Souhrn
Každý atom je tvořen z jádra (obsahujícího téměř celou hmotu atomu), ve kterém se nacházejí protony a neutrony. Okolo jádra obíhají na různě vzdálených drahách elektrony. Nejvýše umístěné elektrony se nazývají valenční. Elektrony tvoří tzv. elektronový obal atomu. Elektrony mohou být vázané nebo volné. Elektrony mohou svou dráhu opustit vlivem vnějšího elektrického pole nebo teploty. Tyto elektrony se nazývají volné a pohybují se zcela náhodně. Po připojení elektrického napětí vzniká elektrické pole, které udává směr pohybu volných elektronů a tím vytváří elektrický proud.
Obr. 1. Schéma atomu křemíku (Si) obsahujícího 3 energetické hladiny se 14 elektrony, z toho 4 valenčními
Každý atom má svůj náboj. Kladný náboj je reprezentován protonem, Záporný náboj je reprezentován elektronem. Atom je stabilní právě tehdy, když má stejný počet protonů ve svém jádře, jako elektronů, které kolem jádra obíhají na energetických hladinách (viz atom křemíku na obr. 1). Dodáním dostatečného množství energie lze elektron „odtrhnout“. Tím dojde k tzv. ionizaci atomu, díky nerovnováze náboje se atom stává nestabilním (tzv. kladný iont – atom, ve kterém převládají kladné náboje). Odtržené elektrony se nazývají volné a mohou být přitahovány vnějším elektrickým polem. Elektrickým proudem rozumíme průtok elektrického náboje v čase, jedná se o pohyb volných nosičů elektrického náboje (tedy právě např. volných elektronů). Tento průtok náboje v čase popisuje vzorec (1):
,
kde I je elektrický proud, Q je elektrický náboj a t je čas.
Dle směru pohybu tohoto náboje rozlišujeme:
- stejnosměrný proud – volné nosiče náboje se pohybují stále stejným směrem,
- střídavý proud – volné nosiče náboje se pohybují v čase pravidelně se měnícím směrem.
Definice
Směr proudu se uvažuje vždy od kladného pólu k zápornému.
Zajímavost
Skutečný směr pohybu elektronů v kovovém vodiči je od záporného ke kladnému pólu, tedy opačný oproti dohodnutému směru proudu.
Zda je látka schopna vést elektrický proud, závisí na její struktuře. V krystalech tvoří všechny valenční elektrony jednotný systém. Podílejí se na vazbách s dalšími atomy. Energetických hladin elektronů v krystalu je více – vytvářejí tzv. pásy. Valenční pás tvoří množina nejvyšších energetických hladin, na kterých se elektron dané látky může nacházet. Vodivostní pás je dalším dovoleným pásem. Tyto energetické pásy vzájemně odděluje tzv. zakázaný pás, tedy interval energií, kterých žádný elektron nemůže nabývat. Princip znázorňuje obr. 2.
Obr. 2. Pásová teorie pevných látek – množiny energetických hladin atomů reprezentované jednotlivými pásy a vyznačení velikostí zakázaného pásu mezi valenčním a vodivým pásem pro vodič, polovodič a izolant
Valenční elektrony tvoří vazby s ostatními atomy krystalu. Aby byla schopna látka vést proud, je zapotřebí, aby se elektrony z valenčního pásu dostaly do vodivostního pásu. K tomu je potřeba dodat vnější energii sloužící k rozbití vazeb s ostatními atomy a překonání zakázaného pásu. Podle šířky zakázaného pásu rozdělujeme materiály na:
+
Obr. 3. Krystalová mřížka tvořená atomy křemíku (znázorněny jsou pouze valenční elektrony) s dopadajícím fotonem vytvářejícím kladný iont křemíku a volný elektron
+
Obr. 4. Krystalová mřížka tvořena atomy křemíku s příměsí prvků s pěti valenčními elektrony (vlevo, typ N) a třemi valenčními elektrony (vpravo, typ P)
- Izolanty (nevodiče) – Vodivostní a valenční pás odděluje velmi široký zakázaný pás. Přeskoky elektronů z valenčního pásu do vodivostního zde nevznikají nebo vznikají velmi špatně.
Magnetické pole je prostor, ve kterém se projevují magnetické účinky. Graficky jeho směr a sílu udávají tzv. siločáry.
Elektrické pole je prostor, ve kterém se projevují účinky elektrického náboje. Význačnými veličinami jsou zde elektrický náboj (Q) s jednotkou 1 coulomb (C) a elektrické napětí (U) s jednotkou 1 volt (V). Elektrický náboj působí v různých místech různou silou. To je elektrický potenciál. Elektrické napětí je definováno rozdílem těchto potenciálů. Graficky se tvar a síla elektrického pole reprezentuje, podobně jako u magnetického pole, siločárami.
+
Obr. 5. Elektrické pole dvou nesouhlasných (vlevo) a souhlasných (vpravo) elektrických nábojů
Zajímavost
Jednotka 1 coulomb je nazývaná též jako ampérsekunda (As). Označení vychází ze vzorce (1). Prochází-li průřezem vodiče elektrický náboj 1 coulomb za 1 sekundu, jedná se o proud o velikosti 1 ampéru. Kapacita akumulátorů se často udává v ampérhodinách.
I zde podle směru působení této síly rozlišujeme:
- stejnosměrné napětí – rozdíl potenciálů je v čase stále stejný,
- střídavé napětí – rozdíl potenciálů je v důsledku proměnného elektrického pole v čase pravidelně se měnící.
Elektrickým odporem nazýváme schopnost vodiče bránit průchodu elektrického proudu. Jeho velikost se zvyšuje s rostoucí délkou vodiče a s rostoucí teplotou. S rostoucím průřezem vodiče elektrický odpor klesá. Ideální vodič má nulový vnitřní odpor. Toho však dosahují jen tzv. supravodiče.
Vzájemný vztah mezi napětím, proudem a odporem v elektrickém obvodu popisuje Ohmův zákon (2):
,
kde R je elektrický odpor, U je elektrické napětí, a I je elektrický proud.
Se zvyšujícím se napětím a snižujícím se odporem tedy roste i hodnota protékajícího proudu.
Příklad
Určete velikost proudu procházejícího spotřebičem zapojeným na napětí rovném 220 V s celkovým odporem 10 Ω.
Zobrazit řešení
Skrýt řešení
Řešení
U = 220 V, R = 10 Ω
Vyjádřením z Ohmova zákona (2) získáme vzorec:
A tedy: