TOE pro figuríny: základy elektrotechniky pro začátečníky, bezpečnostní opatření

Elektrotechnika je jako cizí jazyk. Někdo to má dávno a dokonale zvládnuté, někdo se teprve seznamuje, ale pro někoho je to stále nedosažitelný, ale lákavý cíl. Proč mnozí chtějí poznat tento tajemný svět elektřiny? Lidé ho znají jen asi 250 let, ale dnes je již těžké si představit život bez elektřiny. Abychom poznali tento svět, existují teoretické základy elektrotechniky (TOE) pro figuríny.

První seznámení s elektřinou

Na konci 18. století začal francouzský vědec Charles Coulomb aktivně zkoumat elektrické a magnetické jevy látek. Právě on objevil zákon elektrického náboje, který byl po něm pojmenován – přívěsek.

Dnes je známo, že jakákoliv látka se skládá z atomů a elektronů obíhajících kolem nich v orbitalu. V některých látkách jsou však elektrony drženy velmi pevně atomy, zatímco v jiných je tato vazba slabá, což umožňuje elektronům volně se oddělit od některých atomů a připojit se k jiným.

Abyste pochopili, co to je, můžete si představit velké město s obrovským množstvím aut, která se pohybují bez jakýchkoli pravidel. Tyto stroje se pohybují nepravidelně a nemohou vykonávat užitečnou práci. Elektrony se naštěstí nehroutí, ale spíše se od sebe odrážejí jako koule. Aby měli prospěch z těchto malých dělníků, musí být splněny tři podmínky:

1. Atomy látky musí volně darovat své elektrony.
2. Na tuto látku je třeba působit silou, která způsobí, že se elektrony budou pohybovat jedním směrem.
3. Řetězec, po kterém se pohybují nabité částice, musí být uzavřen.

Právě dodržování těchto tří podmínek je základem elektrotechniky pro začátečníky.

Vytvoření elektrochemického článku

Všechny prvky se skládají z atomů. Atomy lze přirovnat ke Sluneční soustavě, pouze každá soustava má svůj vlastní počet drah a na každé dráze se může nacházet více planet (elektronů) najednou. Čím dále je orbita od jádra, tím menší je přitažlivost elektronů na této dráze.

Přitažlivost nezávisí na hmotnosti jádra, ale od různé polarity jádra a elektronů. Pokud má jádro náboj +10 jednotek, elektrony by také měly mít celkem 10 jednotek, ale záporný náboj. Pokud elektron opustí vnější dráhu, bude celková energie elektronů již -9 jednotek. Jednoduchý příklad pro sčítání +10 + (-9) = +1. Ukazuje se, že atom má kladný náboj.

Stává se to i obráceně: jádro má silnou přitažlivost a zachycuje „mimozemský“ elektron. Poté se na jeho vnější dráze objeví „extra“, 11. elektron. Stejný příklad +10 + (-11) = -1. V tomto případě bude atom záporně nabitý.

Pokud jsou do elektrolytu spuštěny dva materiály s opačným nábojem a připojeny k nim vodičem, například žárovkou, pak v uzavřeném okruhu poteče proud a světlo se rozsvítí. Pokud je obvod přerušen, například přes vypínač, světlo zhasne.

Elektrický proud se získá následovně. Když elektrolyt působí na jeden z materiálů (elektrodu), objeví se v něm přebytek elektronů a nabije se záporně. Druhá elektroda naopak působením elektrolytu elektrony odevzdá a nabije se kladně. Každá elektroda je označena "+" (přebytek elektronů) a "-" (nedostatek elektronů).

I když jsou elektrony záporně nabité, elektroda označuje „+“. Tento zmatek vznikl v počátcích elektrotechniky. V té době se věřilo, že k přenosu náboje dochází u kladných částic. Od té doby bylo vypracováno mnoho schémat, a aby je neměnili, nechali vše tak, jak je.

V galvanických článcích vzniká elektrický proud chemickou reakcí. Kombinace více prvků se nazývá baterie, takové pravidlo najdeme v elektrotechnice pro „figuríny“. Pokud je možný opačný proces, kdy se chemická energie akumuluje v prvku působením elektrického proudu, pak se takový prvek nazývá baterie.

Galvanický článek vynalezl Alessandro Volta v roce 1800. Používal měděné a zinkové desky máčené v solném roztoku. To se stalo prototypem pro moderní akumulátory a baterie.

Druhy a charakteristiky proudu

Po přijetí první elektřiny vznikl nápad přenést tuto energii na určitou vzdálenost a zde nastaly potíže. Ukazuje se, že elektrony procházející vodičem ztrácejí část své energie a čím delší je vodič, tím větší jsou tyto ztráty. V roce 1826 Georg Ohm zavedl zákon, který sleduje vztah mezi napětím, proudem a odporem. Zní takto: U = RI. Slovy se ukazuje: napětí se rovná součinu síly proudu a odporu vodiče.

Z rovnice je vidět, že čím delší je vodič, který zvyšuje odpor, tím menší bude proud a napětí, tudíž se výkon sníží. Odpor nelze odstranit, k tomu je nutné snížit teplotu vodiče na absolutní nulu, což je možné pouze v laboratorních podmínkách. Proud je nutný pro napájení, takže na něj také nesáhnete, stačí zvýšit napětí.

Na konci 19. století to byl nepřekonatelný problém. Ve skutečnosti v té době nebyly žádné elektrárny vyrábějící střídavý proud, žádné transformátory. Proto inženýři a vědci obrátili svůj pohled k rádiu, nicméně to bylo velmi odlišné od moderního bezdrátového. Vláda různých zemí neviděla výhody tohoto vývoje a nesponzorovala takové projekty.

Aby bylo možné napětí transformovat, zvýšit nebo snížit, je zapotřebí střídavý proud. Jak to funguje, je vidět z následujícího příkladu. Pokud je drát svinutý do cívky a magnet se v něm rychle pohybuje, pak se v cívce objeví střídavý proud. To lze ověřit připojením voltmetru s nulovou značkou uprostřed ke koncům cívky. Šipka zařízení se bude odchylovat doleva a doprava, což bude znamenat, že se elektrony pohybují jedním směrem a poté jiným.

Tento způsob výroby elektřiny se nazývá magnetická indukce. Používá se například v generátorech a transformátorech, přijímajících a měnících proud. Ve své podobě střídavý proud může být:

• sinusový;
• impuls;
• narovnal.

Typy vodičů

První věc, která ovlivňuje elektrický proud, je vodivost materiálu. Tato vodivost je různá pro různé materiály. Všechny látky lze konvenčně rozdělit do tří typů:

• dirigent;
• polovodič;
• dielektrikum.

Vodičem může být jakákoli látka, která volně prochází elektrický proud. Patří sem tvrdé materiály jako kov nebo polokov (grafit). Kapalina - rtuť, roztavené kovy, elektrolyty. Zahrnuje také ionizované plyny.

Na základě toho vodiče se dělí na dva typy vodivosti:

• elektronický;
• iontový.

Elektronické vedení zahrnuje všechny materiály a látky, ve kterých jsou elektrony použity k vytvoření elektrického proudu. Mezi tyto prvky patří kovy a polokovy. Dobře vede proud a uhlík.

V iontové vodivosti tuto roli hraje částice s kladným nebo záporným nábojem. Iont je částice s chybějícím nebo nadbytečným elektronem. Některé ionty nemají odpor k zachycení „extra“ elektronu, zatímco jiné si elektronů neváží, a proto je volně rozdávají.

V souladu s tím mohou být takové částice nabité záporně a kladně. Příkladem je slaná voda. Hlavní látkou je destilovaná voda, která je izolantem a nevede elektrický proud. Po přidání soli se z ní stane elektrolyt, tedy vodič.

Polovodiče běžně nevedou proud, ale pod vnějšími vlivy (teplota, tlak, světlo atd.) začnou procházet proud, i když ne tak dobře jako vodiče.

Všechny ostatní materiály, které nejsou zahrnuty v prvních dvou typech, patří k dielektrikům nebo izolantům. Za normálních podmínek prakticky nevedou elektrický proud. Je to dáno tím, že na vnější dráze jsou elektrony velmi pevně drženy na svých místech a pro další elektrony není místo.

Použité rádiové komponenty

Při studiu elektriky pro "figuríny" musíte mít na paměti, že se používají všechny výše uvedené typy materiálů. Vodiče se primárně používají k připojení obvodových prvků (včetně mikroobvodů). Mohou připojit zdroj energie k zátěži (jedná se např. o kabel od ledničky, elektrické rozvody apod.). Používají se při výrobě cívek, které lze zase beze změny použít například na desky plošných spojů nebo v transformátorech, generátorech, elektromotorech atd.

Dirigenti jsou nejpočetnější a nejrozmanitější. Jsou z nich vyrobeny téměř všechny rádiové komponenty. K získání varistoru lze například použít jediný polovodič (karbid křemíku nebo oxid zinečnatý). Existují části, které zahrnují vodiče různých typů vodivosti, například diody, zenerovy diody, tranzistory.

Bimetaly zaujímají zvláštní místo. Jedná se o kombinaci dvou nebo více kovů, které mají různé stupně expanze. Při zahřívání takového dílu dochází k jeho deformaci v důsledku různé procentuální roztažnosti. Obvykle se používá v nadproudové ochraně, například k ochraně elektromotoru před přehřátím nebo k vypnutí zařízení při dosažení předem nastavené teploty, jako v žehličce.

Dielektrika plní hlavně ochrannou funkci (například izolační rukojeti elektrického nářadí). Umožňují také izolovat prvky elektrického obvodu. Deska plošných spojů, na které jsou namontovány rádiové komponenty, je vyrobena z dielektrika. Dráty cívky jsou potaženy izolačním lakem, aby se zabránilo zkratům mezi závity.

Bezpečnostní opatření

Dielektrikum se však po přidání vodiče stává polovodičem a může vést proud. Stejný vzduch se stává vodičem během bouřky. Suchý strom nevede dobře elektřinu, ale pokud zmokne, už nebude v bezpečí.

Elektrický proud hraje v životě moderního člověka obrovskou roli, ale na druhou stranu může být smrtelný. Odhalit ji například v drátu ležícím na zemi je velmi obtížné, vyžaduje to speciální přístroje a znalosti. Proto je třeba při používání elektrických spotřebičů dbát maximální opatrnosti.

Lidské tělo tvoří převážně vodaale toto není destilovaná voda, což je dielektrikum. Proto se pro elektřinu tělo stává téměř vodičem. Při zasažení elektrickým proudem se svaly stahují, což může vést k zástavě srdce a selhání dýchání. Při dalším působení proudu se krev začne vařit, následně dochází k vysychání těla a nakonec ke karbonizaci tkání. První věcí je zastavit proud, v případě potřeby poskytnout první pomoc a přivolat lékaře.

V přírodě se tvoří statické napětí, které však pro člověka s výjimkou blesku nejčastěji nepředstavuje nebezpečí. Může však být nebezpečný pro elektronické obvody nebo části. Proto se při práci s mikroobvody a tranzistory s efektem pole používají uzemněné náramky.