O povaze elektrického proudu a základech elektrotechniky / Habr
V tomto krátkém článku se pokusím vysvětlit základy elektrotechniky. Pro ty, kteří nechápou, odkud se bere elektřina, ale zdá se neslušné se ptát.
1. Co je elektrický proud.
„Hlavní inženýr otočil vypínačem a elektrický proud procházel dráty rychleji a rychleji“ (c)
1.1 Pár obecných slov k fyzice problému
Elektrický proud je pohyb nabitých částic. Z nabitých částic máme elektrony a některé ionty. Ionty jsou atomy, které ztratily nebo získaly jeden nebo více elektronů, a proto ztratily elektrickou neutralitu a získaly elektrický náboj. Takto je atom elektricky neutrální – náboj kladně nabitého jádra je kompenzován nábojem elektronového obalu. Ionty obvykle nesou náboj v elektrolytech v kovových drátech, nosiči jsou elektrony. Kovy dobře vedou proud, protože některé elektrony mohou přeskakovat z jednoho atomu na druhý. V nevodivých materiálech jsou elektrony vázány na jejich atom a nemohou se pohybovat. (Dovolte mi připomenout, že tento článek je stručným vysvětlením fyziky! Pro více informací hledejte „teorie elektronické vodivosti“).
Budeme uvažovat proud v kovových vodičích, který je vytvářen elektrony. Analogii lze nakreslit mezi elektrony ve vodiči a kapalinou ve vodním potrubí. (V počáteční fázi byla elektřina považována za speciální kapalinu.) Stejně jako voda neprotéká stěnami potrubí, nemohou elektrony opustit vodič, protože kladně nabitá jádra atomů je přitahují zpět. Elektrony se mohou pohybovat pouze uvnitř vodiče.
1.2 Vznik elektrického proudu.
Ale proud nevznikne jen ve vodiči. Je to jako nalít vodu do kusu trubky a utěsnit ji na obou koncích. Voda nikam nepoteče. V kusu vodiče se elektrony také nemohou pohybovat jedním směrem. Pokud se elektrony z nějakého důvodu přesunou doprava, pak se vlevo objeví nekompenzovaný kladný náboj, který je stáhne zpět. Proto mohou elektrony pouze přeskakovat z jednoho atomu na druhý a zpět. Ale pokud je trubka stočena do prstence, pak voda již může proudit podél trubky, pokud je nějak nucena se pohybovat. Stejně tak konce vodiče mohou být vzájemně spojeny a elektrony se pak mohou pohybovat podél vodiče, pokud jsou nuceny. Pokud jsou konce vodiče navzájem spojeny, získá se uzavřený obvod. Stejnosměrný proud může téci pouze v uzavřeném okruhu. Pokud je obvod otevřený, neteče žádný proud. K tomu, aby voda proudila potrubím, se používá čerpadlo. V elektrickém obvodu bude roli čerpadla hrát baterie. Baterie protlačuje elektrony vodičem a tím vytváří elektrický proud. Vědecky se baterie nazývá generátor. To je to, co elektrotechnika nazývá čerpadlo pro vytváření elektrického proudu.
Existují dva typy generátorů − generátor napětí a generátor proudu.
To je ve skutečnosti základní věc, pozor! Viz obrázek níže
Horní obrázek ukazuje napěťový generátor, spodní obrázek ukazuje generátor proudu. Čerpadlo generátoru napětí vytváří konstantní tlak, čerpadlo generátoru proudu vytváří konstantní průtok. Horní okruh je otevřený a spodní okruh je uzavřený. Zvažme, jaké vlastnosti má generátor napětí. Představme si následující řetězec
Z hlediska instalatérské analogie je generátor čerpadlo, které vytváří konstantní tlak, spínač SW1 je ventil, který otevírá potrubí, a odpor R1 je kohoutek, který je mírně otevřený. Tento blatník lze zakrýt – zvýší se odpor a sníží se průtok vody. Můžete jej více otevřít – odpor se sníží, průtok vody se zvýší. Vše se zdá být intuitivní. Nyní si představte, že kohoutek otevíráme stále více. Pak se bude průtok vody zvyšovat a zvyšovat. V tomto případě generátor napětí podle definice udržuje napětí (tlak) konstantní bez ohledu na průtok! Pokud se kohout otevře úplně a odpor se stane 0, pak se průtok rovná nekonečnu. V tomto případě bude generátor stále produkovat napětí rovné U! To vše se samozřejmě děje v ideálním modelu, kdy je výkon generátoru nekonečný. Skutečné generátory (baterie nebo akumulátory) tomuto modelu v určitém rozsahu napětí a proudů zhruba odpovídají.
Uvažujme nyní obvod s generátorem proudu.
Co dělá generátor proudu? Pohání proud! Je mu řečeno, aby poháněl proud o velikosti I, a on ho pohání bez ohledu na velikost odporu (jak je otevřený kohoutek). Pokud je kohout plně otevřený, bude proud roven I. Napětí (tlak) bude stejné.
Pokud je kohoutek zcela uzavřen, proud bude stále roven I! Ale v tomto případě se napětí (tlak) bude rovnat nekonečnu. Opět v modelu.
Z těchto úvah intuitivně vyplývá základní zákon elektrotechniky – Ohmův zákon. („Od červené čáry. Podtržení“ (c))
2. Ohmův zákon.
Nejprve z pohledu generátoru napětí
Pokud je na odpor R přivedeno napětí U, pak odporem poteče proud
I = U/R Nyní z pohledu generátoru proudu
Pokud odporem R prochází proud I, dojde na odporu k poklesu napětí U=I*R
Nějak si musíte tento okamžik uvědomit. Tyto dvě formulace jsou zcela ekvivalentní a jejich použití závisí pouze na tom, který generátor je uvažován. Můžete samozřejmě napsat i R=U/I. Něco jako – pokud je na část obvodu přivedeno napětí U a touto částí prochází proud I, pak má obvod odpor R. Dále by bylo dobré zvážit možnosti pro obvody s paralelním nebo sériovým zapojením odpory, ale je zde neochota. To jsou čistě technické body. Něco jako
Tímto obvodem sériově zapojených rezistorů R1 a R2 prochází proud o velikosti I. Jaký bude úbytek napětí na každém rezistoru U1 a U2?
Použijte Ohmův zákon a je to!
Tento obvod má mimochodem generátor proudu, protože vstupní proměnnou je zde proud. No, to znamená, že nemusí existovat samotný generátor proudu, jde pouze o to, že proud v obvodu je známý a je považován za konstantní a rovný I. Proto je to, jako by tento proud byl poháněn generátorem proudu.
Říkají také „úbytek napětí na rezistoru“, protože generátor „vyrábí“ napětí (tlak) a po každém rezistoru se napětí sníží, pokles na tomto rezistoru o hodnotu U=I*R.
I když stále zvážíme několik důležitých praktických případů.
1. Nejdůležitější schéma.
Nejdůležitějším obvodem, kterým se bude elektronik neustále po celý život zabývat, je dělič napětí.
(„Od červené čáry. Podtržení“ (c))
3. Dělič napětí
Diagram vypadá takto.
Dělič napětí se skládá ze dvou rezistorů zapojených do série.
Mimochodem, rezistor je elektronická součástka (část), která poskytuje elektrický odpor určité hodnoty. Je to také (část) často nazývaná odpor. Ukazuje se to trochu jako tautologie – odpor má odpor R. Proto je pro díly lepší používat název odpor. Rezistor s odporem například 1 kiloohm.
Tak tady to je. Co tento okruh dělá? Dva sériové rezistory mají nějaký ekvivalentní odpor, říkejme tomu R12. Proud I prochází obvodem, z plusu generátoru do mínusu přes rezistor R1 a přes rezistor R2. V tomto případě napětí U1=I*R1 poklesne na rezistoru R1 a napětí U2=I*R2 klesne na rezistoru R2. Podle Ohmova zákona. Napětí U=U1+U2, jak je patrné z diagramu. Tedy U=I*R1+I*R2=I*(R1+R2).
To znamená, že ekvivalentní odpor sériově zapojených odporů se rovná součtu jejich odporů.
Výraz pro proud I=U/(R1+R2)
Nyní zjistíme, čemu se rovná napětí U2. U2=I*R2= U*R2/(R1+R2).
Příklad obrázku z internetu. Pokud jsou odpory stejné, pak se vstupní napětí Uвx rozdělí na polovinu.
Druhým důležitým případem je zohlednění výstupního odporu zdroje (generátoru) a vstupního odporu přijímače (obvodu, ke kterému je generátor připojen)
Ideální generátor napětí má nulový výstupní odpor, to znamená, že s nulovým odporem vnějšího obvodu bude hodnota proudu rovna nekonečnu ∝. Generátor skutečného napětí nemůže poskytnout nekonečný proud. Proto, když je vnější obvod uzavřen, proud v něm bude omezen vnitřním odporem generátoru, na obr. označeno písmenem r.
Mimochodem, správným způsobem testování AA baterií je měření proudu, který mohou dodat. To znamená, že tester nastaví limit na 10A, režim měření proudu a sondy se přiloží na kontakty baterie. Proud v oblasti 1A nebo více znamená, že je baterie čerstvá. Pokud je proud menší než 0.5A, můžete jej vyhodit. Nebo to zkuste na nástěnné hodiny, třeba to bude chvíli fungovat.
Pokud je výstupní odpor zdroje (vnitřní odpor r na obrázku) srovnatelný se vstupním odporem přijímače (R3 na obrázku), pak budou tyto odpory fungovat jako dělič napětí. V tomto případě přijímač nepřijme plné napětí zdroje U, ale U1=U*R3/(r+R3). Pokud je tento obvod určen k měření napětí U, pak bude ležet!
V následujících článcích je plánováno uvažovat o obvodech s kondenzátory a induktory.
Dále pak diody, tranzistory a operační zesilovače.