⚡ Elektrický náboj, proud a napětí

Jako voda v trubkách

O čem to je

Rozsvítíš lampu, nabiješ mobil, spustíš vrtačku. Ve všech případech drátem něco teče a koná práci. Tomu „něčemu“ říkáme elektrický náboj.

Mechatronik i strojař pracuje s motory, čidly a řízením. Bez tří základních veličin – náboje, proudu a napětí – nepřečte schéma ani nezměří závadu.

Nové pojmy

Elektrický náboj QVlastnost částic, kvůli které se přitahují nebo odpuzují. Je kladný (proton) a záporný (elektron). Stejné náboje se odpuzují, opačné přitahují. Jednotka coulomb (C).Elektron má náboj −1,602 · 10⁻¹⁹ C. Tomuto nejmenšímu náboji se říká elementární náboj e.
Vodič a izolantVodič má volné částice s nábojem, které se mohou pohybovat (v kovech volné elektrony). Izolant volné náboje skoro nemá, proud jím prakticky neteče.Měď je vodič, PVC na kabelu je izolant.
Elektrický proud IKolik náboje projde průřezem vodiče za jednu sekundu. Jednotka ampér (A). I = Q / t.Projde-li vodičem 10 C za 5 s, teče proud 2 A.
Elektrické napětí U„Tlak“, který žene náboj obvodem. Přesněji: práce, kterou vykoná elektrické pole při přenesení náboje 1 C mezi dvěma body. Jednotka volt (V). U = W / Q.Tužková baterie má 1,5 V, zásuvka v ČR 230 V.
Elektrický obvodUzavřená cesta pro proud: zdroj (baterie), spotřebič (žárovka, motor), vodiče a obvykle spínač. Když se cesta přeruší, proud neteče.Baterka: baterie → vypínač → žárovka → zpět do baterie.

Přirovnání k vodě

Představ si vodovod. Čerpadlo vytváří tlak, voda teče trubkou a roztáčí turbínku. V obvodu je čerpadlo zdroj, tlak napětí, průtok vody proud a turbínka spotřebič.

  • čerpadlo – zdroj napětí (baterie, zásuvka)
  • tlak vody – napětí U ve voltech
  • průtok (litry za sekundu) – proud I v ampérech
  • množství vody – náboj Q v coulombech
  • turbínka – spotřebič (žárovka, motor)

Otoč si kartičky a ke každé části vodovodu si řekni, co jí odpovídá v obvodu.

Kterým směrem proud teče

Ve schématech kreslíme technický (dohodnutý) směr proudu: od kladného pólu zdroje (+) přes spotřebič k zápornému pólu (−). Elektrony v kovu se ve skutečnosti pohybují opačně, od − k +. Dohoda vznikla dřív, než se elektron objevil.

Nabíječka nabíjí akumulátor proudem 2 A po dobu 30 minut. Kolik náboje do něj proteče?
Čas převedu na sekundy: 30 min = 1 800 s. Q = I · t = 2 · 1 800 = 3 600 C. To je přesně 1 Ah (ampérhodina), protože 1 Ah = 1 A · 3 600 s.
Při přenesení náboje 4 C mezi dvěma body vykoná pole práci 48 J. Jaké je mezi body napětí?
U = W / Q = 48 / 4 = 12 V.
✗Baterie je zdroj proudu, proud se v ní „vyrábí“ a ve spotřebiči „spotřebuje“.
✓Zdroj dodává napětí. Proud je v celém jednoduchém obvodu stejný – do žárovky ho vteče stejně, jako z ní vyteče.

Náboj se v obvodu neztrácí. Spotřebič odebírá energii, ne náboj.

Náboj Q (C) je to, co teče. Proud I = Q / t (A) říká, kolik ho proteče za sekundu. Napětí U (V) je „tlak“, který ho žene. Proud teče jen uzavřeným obvodem, technický směr je od + k −.

Veličiny a měření

O čem to je

Opravář přijde k nefunkčnímu stroji a první, co vezme do ruky, je multimetr. Změří napětí a proud a podle čísel pozná, kde je závada. K tomu musí přesně vědět, co která veličina znamená a jak se měří.

Nové pojmy

Elektrický náboj QVlastnost částic (elektronů, protonů), kvůli které na sebe působí silou. Kladný a záporný. Jednotka coulomb (C). Náboj se nedá vytvořit ani zničit, jen přemístit.Náboj 1 C nese asi 6,24 · 10¹⁸ elektronů.
Elektrický proud IUsměrněný pohyb částic s nábojem. Velikost = náboj, který projde průřezem vodiče za 1 s: I = Q / t. Jednotka ampér (A); 1 A = 1 C/s.LED potřebuje asi 20 mA = 0,02 A.
Elektrické napětí URozdíl „elektrických hladin“ (potenciálů) mezi dvěma body. Udává práci na přenesení náboje 1 C: U = W / Q. Jednotka volt (V); 1 V = 1 J/C.Mezi póly autobaterie je asi 12 V.
Stejnosměrný a střídavý proudStejnosměrný (DC) teče stále jedním směrem (baterie). Střídavý (AC) pravidelně mění směr (zásuvka, v Evropě 50krát za sekundu).Mobil se nabíjí stejnosměrně, nabíječka je zapojená do střídavé sítě.
Voltmetr a ampérmetrVoltmetr měří napětí a připojuje se paralelně (vedle) ke spotřebiči. Ampérmetr měří proud a zapojuje se do série, obvod se kvůli němu rozpojí.U multimetru přepneš mezi V a A a u proudu přepojíš i hrot do zdířky A.

Přehled veličin

VeličinaZnačkaJednotkaVztah
nábojQcoulomb (C)Q = I · t
proudIampér (A)I = Q / t
napětíUvolt (V)U = W / Q
práce (energie)Wjoule (J)W = U · Q

Násobky jednotek

V elektrotechnice jsou hodnoty často velmi malé nebo velké. Používáme předpony: m (mili) = tisícina, μ (mikro) = miliontina, k (kilo) = tisíc, M (mega) = milion.

Doplň převody. Mili a mikro dělí, kilo a mega násobí.

Jak měřit multimetrem

Odhadni, jestli měříš stejnosměrnou (DC, V⎓) nebo střídavou (AC, V~) veličinu.
Nastav rozsah větší, než čekáš (nebo automatický rozsah).
Napětí: hroty přilož paralelně ke dvěma bodům, obvod nerozpojuj.
Proud: obvod rozpoj, ampérmetr vlož do série a červený hrot přepoj do zdířky A nebo mA.
Po měření proudu vrať hrot zpět do zdířky V – jinak příště při měření napětí uděláš zkrat.
Akumulátor má kapacitu 2 000 mAh. Jak dlouho teoreticky vydrží dodávat proud 250 mA?
Kapacita je náboj: Q = I · t, takže t = Q / I = 2 000 mAh / 250 mA = 8 h. Ve skutečnosti méně, kapacita s věkem a zátěží klesá.
Vodičem proteče za 2 minuty náboj 600 C. Jaký proud teče?
t = 2 min = 120 s. I = Q / t = 600 / 120 = 5 A.
✗Ampérmetr přiložím hroty k pólům baterie, abych zjistil, kolik dává proudu.
✓Ampérmetr se zapojuje vždy do série se spotřebičem. K pólům zdroje se přikládá jen voltmetr.

Ampérmetr má téměř nulový odpor. Přímo na zdroji vytvoří zkrat: teče obrovský proud, spálí se pojistka měřáku nebo vznikne oblouk.

Q v coulombech, I = Q/t v ampérech, U = W/Q ve voltech. Voltmetr paralelně, ampérmetr do série. Pozor na předpony m, μ, k, M.
🎚️Ohmův zákon a elektrický odpor