelního a sériového spojení rezistorů
• potenciometr – dělič odporu – napětí

C. Konstrukce voltmetru a ampérmetru

• voltmetr zapojujeme paralelně se spotřebičem,aby jím procházel nejmenší proud
• ampérmetr zapojujeme do série se spotřebičem, aby na něm bylo co nejmenší napětí
• základem obou přístrojů je magnetoelektrický galvanometr, který využívá silového působení magnetického pole na vodič s proudem
• voltmetr – sériové spojení galvanometru a předřazeného rezistoru – oběma prochází stejný proud, rozsah voltmetru zvyšujeme zvýšením předřazeného odporu , kde je odpor galvanometru, čím větší je odpor rezistoru než odpor galvanometru tím je větší rozsah voltmetru
• ampérmetr – paralelní spojení galvanometru a rezistoru zvaného bočník, na obou je stejné napětí, rozsah ampérmetru zvyšuje snížením odporu bočníku , kde je odpor galvanometru
• čím menší je odpor bočníku vůči odporu galvanometru, tím je rozsah větší

Kirhoffovy zákony

• elektrické sítě – složitější elektrické obvody
• uzel – místo, kde se stýkají nejméně tři vodiče
• větev – vodivé spojení sousedních uzlů

1. Kirhoffův zákon (pro uzel elektrické sítě)

• zákon zachování náboje, částice nemohou v uzlu vznikat ani zanikat

Algebraický součet proudů v uzlu je nulový.

2. Kirhoffův zákon (pro jednoduchou smyčku elektrické sítě)

Součet úbytků napětí na rezistorech je v uzavřené smyčce stejný jako součet elektromotorických napětí zdrojů.

• celkový součet potenciálů je nulový
• při aplikaci zákonu postupujeme – označíme uzly, směr proudů, určíme uzavřené smyčky a pak dosazujeme do rovnic Kirhoffových zákonů

Elektrická práce a výkon v obvodu stejnosměrného proudu

• při přenesení náboje Q elektrické síly vykonají práci

Joulovo teplo – teplo, které elektrický proud předá vodiči na dobu t:

• výkon elektrického proudu ve spotřebiči: , jednotkou watt – W
• účinnost elektrického obvodu je podíl práce vykonané uvnitř obvodu na přenesení náboje a práce, kterou vykonají neelektrostatické síly uvnitř obvodu (vnitřní energie)
• účinnost je tím větší, čím je větší odpor spotřebiče v porovnání s vnitřním odporem zdroje.