Elektrický prúd, výroba a prenos el. energie

Elektrický prúd (základy)

Elektrický prúd je usporiadaný pohyb častíc s el. nábojom (= nosičov náboja) - elektrónov, iónov atď.).

Dohodnutý smer prúdu (inak tiež technický smer prúdu) je smer pohybu prúdu od kladného pólu (+) k zápornému pólu (-). Bol stanovený v čase, keď nebola známa podstata vedenia el. prúdu vo vodičoch. Dnes vieme, že smer prúdu záleží na tom, ktoré náboje, či kladné alebo záporné, sprostredkovávajú vedenie el. prúdu. V kovových vodičoch obstarávajú transport el. prúdu elektróny, ktoré majú záporný náboj (-), a preto je skutočný smer prúdu od záporného pólu (-) ku kladnému pólu (+), teda opačný na rozdiel od dohodnutého smeru prúdu. Dohodnutý smer prúdu je skutočným smerom pohybu pre kladné náboje.

Elektrický prúd I je základná fyzikálna veličina - udáva množstvo náboja, ktoré prejde prierezom vodiča za jednotku času.

Ak prechádza náboj vodičom rovnomerne, je elektrický prúd určený ako podiel celkového náboja Q, ktorý prejde prierezom vodiča, a doby t, za ktorý prejde.

[I] = A (ampér) = C × s ^-1.

Definícia ampéra: Vodičom prechádza prúd 1A, ak prejde prierezom vodiča náboj 1C za 1s.

Rovnako sa určí priemerný prúd odvodu.

Ampér je základná jednotka SI, preto sa týmto vzťahom určuje el. náboj.

Ak prechádza náboj vodičom nerovnomerne, určuje sa hodnota okamžitého prúdu.

Jednoduchý elektrický obvod

Podmienkou pre vznik jednosmerného konštantného prúdu je uzavretý elektrický obvod.

Najjednoduchšie uzavretý el. obvod - mal by mať zdroj, spotrebič, vodiče a vypínač

Zdroj napätia má kladný pól (anódu) a záporný pól (katódu) a v ostatných častiach obvode vytvára časovo nepremennej elektrické pole, ktoré uvádza voľné elektróny do usmerneného pohybu (SS - suchý článok, plochá batéria, akumulátor chemická energia -> elektrickú energiu). Na jeho svorkách je nemenné svorkové napätie U. Presnejšie má nezaťažený zdroj napätia U ₀ = U _E. U _E = elektromotorické napätie zdroja (udávané napätie), v uzavretom obvode je U <U _E.

Elektrický spotrebič je zariadenie, v ktorom sa elektrická energia účelne mení v inú energiu, napr. V energiu svetelnú v žiarovke a pod.

Spojovacie vodiče spájajú zdroj napätia s elektrickým spotrebičom a spínačom (meď a hliník, zlato, izolácia z PVC).

Spínače slúži na uzavretie alebo prerušenia obvodu.

Do elektrického obvodu zapájame často meracie prístroje na meranie prúdu a napätia. prúd

meriame ampérmetrom, ktorý zapájame sériovo, napätie voltmetrom,, ktorý zapájame paralelne.

Ampérmeter by sa nemal pripájať priamo na zdroj, voltmeter môže. Vo všetkých miestach jednoduchého el. obvodu je rovnaký prúd.

Elektrický prúd v pevných látkach

To, či pevná látka po pripojení na el. zdroj povedie el. prúd (vodič) alebo nie (izolant), závisí od jej štruktúre.

1) Vodiče (kovy) majú kryštalickú mriežku, ktorá je zložená z kladných iónov kovov. Valenčné elektróny sú ku kationtov viazané kovovú väzbou, ktorá je ale veľmi slabá. Valenčné elektróny možno preto veľmi ľahko odtrhnúť. Pripojením vodiče ku zdroju napätia sa pohyb elektrónov usmerní a budú sa pohybovať od záporného ku kladnému pólu zdroja.

2) Izolanty kovovú väzbu nemajú a valenčné elektróny sú v obale viazané silným silovým pôsobením (pr. Iónová väzba)

Ohmov zákon

Konštantou úmernosti je el. odpor R (rezistancia).

[R] = W (ohm) = V × A ^-1

Elektrický odpor - je dôsledkom narážanie elektrónov na kladné ióny (tie vzniknú odtrhnutím elektrónov), tým sa spomalí (stráca kín. Energiu). S rastúcou teplotou sa amplitúda kmitov zväčšuje a zrážky sú častejšie - odpor vodiča rastie. Elektrická vodivosť (konduktivita) G je prevrátený pomer el. odporu.

=> R = U / I

[G] = S (siemens) = Ω ^-1

Závislosť na tvaru a materiálu vodiče

Veľkosť odporu vodiča závisí na kovu, z ktorého je vyrobený, na jeho dĺžke a na priereze.

S - prierez vodiča, l - dĺžka vodiča,

ρ (Ró) je merný el. odpor (rezistivita). Je to vlastnosť kovu, jej hodnoty sú v tab. str. 162.

[Ρ] = Ω × m

Čím dlhšia je vodič, tým väčšia je jeho odpor; čím je jeho prierez väčší, tým menšia je odpor

Závislosť na teplote

Závislosť el. odporu vodičov na teplote je vo veľkom teplotnom intervale prakticky lineárna a môžeme ju vyjadriť vzťahom

R = R 0 × (1 + α ** ** × ** ** Δ t) - v tab. odvodiť zo závislosti Ró od teploty ****

α - teplotný súčiniteľ odporu (udáva, koľkokrát sa zväčší odpor pri zahriatí vodiča o 1 ° C)

Δt = t ₁ - t ₂ (teplotný rozdiel)

R ₀ - odpor vodiča na začiatku ohrievanie

S rastúcou teplotou rastie odpor.

Tiež merný el odpor závisí od teploty lineárne podľa vzťahu

ρ = ρ 0 ** ** × (1 + **** α **** × ** ** Δ t)

Pri veľmi nízkych teplotách klesá merný odpor na nemerateľné hodnotu. Tento jav sa nazýva supravodivosť - očakávania vynálezu pre budúcnosť, teraz je nutné chladiť kap. Dusíkom, čo je neekonomické, mal by prísť nový materiál, ktorý nebude potreboval tak nízku teplotu. ****

Materiály s malým teplotným súčiniteľom el. odporu sa využívajú pri výrobe rezistorov - súčiastok s daným el. odporom.

Rezistory s premenným odporom

• majú tri vývody - dva na každom konci, tretí pripojený k jazdcovi. Podľa zapojenia sa môžu využiť rôzne.

REOSTAT slúži na reguláciu el. prúdu v obvode; do obvodu je zapojený jedným koncom pevného

vodiče a jazdcom - poloha jazdca určuje dĺžku vodiče, ktorým prechádza prúd, a tým aj odporreostatu

POTENCIOMETER (delič napätia) slúži na zmenu napätia; ku zdroju je zapojený oboma koncami pevného vodiče. K jazdci je pripojený ďalší obvod, ktorého druhý koniec je spojený s jedným koncom rezistora. Jazdcom sa mení napätie v druhom obvode.

Ohmov zákon platí pre jednoduchý obvod.

Keď pripojíme el. obvod k zdroju, sa zväčšujúcim prúdom sa zmenšuje svorkové napätie zdroja - graf závislosti svorkového napätia na odoberanom prúde je záťažový charakteristika zdroja. Reálny zdroj sa chová ako by bol sériovo zložený z i deálního zdroja s konštantným napätím U _e az rezistora R _i - vnútorný odpor zdroja.

Svorkové napätie bude: U = U e - R i × I

Ohmov zákon pre uzavretý obvod bude:

Prúd v uzavretom obvode sa rovná podielu elektromotorického napätia a celkového odporu R + R _i.

Spájanie rezistorov (opačne ako u kondenzátorov, nakresliť)

1. do série (za sebou):

I = konšt.

U = U ₁ + U ₂ (napätie sa rozdelí v pomere jednotlivých odporov)

R × I = R ₁ × I + R ₂ × I = I x (R ₁ + R ₂₎ Þ R = R ₁ + R ₂

Þ výsledná hodnota odporu je rovná súčtu hodnôt jednotlivých odporov

2. paralelne (vedľa seba):

U = konšt.

I = I ₁ + I ₂ (prúd sa rozdelí v pomere jednotlivých odporov)

Þ **prevrátená hodnota odporu je rovná súčtu prevrátených hodnôt jednotlivých odporov **

V rozvetvenom obvode prechádza každú vetiev menší prúd než nerozvetvená častí obvodu.

vetva = časť el. obvodu medzi dvoma uzlami, uzol = miesto v obvode, kde sa stýkajú najmenej tri vodiče, sieť = rozvetvený obvod s viacerými zdrojmi napätia

** **

Prenos elektrickej energie

Alternátory v elektrárňach zvyčajne pracujú s menovitým napätím iba niekoľkých tisíc voltov, Pri výkonoch stoviek MW potom z alternátora tečie prúd v poriadku desiatok tisíc ampérov. Vedenie pre takéto prúdy musí však mať extrémne veľké prierezy vodičov a musí byť schopné mechanicky odolávať pôsobeniu značných magnetických síl. Vzniká úbytok napätia na vedení, ktorý by predstavoval značný úbytok výkonu.

Striedavý prúd je možné transformovať, preto je výhodnejšie použiť vyššie napätie, keď pre prenesenie rovnakého výkonu postačí úmerne menší prúd. Okrem obmedzenia strát je potom aj realizácia diaľkových vedenie neporovnateľne jednoduchšie aj lacnejšie.

Napätie alternátorov sa zvyšuje pomocou transformátorov (viď. Otázka 17), umiestnených spravidla priamo v areáli elektrárne, na vyššie prenosové napätie. Za prenosová napätie sa obvykle považujú hodnoty nad 110 kV. Na výstupe z prenosovej sústavy sú zaradené znižujúce transformátory, dodávajúce elektrinu do distribučnej siete, na napätiach napr. 22 kV.

Prenosovú sústavu tvorí predovšetkým sústava dlhých nadzemných vedení veľmi vysokého napätia + ďalšie transformátory a pojistky.Důležité je dodržanie menovitej frekvencie, čo je v Európe 50 Hz, a menovitého napätia) a samozrejme neprerušená dodávka energie k spotrebiteľovi.

Elektrická energia je výnimočná tým, že je v celej sieti potrebné zabezpečiť rovnováhu medzi jej okamžitou výrobou a spotrebou. Elektrickú energiu totiž nemožno nijako skladovať (náhradou skladov sú záložné elektrárne).

Prenosovú sústavu v Česku prevádzkuje štátna spoločnosť ČEPS, a. S. ****

** **

druhy elektrární

Elektrárne tepelné - chemicky viazanú energiu uvoľňujúcu sa pri spaľovaní fosílneho paliva b) Elektrárne jaderné- využíva tepelnú energiu vznikajúcu pri štiepení atómových jadier ťažkých prvkov uránu 235 alebo plutónia 239, zatiaľ najlepším zdrojom, budúcnosť by mala priniesť riadenú termonukleárnej reakcii (termojadrová fúzie - zlučovanie jadier atómov za vzniku tepla o miliónoch kelvinov), držanú v magnetickom poli. Schema v otázke 16
Elektrárne vodné - využívajú kinetickú a potenciálnu energiu vodných zdrojov (vodné toky, morský príliv, Lipno, Slapy, Orlík)
Elektrárne veterné - u nás sa nevyskytujú - nížiny

Elektrárne slnečné - fotovoltaické články
Elektrárne geotermálne - využívajúce horúcu vodu alebo paru z vrtov do vnútra zeme

** **

Kirchholfovy zákony:

• používajú sa pre výpočet rôznych parametrov elektrickej siete - rozvetvený obvod a SS prúd

• elektrická sieť je rozvetvený el. obvod, ktorý obsahuje aspoň dva zdroje napätia

• uzol je miesto spojenia aspoň troch vodičov

1. Kirchholfův zákon (veta uzlové) -. **     **

Algebraický súčet prúdov v uzle je nulový, súčet prúdov do uzla vstupujúcich je rovný súčtu prúdov z obvodu vystupujúcich.

• platí zákon zachovania el. energie - náboj v uzle ani nevzniká ani nezaniká

• prúd siahajúce do uzla je kladný, vytekajúcu je záporný

Suma I = 0

I1 = I2 + I3

I1 - I2 - I3 = 0

** **

2. Kirchholfův zákon (veta okruhová)

Súčet elektromotorických napätie jednotlivých zdrojov sa rovná súčtu úbytku napätia na jednotlivých odporoch, úbytok napätia na spotrebičoch v časti obvodu je rovný elektromotorickému napätie v tomto okruhu.

suma R * I = suma Ue

Elektrická práce, výkon a účinnosť jednosm. prúdu

Pri prenesení náboja Q medzi svorkami zdroja o napätí U sa vykoná práce

Q = I * t

U = I * R

[J]

Výkon el. prúdu

****

[W] P = W / t

1 J = 1 Ws (výkon 1 Watt má zariadenie, čo vykoná prácu 1J za 1 Sekundu)

1kWh = 36 * 10 ⁵ J

Výkon meriame wattmetrom, odobranú energiu elektromerom

účinnosť

Účinnosť spotrebiče: Ny = P '/ P (* 100)

Účinnosť obvodu: ****

Pri zapojení zdroja do uzavretého obvodu sa časť energie spotrebúva v samotnom zdroji.

- nie je v tab!

Najvyšší možný výkon el. obvodu je, keď R je rovné R _i. Tento obvod má účinnosť h = 50%. Obvody s menším R majú nižšiu účinnosť, v obvodoch s väčším R je síce väčšia účinnosť, ale menší výkon kvôli menšiemu prúdu.

joulovo teplo

• QJ [J] - teplo, ktoré vzniká pri prechode elekt. prúdu vo vodiči, je skôr na škodu, využíva sa len u spotrebičov, ktoré majú teplo vydávať (varič).

Q _J = U * I * t - ako prácu

pr .:

t =? W = Q W = P * t

V = 120l = 0,12 m 3 P * t = m * c * delta t Q = m * c * delta t

t1 = 20 C m = ro * V = 1000 * 0,12 - 120 kg

t2 = 80 C c ............. merná tepelná kapacita ... voda = 4.2 kJ / Kg * C

P = 2 kW t = (m * c * delta t) / p

* *

t = (120 * 4.2 * 60) / 2000 = 15.12