Fotokopírka (kopírka) je přístroj, který vytváří kopie dokumentů. Většina nynějších fotokopírek používají technologii xerografie, což je proces, který využívá elektrostatické náboje a působení světla. Teplo, tlak nebo jejich kombinace se používá pro přenos toneru na papír. 1. Nabíjení: válcovitý bubínek je elektrostaticky nabitý drátem nebo nábojovým válcem. Buben je potažen fotovodivým materiálem. Fotovodič je polovodič, který se stává vodivým, když je vystaven světlu 2. Vystavení: Silná lampa osvítí původní dokument a bílé oblasti se odrazí pomocí světla na povrch fotovodivého bubnu. Oblasti bubnu, které nejsou vystaveny světlu, se stanou vodivými a nabije se záporným nábojem. 3. Vyvíjení: Toner je kladně nabitý. Poté, co je použit na buben, aby vytvořil obraz, přilne k oblastem, které jsou záporně nabity (černé oblasti), stejně tak jako papír přilne k staticky nabitému balónku. 4. Převod: Vzniklý obraz na povrchu bubnu je převeden na papír s větším záporným napětím, než který má buben. + Sloučení: Toner se roztaví a přilepí na papír pomocí tepla a tlakovým válcům. Kopírka Laserová tiskárna je druh počítačové tiskárny, pracující na podobném principu jako kopírka. Laserová tiskárna Uvnitř tiskárny je elektricky vodivý válec pokrytý polovodivou vrstvou ze selenu, který se ve tmě chová jako izolant, po osvětlení se stane vodivým. Tato vrstva se před tiskem nabije elektrickým nábojem. V bodech, které se mají tisknout, je válec osvícen laserem, tím je odpor polovodiče v bodě snížen a náboj z povrchu se vybije do středu válce. Práškový toner je vlivem otáčení válce nabit na stejnou polaritu jako povrch válce a přilne k válci pouze na místech, kde byl odstraněn náboj. V ostatních místech je toner od válce odpuzován, protože má stejnou polaritu. Následně se toner přenese z válce na papír, který je nabit na opačnou hodnotu než povrch válce. Toner se z míst na válci s neutrálním nábojem přenese na papír, který je nabit nábojem opačným (než toner). Dále je toner pomocí vysoké teploty (od 180 °C a více) a tlaku roztaven a zapečen do papíru a následně je z papíru sejmut náboj a papír je uložen do výstupního zásobníku. tribo en elektrostatika en Barva ve stříkací pistoli prochází silným elektrickým polem. Všechny částice barvy se v něm nabijí el. nábojem, vzájemně se odpuzují a vytvářejí kužel kapiček stříkané barvy. Kladným protějškem je uzemněný díl, na který se má nanést barva. Nabité částice se pohybují ve směru siločar elektrostatického pole a s minimálními ztrátami se zachycují na povrchu stříkaného předmětu. To znamená, že při jednodušším tvaru předmětu stačí často stříkat barvu jen v jednom směru a předmět je nalakován ze všech stran. Elektrostatickým nanášením barev se dosáhne vysoké kvality nátěru. Práškové nanášení vrstev Kuchyňské nádobí a přístroje, světla, radiátory, automobilové díly, kovový nábytek, sportovní náčiní, … Elektrostatické nabíjení: ionizace pomocí korony, rychlé, efektivní, nevhodné pro duté předměty. Elektrokinetické nabíjení: ionizace pomocí tření, méně efektivní, vhodné pro duté předměty, zejm. pro aplikaci teflonu. Elektrostatické odlučovače se používají např. v elektrárnách na zachycování popílku vyletujícího z komína. Jde v podstatě o uzemněnou kovovou trubku, kterou prochází čištěný plyn. V ose je izolovaně upevněn napnutý ocelový drát připojený ke zdroji napětí až -100 kV (= vybíjecí, resp. sršící elektroda), kde vzniká korona. Částice popílku se dotykem s koronou souhlasně záporně nabijí a jsou jím následně odpuzovány a přitahovány ke kladně nabitým (uzemněným) stěnám odlučovače (= sběrná elektroda), kde se usadí a následně se vlastní vahou sesouvají do jeho spodní části, odkud jsou odstraňovány. Elektrostatický odlučovač (filtr) Elektrostatické filtry, zachycují přes 99 % popílku. See the source image See the source image Elektrostatické filtry Jiný typ odlučovače má uvnitř drátové elektrody a uzemněné kovové desky, na kterých se usazují prachové částice. Na stejném principu jsou založeny domácí čističky vzduchu. Elektrostatické třídění rud je založeno na různé elektrické vodivosti rudy a hlušiny. Drobně roztlučený materiál se sype na otáčející se kladně nabitý válec. Zrnka hlušiny jsou málo vodivá a dotykem s válcem se nabijí a ulpí na otáčejícím se válci. Když jejich hmotnost převýší přitažlivou elektrostatickou sílu, zrnka hlušiny od válce odpadnou do zásobníku hlušiny. Zrnka rudy jsou vodivější, dotykem s válcem se nabijí kladně a jsou proto válcem odpuzována. Pomocná záporně nabitá elektroda poblíž válce je přitahuje tak, aby padala do druhého zásobníku. Elektrostatické třídění rud Tools for Mining: Technical Chapter 16: 0ther Sorting and Separating Techniques: 16.6 Electrostatic sorting 7 Electrostatic Separation Polovodič je pevná látka, jejíž elektrická vodivost závisí na vnějších nebo vnitřních podmínkách, a dá se změnou těchto podmínek snadno ovlivnit. Změna vnějších podmínek znamená dodání některého z druhů energie – nejčastěji tepelné, elektrické nebo světelné, změnu vnitřních podmínek představuje příměs jiného prvku v polovodiči. Mezi polovodiče patří prvky křemík, germanium, selen, sloučeniny arsenid galia GaAs, sulfid olovnatý PbS aj. Většina polovodičů jsou krystalické látky, existují však také polovodiče amorfní (některá skla). Polovodiče se využívají u elektronických součástek. Polovodiče •polovodiče typu N – majoritními nositeli náboje jsou volné elektrony (e–) • •polovodiče typu P – majoritními nositeli náboje jsou elektronové vakance, tzv. díry (h+) ESA Science & Technology - Compound Semiconductors What is a Compound Semiconductor? | Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation | Americas – United States p-type Semiconductor | Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation | Asia-English polovodič typu P polovodiče typu P nebo polovodič typu N n-type Semiconductor | Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation | Asia-English polovodič typu N Kapacita vodiče Elektrická kapacita C vyjadřuje schopnost vodiče při určité pevné hodnotě potenciálu hromadit či uchovávat elektrický náboj. Čím větší kapacita, tím větší množství náboje může být na vodiči. Tato vlastnost závisí na velikosti a tvaru vodiče, na vzdálenosti od okolních vodičů a na prostředí, kterým jsou vodivá tělesa obklopena. Těleso s menší kapacitou bude daným nábojem přivedeno na vyšší potenciál než těleso s větší kapacitou. Kapacita osamocených vodičů je velmi malá – větší kapacitu mají různé soustavy navzájem izolovaný vodičů. Např. soustava dvou plochých vodičů oddělených od sebe vrstvou dielektrika - kondenzátor. kde φ je potenciál na povrchu vodiče. [C] = F (farad) Kondenzátor se skládá ze dvou vodivých desek (elektrod) oddělených dielektrikem. Na každou z desek se přivádí elektrické náboje opačné polarity, dielektrikum mezi deskami nedovolí, aby se částice s nábojem dostaly do kontaktu, a tím došlo k neutralizaci (vybití) elektrických nábojů a svojí polarizací zmenšuje sílu elektrického pole nábojů na deskách a umožňuje tak umístění většího množství náboje. Vzhledem k elektrostatické indukci je velikost náboje na obou deskách stejná. Kondenzátor S plocha desek, l vzájemná vzdálenost desek, ε permitivita dielektrika mezi deskami Kapacita kondenzátoru Napětí na kondenzátoru Energie nabitého kondenzátoru See the source image Tvar kondenzátoru Deskový kondenzátor Válcový kondenzátor Kulový kondenzátor Leydenská láhev je nejstarší kondenzátor. Skleněná nádoba, jejíž vnější i vnitřní povrch je polepen vodivým materiálem. Sklo nádoby slouží jako dielektrikum, které obě vrstvy vodivého materiálu odděluje. Z vnitřního polepu vede hrdlem láhve ven vodič. Leydenské láhve se obvykle nabíjely nejčastěji indukční elektřinou z Wimshurstova přístroje. Kapacita deskového kondenzátoru Kapacita deskového kondenzátoru je přímo úměrná obsahu účinné plochy desek a nepřímo úměrná vzdálenosti desek. Je-li deska kondenzátoru uzemněna platí C = Q / ϕ Na jaký potenciál se nabije vodič o kapacitě 20 pF nábojem 1 mC? Příklad Dielektrimetrie DK-metrie, dielektrimetrie - metoda chemické analýzy založená na určení relativní permitivity (dielektrické konstanty) změřením kapacity měřicího kondenzátoru, jehož dielektrikem je zkoumaná látka. Dielectric Constant - Universe Today DK-metrie se používá ke kontrole čistoty látek, např. ke stanovení vody v oleji, a při studiu struktury polymerů (bílkovin). Určete relativní permitivitu dielektrika v rovinném deskovém kondenzátoru, jehož desky o ploše 1000 cm2 jsou od sebe vzdáleny 0,1 mm a kondenzátor se nábojem 17,7.10-6C nabije na 100 V. Příklad Sériovým zapojením dvou a více kondenzátorů se celková kapacita snižuje. Převrácenou hodnotu výsledné kapacity lze vypočítat jako součet převrácených hodnot jednotlivých kapacit: Paralelním zapojením kondenzátoru se celková kapacita zvyšuje. Výsledná kapacita se vypočte součtem jednotlivých kapacit: Elektrický proud Pohyb volných elektronů ve vodiči 1. Neuspořádaný pohyb (chaotický) - pohyb trvající neustále. 2. Usměrněný pohyb – působením vloženého napětí (od pólu – k pólu + zdroje) Elektrický proud je uspořádaný pohyb nosičů elektrického náboje. Stejnojmenná skalární fyzikální veličina (I, [I] = A (ampér)) označuje celkové množství elektrického náboje, které projde průřezem vodiče za jednotku času. Stejnosměrný proud je proud, který v čase nemění směr svého toku. Velikost proudu se měnit může. Střídavý proud je proud, jehož velikost a směr se v čase mění s určitou periodou, přičemž jeho střední hodnota je nulová. Stacionární elektrický proud je konstantní, tj. má časově neměnnou velikost i směr toku. Stacionárním proudem je generováno stacionární magnetické pole. Nestacionární elektrický proud zahrnuje všechny případy, kdy proud mění v čase buď svou velikost nebo směr svého toku. Konstantní stejnosměrný proud = proud, jehož velikost ani směr se s časem nemění: I = Q/t Podmínky pro stejnosměrný konstantní proud jsou: 1. uzavřený elektrický obvod 2. elektrický zdroj v obvodu Okamžitý elektrický proud je množství náboje, které projde průřezem vodiče za nekonečně krátký čas Prochází-li elektrický náboj průřezem vodiče rovnoměrně, definuje se průměrný proud: Elektrický obvod Dohodnutý směr toku proudu je od kladného pólu zdroje přes spotřebič k zápornému pólu zdroje. Tento dohodnutý směr je opačný než skutečný směr toku elektronů ve vodiči. Běžný elektrický obvod lze obvykle rozdělit na následující části: elektrický zdroj (též zdroj elektrického proudu, zdroj elektrického napětí nebo zdroj elektrické energie) vypínač elektrický spotřebič Jednotlivé součásti ze kterých se skládá elektrický obvod bývají propojeny pomocí vodičů. Pokud je vodivá dráha tvořená elektrickým obvodem uzavřená, pak se hovoří o uzavřeném elektrickém obvodu. Je-li vodivá dráha obvodu přerušena, např. otevřeným spínačem, pak se mluví o otevřeném elektrickém obvodu. Základní zákony pro elektrický obvod Kirchhoffovy zákony: 1. Součet všech proudů vstupujících do uzlu nebo součástky je roven součtu všech proudů vystupujících z uzlu nebo součástky (tj. proud se nikde nehromadí). Orientovaný součet proudů kolem uzlu je nulový. 2. Orientovaný součet všech napětí ve smyčce je nulový. Ohmův zákon: Napětí na odporu je součinem jeho hodnoty a proudu, který skrze něj protéká. Theveninova věta: Jakékoli propojení napěťových zdrojů a rezistorů s dvěma vývody je elektricky ekvivalentní ideálnímu napěťovému zdroji zapojenému sériově s jediným rezistorem. Nortonova věta: Libovolná soustava lineárních zdrojů napětí, zdrojů proudu a rezistorů se dvěma svorkami je elektricky ekvivalentní k ideálnímu zdroji proudu s paralelně zapojeným ideálním rezistorem. OHM Elektrický zdroj V elektrickém zdroji se přeměňuje jiný typ energie na elektrickou. Elektrické zdroje mohou být chemické (galvanické články), fotočlánky, termočlánky. V elektrárnách vzniká elektrická energie v alternátorech. Tělo ptáka sedícího na drátu elektrického vedení je vlastně jakousi vedlejší větví tohoto vedení, jejíž odpor je ve srovnání s druhou větví (krátkým úsekem drátu mezi nohama ptáka) neobyčejně velký. Proto je intenzita proudu v těle ptáka nepatrná a nemůže mu uškodit. Kdyby se však pták sedící na drátě dotkl křídlem, ocasem nebo zobákem sloupu, nebo se jakýmkoli způsobem spojil se zemí, byl by okamžitě usmrcen proudem, který by prošel do země jeho tělem. Vlaštovky na drátech elektrického vedení Příklad Vnitřní odpor zdroje. Protéká-li elektrický proud obvodem, protéká také elektrickým zdrojem. Ideální zdroj neklade proudu žádný odpor, jeho vnitřní odpor je nulový a svorkové napětí (napětí na svorkách zdroje) má vždy stejnou velikost jako elektromotorické napětí. U reálných zdrojů se projevuje jejich vnitřní odpor a napětí na svorkách zatíženého zdroje je menší než elektromotorické napětí. kde W je práce neelektrických sil při přemisťování elektrického náboje Q uvnitř zdroje. Svorkové napětí je rozdíl elektrických potenciálů mezi svorkami elektrického zdroje. Není-li elektrický zdroj zatížen (tj. neprotéká elektrický proud), je svorkové napětí rovno elektromotorickému napětí zdroje. Při zátěži se svorkové napětí vlivem vnitřního odporu zdroje sníží. Elektromotorické napětí je elektrické napětí, které se vytvoří v elektrickém zdroji přeměnou nějaké formy energie na energii elektrického pole. V důsledku elektromotorického napětí Ue se uvnitř elektrického zdroje přesouvají kladné náboje ke kladnému pólu zdroje a záporné náboje k pólu zápornému. Mezi takto přesunutými náboji vznikne elektrické napětí stejné velikosti, jakou má napětí elektromotorické, ale opačného směru a nazývá se vnitřní napětí zdroje (Ui). Elektromotorické napětí má směr proudu, protékajícího zdrojem. Paralelním zapojením dvou a více zdrojů se nezvyšuje elektromotorické napětí, ale celkový elektrický výkon zdrojů, které jsou schopny dodávat při stejném napětí větší elektrický proud. Důležitou podmínkou je stejná velikost elektromotorických napětí jednotlivých zdrojů, aby nedocházelo k tomu, že silnější zdroj bude způsobovat elektrický proud opačného směru ve slabším zdroji. Sériové zapojení dvou a více zdrojů má za následek zvýšení celkového elektromotorického napětí: Větším elektromotorickým napětí se dosáhne zvětšení výkonu zdroje, nevýhodou je zvětšení celkového vnitřního odporu: Zapojení zdrojů napětí Elektrický proud ve vodičích (v kovech) Elektrická vodivost (konduktance) G udává velikost elektrického proudu procházejícího vodičem při jednotkovém napětí na jeho koncích. Čím větší je vodivost, tím silnější elektrický proud prochází vodičem při stejném napětí. Dobrý vodič má vysokou hodnotu vodivosti, špatný vodič má nízkou hodnotu vodivosti. Měrná elektrická vodivost (konduktivita) je fyzikální veličina, která popisuje schopnost látky dobře vést elektrický proud. Látka, která je dobrým vodičem, má vysokou hodnotu konduktivity, špatně vodící látky mají nízkou hodnotu konduktivity. Konduktivita závisí na teplotě. [G] = S (siemens) kde σ je konduktivita látky, S je obsah průřezu vodiče a l je délka vodiče. Elektrická vodivost je převrácená hodnota elektrického odporu R Konduktivitu (měrnou vodivost) lze vyjádřit jako převrácenou hodnotou resistivity (měrného odporu). Pokud je známa elektrická vodivost jednolitého bloku látky, je možno konduktivitu vypočítat podle vztahu kde l je délka tělesa, na které je přiložené napětí, S je obsah kolmého průřezu, G je elektrická vodivost tělesa. Elektrický odpor R je fyzikální veličina charakterizující schopnost vodiče bránit průchodu elektrického proudu. Hodnota elektrického odporu je dána materiálem, tvarem i teplotou vodiče. Velikost odporu závisí na délce vodiče (přímo úměrně), na obsahu průřezu vodiče (nepřímo úměrně), na materiálu vodiče (měrný elektrický odpor) a na teplotě - odpor vodičů se vzrůstající teplotou stoupá (kladný teplotní součinitel elektrického odporu). Elektrický odpor má vždy kladnou hodnotu. Dobré vodiče kladou malý odpor, špatné vodiče kladou velký odpor. [S·m−1] [Ω·m] [R] = Ω (ohm) Elektrický odpor lze určit z vlastností vodiče pomocí vztahu kde ρ je měrný el. odpor (rezistivita) materiálu, l je délka vodiče a S obsah příčného průřezu vodiče. K výpočtu lze také použít Ohmova zákona kde R je odpor vodiče, S je obsah kolmého průřezu a l je délka vodiče. Měrný odpor homogenního vodiče stálého průřezu lze určit ze vztahu Ohmův zákon je jeden ze základních fyzikálních zákonů, který vyjadřuje závislost proudu mezi dvěma body na vodiči na přiloženém napětí a na odporu vodiče: Zákon platí pro stejnosměrný i střídavý proud s tou výhradou, že U a I jsou komplexní čísla a místo R se užívá označení Z, které znamená impedanci (včetně imaginárních složek). Voltampérová charakteristika [Ω·m] Závislost elektrického odporu vodiče na teplotě lze vyjádřit lineárním vztahem kde R0 je odpor vodiče při normální teplotě, α je teplotní součinitel elektrického odporu a Δt je teplotní rozdíl. Za nízkých teplot může elektrický odpor i rezistivita u některých látek klesnout na nulu. Takovým látkám se říká supravodiče. Závislost rezistivity na teplotě lze v technicky běžném rozsahu teplot přibližně vyjádřit lineární závislostí: kde ρ0 je počáteční rezistivita, Δt je rozdíl teplot a α je teplotní součinitel elektrického odporu. Cívka má 3000 závitů o středním průměru 1,5 cm a je navinuta z měděného drátu o průměru 0,6 mm. Při provozu se její teplota zvýšila z 20 °C na 60 °C. Na jakou hodnotu vzrostl odpor cívky? ρCu = 4.10-3 Ω.m αCu = 4.10-3 K-1 Příklad n = 3000 dc = 1,5 cm = 0,015 m dz = 0,6 mm = 0,0006 m Δt = 60 °C - 20 °C = 40 °C α = 4.10-3 K-1 ρ0 = 4.10-3 Ω.m R0 = ρ0.l / S = n.π.dc / π.dz = 8,5 Ω R = R0.[1 + α.Δ.t] = 9,9 Ω Ohmův zákon pro celý obvod V uzavřeném elektrickém obvodu prochází proud všemi částmi obvodu, tzn. spojovacími vodiči, spínačem a spotřebičem, ale také zdrojem napětí. Přitom všechny části obvodu kladou procházejícímu proudu elektrický odpor. Odpor, který klade proudu zdroj napětí, nazýváme vnitřní odpor zdroje (Ri). Je-li R odpor elektrického spotřebiče, spojovacích vodičů a spínače a Ri vnitřní odpor zdroje, pak celkový odpor uzavřeného obvodu je R + Ri. Při elektromotorickém napětí Ue, prochází celým uzavřeným obvodem proud Vztah vyjadřuje Ohmův zákon pro celý obvod. Vnitřní odpor hraje významnou roli v případě tzv. zkratových proudů. Jestliže vnější odpor (např. spotřebiče) klesne na hodnotu daleko menší než je hodnota vnitřního odporu, pak hovoříme o spojení nakrátko neboli zkratu. Obvodem pak prochází zkratový proud Iz, pro jehož velikost vychází z Ohmova zákona pro celý obvod Zkrat nastává přímým vodivým propojením pólů zdroje (tzv. spojení nakrátko), např. když se poškodí izolace přívodních vodičů nebo vodičů uvnitř spotřebiče a dojde k jejich vzájemnému dotyku. Zkrat může způsobit i vodivá kapalina (elektrolyt), dostane-li se do styku s vodiči. Při zkratu je elektrickému proudu kladen velmi malý odpor, takže velikost proudu (tzv. nadproud) může být vysoká a ve vodiči může vznikat velké teplo. Následkem tepla vznikajícího během zkratu může dojít k poškození zdroje nebo přívodních vodičů nebo celého spotřebiče. Nacházejí-li se vodiče blízko hořlavých materiálů, mohou se tyto vysokou teplotou zapálit. U chemických zdrojů dochází také k rychlému vybití těchto zdrojů - k rychlému přenosu elektrického náboje mezi elektrodami, a tím ke snížení elektrického napětí mezi nimi. Zahřátí chemikálií uvnitř zdroje může vést k nežádoucím chemickým reakcím a poškození elektrod a v některých případech až k explozi. Stává se zkrat. Proces zkratu. Doba odstavení, vývoj procesu, důsledky. Zkraty jsou odděleny zkratem Proto se do elektrických sítí zařazují pojistky nebo jističe, které obvod při zkratu včas přeruší. OCHRANA PROTI PŘETÍŽENÍ A ZKRATU Ke zdroji o elektromotorickém napětí 3 V a vnitřním odporu 1,2 Ω je připojena žárovka o odporu 8 Ω. Napětí na svorkách žárovky je 2,4 V. Určete odpor přívodních vodičů. Zdroj + žárovka + vodiče = sériový obvod. Ue = 3 V Us = 2,4 V Ri = 1,2 Ω Rž = 8 Ω Rv = ? Ue = (Rž + Rv = Ri ).I I = Us / Rž = 2,4/8 = 0,3 A Rv = (Ue – (Ri.I + Us))/I = (3 – (1,2.0,3 + 2,4))/0,3 = 0,8 Ω Příklad Příklad Akumulátorová baterie je nabíjena proudem 2,6 A a na svorkách baterie je napětí 12,5 V. Elektromotorické napětí baterie je 12 V. Určete vnitřní odpor baterie. Nabíjecí proud má opačnou polaritu. Ue = 12 V U = 12,5 V I = 2,5 A Ri = ? U – Ue = I.Ri Ri = (U – Ue )/I = (12,5 – 12)/2,5 = 0,2 Ω Při přemísťování volných elektronů ve vodiči konají síly elektrického pole práci. Tato práce je mírou elektrické energie přeměněné ve vodiči v jinou formu energie. Jestliže se ve vodiči, na jehož koncích je elektrické napětí U, přemístí částice s nábojem Q, vykonají síly elektrického pole práci Práce a výkon elektrického proudu Prochází-li vodičem konstantní proud I po dobu t, je elektrický náboj Q = I.t a pro práci elektrického proudu ve vodiči platí Příkon spotřebiče, definován jako Pp = U.I = R.I2 je mírou elektrické energie odebrané spotřebičem za jednu sekundu. Výkon spotřebiče P vyjadřuje užitečnou práci, kterou spotřebič vykoná za dobu jedné sekundy. Účinnost spotřebiče η Jouleovo teplo vzniká ve vodiči průchodem elektrického proudu. Zahřívání vodiče lze vysvětlit předáváním části kinetické energie částic způsobujících elektrický proud (nejčastěji elektronů) částicím, které se elektrického proudu neúčastní (nejčastěji kladné ionty v pevných pozicích). Tím se zvyšuje tepelný pohyb těchto částic – vodič se zahřívá. Velikost Jouleova tepla Q vznikajícího ve vodiči, jímž prochází elektrický proud po dobu t a na jehož koncích je napětí U, se vypočte podle Jouleova zákona (Lenz-Jouleova zákona): Tepelná energie Q, jednotkou tepla je J (Joule=W·s) joule heating in a light bulb Obvyklým způsobem redukce výkonové ztráty je užívání tlustších vodičů a vyšších napětí. Ve speciálních aplikacích se používají supravodiče. Jak dlouho se bude zahřívat 1,5 l vody z 20 0C na 100 0C na elektrickém vařiči o příkonu 600 W, je-li účinnost vařiče je 80 %. c = 4200 J.kg-1K-1 V = 1,5 l = 0,0015 m3 ρ = 1000 kg.m-3 Δt = 100 0C - 20 0C = 80 0C Pp = 600 W η = 80 % = 0,8 c = 4200 J.kg-1K-1 τ = ? Příklad P = η. Pp Q = η.Pp.t = m.c.Δt t = ρ.V.c.Δt/(η.Pp) = 1000. 0,0015. 4200.80/(600. 0,8) = 1050 s = 17,5 min Příklad Ponorným vařičem na napětí 220 V se zahřálo 0,5 l vody ze 20 °C na 100 °C za 8 minut. Určete příkon vařiče. c = 4200 J.kg-1K-1 V = 0,5 l = 0,0005 m3 ρ = 1000 kg.m-3 Δt = 100 0C - 20 0C = 80 0C Pp = ? τ = 8 min = 480 s c = 4200 J.kg-1K-1 Pp = U.I Q = U.I.τ = Pp.τ = m.c.Δt = ρ.V.c.Δt Pp = ρ.V.c.Δt / τ = 1000.0,0005.4200.80/480 Pp = 350 W Rezistor je pasivní elektrotechnická součástka projevující se v elektrickém obvodu v ideálním případě jedinou vlastností – elektrickým odporem (R). Důvodem pro zařazení rezistoru do obvodu je obvykle snížení velikosti elektrického proudu nebo získání určitého úbytku napětí. Rezistory se také mohou používat jako topné články, testovací zátěže pro generátory apod. Pevné rezistory mají pevně danou hodnotu odporu, která se mírně mění pouze v závislosti na teplotě, procházejícím proudem a životnosti rezistoru. U proměnných rezistorů můžeme měnit jeho fyzikální veličinu (odpor) v určitém rozsahu, ty se používají k plynulému upravení činnosti dalších částí obvodu – potenciometr nebo odporový trimmer (např. nastavení hlasitosti, stmívání svítidel, nastavení teploty apod.), nebo jako senzory teploty (termistor), napětí (varistor), světla (fotorezistor), síly nebo chemických procesů. Rezistor Wire Wound Resistor: Power Resistor » Electronics Notes How to Choose the Right Resistor | Fusion 360 Blog Při paralelním řazení je na všech rezistorech stejné napětí U a proud se dělí podle Ohmova zákona. Celkový odpor Rc je dán součtem vodivostí tedy převrácených hodnot jednotlivých odporů (1/R). Paralelní řazení rezistorů Řazení rezistorů Při sériovém řazení teče všemi rezistory stejný proud a napětí se rozloží na každý rezistor podle Ohmova zákona. Celkový odpor Rc je tady dán součtem jednotlivých odporů. Sériové spojení rezistorů Peltierův jev Inverzní jev k Seebeckovu jevu je jev Peltierův. Jestliže do obvodu složeného ze dvou kovů zařadíme zdroj elektromotorického napětí, pak se jeden spoj kovů začne zahřívat a druhý ochlazovat. Rozdíl teplot mezi spoji závisí pouze na velikosti proudu, jenž obvodem protéká a na materiálech vodičů složeného obvodu. Jestliže zdroj elektromotorického napětí vyvolá proud stejného směru jako u Seebeckova jevu, pak se začne ochlazovat ten spoj, který měl při Seebeckově jevu vyšší teplotu. What is Thermoelectricity and how is it related to Peltier, Seebeck and Thomson effects - Electrical - Industrial Automation, PLC Programming, scada & Pid Control System Elektrický proud v polovodičích Odpor polovodičů, uhlíku a některých speciálních slitin kovů se vzrůstající teplotou klesá (záporný teplotní součinitel elektrického odporu). Rezistivita polovodičů klesá s teplotou přibližně podle exponenciální závislosti. Termistor je v elektrotechnice typ součástky, jejíž elektrický odpor je závislý na teplotě. Termistor se používá například pro měření teploty. Pro převod změny odporu na teplotu musíme znát voltampérovou charakteristiku termistoru, která není lineární. Princip fotorezistoru je založen na vnitřním fotoelektrickém jevu: světlo (foton) předá elektronu ve valenční sféře energii, tím elektron získá dostatek energie k překonání zakázaného pásu a přeskočí z valenčního pásu do vodivostního. Na jeho místě vznikla díra. Takto vzniklé volné elektrony přispívají ke snížení elektrického odporu (zvýšení elektrické vodivosti). Čím více světla na fotorezistor dopadá, tím vzniká více volných elektronů a zvyšuje se tím elektrická vodivost. voltamperova charakteristika diody Ur - průrazné napětí (nesmíme překročit) Uf - napětí hradlové vrstvy (0,5V) Ir - maximální přípustný proud Podle konstrukce slouží k usměrňování elektrického proudu (přeměna střídavého proudu na stejnosměrný proud), ke stabilizaci elektrického napětí (Zennerova dioda) nebo k signalizaci průchodu proudu. Polovodičová dioda se skládá ze dvou příměsových polovodičů - jeden polovodič je typu N (katoda) a druhý polovodič je typu P (anoda). Na rozhraní polovodičů vznikne rekombinací elektronů a děr přechod P-N (hradlová vrstva) bez volných nábojů. Po připojení zdroje napětí v ideálním případě propouští proud pouze jedním směrem, v opačném směru proud neprochází. Fotoelektrický jev (fotoefekt) je fyzikální jev, při němž jsou elektrony emitovány (vyzařovány) z látky (nejčastěji z kovu) v důsledku absorpce elektromagnetického záření (např. rentgenové záření nebo viditelného světla) látkou. Pokud jev probíhá na povrchu látky (tzn. působením vnějšího elektromagnetického záření se elektrony uvolňují do okolí látky), jde o vnější fotoelektrický jev. Fotoelektrický jev může probíhat i uvnitř látky, kdy uvolněné elektrony zůstávají v materiálu jako vodivostní elektrony. V tomto případě jde o vnitřní fotoelektrický jev (viz fotodioda, fototranzistor). Fotoelektrický jev Einsteinova rovnice fotoelektrického jevu kde h.ν je energie dopadajícího fotonu, h.ν0 je minimální energie potřebná k uvolnění elektronu (výstupní práce) a Emax je maximální možná (kinetická) energie uvolněného elektronu. Fotoelektrický jev lze využít pomocí velkoplošných panelů s fotočlánky k přímé přeměně solární energie na elektrickou, využívají ho i jiné elektronické součástky např. fotodioda nebo fototranzistor. Fotovoltaický (sluneční, solární) článek je vlastně polovodičová dioda, jejímž základem je tenká křemíková destička s vodivostí typu P, na které se při výrobě vytvoří tenká vrstva polovodiče typu N. Obě vrstvy jsou odděleny tzv. přechodem P-N. Obsah obrázku držení Popis byl vytvořen automaticky Obsah obrázku text Popis byl vytvořen automaticky Foton s dostatečnou energií může v polovodičovém materiálu uvolnit elektron z valenčního do vodivostního pásu. Na jeho původním místě vznikne tzv. díra (elementární kladný náboj). Je-li v polovodičovém materiálu vytvořen PN přechod (dioda), pohybují se tyto náboje směrem k elektrodě se stejnou polaritou. Jsou-li elektrody propojeny vnějším obvodem, putují elektrony k opačné elektrodě, kde rekombinují s děrami a vnějším obvodem prochází elektrický proud. LED diody Image result for led principle LED (Light-Emitting Diode, elektroluminiscenční dioda) je označení pro diodu, která emituje světlo, případně infračervené nebo ultrafialové záření, čímž se liší od standardní diody. LED vyzařuje z obnaženého PN přechodu, a vede stejnosměrný proud pouze jedním směrem. Na rozdíl od žárovky dosahuje vysoké účinnosti, je mechanicky odolná, levná na výrobu, a proto je čím dál více využívána (kontrolky, displeje, osvětlení). Thermoelektrické chlazení je založeno na Peltierově jevu. ET-017-14-11-RS Adaptive | Peltier Module, 10.5W, 8.5A, 2.1V, 15 x 15mm | 490-1244 | RS Malta Online Thermoelectric Diagram | Alternative energy, Homemade cooler, Electrical conductor Elektrokalorický jev je fenomén materiálů vykazujících vratnou změnu teploty za aplikovaného elektrického pole. Často je tento jev považován za fyzikálně inverzní k pyroelektrickému jevu. Mechanismus jevu není plně prozkoumaný. Nepřímý piezoelektrický jev je jev, kdy se piezoelektrický krystal ve vnějším elektrickém poli deformuje. Elektrostrikce je fyzikální jev při kterém vlivem vnějšího elektrického pole, či pod vlivem změny tohoto elektrického pole dochází k deformaci dielektrik. Deformace bývá přímo úměrná druhé mocnině intenzity elektrického pole a nedochází ke změně směru deformace s otočením směru elektrického pole. Další přeměny elektrické energie v materiálech Elektrický proud v kapalinách Schopnost rozpouštědel vytvářet vodivé roztoky závisí na jejich relativní permitivitě εr. Čím je relativní permitivita vyšší, tím je schopnost rozpouštědla vytvářet vodivé roztoky lepší. Např. voda má εr = 81, kdežto toluen jen εr = 2,4, takže toluen vodivé roztoky prakticky nevytváří. Kapaliny v čistém stavu jsou zpravidla izolanty. Elektrolyty jsou roztoky iontových sloučenin v polárních rozpouštědlech nebo jejich taveniny, které vedou elektrický proud. V elektrolytech nepřenášejí proud elektrony jako u kovů (vodičů I. řádu), ale ionty. Ionty jsou proti elektronům větší, jejich pohyblivost je menší, takže vodivost je u elektrolytů nižší než u kovů. Proto jsou elektrolyty označovány jako vodiče II. řádu. K ionizaci elektricky neutrální atomů či molekul je tedy nutné dodat energii. Krystalické iontové sloučeniny – soli rovněž mohou vést elektrický proud, a to přenosem iontů například přes neobsazené uzly (vakance) jejich krystalové mřížky. Takové materiály (obvykle tuhé roztoky) nazýváme tuhými elektrolyty. Elektrická vodivost elektrolytů a její aplikace ve výuce chemie Samotná existence volných nosičů náboje – iontů – však pro vznik elektrického proudu nestačí. V elektrolytu je třeba vytvořit elektrické pole, které působí elektrickými silami na ionty a uvádí je do uspořádaného pohybu. Vznik elektrického proudu v kapalinách Elektroda je elektrický vodič v kontaktu s nekovovou částí elektrického obvodu (např. vakuem nebo prostorem naplněným plynem, elektrolytem apod.). Katoda je elektroda, na které probíhá redukce. Anoda je elektroda, na které probíhá oxidace. Elektrické pole, které vznikne v elektrolytu mezi anodou (spojenou s kladným pólem zdroje) a katodou (spojenou se záporným pólem zdroje), působí na ionty elektrostatickými silami a vyvolává jejich uspořádaný pohyb: elektrický proud. Kationty se pohybují směrem ke katodě, anionty k anodě. Každá z obou elektrod může mít různý náboj podle toho, jestli se jedná o elektrolýzu (na elektrody napětí vkládám), nebo o galvanický článek (napětí vzniká). Druhy koroze kovů Silné elektrolyty — obsahují pouze ionty (disociace proběhla zcela). Slabé elektrolyty — obsahují jak ionty, tak nedisociované molekuly. Měrná vodivost roztoků γ silně závisí na koncentraci. V oboru malých koncentrací vodivost s jejím zvyšováním vzrůstá, po dosažení určitého maxima pak dále klesá. [γ] = S.m-1 Molární vodivost Λ číselně vyjadřuje měrnou vodivost roztoku, v němž na jednotkový objem připadá jeden mol částic realizujících vodivost. rovnice 7.42 η je molární koncentrace roztoku. [Λ] = S.m2.mol-1 Limitní molární vodivost Λo Λo ≡ Λ∞ = lim Λ c→0 Kohlrauschův zákon o nezávislé vodivosti iontů Λo = ν+λo+ + ν-λo- měření λi : 1)pohyblivosti iontů Ui : λi = |zi|.F.Ui 2) 2)převodová čísla ti : ti = qi/q = νiλi/Λ 3) využití měření vodivosti – titrace, čistota vody, disociační konstanty, kinetika. Výsledný elektrický proud v elektrolytu závisí na jeho teplotě, protože s rostoucí teplotou se pohyblivost iontů zvyšuje. Závisí také na koncentraci roztoku, protože s rostoucí koncentrací vodivost roztoku roste až k maximální hodnotě, pokud se roztok nestane nasyceným. Na elektrodách odevzdávají ionty svůj náboj a mění se v elektricky neutrální atomy nebo molekuly, které se vylučují na povrchu elektrod nebo chemicky reagují s materiálem elektrody nebo elektrolytem. Látkové změny vyvolané průchodem proudu elektrolytem na elektrodách se nazývají elektrolýza. Galvanické články Elektrochemický článek se skládá ze dvou poločlánků, tvořených např. kovovou elektrodou ponořenou do roztoku iontu elektrodového kovu. Poločlánky jsou navzájem vodivě propojeny, např. solným můstkem. V každém poločlánku se nachází oxidovaná a redukovaná složka, které spolu vytvářejí redoxní pár. Potenciál kovové elektrody, jež vysílá do roztoku kationty je dán Nernstovou rovnicí: E = – RT/nF . ln c kde R je univerzální konstanta, n je počet elektronů tvořících rozdíl mezi kovem a iontem, c je koncentrace iontu school:fbmi:bbfch:vypisky [wiki.borovicka.name] E = E0 – RT/2F ln (c2/c1) E0 = standardní redoxní potenciál Koncentrační galvanický článek je tvořen stejnými elektrodami, které se liší pouze koncentrací elektrolytu. Druhy koroze kovů Jestliže k článku připojíme spotřebič, obvodem prochází elektrický proud, napětí na svorkách zatíženého článku klesne na svorkové napětí. Proud ve vnějším obvodu je tvořen elektrony, v elektrolytu ionty a na povrchu elektrod probíhá výměna nábojů. Daniellův článek – se skládá ze zinkové elektrody ponořené do vodného roztoku ZnSO4 a měděné elektrody ponořené do vodného roztoku CuSO4, oba elektrolyty jsou od sebe odděleny pórovitou stěnou, která zabraňuje smíchání, ale umožňuje přechod iontů. Elektromotorické napětí tohoto článku je 1,1V. Z katody uvolňují do roztoku ionty Zn2+ a vzniká síran zinečnatý, článek se postupně znehodnocuje. Suchý článek je druh galvanických článků, elektromotorické napětí je asi 1,5V, uvnitř probíhá elektrolýza, při ní se zinková elektroda rozpouští a na uhlíkové katodě se vylučuje vodík, který reaguje s burelem za vzniku vody, článek se postupně znehodnocuje. Galvanická koroze - skutečná zkáza vodníků? TRIBOLÓGIA : Povrchové úpravy spojovacích součástí Elektrochemická (galvanická) koroze Katodická ochrana se provádí dvěma způsoby: - pomocí obětované elektrody z materiálu s nižším elektrodovým potenciálem, než má chráněný materiál (pro ocel např. Zn, Al, Mg) - pomocí stejnosměrného elektrického zdroje, kdy chráněný předmět je připojen na katodu a anoda je zhotovena z relativně málo rozpustného vodivého materiálu (grafit, olovo, titan, korozivzdorné oceli). Vzniká spojením dvou odlišných kovů a jejich vystavením koroznímu prostředí. Ušlechtilejší kov (katoda) koroduje pomaleji než by korodoval sám, kov méně ušlechtilý (anoda) naopak koroduje rychleji. Tento jev je využíván v praxi při tzv. katodické ochraně obětovanou anodou. Neúmyslná galvanická koroze je však většinou jevem nežádoucím. Alessandro Volta Voltův sloup Voltův sloup byl sestaven A. Voltou v roce 1800. Šlo se o galvanickou baterii tvořenou několika sériově zapojenými elektrickými články se zinkovou a měděnou elektrodou. Skládal se z navrstvených měděných a zinkových plíšků, proložených plátky kůže, textilie či kartonu, které byly provlhčeny roztokem nebo kyseliny sírové nebo slanou vodou. Elektrolytický kondenzátor tvoří dvě hliníkové nebo tantalové fólie, mezi nimiž je vrstva papíru napuštěná elektrolytem, na jedné fólii se elektrochemicky vytvoří tenká vrstva oxidu, která slouží jako dielektrikum, vzhledem k malé tloušťce dielektrika mají tyto kondenzátory poměrně velkou kapacitu – řádově 10-6 F až 10-2 F. Zoxidovaná fólie elektrolytického kondenzátoru musí být zapojována do místa s vyšším potenciálem, jinak by se kondenzátor zničil (může dojít i k výbuchu, při němž se kondenzátor roztrhne). Voltaic pile - Wikipedia Elektrolytický kondenzátor Supercapacitor Superkondenzátor (ultrakondenzátor, EDLC) Superkondenzátory jsou kondenzátory s vysokou kapacitou, ale nízkým limitním napětím. Umožňují uchovat 10 – 100x více energie než elektrolytické kondenzátory, poskytují elektrický náboj rychleji než baterie a dovoluje více nabíjecích cyklů než akumulátory. Perspektivní je jejich využití v automobilech, autobusech, vlacích, jeřábech a výtazích. Membránový potenciál Membránový potenciál (klidový membránový potenciál) je rozdíl elektrického potenciálu mezi dvěma stranami polarizované polopropustné (biologické) membrány. Průchod některých iontů přes polopropustnou membránu není možný. Klidový membránový potenciál vzniká jako následek působení elektrochemického gradientu malých iontů a protonů. Nernstova rovnice (propustnost jen pro K+ ionty) Goldmannova rovnice (propustnost i pro ostatní ionty) Výpočet membránového potenciálu: Membránový potenciál Akční potenciál je krátký okamžik, kdy se membránový potenciál buňky rychle zvýší a zase sníží. Je vytvářen speciálními typy iontových kanálů v membráně buňky. Tyto kanály jsou uzavřeny, když se hodnota membránového potenciálu pohybuje kolem klidové hodnoty. Otevírají se, když membránový potenciál dosáhne určité prahové hodnoty. Do buňky jsou vpuštěny Na+, které změní elektrochemický gradient. To vede ke zvýšení hodnoty membránového potenciálu a otevření dalších kanálů, což vytvoří vyšší elektrický impuls napříč membránou, a tak dále. Výsledkem je obrovský vzrůst membránového potenciálu. Přítok Na+ iontů obrátí polaritu a iontové kanály se rychle uzavřou. Ionty Na+ nemohou vnikat do neuronu a jsou aktivním transportem přemístěny vně buňky. Pak se aktivují kanály pro K+, jenž začne proudit ven z buňky, a tím vrací membránový potenciál na původní hodnotu. See the source image See the source image Paúhoř elektrický (Electrophorus electricus) je sladkovodní dravá ryba která obývá povodí řek Amazonky a Orinoka. Paúhoř je schopen pomocí přeměněných svalových buněk zvaných elektroplaxy vygenerovat elektrický výboj o napětí až 600 V a proudu nad 0,5 ampéru. Takto silné napětí je schopné omráčit i koně. Elektrické napětí ryba používá primárně pro lov potravy. Při něm vysílají dva po sobě následující výboje. První (ze Sachsova orgánu) je slabší, šíří se všemi směry a kořist prozradí – ta sebou po zásahu cukne. Následující výboj (z Hunterova orgánu) ji omráčí a paúhoř ji spolkne. Paúhoři žijí v kalných vodách, mají velmi slabý zrak. Jsou však schopni elektrické signály i přijímat, což jim pomáhá při orientaci. Elektrolýza Elektrolytická polarizace je jev, kdy se za průchodu proudu mění v důsledku elektrolýzy povrchy elektrod, elektrody se pokrývají vyloučenými produkty, mění se kvalita a vznikají nové elektrické dvojvrstvy, elektrody se polarizují Elektromotorické napětí, které vznikne je tzv. polarizační napětí a má opačnou orientaci než napětí na původní dvojvrstvě Technickými úpravami se dá vliv polarizace omezit, elektrody se obalují látkou, která chemicky reaguje s produkty elektrolýzy, látka se nazývá depolarizátor Pokud je napětí příliš malé, vznikne v určitém obvodu s elektrolytem velmi malý proud, který za krátkou dobu opět zanikne v důsledku polarizace elektrod. Při postupném zvyšování napětí se tento jev opakuje tak dlouho, dokud není překročeno tzv. rozkladné napětí (Ur). Rozkladné napětí Ur elektrolytu je napětí, od kterého se proud s napětím v elektrolytu lineárně zvyšuje. R je odpor elektrolytu, Ur je rozkladné napětí elektrolytu. Faradayovo první a druhé zákony elektrolýzy Faradayovy zákony pro elektrolýzu •1.Faradayův zákon: Hmotnost m vyloučené látky je přímo úměrná součinu stálého proudu I a doby t, po kterou proud elektrolytem procházel • m = A.I.t •2.Faradayův zákon: Elektrochemický ekvivalent látky vypočteme, jestliže její molární hmotnost vydělíme Faradayovou konstantou a počtem elektronů potřebných k vyloučení jedné molekuly: • •kde F je Faradayova konstanta F = 9,6481×104 C.mol−1 a z je počet (mocenství) elektronů, které jsou potřeba při vyloučení jedné molekuly, A je elektrochemický ekvivalent látky; jednotkou je kg·C-1 Látková množství různých látek vyloučených při elektrolýze týmž nábojem jsou chemicky ekvivalentní. (Mohou se navzájem nahradit v chemické sloučenině nebo se mohou beze zbytku sloučit.) Vylučování kovů na katodě při elektrolýze se užívá v elektrometalurgii k získávání kovů z roztoků, v galvanostegii k pokovování, v galvanoplastice k vytváření odlitků, matric na výrobu gramofonových desek apod. Galvanické pokovování – Wikipedie Výrobek je třeba pokrýt vrstvou chromu o tloušťce 50 μm. Roztokem chromité soli (ν = 3) prochází proud o hustotě 2 kA.m-2. Určete dobu chromování. ρCu = 7,1.103 kg.m-3. Příklad d = 50 μm = 50.10-6 m ν = 3 F = 9,65.104 C.mol-1 M = 58,69 g.mol-1 ρCu = 7,1.103 kg.m-3 j = 2 kA.m-2 = 2000 A.m-2 t = ? I = j.S m = A.I.t = M.I.t/(ν.F) m = S.d.ρCu t = S.d.ρCu.ν.F/(M.j.S) t = d.ρCu. ν.F/(M.j) t = 50.10-6. 7,1.103. 3. 9,65.104/(58,69. 2000) = 16 min. Akumulátor Akumulátor (sekundární galvanický článek) je založen na vzniku elektrolytických potenciálů elektrod po proběhnutí vratných chemických dějů. To znamená, že akumulátor je potřeba nejdříve nabít a teprve potom je možné jej použít jako zdroj energie. Akumulátory se využívají v mnoha složitějších strojích jako pomocný zdroj energie. Olověné akumulátory jsou součástí prakticky každého automobilu jako zdroj pro startér. Akumulátory pohání klasické ponorky, jsou prováděny i pokusy s pohonem mnoha dalších dopravních prostředků. Kapacita akumulátoru je celkový elektrický náboj, který akumulátor vydá při vybíjení, než se vybije resp. jeho napětí poklesne pod přípustnou hodnotu. Udává se v ampérhodinách (Ah). Plyny jsou tvořeny elektricky neutrálními molekulami. Proto jsou za normálního tlaku a teploty velmi dobrými izolanty a jejich elektrická vodivost je zanedbatelná. Aby v plynu vznikl elektrický proud, musí obsahovat volné částice s nábojem a musí být v elektrickém poli. Za těchto podmínek plyn vede elektrický proud a děje, které v něm probíhají, označujeme jako výboj v plynu. Nosiči nábojů v plynu jsou kladné ionty, záporné ionty a elektrony, které vznikají při ději zvaném ionizace plynu. Příčinou ionizace plynu může být silné elektrické pole, vysoká teplota, nízký tlak, působení ultrafialového nebo radioaktivního záření na molekuly plynu. Při ionizaci se z elektricky neutrální molekuly uvolňují elektrony a zbytek molekuly tvoří kladný iont. Elektrony se mohou zachytit na neutrálních molekulách a vznikají záporné ionty. Současně s ionizací plynu probíhá opačný děj – rekombinace iontů. Ionty s opačným nábojem, popř. kladné ionty a elektrony, se spojují a vznikají opět neutrální molekuly plynu. Přestanou-li na plyn působit vlivy, které vedou k ionizaci, nosiče náboje zanikají a plyn se stává nevodivým. Když naopak ionizace plynu trvá, nastane rovnovážný stav mezi ionizací a rekombinací. Počet nosičů proudu je pak relativně stálý. Elektrický proud v plynech Nesamostatný výboj: elektrický proud prochází pouze za přítomnosti ionizátoru (plamen, UV, rentgenové nebo γ-záření, proud elektronů ze žhavého kovu nebo β-záření, α-záření). Výboj zanikne v okamžiku, kdy ionizátor přestane působit. Nesamostatný výboj vzniká při nejnižších napětích. Zprvu proud stoupá s napětím, až dosáhne hodnoty nasyceného proudu (In). Oblast 1: většina iontů zaniká než doletí na elektrody (platí Ohmův zákon). Oblast 2: všechny elektrony vzniklé ionizací doletí na elektrody (proud se nezvyšuje - nasycený proud IN), rekombinace téměř ustává. Oblast 3: překročení zápalného napětí UZ - nastává ionizace nárazem (elektrony a ionty vzniklé ionizací sami předávají část energie neutrálním částicím - výboj probíhá i bez přítomnosti ionizátoru (samostatný výboj). K dalšímu zvýšení proudu dojde po překročení tzv. zápalného napětí Uz nastane ionizace nárazem. Paschenova křivka pro různé plyny (1 torr = 133,3 Pa) Paschenův zákon je rovnice udávající vztah mezi průrazným napětím Uz a tlakem plynu (p) a vzdáleností mezi elektrodami (d). Samostatný výboj: výboj v plynu se udrží vlastní ionizací, nepotřebuje přítomnost ionizátoru. Elektrony, případně i ionty, jsou silným elektrickým polem urychleny natolik, že při srážkách ionizují neutrální molekuly. Elektrony, vzniklé jako produkty této ionizace, získávají díky elektrickému poli energii a ionizují další molekuly. Nastává lavinovitá ionizace, iontů i elektronů přibývá geometrickou řadou. Vysoce ionizovaný plyn v samostatném výboji se nazývá plasma. Při samostatném výboji se mohou uplatnit i elektrony uvolněné z elektrod dopadem iontů. Tento děj se nazývá sekundární emise. K uvolnění elektronů z elektrody může dále dojít: 1. tepelnou emisí - rozžhavením elektrody dochází k uvolňování elektronů 2. fotoemisí - dopad ultrafialového záření může také vyvolat emisi elektronů 3. tunelovým jevem - elektrony jsou vytrhovány silným elektrickým polem v blízkosti katody Samostatný výboj za normálního tlaku: jiskrový výboj, obloukový výboj, koróna, aj. Samostatný výboj za sníženého tlaku: doutnavý výboj Plazma obsahuje elektrony, kladné a záporné ionty a neutrální částice, celý soubor částic je pak z makroskopického hlediska neutrální (= kvazineutralita). Díky přítomnosti volných nabitých částic se v objemu plazmatu vytváří prostorový náboj a elektrostatické pole, které zpětně silově působí na nabité částice. Výsledkem je kompenzace fluktuací hustoty náboje a plazma se ve větším měřítku jeví jako elektricky neutrální. Plazma V zemských podmínkách se plazma tvoří za vysoké teploty nebo pomocí vysokého napětí, rozlišujeme pak izotermické plazma (plamen, polární záře, ionosféra) nebo výbojové plazma (blesk, obloukový výboj, apod.). Silné elektrické pole způsobí vytrhávání elektronů z atomů a molekul plynu (ionizaci plynu). Elektrický proud za této podmínky se nazývá elektrický výboj (jiskrový výboj) a je tvořen směsí volných elektronů a kladných, příp. záporných iontů v plynu. Nastává, když intenzita elektrického pole mezi elektrodami je dostatečné velká a dojde k tzv. lavinovité ionizaci. Výboj trvá většinou krátce - do vybití vnějšího elektrického pole - ale může jít o velmi velký proud, protože se jedná o krátkodobé uvolnění nahromaděné potenciální elektrické energie a volných nábojů. Elektrický výboj pozorujeme ve van de Graafově generátoru, při bouřce jako blesk, kolem elektrického vedení s vysokým napětím, při spínání nebo vypínání silnějších elektrických spotřebičů, ve svíčkách zážehových motorů, při vzájemném tření umělohmotných kusů oblečení, apod. Elektrický (jiskrový) výboj Elektrický výboj Spark ionization - Wikipedia Vysoká teplota znamená velkou kinetickou energii částic plynu, při jejichž nárazech může docházet k vyrážení elektronů z atomů nebo molekul. Elektrický proud v plynu za vysoké teploty se nazývá elektrický oblouk a je tvořen směsí elektronů a iontů. Vyznačuje se velmi jasným světelným zářením, které se využívá v obloukových lampách. Vysoké teploty elektrického oblouku se rovněž využívá při obloukovém svařování, řezání plechů nebo v elektrických tavících pecích. Elektrický oblouk Obloukové svařování – Wikipedie Koróna Koróna je trsovitý výboj, který vzniká v blízkosti hrotů a hran vodičů s vysokým napětím vůči okolí. Výboj je slabý a prakticky neviditelný. Měření průměru výbojového kanálu Generátor ozonu Ozone generated by corona discharge Snížením tlaku v plynu (vyčerpáním částic) dojde ke zvětšení střední volné dráhy částic plynu. Tím mohou částice dosáhnout větší rychlosti, a tedy kinetické energie dostatečné k ionizaci – vytrhávání elektronů z atomů a molekul plynu. Elektrický proud za této podmínky se nazývá elektrický výboj za nízkého tlaku (např. doutnavý výboj) a je způsoben směsí elektronů a iontů. Tento elektrický výboj se vyvolává v trubicích s vyčerpaným vzduchem (výbojové trubice, katodové trubice), případně naplněné nějakým plynem. Různé druhy plynu a různé tlaky vyvolávají různé světelné jevy, které se využívají mj. ve výbojkách, zářivkách a doutnavkách. Doutnavý výboj Katodové a kanálové záření, obrazovka :: MEF Josef Khun, Vladimír Scholtz: Nízkoteplotní plazma IV – doutnavý výboj Zářivka – Wikipedie Úsporné žárovky nebo kompaktní zářivky – Arbitra Elektrický proud ve vakuu Katodové záření je proud elektronů vycházející z katody katodové trubice, který vytváří elektrický proud, k čemuž dojde, pokud se tlak v uzavřeném tělese sníží na hodnotu 1 Pa. Při interakci s látkami se energie elektronů přeměňuje na následující formy: energii mechanickou energii elektromagnetického záření: infračervené (tepelné), viditelné, ultrafialové, rentgenové záření. vnitřní energii Termoemise se využívá v elektronkách nebo častěji v obrazovkách. Katoda ve výbojové trubici je vyrobena z wolframového vlákna a rozžhavená procházejícím elektrickým proudem. Z vlákna katody se díky termoemisi uvolňují elektrony s velkou rychlostí. V oblasti mezi katodou a anodou tak vzniká záporný prostorový náboj, který ale zabraňuje vystupování dalších elektronů z katody. Jestliže je napětí mezi katodou a anodou dostatečné, pak převládá elektrické pole mezi katodou a anodou a elektrony vytvoří vodivé spojení. Termoemise Klesne-li napětí anody pod určitou hodnotu, zabrání prostorový záporný náboj mezi anodou a katodou dalšímu pohybu elektronů a proud mezi anodou a katodou ustane. See the source image Nejjednodušší elektronkou je dioda, jejíž vzduchoprázdná baňka obsahuje jen katodu a anodu. Používá se jako usměrňovače střídavého proudu na stejnosměrný. A simplified diagram of a vacuum tube diode. When the cathode is heated, and a positive voltage is applied to the anode, electrons can flow from the cathode to the anode. Note: A separate power source (not shown) is required to heat the cathode. Trioda navíc obsahuje třetí elektrodu – mřížku. Pomocí napětí na mřížce lze velmi dobře regulovat anodový proud. Používá se v zesilovačích, vysokofrekvenčních generátorech a detektorech elektromagnetických vln. Katodová trubice s luminiscenčním stínítkem se používá v osciloskopech a v obrazovkách. Pokud dojde k přeměně celé energie elektronu ve foton jedním nárazem, bude fotonu dodáno největší možné množství energie, tzn. kde e je elektrický náboj elektronu a U je urychlující potenciál. Vyjádřením pomocí vlnové délky získáme tzv. Duane-Huntův zákon. kde c je rychlost světla. Z tohoto vztahu plyne, že se zvyšováním urychlujícího potenciálu se maximum energie posouvá ke kratším vlnovým délkám. Inverzní fotoelektrický jev Pokud na látku dopadají elektrony, které způsobují vyzařování fotonů, mluví se o inverzním (obráceném) fotoelektrickém jevu. Energie pohybujícího se elektronu je obvykle podstatně větší než výstupní práce, proto ji lze zanedbat proti kinetické energii elektronu, tzn. Rentgenka je zvláštní elektronka určená k produkci rentgenového záření. V nejjednodušším provedení se skládá z katody a z anody (antikatody). Obě tyto elektrody jsou zataveny ve vakuově těsné, obvykle skleněné baňce. Katoda emituje elektrony, které se urychlují vysokým napětím (25 kV až 600 kV) k anodě a pronikají do materiálu anody. Přitom jsou zbrzděny a vytvářejí různé typy záření. Charakteristické rentgenové záření: Vysokoenergetické elektrony dopadající na anodu z atomů jejího materiálu vyrážejí i elektrony z vnitřních slupek elektronového obalu. Do takto vzniklých mezer pak „skáčou“ buď elektrony z vyšších energetických hladin anebo elektrony volné. Tím vzniká charakteristické rentgenové záření s diskrétními kvantovanými energiemi (popř. vlnovými délkami), které jsou typické pro jednotlivé materiály anody. Vlastnosti rentgenového záření a jejich využití Diplomová práce ÚSTAV ANALYTICKÉ CHEMIE Stanovení prvků pomocí přenosného rentgenově fluorescenčního analyzátoru Oto Mestek Šablona -- Diplomová práce (ft) Brzdné rentgenové záření vzniká zabrzděním elektronů při jejich pronikání kovovým materiálem anody. Vlnová délka tohoto záření přitom závisí na velikosti zrychlení (popř. zbrzdění), takže při vyšším urychlovacím (anodovém) napětí vzniká tvrdší rentgenové záření. Spektrum brzdného záření je ohraničeno minimální vlnovou délkou, při níž se veškerá kinetická energie elektronu předává jedinému fotonu rentgenového záření. Tato spodní mezní vlnová délka závisí pouze na anodovém napětí a materiál anody na ni nemá žádný vliv. Auger effect Augerův jev: namísto fotonu rentgenového záření je energie předána ve formě kinetické energie některému elektronu ve vnější slupce. Pravděpodobnost, zda bude uvolněná energie vyzářena fotony jako rentgenové záření nebo Augerovými elektrony, závisí na atomovém čísle prvku, Augerův jev se ve výrazné míře projevují u lehčích prvků. Jakou rychlost získá elektron při dopadu na anodu vyčerpané trubice, pokud U = 3000 V a počáteční rychlost v0 = 0 Příklad Magnetismus Magnet je trvale (permanentní magnet) nebo dočasně zmagnetované těleso, které je zdrojem magnetického pole. Magnet má severní pól (N) a jižní pól (S). Nesouhlasné póly dvou magnetů se přitahují, souhlasné se odpuzují. Magnetka je trvalý magnet otáčivý okolo svislé osy. Magnetické pole Magnetické pole se projevuje silovými účinky na železo, kobalt, nikl a jejich slitiny, na ostatní magnety a na pohybující se elektrické náboje. Objevuje se v okolí magnetů v okolí vodičů jimiž prochází elektrický proud Příčinou magnetického pole v okolí vodiče je pohybující se elektrický náboj. Magnetickou silou na sebe působí i dva vodiče se stálým proudem. Magnety Základy elektrotechniky Stacionární magnetické pole je magnetické pole, jehož vlastnosti se nemění v čase (veličiny, které jej charakterizují jsou konstantní). Nachází se v okolí nepohybujících se permanentních magnetů nebo v okolí nepohybujícího se vodiče se stálým proudem. Magnetické indukční čáry jsou orientované křivky, jejichž tečna v každém bodě má směr magnetické indukce a také směr osy velmi malé magnetky umístěné v daném bodě. Směr od jižního k severnímu pólu magnetky určuje orientaci indukční čáry. Magnetické indukční čáry jsou vždy uzavřené křivky a procházejí i magnetem. Jejich hustota v daném místě je úměrná velikosti magnetické indukce. Základy elektrotechniky Magnet – Wikipedie Číslo projektu: CZ.1.07/1.4.00/21.3811 Název DUM: Indukční čáry magnetického pole Číslo DUM: III/2/FY/2/2/20 Vzděláv Jak funguje magnet? Šablona: V/2 – Inovace a zkvalitnění výuky v oblasti přírodních věd Číslo výukového materiálu: 96 Sada: Člověk Proving which way magnetic lines on a magnet travel Šablona: V/2 – Inovace a zkvalitnění výuky v oblasti přírodních věd Číslo výukového materiálu: 96 Sada: Člověk Ačkoli je to běžnou praxí, neměli bychom zaměňovat siločáry magnetického pole s indukčními čarami. Indukční čáry vyjadřují směr magnetické indukce a jsou to vždy uzavřené křivky, magnetické siločáry jsou hustší v prostředí, které přenáší hůře magnetické pole a naopak. Siločáry magnetického pole Intenzita magnetického pole Intenzita magnetického pole (H) vyjadřuje velikost a směr magnetického pole nezávisle na parametrech prostředí, ve kterém je magnetické pole vytvářeno. H = B / μ H = B / (μ0 . μr) V daném místě má H směr daný tečnou k siločáře a směr podle orientace siločáry. Obecný vztah pro intenzitu magnetického pole tvořeného proudem I na siločáře o délce l: [H] = A.m-1 Pro cívku Electromagnet, Electromagnetic Coil and Permeability Na vodič kterým protéká proud působí v magnetickém poli magnetická síla Fm. Je-li vodič Magnetická (Ampérova) síla Flemingovo pravidlo levé ruky: položíme-li otevřenou levou ruku k přímému vodiči tak, aby prsty ukazovaly směr proudu a indukční čáry vstupovaly do dlaně, ukazuje odtažený palec směr síly, kterou působí magnetické pole na vodič s proudem. Podle směru proudu a orientace magnetických indukčních čar se vodič vychýlí vlevo nebo vpravo. Změnou směru proudu dojde ke změně výchylky opačným směrem. Jejich směr se určuje Ampérovým pravidlem pravé ruky: Ukazuje-li při uchopení vodiče pravou rukou palec dohodnutý směr proudu, pak prsty ukazují orientaci magnetických indukčních čar. Magnetické pole dvou rovnoběžných vodičů. Magnetismus Základy elektrotechniky Indukční čáry vodičů s proudem Magnetická indukce B je vektorová fyzikální veličina, charakterizující magnetické pole (směr je určen tečnou k dané indukční čáře). V místě, kde je magnetická indukce největší, je nejsilnější magnetické pole a největší hustota indukčních čar. Fm = B . I . l . sinα l je aktivní délka vodiče, I je proud procházející vodičem, α je úhel, který svírá vodič s indukčními čarami, B je magnetická indukce. α = 0°C potom Fm = 0 α = 90°C potom Fm = max Pro dané homogenní pole je konstantní, jednotkou je Tesla (T = N.A-1.m-1) Ampérův zákon Příklad Jak velkou silou působí magnetické pole o magnetické indukci 20 mT na vodič o délce 20 cm, kterým protéká proud 500 mA. Vodič svírá s vektorem magnetické indukce úhel 30°. B = 20 mT = 20.10-3 T l = 20 cm = 0,2 m I = 500 mA = 0,5 A α = 30° Fm = ? Fm = B . I . L . sinα = 20.10-3 . 0,5 . 0,2 . sin30° Fm = 0,001 N = 1 mN magnetic force Částice s nábojem v magnetickém poli Na částici s nábojem Q pohybující se rychlostí v v magnetickém poli o indukci B působí síla Fm = B . I . l . sinα = B . v.t . Q/t . sinα = B . v . Q . sinα Směr pohybu částice s kladným nábojem se určí Flemingovým pravidlem levé ruky (směr proudu se nahradí směrem pohybu nabité částice). U částice se záporným nábojem bude směr pohybu opačný. Směr vektoru F je dán pravidlem pravé ruky resp. pravidlem pravotočivého šroubu. Vlétne-li do homogenního magnetického pole kolmo k vektoru magnetické indukce B částice s nábojem Q, bude na ni kolmo na směr pohybu působit magnetická síla Fm = Q . V . B = m . v2 /r 3.06.Magnetické pole-Tisk DETEKTORY A URYCHLOVAČE Měřením poloměru trajektorie lze určit hmotnost nabité částice (hmotnostní spektrometrie) Elektronika.Úvod.Magnetické pole Lorentzova síla – WikiSkripta Částice se bude pohybovat po kružnici, Fm působí jako dostředivá síla.