Elektrické obvody
Elektrické obvody (1/15) · 9:47

Úvod do elektrických obvodů a Ohmův zákon Úvod do problematiky obvodů a vysvětlení Ohmova zákona, který dává do souvislosti proud, napětí a odpor.

Navazuje na Elektřinu.
V tomto videu si představíme elektrické obvody a Ohmův zákon, který je základním nebo nejjednodušším zákonem, který na obvody uplatníme. Spojuje představu elektrického napětí, které si za vteřinku představíme, a elektrického proudu, který se značí velkým písmenem I, asi aby se nepletl se značkou Coulombu, C. Ty dvě veličiny propojuje elektrický odpor. Odpor značíme velkým písmenem R. A abychom to neprotahovali, jejich vztah je jednoduchá rovnice. Napětí se rovná proudu násobenému odporem, nebo, pokud vydělíte obě strany odporem, proud se bude rovnat napětí lomeno odpor. Napětí dělené odporem. Ale co to vlastně je elektrické napětí? Co je elektrický proud? A co je odpor? Jaké používají jednotky a jaký dávají smysl? Abychom pochopili tyto věci a jejich vztah, představme si proud vody. Není to zcela přesná metafora, ale aspoň na tom lze pochopit vztah mezi napětím, proudem a odporem. Řekněme, že máme tuto svislou trubku s vodou, která je tady dole uzavřená a je plná vody. Tady nahoře je také voda. Voda v trubce, řekněme v tomto místě, bude mít nějakou potenciální energii. Brzy uvidíme, že tato potenciální energie je srovnatelná s napětím. Napětí je elektrický potenciál. To není úplně potenciální energie, je to potenciální energie na jednotkový náboj. Napíšu to. Potenciální energie na jednotku náboje. Jsou to jouly, jednotky energie, na coulomb. To je náš jednotkový náboj. A běžně používané jednotky napětí jsou volty. Teď si představme, co se stane, když otevřeme dno trubky. Tohle otevřeme. Co se stane? Voda začne okamžitě vytékat dolů. Potenciální energie se přemění v kinetickou. Můžete se podívat na určitou část trubky, řekněme přímo tady, a můžete se ptát, kolik vody vyteče za jednotku času? Množství vody, které v daném čase proteče trubkou, je podobné elektrickému proudu. Elektrický proud je množství elektrického náboje, můžeme říct náboj za čas. Q je náboj a t je čas. A můžete říct, kolik náboje proteče místem v obvodu za jednotku času, například za jednu sekundu. Můžete to brát jako coulomby za sekundu, náboj za jednotku času. Odpor pak brání toku náboje, takže elektrický proud není nekonečně velký. Pokud se vrátím k podobenství s vodou, můžeme sem dát něco bránícího vodě téci, například zůžit trubku. Zúžení trubky je podobné zvýšení odporu. V této situaci mám opět svislou trubku s vodou, která je otevřená. Má pořád stejnou potenciální energii, což je podobné jako napětí, ta se mění na kinetickou energii, a voda proudí trubkou, ale nyní každým místem trubky protéká menší množství vody, protože tady máte tohle zúžení, které je podobné elektrickému odporu. O kolik se průtok náboje zpomalil. Jednotkou je ohm, který značíme řeckým písmenem Omega. Teď, když jsme definovali všechny tyto věci a máme naše podobenství, podívejme se na skutečný elektrický obvod. Nejprve sestavím baterii. Tohle je moje baterie. Dle úmluvy je tahle kratší čárka záporný pól. Toto je záporný pól a tohle kladný. K této baterii se váže nějaké napětí. Vezmeme nějaké konrétní číslo. Řekněme, že toto napětí bude 16 voltů. Máme tu potenciální energii na jednotku náboje, takže tady na záporném pólu jsou nějaké elektrony a potenciální energie na coulomb je 16 voltů. Tyto elektrony, pokud mohou, půjdou na kladný pól. My jim můžeme postavit cestu. Nakreslím to takto. Nejdřív tu cestu elektronům nezpřístupním, budu tady mít neuzavřený obvod. Udělám elektronům tuto cestu. Dokud není náš obvod uzavřený, funguje jako uzavřená trubka. Elektrony se nemají jak dostat na kladný pól. Kdybychom tady obvod uzavřeli, mohly by elektrony náhle procházet, podobně jako by voda mohla téct trubkou. Když uvidíte takovýto nákres, tyto čáry často značí vodiče bez odporu. Ale to je jen teorie. V praxi má i velmi dobře vodivý drát nějaký odpor. Prvky obvodu s elektrickým odporem značíme zubatou čarou. Nakreslím sem prvek s odporem, neboli rezistor. Takto jej značíme v obvodovém diagramu. Řekněme, že tento rezistor má odpor 8 ohmů. Ptám se vás, jaký proud bude protékat obvodem s tímto napětím a odporem? Kolik náboje proteče za daný čas daným místem obvodu? Pozastavte video a pokuste se to vypočítat. K zodpovězení této otázky vám postačí Ohmův zákon. Chceme určit proud, známe napětí a odpor. Proudem v našem příkladu bude napětí, což je 16 voltů, dělené odporem 8 ohmů. 16 děleno 8 je rovno dvěma coulombům za sekundu. Můžete říct coulomby za sekundu, nebo ampéry. Ampéry značíme velkým písmenem A. Mluvili jsme o toku elektronů a tady vám protékají dva coulomby každou sekundu. A to platí pro každé místo obvodu, ze stejného důvodu jako tady. I když je trubka tady nahoře širší a tady užší, kvůli tomuto zúžení proteče touto částí trubky stejné množství vody tudy i tudy. Proto v tomto jednoduchém obvodu naměříte stejný proud tady, tady, i tady. Ale je tu jedna zvláštnost. Pozastavte video a zamyslete se nad směrem tohoto proudu. Pokud víte, co jsou elektrony a co se tu vlastně děje, mohli byste říct, že elektrony se pohybují tímto směrem. Takže pro tento elektrický proud bych zakreslil, že teče tímto směrem. Ukazuje se ale, že úmluva, kterou používáme, je pravým opakem. Je to taková historická zvláštnost. Když se Benjamin Franklin obvody poprvé zabýval, nevěděl o elektronech nic. Byly objeveny až o 150 let později. Popsal jen náboj, který náhodně označil za kladný a záporný. Věděl, že jsou navzájem opačné a že něco jako náboj teče. Ve svých popisech elektřiny popsal proud tekoucí od kladného pólu k zápornému. Tato úmluva přetrvala dodnes, ač proud elektronů míří opačným směrem. Brzy beztak zjistíme, že proud se vždy netýká jen elektronů. Tento proud tedy bude dvouampérový.
video