V mojom prvom príspevku o elektrickom prúde som uviedol, že elektrické napätie je rovné práci, ktorú vykonajú elektrické sily zdroja pri presune náboja 1C medzi dvomi miestami obvodu. Z toho vyplýva, že tú prácu vypočítame ako súčin náboja a napätia (W=U•Q).
Elektrický príkon je výkon, ktorý podajú elektrické sily pri presune daného náboja z jedného miesta vodiča na druhé. Pokúsime sa odvodiť vzorec na jeho výpočet. Vieme, že výkon vypočítame ako podiel práce a času. Za prácu si dosadíme vyššie odvodený vzorec pre elektrickú prácu (W=U•I•t) a dostaneme P'=U•I•t/t.
Ako sa elektrický príkon líši od výkonu? Príkon je energia, ktorú elektrické sily dodajú danému zariadeniu za jednotku času, kdežto výkon je energia, ktorú dané zariadenie za určitý čas skutočne využije na konanie práce. Žiaden stroj nevie využiť všetku energiu, ktorú mu dodáme, lebo časť energie sa stratí. Čím menší je rozdiel medzi príkonom a výkonom daného zariadenia, tým lepšie.
Existuje aj fyzikálna veličina účinnosť, ktorej značka je grécke písmeno η (eta). Táto veličina je bezrozmerná, čo znamená, že nemá jednotku. Vypočítame ju tak, že výkon vydelíme príkonom. Väčšinou ju vyjadrujeme v percentách.
Príklady
- Zariadenie sme zapojili do elektrickej zásuvky pod napätím 220V. Potom sme doň zapojili ampérmeter a namerali sme prúd 2,7A.
- Rýchlovarná kanvica má príkon 700W. Ako dlho jej bude trvať, kým zohreje 1,5l vody a aký elektrický náboj sa pri tom prenesie? Voda má hmotnostnú tepelnú kapacitu 4180J/kg•°C a kanvica je zapojená v zásuvke pod napätím 220V.
- Odber veľkých prúdov je nebezpečný, preto je každá domácnosť vybavená ističmi, ktoré odpoja zdroj pri priveľkom odbere prúdu. Ističe máme nastavené na maximálnu hodnotu 16A a spotrebiče zapájame do bežnej zásuvky pod napätím 220V. Práčka má príkon 1000W, elektrická rúra 2200W a žehlička 700W.
Súvislosť medzi elektrinou a magnetizmom
Ľudia dlho skúmali elektrinu a magnetizmus ako dva odlišné, navzájom nesúvisiace javy. V roku 1820 dánsky vedec Hans Christian Oersted zistil, že drôt, ktorým preteká elektrický prúd, dokáže vychýliť ručičku kompasu (mimochodom, nebol prvý - už 18 rokov pred ním si to všimol taliansky amatérsky fyzik Romagnosi - jeho objav však bol prehliadnutý vedeckou komunitou). Oesrsted teda zistil, že elektrina a magnetizmu spolu súvisia.
Prečítajte si tiež: Typy striel .38 Special
Z Oerstedovho pokusu nám vyplýva, že okolo každého vodiča s prúdom sa nám vytvára magnetické pole. Toto magnetické pole je však trochu iné ako to pri permanentných magnetoch. Jeho indukčné čiary tvoria navzájom rovnobežné sústredné kružnice, ktorých stredom je daný vodič.
Dá sa nejako docieliť, aby okolo vodiča s prúdom bolo také magnetické pole, ako je okolo permanentných magnetov? Áno, dá. A to tak, že vodič ovinieme okolo niečoho. Magnetické polia jednotlivých závitov sa potom skombinujú a vytvoria takéto magnetické pole. Vytvorili sme tak zariadenie, ktoré nazývame cievka. Čím hustejšie pri sebe sú dané závity (t.j. čím viac závitov je na jednotku dĺžky, tým je magnetické pole cievky silnejšie.
Ak dovnútra cievky vložím predmet z magneticky mäkkého materiálu, tak magnetické pole cievky ešte viac zosilníme. Takto upravená cievka sa nazýva elektromagnet. Magnetické póly cievky a elektromagnetu určíme tiež pomocou ampérovho pravidla pravej ruky.
Elektromotor
Iste ste sa už stretli so zariadeniami, ktoré sú poháňané elektrickou energiou (mixér, ventilátor, vysávač...). Všetky tieto zariadenia majú elektromotor. Elektromotor je teda zariadenie, ktoré premieňa elektrickú energiu na mechanickú. Rôzne elektromotory fungujú rôzne, ale takmer všetky využívajú vznik magnetického poľa po prechode prúdu vodičom respektíve cievkou.
Každý elektromotor sa skladá z rotora (časti, ktorá sa otáča) a statora (časti, ktorá sa nehýbe) V nasledujúcich odsekoch bude vysvetlený princíp fungovania najjednoduchšieho elektromotora - elektromotora s permanentným magnetom na jednosmerný prúd. Tento elektromotor sa používa, keď nám stačí nízky výkon (izbový ventilátor, vibračný motorček v mobile, pohyblivé hračky atď.). Pre dosiahnutie väčších výkonov (elektroautá, vlaky, dopravné pásy...) sa používa tzv. asynchrónny motor na striedavý prúd, ten je ale trochu zložitejší.
Prečítajte si tiež: Všetko o brokových nábojoch do revolvera
Nevyhnutnou súčasťou elektromotora na jednosmerný prúd je komutátor. Je to súčiastka, ktorá prepína póly. Čiže ak na každú z častí komutátora pripojím kábel, tak chvíľu bude kladná jedna časť a druhá bude záporná, a potom sa to vymení (prepne). A takto to bude pokračovať až dokiaľ neodpojíme zdroj. Komutátor sa točí, lebo je pripojený k rotoru elektromotora.
V čase, keď je jedna časť komutátora kladná a druhá záporná, sa rotor pohybuje vďaka elektrickej energii (ktorá sa premieňa na mechanickú). Statorom tohto motora je permanentný magnet a rotorom je cievka alebo elektromagnet (resp. viac cievok alebo elektromagnetov, to už záleží na jednotlivom type konštrukcie). Jeden koniec cievky je zapojený na jednu časť komutátora a druhý koniec na druhú časť.
Keďže komutátor prepína polaritu, mení sa aj smer prúdu v cievke. Keď si spomeniete ampérovo pravidlo pravej ruky, tak viete, že potom sa navzájom vymieňajú aj magnetické póly cievky. Cievka je pripojená tak, aby jej severný pól bol natočený k severnému pólu permanentného magnetu statora a južný pól k južnému. Keďže opačné póly sa priťahujú a rovnaké odpudzujú, cievka sa pôsobením týchto magnetických síl otočí (severným pólom k južnému pólu statora a južným k severnému). Vtedy komutátor zmení polaritu a póly na cievke sa vymenia. Teda cievka je zase otočená zhodnými pólmi k permanentnému magnetu a magnetické sily ju nútia, aby sa zasa otočila. Otočí sa a komutátor sa znova prepne.
Generátor elektrického prúdu
Generátor elektrického prúdu je zariadenie, ktoré mení mechanickú prácu na elektrickú, generuje teda elektrický prúd. Generátory majú takú istú (alebo veľmi podobnú) konštrukciu ako elektromotory, ibaže fungujú opačne. Totižto rovnako ako elektrický prúd vytvára magnetické pole, tak magnetické pole, ktoré je v pohybe v okolí vodiča, v ňom vytvára (indukuje) elektrický prúd.
Generátor jednosmerného prúdu sa nazýva dynamo. Najjednoduchšie dynamo má rovnakú konštrukciu ako elektromotor s permanentným magnetom, ibaže je zapojené nie do zdroja, ale do spotrebiča a rotor je roztáčaný mechanickou prácou. Získavame ním takzvaný pulzujúci jednosmerný prúd.
Prečítajte si tiež: Jednotný náboj: História
Generátor striedavého prúdu sa nazýva alternátor. Najpoužívanejším alternátorom je takzvaný trojfázový alternátor, ktorý má konštrukciu ako asynchrónny elektromotor a vytvára takzvané trojfázové napätie.
Transformátor
Transformátor je zariadenie, pomocou ktorého vieme zmeniť elektrické napätie nahor alebo nadol s minimálnou stratou energie. Dá sa použiť iba pri striedavom prúde. Skladá sa z dvoch cievok navinutých oproti sebe na spoločnom jadre z magneticky mäkkého materiálu (čiže vlastne z dvoch elektromagnetov).
A ako funguje? Striedavý prúd vytvára meniace sa magnetické pole v cievke napojenej na zdroj (tzv. primárnej cievke) a meniace sa magnetické pole (rovnako ako pri elektromotore) indukuje elektrický prúd v druhej (tzv. sekundárnej) cievke. Ak má primárna cievka väčší počet vinutí ako sekundárna, tak nastáva transformácia nadol. Ak má naopak, väčší počet vinutí sekundárna cievka, tak nastáva transformácia nahor. Celkový vzorec na prevod napätia je N1/N2=U2/U1 (pričom N1 je počet vinutí primárnej cievky, N2 počet vinutí sekundárnej, U1 napätie primárnej a U2 napätie sekundárnej). Inými slovami povedané, pomer napätí je prevráteným pomerom k pomeru počtu vinutí cievok.
Elektrolýza
Nasledujúce kapitoly sú na hranici fyziky a chémie, čiže na ich pochopenie treba mať nejaké znalosti z chémie. Nasledujúci pokus si môžete vyskúšať aj doma, ale v rámci bezpečnosti používajte ako zdroj elektrického prúdu JEDINE BATERKU, NIE ELEKTRICKÚ ZÁSUVKU (mimochodom, s tou by to aj tak nefungovalo, funguje to len s jednosmerným prúdom):
Ak do destilovanej vody zapojíme zdroj a spotrebič, tak zistíme, že voda je v podstate izolant (mimochodom ale vo veľmi zanedbateľnej miere elektrický prúd vedie). Iná situácia však nastane, ak použijeme pitnú vodu, alebo najlepšie slanú vodu. Vtedy zistíme, že voda prúd vedie a že pritom uvoľňuje nejaké plyny (vidíme bublinky a v prípade použitia kuchynskej soli cítime chlór). Vedenie prúdu nemôže spôsobovať soľ samá o sebe - kryštál soli je tiež izolant.
Soli sa skladajú s kladne elektricky nabitých katiónov a záporne nabitých aniónov, ktoré sú v kryštálovej mriežke navzájom elektrickými silami viazané. Voda túto mriežku rozbije, a tak sa vytvorí roztok, v ktorom si voľne plávajú katióny a anióny. Ak doň pustíme jednosmerný elektrický prúd, tak katióny budú priťahované k zápornej elektróde (ktorá sa preto nazýva katóda) a anióny budú priťahované ku kladnej elektróde (ktorá sa preto nazýva anóda).
Pri tom to ale neskončí. Záporná katóda je záporná, lebo dodáva elektróny. Dodá ich teda aj pritiahnutým katiónom, z ktorých sa tým pádom stanú neutrálne atómy/molekuly (ich oxidačné číslo sa teda znižuje, čiže prebieha redukcia). V prípade kuchynskej soli (čiže chemicky chloridu sodného) sú to sodné katióny, vzniká teda sodík, ktorý ale nevidíme, ani nevieme zachytiť, lebo okamžite reaguje s vodou za vzniku hydroxidu sodného a vodíka (ktorý pozorujeme ako bublinky). Kladná anóda je kladná, lebo odoberá elektróny.
Celý tento proces sa nazýva elektrolýza. Elektrolýzou sa pripravuje chlór aj v priemysle. Pripravuje sa ňou aj sodík (a fluór, hliník, alkalické kovy). Pripraviť sodík (a ďalšie alkalické kovy) je však o niečo ťažšie, lebo reagujú s vodou, nemôžeme teda použiť vodný roztok soli daného kovu. Preto namiesto roztoku použijeme jej taveninu.
Pri elektrolýze sa chemicky stabilnejšie látky menia na chemicky menej stabilné látky (v predchádzajúcom príklade sa stabilný chlorid sodný mení na chlór a sodík - tie ak by sme spolu zmiešali, samovoľne a prudko by zreagovali naspäť na chlorid sodný). Chemicky menej stabilné látky sú menej stabilné preto, lebo obsahujú viac chemickej energie. V predchádzajúcej kapitole ste sa dozvedeli, že pri elektorlýze sa elektrická energia mení na chemickú.
Galvanický článok
Dá sa tento proces obrátiť? Dá sa chemická energia premeniť na elektrickú? Dá by sa využiť nejaká samovoľná chemická reakcia (pri ktorej vznikajú chemicky stabilnejšie látky) využiť na výrobu elektrickej energie?
Majme dve nádoby. Do jednej z nich nalejme roztok síranu zinočnatého (ZnSO4) a ponorme doň tyčku z kovového zinku (to bude elektróda). Do druhej roztok síranu meďnatého (CuSO4) a tyčku z kovovej medi (druhá elektróda). Nádoby buď prepojíme takzvaným soľným mostíkom (účel vysvetlím neskôr), alebo namiesto dvoch nádob použijeme jednu rozdelenú na dve polovice, medzi ktorými je keramický disk alebo pórovotá vrstva (tie ale musie byť také, aby zabránili zmiešaniu roztokov, účel vysvetlím neskôr).
Čo sa stane, ak zinkovú a medenú elektródu prepojíme káblikom s ampérmetrom, voltmetrom alebo maličkou žiarovkou? Zistíme, že medzi článkami je napätie, káblikom tečie jednosmerný prúd (žiarovka sa rozsvieti). Ale ako to celé ale funguje? Zinková elektróda (Zn0) sa pri prepojení začne rozpúšťať za uvoľňovania zinočnatých katiónov (Zn2+) a meďnaté katióny (Cu2+) sa menia na kovovú meď (Cu0), ktorá sa uvoľňuje na medenej elektróde.
Keď sa zinok mení na kladné zinočnaté katióny, zbavuje sa záporných elektrónov (zinková elektróda bude preto záporná), ktoré putujú káblikom až do medenej elektródy, kde ich pohlcujú meďnaté katióny, ktoré sa tým menia na elementárnu meď (tá sa uvoľňuje na elektróde). Medená elektróda bude kladná, lebo priťahuje elektróny (jej kladnosť spôsobujú meďnaté katióny, ktoré majú väčší potenciál ako zinočnaté katióny - to znamená, že ich kladnosť je akoby ,,silnejšia").
Ale každý roztok musí byť elektricky neutrálny, čiže v ňom nesmie byť nadbytok ani nedostatok katiónov a aniónov (inak povedané, celkový kladný náboj katiónov sa musí rovnať celkovému zápornému náboju aniónov). Ak ale zinková elektróda uvoľňuje do jedného roztoku katióny a medená ich zasa pohlcuje z druhého roztoku, tak neutrálny by nebol ani jeden z roztokov (prvý by bol kladný a druhý záporný), čo sa nemôže stať, reakcia by teda neprebiehala. Práve tu vstupuje do hry soľný mostík, keramický disk alebo pórovitá vrstva. Tie síce nedovolia zmiešanie roztokov, ale umožnia prechod iónov. Prebytok katiónov v prvom roztoku (síranu zinočnatého) a ich nedostatok v druhom roztoku (síranu meďnatého) sa teda vyrieši tak, že síranové anióny preniknú cez pórovitú bariéru alebo keramický disk z druhého roztoku do prvého, čím sa náboje vyrovnajú. A prečo sa roztoky nesmú zmiešať?
V galvanických článkoch označujeme kladnú elektródu ako katódu a zápornú elektródu ako anódu (čiže opačne ako pri elektrolýze). Prečo je to tak? Súvisí to s chémiou. Katóda a anóda totiž v skutočnosti nie sú definované podľa toho, či sú kladné alebo záporné ani podľa toho, aké ióny priťahujú resp. dodávajú. Sú definované podľa reakcie, ktorá na nich prebieha. Na katóde prebieha redukcia a na anóde oxidácia. Pri elektrolýze prebieha redukcia na zápornej elektróde (lebo tá dodáva elektróny, ktoré potom katión prijíma a tým sa redukuje) a oxidácia na kladnej (lebo tá odoberá aniónom elektróny a tým ich oxiduje).
Batéria
A odkiaľ sa vzal názov ,,batéria"? Pôvodne sa to slovo znamenalo ,,súbor rovnakých zvyčajne spojených predmetov" (spočiatku spolupracujúce delá). Keď boli vynájdené galvanické články, začalo sa to slovo používať pre viacero spojených článkov (aby sa vygenerovalo vyššie napätie).
Akumulátor je článok, ktorý sa po vybití dá pripojením na zdroj jednosmerného elektrického napätia znovu nabiť. Cyklus nabíjania a vybíjania sa môže mnohokrát opakovať. Využívajú sa pri tom tzv. vratné chemické reakcie.
Prvý galvanický článok zostrojil v roku 1800 Alessandro Volta. Voltov stĺp sa skladal z mnohých streidavo na seba naukladaných strieborných a zinkových doštičiek (elektródy), oddelených od seba plsťou nasiaknutou 5%-ným vodným roztokom kyseliny sírovej (elektrolyt). Daniellov článok a Voltov stĺp boli takzvané mokré články, lebo obsahovali kvapalný elektrolyt (čo je ale nevýhodou). Väčšina dnes používaných batérií sú takzvané suché články.
Prvý suchý článok, ktorý bol vyrobený, je takzvaný zinkovo-uhlíkový článok. Vo vnútri článku je katóda tvorená zmesou práškového oxidu manganičitého (burelu) a práškového uhlíka. V jej strede je vložená uhlíková tyčinka. Anódu tvorí zinková nádobka, v ktorej je katóda umiestnená. Elektrolytom je vodný roztok chloridu amónneho (salmiaku), ktorý sa však nenachádza voľne v kvapalnom stave, ale je nasiaknutý do prášku katódy. Medzi katódou a anódou sa nachádza separátor v podobe pijavého papiera. Pri chemickej reakcii vybíjania sa ale vytvára ďalšia voda. Preto sa stávalo, že vybitý článok vytiekol.
Príklady výpočtov
- Na sklenenej tyči, ktorú sme treli kožou vznikol náboj 80 nC. Koľko elektrónov prešlo z tyče na kožu? Q = 80 nC = 80.10-9C, e = 1,602.10-19C, me = 9,1.10-31kg, n = ? Na kožu prešlo 5.1011elektrónov.
- Dve malé guľôčky, jedna má náboj Q1 = 40 nC, druhá Q2 = 80 nC, sú umiestnené vedľa seba vo vzdialenosti 1cm.
- Dva rovnaké náboje Q1 = Q2 = 5.10-8C sa odpudzujú vo vzduchu (k = 9.109N.m2C-2) silou 2,5.10-4N.
- Medzi dvoma kladnými bodovými nábojmi Q1 a Q2 vo vzdialenosti r1 pôsobí v prostredí s εr1 sila Fe1. Obidva náboje premiestnime do prostredia s εr2. Ich vzdialenosť r2 upravíme tak, aby sa veľkosť sily nezmenila.
- Dva kladné bodové náboje Q1 a Q2 = 4.Q1 sú pevne umiestnené v dvoch bodoch vzdialených od seba 6 cm.
- Aká veľká elektrická sila pôsobí na protón ( Qp= Q0 = 1,602.10-19C. mp = 1,672.10-27kg), ktorý sa nachádza v elektrickom poli s intenzitou elektrického poľa 2.105N.C-1? Qp= Q0 = 1,602.10-19C. Na protón pôsobí elektrická sila Fe = 3,204.10-14N.
- V určitom bode elektrického poľa kladného bodového náboja (vo vákuu) pôsobí na náboj Q0 = 50 nC sila Fe = 10-4N.
- Malá častica, ktorá má hmotnosť 1 mg a náboj 0,5 nC, je na začiatku v pokoji. S akým zrýchlením sa bude pohybovať v homogénnom elektrickom poli s intenzitou 30 kV.m-1. Akú dráhu častica urazí za 0,1s vo vákuu? Zrýchlenie častice bude a = 15m.s-2.
- Malá prachová častica má hmotnosť 0,01mg, náboj 10 nC a je umiestnená v homogénnom elektrickom poli. Siločiary majú vodorovný smer. Častica sa začne pohybovať s nulovou počiatočnou rýchlosťou a za 4s získa rýchlosť 50m.s-1.
- Dve guľôčky zanedbateľného objemu s elektrickým nábojom rovnakej veľkosti 2.10-8C sa navzájom priťahujú vo vákuu silou.
- Naša Zem predstavuje záporne nabitú guľu s plošnou hustotou náboja 1,1.10-15C.m-2.
- Guľôčka, ktorá má hmotnosť 0,4g a náboj 5.10-7C je zavesená na niti a umiestená v homogénnom elektrickom poli, ktorého siločiary majú vodorovný smer. Elektrická sila vychýli guľôčku so závesom v smere elektrických siločiar. Určite uhol, o ktorý sa záves odchýli od zvislého smeru.
- Bodový elektrický náboj Q vytvára vo vákuu elektrické pole. Na náboj Q0 pôsobí elektrická sila. Náboje vložíme do dielektrika. Ak chceme, aby na na náboj Q0 pôsobila rovnako veľká sila ako vo vákuu, musíme náboj Q0 premiestniť do polovičnej vzdialenosti.
- Dva rovnaké elektrické náboje vo vzdialenosti 6cm sa priťahujú silou 5,6N.