Lekce VI / 03 - Elektrická vodivost

Cíl lekce:

Žáci se naučí, co je to elektrický proud a na zapojení jednotlivých obvodů si ukáží, co jsou to vodiče a co izolanty. Dále se naučí, že elektrický proud vede také ovoce (příp. zelenina), které ve své šťávě obsahuje ionty rozpuštěných látek. Žáci si také dokáží vyrobit vlastní elektromagnet a vyzkouší si jeho vlastnosti.

Zeptejte se Vašich dětí:

Kde se bere elektřina?
Jaké máme druhy elektráren?
K čemu elektřinu využíváme?
Co znamená, že je látka elektricky vodivá?
Co je elektrický vodič? Uveďte příklady.
Co je izolant? Uveďte příklady.
Jak se využívá elektromagnet?

Elektrická energie

Elektrické energii říkáme v běžném životě elektřina. Elektrická energie z fyzikálního pohledu jako taková neexistuje. Je to vlastně energie, složená z energie elektrostatického pole a magnetického pole. Dohromady tedy jde o energii elektromagnetického pole.
Elektřina je velice praktická forma energie, lze ji totiž snadno měnit na jiné formy energie, např. na světlo nebo teplo. Elektřina je nejčistší a nejuniverzálnější forma energie na planetě Zemi, kterou, jako zboží, kupují fyzické (lidé) i právnické (firmy) osoby za účelem zabezpečení výroby nebo uspokojení svých potřeb. Elektřina, přeměněná ve světlo, prodlužuje den, zabezpečuje komunikaci mezi lidmi, přináší lidem obraz, pomáhá udržovat zdraví, napájí výpočetní techniku, pohání dopravní prostředky, zabezpečuje řízení a pohon strojů, chrání majetek, topí, chladí, vaří, peče, vrtá a má mnoho dalšího využití. Většina elektřiny, kterou používáme, k nám přichází z elektráren.

Typy elektráren, které vyrábějí elektřinu pro spotřebitele:

tepelná
vodní
větrná
sluneční
uhelná
jaderná

Elektřina se nenachází pouze v našich domácnostech, ale běžně se vyskytuje i v přírodě. Blesky nejsou ve skutečnosti nic jiného než výboje statické elektřiny, která vzniká při bouřkách, kdy se o sebe třou molekuly vody v oblacích.
Tzv. bioelektřina vzniká ve všech živých organismech. Má souvislost s biologickými pochody, a dále je pro ni důležitá aktivita a celková stavba živočišného a rostlinného organismu. Její přítomnost však nijak nepociťujeme, protože její elektrické napětí je velmi malé. Využívá se např. při lékařské diagnostice při snímání činností srdce (EKG) nebo mozku (EEG). U některých živočichů, např. ryb, se však objevují napětí dosti vysoká.
Praktickým využitím elektrické energie, její výrobou, rozvodem a přeměnou elektrické energie v jiné druhy energie se zabývá technický vědní obor zvaný elektrotechnika.

Elektrický proud

Elektrický proud je uspořádaný pohyb částic s elektrickým nábojem (= nosičů náboje). Elektrický proud I je základní fyzikální veličina – udává množství náboje, které projde průřezem vodiče za jednotku času.
Elektrický proud je vlastně průtok elektrického náboje (můžeme si představit podobně, jako když protéká potrubím voda, tak vodičem protékají elektrony). Elektrický proud je pohyb volných částic s elektrickým nábojem (elektrony v kovech, kationty a anionty v roztocích). Velikost elektrického proudu závisí na množství celkového náboje ve vodiči. Čím větší náboj, tím větší proud.

Elektrický proud
Obrázek Electric arc od Khimich Alex [Public domain] via Wikimedia commons

Elektrické napětí

K tomu, aby elektrický proud procházel vodičem, je potřeba, aby mezi oběma konci vodiče bylo napětí. Elektrické napětí je určeno jako práce vykonaná elektrickými silami při přemísťování kladného jednotkového elektrického náboje mezi dvěma body v prostoru.
Elektrické napětí je také definováno jako práce (W), vykonaná elektrickými silami při přemísťování kladného jednotkového elektrického náboje mezi dvěma body v prostoru. Jeho jednotkou je volt (V).

Elektrický drát
Obrázek Cables Electric Current od webcreare [Public domain] via Pixabay

Elektrická vodivost

Elektrická vodivost je schopnost látek vést elektrický proud po jejich připojení ke zdroji elektrického napětí. To, jestli pevná látka po připojení na elektrický zdroj povede elektrický proud nebo ne, závisí na její struktuře.
Elektrický vodič je látka, která vede elektrický proud. Elektrický vodič musí obsahovat volné částice s elektrickým nábojem, nejčastěji elektrony, příp. kladné nebo záporné ionty. V elektrotechnice se slovem vodič také rozumí vodivý drát, kabel, pásek nebo lanko, které se použijí pro vodivé propojení součástek
v elektrickém obvodu.
Elektrický izolant je látka, která nevede elektrický proud. Elektrický izolant neobsahuje volné částice s elektrickým nábojem, nebo je obsahuje v zanedbatelném množství. Zamezuje průtoku elektrického proudu mezi vodiči, které mají rozdílný elektrický potenciál. Dobrými izolanty jsou porcelán, sklo, většina plastů, dřevo, papír, za normálních podmínek i vzduch nebo jiné plyny.

Obrázek vodiče a izolantu
Obrázky Litz wire by Zureks od Zureks [CC0 1.0] via Wikimedia commons; Insulator railways od Thermos [CC BY-SA 3.0] via Wikimedia commons

Elektromagnet

Elektromagnet je cívka s jádrem z magneticky měkké oceli, používaná k vytváření dočasného magnetického pole. Princip spočívá v přeměně energie elektromagnetického pole na energii mechanickou. Magnetická síla zde vzniká při průchodu elektrického proudu vinutím cívky na ocelovém jádře, které přitahuje pohyblivou část - kotvu. Magnetický tok elektromagnetu a přitažlivá síla elektromagnetu přímo závisí na velikosti elektrického proudu cívkou, počtu závitů cívky a nepřímo na délce vzduchové mezery mezi jádrem a kotvou. Magnetické pole elektromagnetu je tím silnější, čím větší proud prochází a je tím silnější čím, více má cívka závitů.

Magnetické pole elektromagnetu
Obrázek VFPT cylindrical magnet thumb od Geek3 [CC BY-SA 3.0] via Wikimedia Commons

Elektrický proud, procházející vodičem, vyvolává magnetické pole. Více vodičů vedle sebe, navinutých do tvaru cívky, pak produkuje silnější magnetické pole. Když drát obtočíte kolem měkkého kovového jádra, efekty se zvětší. Dalšího zvětšení magnetického pole dosáhnete zvětšením proudu či počtu závitů.
V praxi je přitažlivá síla omezena celkovou magnetickou vodivostí jádra elektromagnetu a rozptylem magnetického toku. Relativní magnetická vodivost feromagnetik je poměrně malá.
Elektromagnet je používán např. v elektrickém zvonku, v jističích, stykačích, v hutním průmyslu, ve sběrnách kovového šrotu nebo v elektromagnetických relé. Elektromagnet se používá, mimo jiné, také
v automobilovém průmyslu například jako snímač otáček klikového hřídele, nebo pro brzdění tramvajových vozů, obráběcích strojů a ve zdravotnictví.

Elektromagnet
Obrázek Homemade Electromagnet od Gina Clifford [CC BY-SA 4.0] via Wikimedia Commons

Pokud vás téma zaujalo a chcete se dozvědět více: