Praktická elektronika/Základy

Z Wikiknih
Skočit na navigaci Skočit na vyhledávání

Musíme se seznámit s trochou teorie do začátku.

Náboj[editovat]

Pozorujeme, že některé částice jsou nabité a jiné ne. Jádro atomů obsahuje kladně nabité protony a je obklopeno záporně nabitými elektrony. Obvykle jsou počty kladných a záporných nábojů v předmětu vyrovnané a proto nejeví navenek žádné elektrické vlastnosti. Někdy ale množství jednoho náboje převládá nad druhým - takový předmět je nabitý a vytváří okolo sebe elektrické pole.

Pro praktické použití lidé zavedli rozumně velkou jednotku: coulomb, zkráceno C.

Částice jako protony a elektrony nesou malinký náboj, vždyť jeden coulomb odpovídá 6 242 197 253 433 210 000 elektronů. Mimochodem - náboj elektronů i protonů je vůbec nejmenší jednotkou náboje, která může samostatně existovat, čili dále už ji nejde dělit (dnes už ale víme, že se proton ještě dále dělí na kvarky - mají třetinový elektrický náboj -1/3e nebo +2/3e).

Elektrické pole a napětí[editovat]

Pokud je elektrické pole silnější než 4000 V/mm (4 MV/m), náboje ve vzduchu se utrhnou od sebe a vznikne blesk.

Elektrické pole působí silou na náboje v ostatních předmětech okolo sebe. Stejné náboje (+ a +; - a -) se vzájemně odpuzují a naopak protikladné (+ a -) přitahují.

Podobně jako strmost kopce určuje sílu, která pohání míč směrem do údolí, určuje elektrické pole sílu, která působí na náboj. Elektrické pole meříme v jednotkách volt na metr, čili V/m. Tuto sílu můžeme vyjádřit pomocí šipek.

EfieldTwoEqualPointCharges.svgEfieldTwoOppositePointCharges.svg

Můžeme si to přestavit, jako kdyby kladné náboje okolo sebe vytvářely kopec a záporné náboje údolí. Na různých místech tak existuje jakási hodnota popisující to, jak je toto místo pro nějaký náboj výhodné - to odpovídá nadmořské výšce. Zatímco pro kladné náboje by bylo výhodné se svalit do údolí, záporné se naopak snaží vykutálet na nejvyšší kopec.

Rozdíl „nadmořské výšky“ mezi dvěma místy se nazývá napětí a má fyzikální značku U. Měříme jej v jednotkách volt, krátce V.

Obecně platí, že napětí "U" v okolí náboje "Q" je přímo úměrné jeho velikosti (množství coulombů) a nepřímo úměrné vzdálenosti od něj; když je více nábojů poblíž sebe, jejich jednotlivá působení se prostě sečtou.

Proud[editovat]

Elektrický proud je uspořádaný pohyb 1) elektronů vodičem 2) iontů elektrolytem. V atomové struktuře značného množství látek jsou elektrony pevně vázány ke svým atomovým jádrům a nemohou se volně pohybovat mezi jednotlivými atomy – tyto látky jsou označovány jako izolanty. Ve struktuře mnoha dalších látek nejsou valenční elektrony vázány ke svým atomovým jádrům tak pevně a mohou se pohybovat mezi jednotlivými atomy jen velmi obtížně (s vynaložením poměrně velké energie) – tyto látky jsou označovány jako nevodiče. V některých látkách mohou být valenční elektrony atomů snadno uvolňovány a zachycovány na uvolněné valenční slupce sousedních atomů. Tím mohou poměrně snadno přeskakovat od jednoho atomu k druhému. Tyto látky jsou označovány jako vodiče (například kovy). Přesné hranice mezi izolanty, nevodiči a vodiči nejsou přesně stanoveny a záleží na konkrétní aplikaci.

U některých dalších skupin látek pozorujeme další možnosti:

  • v polovodičích se elektrony pohybují jen za určitých podmínek, jako je teplota, osvětlení, množství příměsí nebo elektrické pole
  • v supravodičích se elektrony mohou pohybovat téměř bez ztrát a proud v nich může protékat velmi dlouhou dobu

Pohyb elektronů (nebo nabitých částic) se označuje jako elektrický proud. Abychom mohli proud nějak popsat a měřit, je zavedena základní jednotka soustavy SI: ampér označení A. Jeden ampér je proud odpovídající průtoku jednoho coulombu za sekundu Ampérsekunda As.

Zapomněli jsme zapnutá světla automobilu, která odebírají z akumulátoru proud 10 A. Akumulátor je plně nabitý a je na něm napsáno, že se má kapacitu „vejde se do něj náboj“ 40 Ah. Jaký je to náboj? Jak dlouho vydrží svítit světla? (Náboj = 40 Ah . 3600 = 144000 As = 144000 C. Světla vydrží svítit 4 hodiny čili 14400 sekund.) Příklad platí v praxi jen velmi přibližně. Například kapacita akumulátoru klesá s časem, atd.

Proud v obvodu[editovat]

Pokud vytvoříme uzavřenou smyčku elektrického obvodu, složenou ze zdroje a propojovacího vodiče, mohou se vodičem pohybovat elektrony - náboje. Jednotlivé elektrony se nepohybují rychle kolem dokola. Elektrony se jen posunují k dalšímu atomu, jako uspořádaná lavina (pokud nějak dokážeme postrčit jeden elektron, ten odpudí druhý, ten třetí atd. ten poslední teprve "vypadne z vodiče"). A to i při značné proudové hustotě ve vodiči.

Paralelní a sériové zapojení[editovat]

Obvod může obsahovat mnoho součástek a může se větvit. Proto rozlišujeme: Paralelní zapojení, kdy jsou součástky vedle sebe. Na všech je stejné napětí a sčítá se protékající proud. Sériové zapojení, kdy součástky zapojíme za sebe. Všemi teče stejný proud a sčítá se napětí.

Místo, kde se součástky dotýkají (a tedy mají stejné napětí), nazýváme uzel. Libovolnou část obvodu, která je uzavřená a ve které tedy může protékat elektrický proud, nazýváme smyčka. Při řešení elektrických obvodů může být za smyčku prohlášena i část obvodu bez zdroje, nebo část obvodu obsahující jen zdroje.

Kirchhoffovy zákony[editovat]

... jsou dvěma jednoduchými, ale velmi podstatnými poznatky o chování obvodů. Vycházejí z toho, že elektrické náboje nikde v obvodu nezanikají ani nevznikají.

Zákon proudu v uzlu[editovat]

Kirchhoff's Current Law.svg

Proudy, které do uzlu vtékají, z něj musí i vytékat.(Ʃ Ik=0)

Ve větších obvodech můžeme najít velké množství různých uzlů a tento zákon platí pro každý z nich.

Zákon napěti ve smyčce[editovat]

Kirchhoff''s Voltage Law (equation).svg

Souhrn napětí na všech součástkách ve smyčce je nulový.(Ʃ Uk=0)

Napětí na zdroji se zde uvažuje jako záporné. Ve větších obvodech můžeme najít velké množství různých smyček a tento zákon platí pro každou z nich.

Elektrický odpor[editovat]

Elektrický odpor je schopnost vodiče vést proud. Čím větší odpor vodič má, tím má horší vodivost. Každý vodič má svůj odpor. Existují i vodiče bez odporu. Jsou to tzv. supravodiče. Dnešní supravodiče se příliš nepoužívají, protože mají náročné podmínky pro údržbu a provoz. Pracují při nízkých teplotách.

Odpor vodiče lze spočítat jako: ,

  • R - odpor vodiče
  • ρ - měrný odpor vodiče (materiálová konstanta)
  • l - délka vodiče
  • S - průřez vodiče

Ohmův zákon[editovat]

Ohmův zákon je základem všech zapojení. Ať už jde o zapojení jedné žárovky a baterie nebo složitějších zapojení, vždy platí tento vztah:

Představte si rezistor s neznámou hodnotou odporu připojený na devítivoltovou baterii. Změřením jste zjistili, že celým obvodem teče proud 9 mA. Jak zjistíte hodnotu odporu? Jednoduše převedete proud na základní jednotky (tj. ampéry) a dosadíte do vzorečku.

Zjistili jsme že rezistor má odpor 1000 ohmů tedy jeden kiloohm.

Souhrn[editovat]

Veličina V rovnicích značíme jako Jednotka [zkratka] Analogie s vodou
Náboj Q Coulomb [C] Objem
Napětí U Volt [V] Tlak
Proud I Ampér [A] Průtok za vteřinu
Elektrické pole E Volt na metr [V/m] Spád tlaku
Odpor R Ohm [Ω] Zužení potrubí

Praktická elektronika/Nejjednodušší obvody