Elektrický proud: definice, vlastnosti, v čem se měří
Život moderního člověka je bez elektrického proudu nemožný. Díky němu máme v našich domovech světlo a teplo, používáme mobilní telefony a počítače, klimatizace a mikrovlnné trouby. Elektřina napájí různá zařízení a mechanismy a provádí vícestupňové technologické procesy. Měli bychom znát, jak elektrický proud vzniká a jaké má základní vlastnosti a charakteristiky, abychom se při práci s ním chránili.
Zdroje elektrického proudu
Co se nazývá proud?
Termín „elektrický proud“ sám o sobě obsahuje svou definici – tok elektřiny. Dříve, před objevem elementárních nabitých částic, se věřilo, že elektrický náboj je určitá kapalina vyplňující nabitá tělesa. Proto se pohyb této kapaliny nazýval elektrický proud.
Nyní víme, že jakékoli těleso se skládá z atomů, kolem jejichž jader rotují elektrony. Za určitých podmínek mohou elektrony opustit své oběžné dráhy a cestovat mezi atomy. Jejich pohyb je chaotický, takže nevede k obecnému pohybu náboje, tj. ke vzniku elektrického proudu.
Schematické znázornění struktury vodiče
Pro vznik elektrického proudu je potřeba síla, která může elektrony nasměrovat určitým směrem. Jako taková síla se používá elektrické pole. Působením pole se nosiče náboje začnou pohybovat jedním směrem, což vede k elektrickému proudu. Jednou z podmínek jeho existence je tedy přítomnost elektrického pole.
Podmínky pro existenci elektrického proudu
Počet nosičů náboje schopných jednosměrného pohybu v látce závisí na fyzikálních vlastnostech samotné látky. Na základě počtu volných částic s nábojem se materiály dělí na vodiče a izolanty. První jmenované vedou proud dobře, zatímco izolanty mají velmi nízkou vodivost. Nejlepšími vodiči jsou kovy a izolanty sklo, porcelán, plasty, guma a keramika.
Klíčové vlastnosti
Termín „proud“ se často nahrazuje termínem „síla proudu“. Nejedná se však o sílu v doslovném smyslu slova. Síla proudu je ukazatelem intenzity pohybu nabitých částic. Umožňuje nám pochopit, kolik elektřiny projde průřezem vodiče za jednotku času. V soustavě SI se jako jednotka síly proudu používá ampér: 1 A = 1 C/s. Je pojmenována po velkém fyzikovi André Marie Ampérovi. Síla proudu se měří přístrojem se stejným názvem – ampérmetrem.
Zařízení pro měření elektrického proudu
Při studiu elektrického proudu se neobejdeme bez takové charakteristiky, jako je hustota. Tato hodnota se vyjadřuje poměrem síly proudu k ploše průřezu, takže se měří v A/mm².
Základní zákon elektřiny
Kromě síly proudu je tok nabitých částic charakterizován také napětím a odporem. Napětí neboli rozdíl potenciálů je hnací silou nábojů z jednoho bodu do druhého podél vodiče. Dokud existuje rozdíl potenciálů, elektrické pole usilovně pracuje na přenosu nábojů z jednoho pólu na druhý. Napětí je zajišťováno zdroji proudu.
Odpor brání průchodu nabitých částic vodičem. Elektrický odpor lze pochopit na příkladu vody. Potrubí omezuje pohyb kapalných částic, stěny nádoby tlačí na látku ze všech stran a omezují její nekontrolované šíření. Drsnost stěn také zvyšuje hydraulický odpor. Stejným způsobem je pohyb elektrických nábojů ovlivněn materiálem vodiče, jeho tloušťkou a vnějšími podmínkami. Odpor R se měří v ohmech.
Vztah mezi proudem, napětím a odporem
Pro správné používání a řízení elektřiny je nutné znát vzájemný vztah mezi proudem, napětím a elektřinou. Tento vztah popisuje Ohmův vzorec, základní zákon fyzikální oblasti, která studuje elektřinu.
Pyramida, která jasně ilustruje Ohmův zákon, se velmi snadno zapamatovává. Ve skutečnosti obsahuje tři vzorce. Vrchol, který je obsazen napětím, je součinem proudu a elektrického odporu. A pro nalezení hodnot na spodní straně pyramidy je nutné vydělit napětí U silou I, respektive odporem R.
Klasifikace proudů
Existují základní typy proudu jako stejnosměrný a střídavý. Směr a síla stejnosměrného proudu se v čase nemění, to znamená, že má vždy konstantní sílu a teče jedním směrem. U střídavého proudu se síla a směr v určitém časovém úseku mnohokrát mění.
Hlavní typy proudu
Naše sítě používají střídavý proud. Jeho hlavní charakteristikou je frekvence, měřená v hertzích. Ukazuje, kolik úplných opakujících se oscilací elektrický proud vykoná za jednotku času. Frekvence proudu v síti je 50 Hz.
Střídavý typ zahrnuje také periodické a sinusové proudy. Okamžité hodnoty periodického proudu se opakují s konstantní posloupností ve stejných intervalech. Sinusový proud je typ periodického proudu, který se mění podle sinusového zákona. Plynule mění svou amplitudu a směr.
Dalším zástupcem periodického proudu je pulzující proud. Vyznačuje se tím, že hodnota jeho síly po určitou dobu je nulová. Existuje také forma střídavého proudu, jako je vysokofrekvenční. Jeho frekvenční ukazatele přesahují desítky kilohertzů.
Grafy různých typů proudů
Baterie nebo akumulátor dodává do zařízení konstantní proud. Při jejich zapojování je důležité nezaměnit polaritu. Jinak zařízení jednoduše nebude fungovat. Jedná se o poměrně „poslušný“ a pohodlný zdroj energie. Významnou nevýhodou však je, že stejnosměrný proud nelze bez obrovských nákladů přenášet na velké vzdálenosti.
Střídavému proudu ale nezáleží na tom, kterou stranou je zástrčka zasunuta do zásuvky. Lze jej snadno přenášet na obrovské vzdálenosti bez vážných ztrát a nákladů na opravy podzemních kabelů či stavbu těžkých a drahých konstrukcí. To znamená, že je pro spotřebitele výhodnější, a to je jeho výhoda.
Kromě toho je elektromotor, který spotřebovává střídavý proud, levnější, odolnější a snadněji se používá. Takové jednotky nás obklopují všude. Díky nim můžeme používat fén, mixér, ventilátor a mnoho dalších zařízení.
Související videa