Elektrické obvody
Elektrické obvody (1/6) · 11:40

Ohmův zákon Úvod do problematiky obvodů a vysvětlení pojmů proud a odpor.

Navazuje na Elektřinu.
Už jsme během mnoha videí mluvili o elektrostatickém poli a potenciálu náboje nebo potenciální energií náboje, když je na jednom místě. Ale uvidíme, co se stane, když daný potenciál... Co se stane, když umožníme náboji se pohybovat? A tohle bude pravděpodobně mnohem zajímavější, protože se dozvíte, jak funguje velká část moderního světa. Tak řekněme, že mám zdroj napětí. Jak ho nakreslím? Nakreslím ho takto. Žlutě. Tak tohle je můj zdroj napětí, často označovaný jako baterie. To je kladná svorka. To je záporná svorka. Je to jiné téma, na celé další video a jednou ho udělám – jak pracuje baterie. Ale řekněme, že to bez ohledu na to, kolik proudu... No, vlastně to vysvětlím za chvilku. Ale bez ohledu na to, kolik náboje teče z jedné strany baterie na druhou stranu baterie, zůstává napětí konstantní. To není moc intuitivní záležitost, protože jsme se učili o kondenzátorech, a naučíme se o nich víc v rámci obvodů, ale co jsme se naučili o kondenzátoru je skutečnost, že zbavíme-li se náboje na jednom konci, celkové napětí kondenzátoru se sníží. Ale baterie je magická věc. Myslím, že ji vymyslel Volta, a právě proto říkáme volty a napětí (anglicky „voltage“) a tak. Magie baterie je v tom, že i když jedna strana ztrácí náboj na úkor druhé strany, napětí neboli potenciál mezi oběma stranami zůstává konstantní. To je kouzlo baterie. Předpokládejme, že máme takový magický nástroj. Pravděpodobně máte baterii v kalkulačce nebo v mobilu. A uvidíme, co se stane, když dovolíme náboji cestovat z jedné strany na druhou. Tak řekněme, že mám skvělý vodič. Řekněme, že je to ideální, dokonalý vodič. Obvykle se kreslí rovněji, než jsem toho já schopen. A ne, nic jsem před nahráváním tohoto videa nepil. Tak co jsem tady udělal? V rámci připojení této kladné svorky na zápornou svorku baterie jsem vám také nakreslil běžné schéma obvodu, tak, jak ho znají elektrotechnici, elektrikáři atd. Tyto čáry jsou v podstatě dráty (vodiče). Neexistuje žádný důvod, proč je kreslím v pravém úhlu. Udělal jsem tam pravé úhly jen proto, aby to bylo úhledné. A předpokládá se, že tento drát je ideální vodič, kterým náboj může volně proudit bez narušení. Tahle věc tady je rezistor. A to je něco, co bude náboj skutečně ovlivňovat. Bude bránit náboji v pohybu maximální rychlostí. A pak, samozřejmě, tady máme opět dokonalý vodič. Teď, kterým směrem bude náboj proudit? No, myslím, že jsem to zmínil dříve, ale v elektrických obvodech jde vlastně o elektrony, které proudí. Elektrony jsou ty malé částice, které opravdu, opravdu rychle obíhají kolem jádra atomu. A jsou to elektrony, které díky své pohyblivosti proudí skrz vodič. Takže skutečný pohyb objektů – pokud nazveme elektron objektem, někdo by mohl říct, že je téměř pouhým fiktivním objektem – ale skutečný průtok obstarávají elektrony ze záporné svorky na kladnou. Ale ti, kteří původně vytvářeli obvodová schémata, průkopníci v elektrotechnice... A někdo přišel s tím, rozhodl se říci – a myslím, že šlo o to, zamotat lidem hlavu – že proud teče od plusu k minusu. Takže směr proudu je obvykle uváděn v tomto směru. A proud je označován I. A co je proud? No, proud... Vlastně, než vám řeknu, co je proud, zapamatujte si: I když lidé říkají, že proud – dělá to většina učebnic i elektroinženýři – že proud teče od plusu k minusu, vlastní proudění ale probíhá od minusu k plusu. Neznamená to, že tyto velké těžké protony a jádra nějak tímto způsobem cestují... Pokud srovnáte velikost elektronu a protonu, uvědomíte si, jak by to bylo bláznivé. Jsou to elektrony, tyto malé velmi rychlé částice, které se pohybují vodičem od záporné svorky tímto směrem. Téměř si můžete představit tento proud jako nepřítomnost elektronů, která tudy teče. Nechci vás zmást. Ale pamatujte, že se jedná o úmluvu. Skutečnost je ovšem do jisté míry protikladem této úmluvy. Co znamená tento rezistor? Jak teče proud... A já chci zůstat co nejblíž realitě, abyste si snadno představili, co se děje. Jak tečou elektrony, – máte zde tyto malé elektrony, které si proudí ve vodiči – a předpokládáme, že z nějakého důvodu je tento vodič tak úžasný, že se v něm elektrony nesráží, nenarážejí do atomů vodiče apod. Ale když se dostanou k tomuto rezistoru, tak začnou narážet do okolních částic. Začnou narážet do ostatních elektronů v tomto materiálu. Takže tohle tady je rezistor. Začnou vrážet do ostatních elektronů v tomto materiálu. Budou narážet do atomů a molekul v tomto materiálu. A díky tomu elektrony v podstatě zpomalí, ano? Elektrony se sráží. Takže v podstatě čím více naráží nebo čím méně místa pro tok elektronů, tím více materiál tyto elektrony zpomalí. A jak uvidíme později, s narůstající délkou roste pravděpodobnost, že elektrony budou narážet. Toto nazýváme rezistor a ten má odpor. Ten určuje, jak rychle proud teče. Takže proud, i když je respektovaná dohoda, že teče od plusu k minusu, proud je ve skutečnosti jen tok náboje za sekundu. To bychom si měli napsat. Vím, že to je trochu nesouvislé, ale myslím, že to chápete. Proud je tok náboje za čas nebo přírůstek náboje za sekundu nebo přírůstek náboje za čas, správně? Můžete se na to dívat takto: Co je to napětí? Napětí je, jak moc chce proud téct. Pokud existuje velký rozdíl napětí mezi těmito dvěma svorkami, pak elektrony, které sedí tady, se chtějí opravdu moc dostat sem, že? A je-li ještě vyšší napětí, pak se ty elektrony sem chtějí dostat ještě víc. Než lidé pochopili, že napětí je jen rozdíl potenciálu, nazývali touhu elektronů dostat se odsud sem elektromotorickou silou. Ale my už víme, že to vlastně není síla. Je to jen rozdíl potenciálu, který si můžeme představit jako elektrický tlak, a tak se vlastně dříve napětí říkalo, elektrický tlak. Jak moc se chtějí elektrony dostat odsud sem? Jakmile umožníme elektronům cestu skrz obvod, elektrony se začnou přesouvat. Začnou se pohybovat a předpokládáme, že tento drát nemá žádný odpor, že mohou cestovat, jak rychle chtějí. Ale když se dostanou k tomuto rezistoru, začnou narážet, a to omezuje jejich rychlost. Tak si lze představit, že tento objekt vlastně určuje, jak rychle se mohou elektrony pohybovat. Bez ohledu na to, jak rychle se elektrony mohou pohybovat poté, toto je kritické místo. Takže i když elektrony mohou cestovat velmi rychle sem, musí pak zpomalit a pak by opět mohly cestovat velmi rychle, elektrony zde se ale nemohou pohybovat rychleji než elektrony skrz rezistor. Dobře, proč to tak je? Protože pokud se tyto elektrony pohybují pomaleji, je proud zde menší... Proud je opravdu jen rychlost, jakou se pohybuje náboj. Tedy pokud je tady proud menší a zde byl proud vyšší, pak bychom v zásadě skončili někde tady s nahromaděným nábojem, zatímco veškerý proud by čekal, až bude možné projít skrz. A my víme, že to tak není, že se všechny elektrony pohybují přesně stejným tempem skrz celý obvod. Právě teď to vysvětluji v rozporu s úmluvou, protože podle té se pozitivně nabité částice pohybují tímto směrem. Ale chci, abyste intuitivně porozuměli, co se děje v obvodu. Jakmile to pochopíte, pak ani složitější příklady nebudou působit nijak děsivě. Takže už víme, a to se nazývá Ohmův zákon, už víme, že proud je ve skutečnosti úměrný napětí v obvodu. Takže víme, že napětí... Můžeme si to také představit jinak, že napětí je úměrné proudu v obvodu. Takže napětí se rovná proud krát odpor nebo se dá říct, že napětí děleno odporem se rovná proud. To se nazývá Ohmův zákon. A ten platí při konstantní teplotě. Do větší hloubky to probereme později – zjistíme, že se stoupající teplotou rezistoru se jeho částice, molekuly více pohybují a mají vyšší kinetickou energii. A pak je to ještě pravděpodobnější, že elektrony do nich budou narážet. A tak se vlastně odpor zvyšuje s teplotou. Ale pokud předpokládáme stálou teplotu u daného materiálu – a my se také naučíme později, že různé materiály mají různý odpor. Ale pro daný materiál při stálé teplotě v dané konfiguraci se napětí na odporu děleno odporem rovná protékajícímu proudu. Odpor se měří v ohmech a značíme ho řeckým písmenem omega. Projděme si jednoduchý příklad. Dejme tomu, že toto je 16voltová baterie, takže rozdíl potenciálu mezi pozitivní a negativní svorkou je 16 voltů. Je to 16voltová baterie. Řekněme, že tento odpor je 8 ohmů. Jaký je proud? A pořád to ukazuji opačně, než jak zní konvence, vraťme se k ní. Jaký je proud protékající tímto obvodem? No, to je celkem jednoduché. Je to jen Ohmův zákon, U se rovná IR. Napětí je 16 voltů a rovná se součinu proudu a odporu, krát 8 ohmů. Takže proud se rovná 16 voltů děleno 8 ohmy, což se rovná 2 ampéry. Někdy se anglicky říká „amps“. A jedná se o jednotky proudu. Ale jak víme, proud je velikost náboje za přírůstek času, takže ampér je jen 2 coulomby za sekundu, ano? Už jsem na 11 a půl minutách. Takže toho teď necháme. Už umíte základy Ohmova zákona a možná trochu intuitivně chápete, co se odehrává v elektrickém obvodu. A uvidíme se v dalším videu.
video