Praktická elektronika/Základy

Musíme se seznámit s trochou teorie do začátku.

Náboj

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

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.

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

Uspořádaný 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.

V úvahách se používá dohodnutý směr toku proudu, který je od kladného pólu zdroje přes spotřebič k zápornému pólu zdroje. Tento dohodnutý směr je opačný než skutečný směr toku elektronů ve vodiči.

Materiály

V atomové struktuře značného množství látek jsou elektrony pevně vázány ke svým atomovým jádrům a nemohou se volně pohybovat mezi jednotlivými atomy, případně se pohybují jen velice neochotně (je k tomu potřeba velké energie) – tyto látky jsou označovány jako izolanty neboli nevodiče

např. PVC, slída, pryž, PET

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 nevodiči a vodiči nejsou přesně stanoveny a záleží na konkrétní aplikaci.

nejčastěji měď, hliník, také zlato

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

Vodiče používáme k přesunu náboje, tedy ke spojení míst s různým elektrickým potenciálem. Vodivým spojením dochází ke snaze rozdíl potenciálů vyrovnat a začíná protékat proud. Jako vodiče se nejčastěji využívají různé kovy; nejlepším vodičem je stříbro, nejčastěji využívaným pak měď, dále se také používá hliník, z nekovových materiálů můžeme jmenovat například uhlík. Nejčastěji mají vodiče válcový tvar, přičemž je důležitý průřez, kterým proud protéká. Poměr proudu k tomuto průřezu označujeme jako proudovou hustotu J.

$J={\frac {I}{S}}$
Pro měď a hliník (v závislosti na jiných faktorech, např. teplotě): $J_{MAX}=4-6{\frac {A}{mm^{2}}}$

Izolanty naopak používáme k oddělení míst s různým elektrickým potenciálem, tedy míst mezi nimiž je napětí. Typicky jde například o izolaci kabelů, kde se využívá například PVC nebo slídový papír využívaný v kondenzátorech, z kapalných můžeme jmenovat transformátorový olej a z plynů se využívá kupříkladu fluorid sírový (SF6) ve zhášecích komorách velkých vypínačů. Parametrem omezujícím použití izolnatu je tzv. dielektrická pevnost E_p, která je stanovená jako poměr tzv. průrazného napětí, tedy napětí při kterém dojde k průrazu izolantu či přeskoku výboje, a tloušťky izolace. Jedná se vlastně o maximální hodnotu intezity elektrického pole, jakou je daný materiál schopen "zvládnout".

$E_{p}={\frac {U_{p}}{d}}$

Dielektrická pevnost vybraných látek
Látka	Dielektrická pevnost (MV/m)
Vzduch	3
PVC	40
Slída	118

Elektrický odpor

Elektrický odpor popisuje schopnost vést proud. Každý prvek elektrického obvodu se dá popsat svým odporem. Značíme jej R (z anglického Resistance) a jednotka je ohm, značka Ω.

Ohmův zákon

Ohmův zákon je základem všech zapojení. Dává do souvislosti tři základní elektrotechnické veličiny, tedy napětí, proud a odpor.

$R={\frac {U}{I}}$

Dokonalý izolant má hypoteticky nekonečný odpor, reálně má odpor velice vysoký (řádově gigaohmy a více)
Dokonalý vodič má hypoteticky nulový odpor, reálně má odpor velice nízký (řádově mikroohmy a méně)
Slovem odpor také nepřesně označujeme součástku rezistor (odporník)

Odpor vodiče lze spočítat jako: $R=\rho {\frac {l}{S}}$ ,

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

látka	ρ [10⁻⁶ Ω·m]
stříbro	0,0164
měď	0,0178
hliník	0,0285
uhlík	60

Jaký odpor jedna žíla kabelu CYKY 3x2,5 o délce 6 m?

C označuje měď → ρ = 17,8 ·10^-9Ω·m
poslední číslo je průřez → S = 2,5 mm²

$R=\rho {\frac {l}{S}}={\frac {17,8\cdot 10^{-9}\cdot 6}{2,5\cdot 10^{-6}}}=0,0247\Omega$

Souhrn

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