Teorie elektrického proudu

Elektrický proud — řízený pohyb nabitých částic v elektrickém poli.

Nabité částice mohou být elektrony nebo ionty (nabité atomy).

Atom, který ztratil jeden nebo více elektronů, získává kladný náboj. — Anion (kladný iont).
Atom, který získal jeden nebo více elektronů, získává záporný náboj. — Kation (záporný iont).
Ionty jsou považovány za pohyblivé nabité částice v kapalinách a plynech.

V kovech jsou nosiče náboje volné elektrony, jako záporně nabité částice.

U polovodičů je uvažován pohyb (pohyb) negativně nabitých elektronů od jednoho atomu k druhému a v důsledku toho pohyb mezi atomy vzniklých kladně nabitých vakancí – děr.

Pro směr elektrického proudu směr pohybu kladných nábojů je konvenčně přijímán. Toto pravidlo bylo zavedeno dávno před studiem elektronu a zůstává platné dodnes. Síla elektrického pole je také určena pro kladný zkušební náboj.

Na každé jedno nabití q v elektrickém poli intenzity E silové akty F = qE, který pohybuje nábojem ve směru vektoru této síly.

Obrázek ukazuje, že vektor síly F_– = -qE, působící na záporný náboj -q, směřuje ve směru opačném k vektoru intenzity pole jako součin vektoru E na zápornou hodnotu. V důsledku toho mají záporně nabité elektrony, které jsou nosiči náboje v kovových vodičích, ve skutečnosti směr pohybu opačný k vektoru intenzity pole a obecně akceptovanému směru elektrického proudu.

Částka poplatku Q = 1 Coulomb se pohyboval v čase průřezem vodiče t = 1 sekunda, určena aktuální hodnotou I = 1 ampér z poměru:

Aktuální poměr I = 1 ampér ve vodiči k jeho průřezu S = 1 m 2 určí proudovou hustotu j = 1 A/m2:

Práce A = 1 Joule vynaložený na přepravu náboje Q = 1 Coulomb z bodu 1 do bodu 2 určí hodnotu elektrického napětí U = 1 volt jako rozdíl potenciálu φ₁ и φ₂ mezi těmito body z výpočtu:

U = A/Q = φ₁ – φ₂

Elektrický proud může být stejnosměrný nebo střídavý.

Stejnosměrný proud je elektrický proud, jehož směr a velikost se v čase nemění.

Střídavý proud je elektrický proud, jehož velikost a směr se v čase mění.

Již v roce 1826 objevil německý fyzik Georg Ohm důležitý zákon elektřiny, který určuje kvantitativní vztah mezi elektrickým proudem a vlastnostmi vodiče, charakterizující jejich schopnost odolávat elektrickému proudu.
Tyto vlastnosti se následně začaly nazývat elektrický odpor, označovaný písmenem R a měřeno v Ohmech na počest objevitele.
Ohmův zákon ve své moderní interpretaci pomocí klasického poměru U/R určuje množství elektrického proudu ve vodiči na základě napětí U na koncích tohoto vodiče a jeho odporu R:

Elektrický proud ve vodičích

Vodiče obsahují volné nosiče náboje, které se vlivem elektrického pole pohybují a vytvářejí elektrický proud.

V kovových vodičích jsou nosiči náboje volné elektrony.
S rostoucí teplotou chaotický tepelný pohyb atomů interferuje se směrovým pohybem elektronů a zvyšuje se odpor vodiče.
Když se ochladí a teplota se blíží absolutní nule, když se tepelný pohyb zastaví, odpor kovu má tendenci k nule.

Elektrický proud v kapalinách (elektrolytech) existuje jako řízený pohyb nabitých atomů (iontů), které vznikají v procesu elektrolytické disociace.
Ionty se pohybují směrem k elektrodám opačného znaménka a jsou neutralizovány a usazují se na nich. — Elektrolýza.
Anionty jsou kladné ionty. Přesouvají se k záporné elektrodě – katodě.
Kationty jsou záporné ionty. Přesouvají se ke kladné elektrodě – anodě.
Faradayovy zákony elektrolýzy určují hmotnost látky uvolněné na elektrodách.
Při zahřívání se odpor elektrolytu snižuje v důsledku zvýšení počtu molekul rozložených na ionty.

Elektrický proud v plynech – plazma. Elektrický náboj nesou kladné nebo záporné ionty a volné elektrony, které vznikají vlivem záření.

Ve vakuu je elektrický proud jako tok elektronů od katody k anodě. Používá se v zařízeních s elektronovým paprskem – lampy.

Elektrický proud v polovodičích

Polovodiče zaujímají střední polohu mezi vodiči a dielektriky z hlediska jejich měrného odporu.
Za významný rozdíl mezi polovodiči a kovy lze považovat závislost jejich měrného odporu na teplotě.
S klesající teplotou odpor kovů klesá, u polovodičů naopak roste.
Jak se teplota blíží absolutní nule, kovy mají tendenci se stávat supravodiče a polovodiče – izolanty.
Faktem je, že v absolutní nule budou elektrony v polovodičích zaneprázdněny vytvářením kovalentních vazeb mezi atomy krystalové mřížky a v ideálním případě nebudou žádné volné elektrony.
Jak teplota stoupá, některé z valenčních elektronů mohou přijmout energii dostatečnou k přerušení kovalentních vazeb a v krystalu se objeví volné elektrony a v místech zlomu se vytvoří volná místa, která se nazývají díry.
Uvolněné místo může obsadit valenční elektron ze sousedního páru a díra se přesune na nové místo v krystalu.
Když se volný elektron setká s dírou, obnoví se elektronová vazba mezi atomy polovodiče a dojde k opačnému procesu – rekombinaci.
Páry elektron-díra se mohou objevit a rekombinovat, když je polovodič osvětlen v důsledku energie elektromagnetického záření.
V nepřítomnosti elektrického pole se elektrony a díry účastní chaotického tepelného pohybu.
Na elektrickém poli se při uspořádaném pohybu podílejí nejen vzniklé volné elektrony, ale i díry, které jsou považovány za kladně nabité částice. Proud I v polovodiči se skládá z elektronu I_n a díra I_p proudy

Mezi polovodiče patří chemické prvky jako germanium, křemík, selen, telur, arsen atd. Nejběžnějším polovodičem v přírodě je křemík.

Komentáře a návrhy jsou přijímány a vítány!

Ohmův zákon vyjadřuje vztah mezi třemi veličinami, které charakterizují tok elektrického proudu v obvodu: proudová síla $I$, napětí $U$ a odpor $R$.

Tento zákon založil v roce 1827 německý vědec G. Ohm, a proto nese jeho jméno. Ve výše uvedené formulaci se také nazývá Ohmův zákon pro část obvodu. Matematicky je Ohmův zákon zapsán jako následující vzorec:

Nazývá se závislost síly proudu na použitém potenciálovém rozdílu na koncích vodiče charakteristika proud-napětí (volt-napěťová charakteristika) vodiče.

Pro každý vodič (pevný, kapalný nebo plynný) existuje vlastní charakteristika proudového napětí. Nejjednodušší formou je proudově-napěťová charakteristika kovových vodičů, daná Ohmovým zákonem $I=/$, a roztoky elektrolytů. Znalost charakteristiky proud-napětí hraje důležitou roli při studiu proudu.

Ohmův zákon je základem veškeré elektrotechniky. Z Ohmova zákona $I=/$ vyplývá:

1. proudová síla v části obvodu s konstantním odporem je úměrná napětí na koncích části;
2. Síla proudu v části obvodu s konstantním napětím je nepřímo úměrná odporu.

Tyto závislosti lze snadno experimentálně ověřit. Získané pomocí obvodu jsou na obrázku uvedeny grafy závislosti proudu na napětí při konstantním odporu a proudu na odporu. V prvním případě je použit zdroj proudu s nastavitelným výstupním napětím a konstantním odporem $R$, ve druhém případě baterie a proměnný odpor (odporový zásobník).

Elektrický odpor

Elektrický odpor je fyzikální veličina, která charakterizuje odpor vodiče nebo elektrického obvodu vůči elektrickému proudu.

Elektrický odpor je definován jako koeficient úměrnosti $R$ mezi napětím $U$ a stejnosměrným proudem $I$ v Ohmově zákoně pro úsek obvodu.

Jednotka odporu tzv. ohm (Ohm) na počest německého vědce G. Ohma, který tento pojem zavedl do fyziky. Jeden ohm ($ 1 $ ohm) – Toto je odpor vodiče, ve kterém je při napětí $1$ V proudová síla rovna $1$ A.

Odpor

Odpor homogenního vodiče konstantního průřezu závisí na materiálu vodiče, jeho délce $l$ a průřezu $S$ a lze jej určit podle vzorce:

kde $ρ$ je měrný odpor látky, ze které je vodič vyroben.

Měrný odpor látky je fyzikální veličina, která ukazuje, jaký odpor má vodič vyrobený z této látky o jednotkové délce a jednotkové ploše průřezu.

Ze vzorce $R=ρ/$ to vyplývá

Převrácená hodnota $ρ$ se nazývá vodivost $σ$:

Protože jednotka odporu SI je $ 1 $ Ohm, jednotka plochy je $ 1 m^ 2 $ a jednotka délky je $ 1 $ m, pak jednotka SI odporu je $ 1 $ Ohm $ m^ 2 $ / m, nebo $1$ Ohm$ ·$m. Jednotkou SI vodivosti je $Ohm^m^$.

V praxi se plocha průřezu tenkých drátů často vyjadřuje v milimetrech čtverečních (m$m^2$). V tomto případě je vhodnější jednotka měrného odporu Om$·$m$m^2$/m. Protože $1 mm^2 = 0.000001 m^2$, pak $1$ Ohm$·$m $m^2$/m$ = 10^$ Ohm$·$m. Kovy mají velmi nízký měrný odpor – řádově ($1 ·10^$) Ohm$·$m$m^2$/m, dielektrika – $10^-10^$ krát vyšší.

Závislost odporu na teplotě

S rostoucí teplotou se zvyšuje odolnost kovů. Existují však slitiny, jejichž odpor se s rostoucí teplotou téměř nemění (například konstantan, manganin apod.). S rostoucí teplotou klesá odpor elektrolytů.

Teplotní koeficient odpor vodiče je poměr změny odporu vodiče při zahřátí o $1°$C k hodnotě jeho odporu při $0°$C:

Závislost měrného odporu vodičů na teplotě je vyjádřena vzorcem:

V obecném případě $α$ závisí na teplotě, ale pokud je teplotní rozsah malý, pak lze teplotní koeficient považovat za konstantní. Pro čisté kovy $α=(/)K^$. Pro roztoky elektrolytů $α

• Examer LLC, 2025
• Juristické dokumenty