Elektrický proud

Elektrický proud
	Soubor:Simple electronic circuit in a breadboard.jpg
	Jednoduchý elektrický obvod s LED diodou, kde protéká elektrický proud
Oblast	Fyzika, Elektrotechnika

Rozbalit box

Obsah boxu

Elektrický proud je usměrněný a uspořádaný pohyb nosičů elektrického náboje. V kovech jsou těmito nosiči volné elektrony, v elektrolytech a ionizovaných plynech jsou to ionty. Elektrický proud je jednou ze základních fyzikálních veličin a je základem fungování téměř všech moderních technologií, od žárovky přes počítače až po elektromobily.

Podmínkou pro vznik a trvání elektrického proudu v obvodu je přítomnost zdroje elektrického napětí a uzavřený elektrický obvod. Jeho velikost, účinky a chování popisují základní fyzikální zákony, především Ohmův zákon.

📜 Definice a podstata

Elektrický proud si lze představit jako "tok" elektrického náboje. V nejběžnějším případě, v kovovém vodiči (např. měděném drátu), jsou nosiči náboje volné elektrony. Ty se v kovu za normálních okolností pohybují chaoticky všemi směry. Pokud však na konce vodiče připojíme zdroj napětí (např. baterii), vytvoří se ve vodiči elektrické pole, které na volné elektrony začne působit silou a usměrní jejich pohyb jedním směrem – od záporného pólu k pólu kladnému. Tento uspořádaný tok elektronů je právě elektrický proud.

Analogicky si lze elektrický proud představit jako proud vody v potrubí. Množství vody, které proteče určitým místem za sekundu, odpovídá velikosti elektrického proudu.

⚡ Základní fyzikální veličiny

Proud (I)

Elektrický proud jako fyzikální veličina (značka I) vyjadřuje, jaké množství elektrického náboje (Q) projde průřezem vodiče za jednotku času (t).

Vzorec: $I = \frac{Q}{t}$
Základní jednotka: Základní jednotkou elektrického proudu v soustavě SI je ampér (značka A). Ampér je jedním ze sedmi základních jednotek SI. Jeden ampér je definován jako proud, při kterém projde průřezem vodiče za jednu sekundu náboj jednoho coulombu (1 A = 1 C/s)^[1].

Napětí (U)

Elektrické napětí (značka U) je veličina, která vyjadřuje rozdíl elektrického potenciálu mezi dvěma body. Je to příčina, "síla" nebo "tlak", který nutí nosiče náboje, aby se v obvodu pohybovaly a vytvářely tak elektrický proud. Bez napětí nemůže proud téct.

Ve vodní analogii odpovídá napětí rozdílu výšek hladin (tlaku), který způsobuje proudění vody.
Základní jednotka: Jednotkou elektrického napětí je volt (značka V)^[2].

➡️ Směr proudu

V elektrotechnice se historicky rozlišují dva směry proudu, což může být matoucí.

Dohodnutý (konvenční) směr proudu: Tento směr byl stanoven v době, kdy se ještě nevědělo o existenci elektronů. Bylo dohodnuto, že proud teče od kladného pólu (+) zdroje k zápornému pólu (-) vně zdroje. Tento směr se dodnes používá ve všech schématech a výpočtech v elektrotechnice.
Skutečný směr toku elektronů: Po objevu elektronu se zjistilo, že elektrony, které jsou nosiči náboje v kovech, jsou záporně nabité. Proto jsou ve skutečnosti přitahovány ke kladnému pólu a pohybují se od záporného pólu (-) zdroje ke kladnému pólu (+).

Pro praktické účely a v technické praxi se však vždy pracuje s dohodnutým (konvenčním) směrem proudu^[3].

Gesetz Ohmův zákon a elektrický odpor

Vztah mezi třemi základními veličinami – proudem, napětím a odporem – v elektrickém obvodu popisuje jeden z nejzákladnějších zákonů elektrotechniky, Ohmův zákon.

Elektrický odpor (R)

Elektrický odpor (značka R) je fyzikální veličina, která vyjadřuje schopnost materiálu bránit průchodu elektrického proudu. Nosiče náboje (elektrony) se při svém pohybu vodičem srážejí s atomy jeho krystalové mřížky, čímž ztrácejí energii a jejich pohyb je brzděn.

Materiály, které vedou proud velmi dobře a mají malý odpor, se nazývají vodiče (např. měď, stříbro, hliník).
Materiály, které proud téměř nevedou a mají obrovský odpor, se nazývají izolanty (např. plast, sklo, guma, suchý vzduch).
Mezi těmito dvěma extrémy leží polovodiče (např. křemík, germanium), jejichž odpor lze řídit a které jsou základem moderní elektroniky.
Základní jednotka: Jednotkou elektrického odporu je ohm (značka Ω).

Formulace Ohmova zákona

Ohmův zákon, formulovaný německým fyzikem Georgem Simonem Ohmem, říká, že elektrický proud (I) procházející vodičem je přímo úměrný elektrickému napětí (U) na jeho koncích a nepřímo úměrný jeho elektrickému odporu (R)^[4].

Základní vzorec: $I = \frac{U}{R}$

Z tohoto vztahu lze odvodit i další tvary:

Pro výpočet napětí: $U = I \cdot R$
Pro výpočet odporu: $R = \frac{U}{I}$

Tento zákon platí pro tzv. lineární (ohmické) odpory, což je většina běžných vodičů a rezistorů za konstantní teploty.

↔️ Typy elektrického proudu

Podle časového průběhu se elektrický proud dělí na dva základní typy:

Stejnosměrný proud (DC)

Stejnosměrný proud (z anglického Direct Current, zkratka DC) je elektrický proud, jehož směr a velikost se v čase nemění. Teče stále jedním směrem, od kladného k zápornému pólu.

Zdroje: Typickými zdroji stejnosměrného proudu jsou galvanické články (baterie, akumulátory), fotovoltaické (solární) články a dynamos komutátorem.
Využití: Všechna zařízení napájená z baterií (mobilní telefony, notebooky, svítilny) a veškerá elektronika (počítače, televize), která si střídavý proud ze sítě nejprve usměrňuje na stejnosměrný.

Střídavý proud (AC)

Střídavý proud (z anglického Alternating Current, zkratka AC) je elektrický proud, jehož velikost a směr se periodicky mění v čase. Počet změn za sekundu se nazývá frekvence (kmitočet). V evropské elektrické síti má střídavý proud sinusový průběh s frekvencí 50 Hz, což znamená, že 50krát za sekundu změní směr.

Zdroje: Zdrojem střídavého proudu jsou alternátory v elektrárnách.
Využití: Je základem pro přenos elektrické energie na velké vzdálenosti, protože jeho napětí lze snadno a s malými ztrátami měnit pomocí transformátorů. Všechny zásuvky v domácnostech poskytují střídavý proud. Používá se pro pohon elektromotorů a pro napájení většiny spotřebičů, které se připojují do sítě^[5].

💡 Elektrická práce a výkon

Když elektrický proud prochází spotřebičem, koná elektrickou práci, která se přeměňuje na jiný druh energie (teplo, světlo, mechanický pohyb).

Elektrická práce (W): Je energie spotřebovaná elektrickým proudem. Její jednotkou je joule (J), ale v praxi se častěji používá kilowatthodina (kWh), ve které měří spotřebu elektroměry.

1 kWh = 3 600 000 J

Elektrický výkon (P): Vyjadřuje, jak rychle se elektrická práce koná, tedy množství energie spotřebované za jednotku času. Je to v podstatě "příkon" spotřebiče.
- Základní vzorec: $P = U \cdot I$
- Základní jednotka: Jednotkou elektrického výkonu je watt (značka W)^[6].

🔥 Účinky elektrického proudu

Průchod elektrického proudu vodičem nebo prostředím je vždy doprovázen určitými účinky, které jsou základem jeho praktického využití.

Tepelné účinky

Kdykoliv elektrický proud prochází vodičem, který má nenulový elektrický odpor, dochází k přeměně části elektrické energie na tepelnou energii. Nosiče náboje (elektrony) se srážejí s atomy mřížky vodiče, předávají jim svou energii a tím vodič zahřívají. Tento jev popisuje Jouleův zákon.

Žádoucí teplo: Tohoto účinku se záměrně využívá u topných spotřebičů, jako jsou elektrická topná tělesa, rychlovarné konvice, žehličky, pájky nebo tavné pojistky. Zvláštním případem je žárovka, kde se tenké wolframové vlákno rozžhaví na tak vysokou teplotu, že začne vydávat světlo.
Nežádoucí teplo (ztráty): Ve většině ostatních případů, například při přenosu elektřiny v elektrickém vedení nebo v elektronických součástkách, je vznikající teplo nežádoucí ztrátou energie, která může vést k přehřátí a poškození zařízení. Proto je nutné tato zařízení chladit.

Magnetické účinky

Každý vodič, kterým protéká elektrický proud, kolem sebe vytváří magnetické pole. Tento jev, objevený Hansem Christianem Ørstedem, je základem elektromagnetismu. Tvar a síla magnetického pole závisí na tvaru vodiče a velikosti proudu.

Elektromagnet: Navinutím vodiče do cívky se magnetické pole zesílí. Pokud se do cívky vloží jádro z měkkého železa, vznikne silný elektromagnet.
Využití: Magnetické účinky proudu jsou klíčové pro fungování elektromotorů (přeměna elektrické energie na mechanickou), generátorů (přeměna mechanické energie na elektrickou), transformátorů, relé a reproduktorů.

Chemické účinky

Průchod elektrického proudu vodivou kapalinou (elektrolyt) může vyvolat chemickou reakci. Tento jev se nazývá elektrolýza.

Princip: Proud v elektrolytu je tvořen pohybem kladných a záporných iontů. Na elektrodách ponořených do roztoku dochází k chemickým změnám – na záporné katodě dochází k redukci a na kladné anodě k oxidaci.
Využití:
- Galvanické pokovování (např. chromování, zinkování): Na povrch vodivého předmětu se elektrolýzou nanese tenká vrstva jiného kovu.
- Výroba chemických látek: Výroba hliníku, chlóru, hydroxidu sodného nebo čistého vodíku a kyslíku elektrolýzou vody.
- Akumulátory: Při nabíjení akumulátoru probíhá elektrolýza, která "ukládá" elektrickou energii ve formě chemické energie.

Světelné a fyziologické účinky

Světelné účinky: Proud může vyvolat emisi světla, například v LED diodách (elektroluminiscence) nebo při průchodu plynem ve výbojkách a zářivkách.
Fyziologické účinky: Průchod elektrického proudu živou tkání může mít vážné následky. Může způsobit svalové křeče (včetně zástavy srdce), popáleniny a poškození nervového systému. Citlivost organismu na proud je velmi vysoká. Více v kapitole Bezpečnost.

🔋 Zdroje elektrického proudu

Zdroj elektrického proudu je zařízení, které dokáže trvale udržovat elektrické napětí mezi dvěma póly a dodávat tak do obvodu elektrickou energii. V každém zdroji dochází k přeměně nějakého jiného druhu energie na energii elektrickou.

Galvanické články (chemické zdroje): Přeměňují chemickou energii na elektrickou.
- Primární články (baterie): Po vybití je nelze znovu nabít (např. tužková baterie).
- Sekundární články (akumulátory): Lze je opakovaně nabíjet a vybíjet (např. autobaterie, baterie v mobilech).
Generátory (mechanické zdroje): Přeměňují mechanickou energii na elektrickou na principu elektromagnetické indukce. Patří sem dynamo (stejnosměrný proud) a alternátor (střídavý proud). Jsou základem všech elektráren (tepelných, jaderných, vodních, větrných).
Fotovoltaické články (světelné zdroje): Přeměňují světelnou energii (ze Slunce) na elektrickou pomocí fotoelektrického jevu.
Termočlánky (tepelné zdroje): Přeměňují tepelnou energii na elektrickou (Seebeckův jev). Používají se pro měření teploty.

⚠️ Bezpečnost při práci s elektrickým proudem

Elektrický proud je pro lidský organismus nebezpečný a při nesprávné manipulaci může způsobit vážné zranění nebo smrt. Účinky proudu na člověka závisí na jeho velikosti, cestě průchodu tělem, době působení a typu proudu (střídavý je obecně nebezpečnější).

Účinky na lidské tělo

Do 10 mA (miliampér): Vyvolává brnění a svalové stahy, ale člověk je obvykle schopen se sám pustit vodiče.
Nad 20 mA: Způsobuje silné svalové křeče, které mohou "přikovat" postiženého k vodiči, a dýchací potíže.
Nad 50 mA: Proud procházející přes oblast srdce může způsobit fibrilaci srdečních komor, což je chaotické a neefektivní stahování srdečního svalu, které bez okamžité pomoci vede k zástavě krevního oběhu a smrti.
Vysoké proudy (řádově ampéry): Způsobují hluboké popáleniny tkání a rozklad krve.

Lidské tělo má relativně vysoký elektrický odpor, který je dán především odporem suché kůže. Při vlhké nebo poraněné kůži odpor dramaticky klesá a i nízké napětí (např. 12 V) se může stát nebezpečným. Za bezpečné napětí se v suchém prostředí považuje střídavé napětí do 50 V a stejnosměrné do 120 V^[7].

Základní prvky ochrany

Pro ochranu před úrazem elektrickým proudem se používá několik stupňů ochrany:

Izolace: Živé části elektrických zařízení jsou pokryty nevodivým materiálem (plast, guma).
Jistič: Automaticky přeruší obvod při nadproudu (přetížení).
Pojistka: Při nadproudu se přetaví a přeruší obvod.
Proudový chránič: Velmi citlivé zařízení, které okamžitě odpojí obvod, pokud zaznamená, že malá část proudu "uniká" mimo obvod (např. přes lidské tělo). Je povinnou součástí moderních elektroinstalací, zejména v koupelnách.
Uzemnění: Vodivé spojení krytů spotřebičů se zemí, které v případě poruchy svede nebezpečný proud do země a vybaví jistič nebo chránič.

📏 Měření elektrického proudu

K měření velikosti elektrického proudu se používá přístroj zvaný ampérmetr.

Princip zapojení: Aby ampérmetr mohl změřit proud protékající obvodem, musí být zapojen do série se spotřebičem. To znamená, že obvod se musí rozpojit a ampérmetr se vloží přímo do cesty proudu, aby veškerý proud protékal skrze něj.
Vnitřní odpor: Ideální ampérmetr by měl mít nulový vnitřní odpor, aby svým zařazením do obvodu neovlivnil měřený proud. Reálné ampérmetry mají velmi malý vnitřní odpor.

Pro měření napětí se používá voltmetr (zapojuje se paralelně) a pro měření odporu ohmmetr. Moderní digitální přístroje, tzv. multimetry, dokáží měřit všechny tři základní veličiny.

💡 Pro laiky

Představte si elektrický obvod jako systém vodního potrubí v domě.

Baterie (zdroj) je jako vodní čerpadlo.
Dráty (vodiče) jsou potrubí.
Elektrony jsou voda, která v potrubí proudí.
Elektrické napětí (volty) je tlak vody, který vytváří čerpadlo. Čím vyšší tlak, tím silněji voda teče.
Elektrický proud (ampéry) je množství vody (počet litrů), které proteče určitým místem v potrubí za jednu sekundu. Je to síla proudu.
Elektrický odpor (ohmy) je zúžení v potrubí. Zúžené místo brání vodě v průtoku a voda se o něj tře, čímž se potrubí zahřívá. Stejně tak se drát s vysokým odporem (např. v topinkovači) zahřívá, když jím protéká proud.

Stejnosměrný proud (DC) je jako voda tekoucí ze zahradní hadice – stále jedním směrem. Střídavý proud (AC) je jako voda v potrubí, kterou píst neustále tlačí tam a zpět, 50krát za sekundu. I když se voda "vrtí" na místě, stále dokáže přenášet energii a roztočit například vodní kolo (motor). Právě tento typ proudu máme v zásuvkách.

Reference

[1] ttps://www.britannica.com/science/electric-current

[2] ttps://www.fluke.com/cs-cz/informace/blog/elektrina/co-je-napeti

[3] ttps://www.allaboutcircuits.com/textbook/direct-current/chpt-1/conventional-versus-electron-flow/

[4] ttps://www.britannica.com/science/Ohms-law

[5] ttps://www.energy.gov/articles/ac-vs-dc-what-s-difference

[6] ttps://www.fluke.com/cs-cz/informace/blog/elektrina/co-je-elektricky-vykon

[7] ttps://www.bezpecnostprace.info/clanky/zasady-prvni-pomoci-pri-urazu-elektrickym-proudem/

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]