Jak již bylo řečeno, k tomu, aby docházelo k plynulému toku náboje, nepotřebujeme jen souvislou dráhu (tj. obvod): potřebujeme také nějaký prostředek, který by tyto nosiče náboje po obvodu posouval. Stejně jako u kuliček v trubce nebo vody v potrubí je potřeba nějaká ovlivňující síla, která tok iniciuje. V případě elektronů je touto silou stejná síla, která působí ve statické elektřině: síla vyvolaná nerovnováhou elektrického náboje. Vezmeme-li si příklady vosku a vlny, které se o sebe třely, zjistíme, že přebytek elektronů ve vosku (záporný náboj) a nedostatek elektronů ve vlně (kladný náboj) vytváří mezi nimi nerovnováhu náboje. Tato nerovnováha se projevuje jako přitažlivá síla mezi oběma objekty:
Pokládáme-li mezi nabitý vosk a vlnu vodivý drát, budou jím protékat elektrony, protože část přebytečných elektronů ve vosku spěchá skrz drát, aby se dostala zpět do vlny a zaplnila tam nedostatek elektronů:
Nerovnováha elektronů mezi atomy ve vosku a atomy ve vlně vytváří mezi oběma materiály sílu. Protože elektrony nemají kudy proudit z vosku do vlny, jediné, co tato síla může dělat, je přitahovat oba objekty k sobě. Nyní, když izolační mezeru překlenuje vodič, však síla vyvolá tok elektronů rovnoměrným směrem skrz vodič, i když jen na okamžik, dokud se náboj v této oblasti neutralizuje a síla mezi voskem a vlnou se nezmenší. Elektrický náboj, který vzniká mezi těmito dvěma materiály třením, slouží k uchování určitého množství energie. Tato energie není nepodobná energii uložené ve vysoké nádrži s vodou, která byla odčerpána z rybníka s nižší hladinou:
Vlivem gravitace na vodu v nádrži vzniká síla, která se pokouší vodu opět přesunout do nižší hladiny. Pokud je z nádrže vedeno vhodné potrubí zpět do rybníka, bude voda pod vlivem gravitace proudit z nádrže dolů, potrubím:
Přečerpání této vody z rybníka s nízkou hladinou do nádrže s vysokou hladinou vyžaduje energii a pohyb vody potrubím zpět dolů na původní hladinu představuje uvolnění energie uložené z předchozího čerpání. Pokud se voda přečerpá na ještě vyšší hladinu, bude k tomu zapotřebí ještě více energie, tedy více energie se uloží a více energie se uvolní, pokud se voda nechá proudit potrubím zpět dolů:
Elektrony se příliš neliší. Třeme-li o sebe vosk a vlnu, „odčerpáváme“ elektrony z jejich normálních „úrovní“, čímž vzniká stav, kdy mezi voskem a vlnou existuje síla, protože elektrony se snaží obnovit své dřívější pozice (a rovnováhu v příslušných atomech). Síla, která přitahuje elektrony zpět do jejich původních pozic kolem kladných jader jejich atomů, je analogická síle, kterou gravitace působí na vodu v nádrži a snaží se ji stáhnout na její původní úroveň. Stejně jako čerpání vody do vyšší hladiny vede k ukládání energie, „čerpání“ elektronů za účelem vytvoření nerovnováhy elektrického náboje vede k tomu, že se v této nerovnováze ukládá určité množství energie. A stejně jako zajištění možnosti, aby voda stékala z výšky nádrže zpět dolů, vede k uvolnění této uložené energie, zajištění možnosti, aby elektrony stékaly zpět do své původní „hladiny“, vede k uvolnění uložené energie. Když jsou nosiče náboje v tomto statickém stavu (stejně jako voda v klidu, vysoko v nádrži), nazývá se tam uložená energie potenciální energií, protože má možnost (potenciál) uvolnění, která ještě nebyla plně realizována.
Pochopení pojmu napětí
Když jsou nosiče náboje v tomto statickém stavu (stejně jako voda v klidu, vysoko v nádrži), nazývá se tam uložená energie potenciální energií, protože má možnost (potenciál) uvolnění, která ještě nebyla plně realizována. Když se za suchého dne otřete botami s gumovou podrážkou o látkový koberec, vytvoříte mezi sebou a kobercem nerovnováhu elektrického náboje. Činnost odírání nohou ukládá energii v podobě nerovnováhy nábojů vytlačených z původních míst. Tento náboj (statická elektřina) je stacionární a vy si vůbec neuvědomíte, že se energie ukládá. Jakmile však přiložíte ruku ke kovové klice (s velkou pohyblivostí elektronů, které neutralizují elektrický náboj), tato uložená energie se uvolní v podobě náhlého toku náboje vaší rukou a vy to pocítíte jako elektrický šok! Tuto potenciální energii, uloženou v podobě nerovnováhy elektrického náboje a schopnou vyvolat tok nosičů náboje vodičem, lze vyjádřit termínem zvaným napětí, což je technicky vzato míra potenciální energie na jednotku náboje nebo něco, co by fyzik nazval měrnou potenciální energií.
Definice napětí
Definice napětí v kontextu statické elektřiny je mírou práce potřebné k přesunu jednotkového náboje z jednoho místa na druhé, proti síle, která se snaží udržet elektrické náboje v rovnováze. V kontextu zdrojů elektrické energie je napětí množstvím potenciální energie, která je k dispozici (práce, kterou je třeba vykonat) na jednotku náboje, k přesunu nábojů ve vodiči. protože napětí je vyjádřením potenciální energie a představuje možnost nebo potenciál uvolnění energie při přesunu náboje z jedné „úrovně“ na druhou, je vždy vztaženo mezi dvěma body. Uvažujme analogii s vodní nádrží:
Vzhledem k rozdílu ve výšce kapky existuje potenciál pro uvolnění mnohem většího množství energie z nádrže prostřednictvím potrubí do místa 2 než do místa 1. To znamená, že náboj se může uvolnit z nádrže do místa 1. To znamená, že náboj se může uvolnit z nádrže do místa 2. Tento princip lze intuitivně pochopit při pádu kamene: co má za následek silnější náraz, kámen shozený z výšky jednoho metru, nebo stejný kámen shozený z výšky jedné míle? Je zřejmé, že pád z větší výšky má za následek větší uvolněnou energii (prudší náraz). Množství energie uložené ve vodní nádrži nemůžeme posoudit pouhým změřením objemu vody, stejně jako nemůžeme předpovědět sílu dopadu padajícího kamene pouhou znalostí jeho hmotnosti: v obou případech musíme také zvážit, jak daleko tato tělesa spadnou ze své počáteční výšky. Množství energie uvolněné při pádu tělesa je relativní vzhledem ke vzdálenosti mezi jeho počátečním a koncovým bodem. Stejně tak potenciální energie dostupná pro přesun nosičů náboje z jednoho bodu do druhého je relativní vůči těmto dvěma bodům. Proto se napětí vždy vyjadřuje jako veličina mezi dvěma body. Je zajímavé, že analogie hmoty potenciálně „padající“ z jedné výšky do druhé je natolik výstižným modelem, že se napětí mezi dvěma body někdy nazývá pokles napětí.
Generování napětí
Napětí lze generovat i jinak než třením určitých typů materiálů o sebe. Chemické reakce, zářivá energie a působení magnetismu na vodiče jsou některé způsoby, kterými lze napětí vyrobit. Odpovídajícími příklady těchto tří zdrojů napětí jsou baterie, solární články a generátory (například jednotka „alternátor“ pod kapotou automobilu). Prozatím se nebudeme podrobně zabývat tím, jak každý z těchto zdrojů napětí funguje – důležitější je, abychom pochopili, jak lze zdroje napětí použít k vytvoření toku náboje v elektrickém obvodu. Vezměme si symbol chemické baterie a sestavme obvod krok za krokem:
Jak fungují zdroje napětí?
Každý zdroj napětí, včetně baterií, má dva body pro elektrický kontakt. V tomto případě máme na výše uvedeném schématu bod 1 a bod 2. Vodorovné čáry různé délky naznačují, že se jedná o baterii, a dále naznačují směr, kterým se bude napětí této baterie snažit protlačit nosiče náboje obvodem. Skutečnost, že vodorovné čáry v symbolu baterie se zdají být oddělené (a tudíž nemohou sloužit jako cesta pro tok náboje), není důvodem k obavám: ve skutečném životě tyto vodorovné čáry představují kovové desky ponořené do kapalného nebo polotuhého materiálu, který nejen vede náboje, ale také vytváří napětí, které je interakcí s deskami posouvá dál. Všimněte si malých znamének „+“ a „-“ bezprostředně vlevo od symbolu baterie. Záporný (-) konec baterie je vždy konec s nejkratší pomlčkou a kladný (+) konec baterie je vždy konec s nejdelší pomlčkou. Kladný konec baterie je konec, který se snaží vytlačit nosiče náboje ven (nezapomeňte, že podle konvence považujeme nosiče náboje za kladně nabité, i když elektrony jsou nabité záporně). Stejně tak záporný konec je konec, který se snaží přitahovat nosiče náboje. Když konce „+“ a „-“ baterie nebudou k ničemu připojeny, bude mezi těmito dvěma body existovat napětí, ale baterií nebude proudit žádný náboj, protože neexistuje žádná souvislá cesta, po které by se mohly nosiče náboje pohybovat.
Stejný princip platí i pro analogii s vodní nádrží a čerpadlem: bez zpětného potrubí zpět do rybníka se energie uložená v nádrži nemůže uvolnit v podobě proudu vody. Jakmile je nádrž zcela naplněna, nemůže dojít k žádnému průtoku bez ohledu na to, jak velký tlak může čerpadlo vytvořit. Aby mohlo docházet k nepřetržitému průtoku, musí existovat kompletní cesta (okruh), kterou voda proudí z rybníka do nádrže a zpět do rybníka. Takovou cestu můžeme pro baterii zajistit připojením kusu drátu z jednoho konce baterie na druhý. Vytvoříme-li obvod se smyčkou z drátu, zahájíme nepřetržitý tok náboje ve směru hodinových ručiček:
Pochopení pojmu elektrický proud
Pokud bude baterie nadále produkovat napětí a kontinuita elektrické cesty nebude přerušena, budou nosiče náboje v obvodu nadále proudit. Podle metafory vody pohybující se potrubím se tento nepřetržitý, rovnoměrný tok náboje obvodem nazývá proud. Dokud bude zdroj napětí „tlačit“ stejným směrem, budou se nosiče náboje v obvodu pohybovat stále stejným směrem. Tento jednosměrný tok proudu se nazývá stejnosměrný proud neboli DC. Ve druhém díle této knižní řady jsou zkoumány elektrické obvody, ve kterých se směr proudu přepíná tam a zpět: Střídavý proud, neboli AC. Prozatím se však budeme zabývat pouze stejnosměrnými obvody. Protože elektrický proud se skládá z jednotlivých nosičů náboje, které protékají vodičem shodně tím, že se pohybují podél a tlačí na nosiče náboje před sebou, podobně jako kuličky trubicí nebo voda potrubím, bude množství proudu v celém jednom obvodu v každém bodě stejné. Kdybychom sledovali průřez vodiče v jediném obvodu a počítali nosiče náboje, které jím protékají, zaznamenali bychom přesně stejné množství za jednotku času jako v kterékoli jiné části obvodu, bez ohledu na délku nebo průměr vodiče. Pokud přerušíme spojitost obvodu v libovolném místě, elektrický proud v celé smyčce ustane a přes přerušení, mezi konci vodičů, které byly dříve spojeny, se projeví plné napětí vyrobené baterií:
Jaká je polarita úbytku napětí?
Všimněte si značek „+“ a „-“ nakreslených na koncích přerušení obvodu a toho, jak odpovídají značkám „+“ a „-“ vedle svorek baterie. Tyto značky označují směr, kterým se napětí snaží protlačit proud, tento směr potenciálu se běžně označuje jako polarita. Pamatujte, že napětí je vždy relativní mezi dvěma body. Vzhledem k této skutečnosti je polarita úbytku napětí relativní i mezi dvěma body: to, zda se bod v obvodu označí značkou „+“ nebo „-„, závisí na jiném bodu, ke kterému je vztažen. Podívejte se na následující obvod, kde je každý roh smyčky označen referenčním číslem:
Při přerušení spojitosti obvodu mezi body 2 a 3 je polarita úbytku napětí mezi body 2 a 3 „+“ pro bod 2 a „-“ pro bod 3. V tomto případě je polarita úbytku napětí mezi body 2 a 3 „+“. Polarita baterie (1 „+“ a 4 „-„) se snaží protlačit proud smyčkou ve směru hodinových ručiček z bodu 1 na bod 2, z bodu 3 na bod 4 a zpět na bod 1. Proud je tedy v tomto případě přerušen. Nyní se podívejme, co se stane, když body 2 a 3 opět spojíme dohromady, ale mezi body 3 a 4 umístíme do obvodu přerušení:
Při přerušení mezi body 3 a 4 je polarita úbytku napětí mezi těmito dvěma body „-“ pro bod 4 a „+“ pro bod 3. V tomto případě je polarita úbytku napětí mezi body 3 a 4 „-„. Všimněte si zejména toho, že „znaménko“ bodu 3 je opačné než v prvním příkladu, kde byl zlom mezi body 2 a 3 (kde byl bod 3 označen „-„). Není možné, abychom řekli, že bod 3 v tomto obvodu bude vždy buď „+“, nebo „-„, protože polarita, stejně jako samotné napětí, není specifická pro jeden bod, ale je vždy relativní mezi dvěma body!“
PŘEHLED:
- Nosiče náboje mohou být motivovány k průtoku vodičem stejnou silou, která se projevuje ve statické elektřině.
- Napětí je míra měrné potenciální energie (potenciální energie na jednotku náboje) mezi dvěma místy. Laicky řečeno, je to míra „tlaku“, který je k dispozici pro motivaci náboje.
- Napětí jako vyjádření potenciální energie je vždy relativní mezi dvěma místy nebo body. Někdy se nazývá „úbytek“ napětí.
- Připojíme-li k obvodu zdroj napětí, vyvolá toto napětí rovnoměrný tok nosičů náboje tímto obvodem, který se nazývá proud.
- V jednoduchém (jednosmyčkovém) obvodu je velikost proudu v kterémkoli bodě stejná jako velikost proudu v kterémkoli jiném bodě.
- Pokud je obvod obsahující zdroj napětí přerušen, objeví se v místech přerušení plné napětí tohoto zdroje.
- Orientace +/- úbytku napětí se nazývá polarita. Je také relativní mezi dvěma body.
Související pracovní listy:
- Napětí, proud a odpor Pracovní list
.