Téma č. 3 OBVOD JEDNOSMERNÉHO A STRIEDAVÉHO PRÚDU

Úloha 3.1

• Nakresliť jednoduchý elektrický obvod jednosmerného prúdu, pomenovať elektrické veličiny.
• Vysvetliť ako vzniká jednosmerný prúd.
• Opísať druhy rezistorov.
• Definovať jednosmerný elektrický zdroj.

Úloha 3.2

• Definovať Ohmov zákon.
• Napísať Ohmového zákon, vysvetliť priamu a nepriamu úmernosť veličín.
• Vysvetliť prvý a druhý Kirchhoffov zákon.

Úloha 3.3

• Nakresliť jednoduchý obvod striedavého prúdu, pomenovať elektrické veličiny.
• Definovať striedavý prúd.
• Opísať obvod striedavého prúdu s odporom.
• Opísať obvod striedavého prúdu s indukčnosťou.
• Opísať obvod striedavého prúdu s kapacitou.

Úloha 3.1

Nakresliť jednoduchý elektrický obvod jednosmerného prúdu, pomenovať elektrické veličiny.

Vysvetliť ako vzniká jednosmerný prúd.

Usporiadaný pohyb voľných častíc s elektrickým nábojom sa nazýva elektrický prúd. Podmienkou vzniku elektrického prúdu v látke je prítomnosť voľných častíc s elektrickým nábojom a utvorenie elektrického poľa v tejto látke. Podľa dohody sa za smer prúdu pokladá smer usporiadaného pohybu voľných častíc s kladným nábojom (od + k –). Keď je prúd utvorený usporiadaným pohybom voľných častíc so záporným nábojom, jeho smer je podľa tejto dohody opačný ako smer usporiadaného pohybu častíc.

Opísať druhy rezistorov

Rezistory:

• s dvoma vývodmi
• pevné
• nastaviteľné - zväčša potenciometre alebo trimre, ktoré jeden vývod odporovej dráhy buď vôbec nemajú (dvojvývodové), alebo tretí vývod je prepojený s bežcom.

Rezistory s viac ako dvoma vývodmi

• s pevnými odbočkami
• potenciometre a trimre
• otočné
• lineárne

Z technologického hľadiska sa rozdeľujú na:

• Vrstvové - odporový materiál v tvare vrstvy
• Drôtové - navinuté odporovým drôtom

Definovať jednosmerný elektrický zdroj.

Elektrický zdroj (zdroj napätia) je každé zariadenie medzi ktorého dvoma rozličnými časťami, pólmi (svorkami zdroja), je aj po pripojení vodiča udržovaný rozdiel elektrických potenciálov alebo napätia 2 - medzi svorkami zdroja vznikne napätia, ak jedna svorka bude obsahovať menej voľných elektrónov (kladná svorka) ako druhá (záporná svorka), preto vnútri zdroja musia pôsobiť sily, ktoré odovzdávajú napr. z kladnej svorky voľné elektróny. Tieto sily prekonávajú elektrostatické sily utvoreného elektrického poľa.

druhy zdrojov:

• elektrochemický zdroj (akumulátor) – neelektrostatické sily vznikajú chemickou reakciou elektród s elektrolytom
• fotoelektrický zdroj (fotočlánok) – napätie vzniká vzájomným pôsobením svetla s elektrónmi v kovoch alebo polovodičoch
• termoelektrický zdroj (termočlánok) – využíva sa tu poznatok, že napätie, ktoré vzniká na spoji dvoch rozličných kovov, závisí od teploty spoja (napätie je tým väčšie, čí väčší je rozdiel teplôt)
• elektrodynamický zdroj (alternátor, dynamo) – neelektrostatické sily vznikajú pohybom vodiča v magnetickom poli
• van Grafov generátor (mechanický zdroj) – náboje sa oddeľujú trením pásu a prenášajú sa jeho pohybom

Úloha 3.2

Definovať Ohmov zákon.

Keď meníme napätie na svorkách zdroja, mení sa napätie U medzi koncami skúmaného vodiča a prúd I prechádzajúci vodičom.

Napísať Ohmového zákon, vysvetliť priamu a nepriamu úmernosť veličín.

Elektrický prúd pretekajúci vodičom je priamo úmerný rozdielu elektrických potenciálov na koncoch vodiča a nepriamo úmerný elektrickému odporu medzi koncami vodiča.

Vysvetliť prvý a druhý Kirchhoffov zákon.

elektrický uzol

Prvý: 1. Kirchhoffov zákon (pre uzol jednosmerného obvodu): algebrický súčet prúdov v uzle sa rovná nule. Pre obvod na obr. platí: I − I₁ − I₂ − I₃ = 0

elektrická slučka

Druhý: 2. Kirchhoffov zákon (pre jednoduché uzavreté obvody): v jednoduchom uzavretom obvode sa súčet elektromotorických napätí U_ei zaradených zdrojov rovná súčtu úbytkov napätí Rk Ik.

Úloha 3.3

Nakresliť jednoduchý obvod striedavého prúdu, pomenovať elektrické veličiny.

R — Odpor, X_L — indukčná reaktancia, X_C — kapacitná reaktancia

Definovať striedavý prúd.

Nútené elektromagnetické kmitanie má veľký význam najmä pri prenose elektrickej energie a v rozličných elektronických zariadeniach. V týchto prípadoch elektromagnetické kmitanie nazývame striedavý prúd.

Opísať obvod striedavého prúdu s odporom.

Pre jednoduchý obvod striedavého prúdu s odporom platí Ohmov zákon, tak ako pre obvod s jednosmerným prúdom. Amplitúda napätia na rezistore a amplitúda prúdu v obvode nezávisí od frekvencie striedavého prúdu. Zo vzťahu pre napätie a prúd vyplýva, že obidve veličiny sú v obvode v rovnakej fáze a nevzniká medzi nimi fázový rozdiel. - vlastnosti obvodov sa znázorňujú aj fázorovým diagramom.

i = u/R = I_m . sin(ωt)

Pričom I_m = U_m/R, je amplitúda prúdu.

Opísať obvod striedavého prúdu s indukčnosťou.

Keď cievku pripojíme k zdroju striedavého napätia, prechádza obvodom striedavý prúd a okolo cievky vzniká meniace sa magnetické pole. To spôsobuje, že sa v cievke indukuje napätie, ktoré podľa Lenzovho zákona má opačnú polaritu ako zdroj napätia. Následkom toho dosahuje prúd v odvode najväčšiu hodnotu neskôr ako napätie. Prúd sa za napätím oneskoruje a vzniká záporný fázový posun o uhol π/2.

i = I_m . sin (ωt – π/2)

X_L = Um/Im sa nazýva indukčná reaktancia, jednotkou je ohm. Z pokusov vyplýva, že: X_L = ω . L

Opísať obvod striedavého prúdu s kapacitou.

Keď pripojíme kondenzátor k zdroju striedavého napätia, periodicky sa nabíja a vybíja. Nabíjací prúd kondenzátora je najväčší v okamihu, keď je kondenzátor nenabitý, t.j. keď napätie medzi platňami kondenzátora je nulové. Naopak v okamihu, keď je kondenzátor nabitý na napätie Um, je v obvode nulový prúd. Dielektrikom medzi platňami kondenzátora prúd neprechádza. Mení sa iba intenzita elektrického poľa a dielektrikum sa striedavo polarizuje. Prúd v obvode predbieha napätie o uhol π/2.

X_C = U_m/I_m sa nazýva kapacitancia a jej jednotkou je ohm. Veľkosť kapacitancie obvodu striedavého prúdu určuje vzťah: X_C = 1/ω.C.