Rebelova škola doma

Elektrická práca a elektrický príkon

V mojom prvom príspevku o elektrickom prúde som uviedol, že elektrické napätie je rovné práci, ktorú vykonajú elektrické sily zdroja pri presune náboja 1C medzi dvomi miestami obvodu. Z toho vyplýva, že tú prácu vypočítame ako súčin náboja a napätia (W=U•Q). Keďže elektrický náboj vypočítame ako súčin elektrického prúdu a času, tak výsledný vzorec bude W=U•I•t.

Elektrický príkon je výkon, ktorý podajú elektrické sily pri presune daného náboja z jedného miesta vodiča na druhé. Pokúsime sa odvodiť vzorec na jeho výpočet. Vieme, že výkon vypočítame ako podiel práce a času. Za prácu si dosadíme vyššie odvodený vzorec pre elektrickú prácu (W=U•I•t) a dostaneme P'=^U•I•t/_t. Čas (t) sa nám vykráti a dostaneme výsledný vzorec P'=U•I.

Ako sa elektrický príkon líši od výkonu? Príkon je energia, ktorú elektrické sily dodajú danému zariadeniu za jednotku času, kdežto výkon je energia, ktorú dané zariadenie za určitý čas skutočne využije na konanie práce. Žiaden stroj nevie využiť všetku energiu, ktorú mu dodáme, lebo časť energie sa stratí. Čím menší je rozdiel medzi príkonom a výkonom daného zariadenia, tým lepšie. Existuje aj fyzikálna veličina účinnosť, ktorej značka je grécke písmeno η (eta). Táto veličina je bezrozmerná, čo znamená, že nemá jednotku. Vypočítame ju tak, že výkon vydelíme príkonom. Väčšinou ju vyjadrujeme v percentách. Žiadne zariadenie nemá účinnosť, ktorá by dosiahla 100%, lebo vždy sa nejaká energia stratí.

Vyrieš úlohy (správne riešenia sú na konci príspevku):

1.) Zariadenie sme zapojili do elektrickej zásuvky pod napätím 220V. Potom sme doň zapojili ampérmeter a namerali sme prúd 2,7A. Aký má zariadenie príkon?

2.) Rýchlovarná kanvica má príkon 700W. Ako dlho jej bude trvať, kým zohreje 1,5l vody a aký elektrický náboj sa pri tom prenesie? Voda má hmotnostnú tepelnú kapacitu 4180^J/_kg•°C a kanvica je zapojená v zásuvke pod napätím 220V. Predpokladajme nemožnú situáciu, že žiadna energia sa nestratí a všetka sa teda použije na ohrev vody.

3.) Odber veľkých prúdov je nebezpečný, preto je každá domácnosť vybavená ističmi, ktoré odpoja zdroj pri priveľkom odbere prúdu. Ističe máme nastavené na maximálnu hodnotu 16A a spotrebiče zapájame do bežnej zásuvky pod napätím 220V. Práčka má príkon 1000W, elektrická rúra 2200W a žehlička 700W. Ak naraz perieme aj pečieme a zapneme žehličku, ,,vyhodí" nám ističe?

Vzájomná premena elektrickej, magnetickej a mechanickej energie

Vodič s prúdom, cievka a elektromagnet

Ľudia dlho skúmali elektrinu a magnetizmus ako dva odlišné, navzájom nesúvisiace javy. V roku 1820 dánsky vedec Hans Christian Oersted zistil, že drôt, ktorým preteká elektrický prúd, dokáže vychýliť ručičku kompasu (mimochodom, nebol prvý - už 18 rokov pred ním si to všimol taliansky amatérsky fyzik Romagnosi - jeho objav však bol prehliadnutý vedeckou komunitou). Oesrsted teda zistil, že elektrina a magnetizmu spolu súvisia. Nebol však schopný uspokojivo vysvetliť tento jav.

Z Oerstedovho pokusu nám vyplýva, že okolo každého vodiča s prúdom sa nám vytvára magnetické pole. Toto magnetické pole je však trochu iné ako to pri permanentných magnetoch. Jeho indukčné čiary tvoria navzájom rovnobežné sústredné kružnice, ktorých stredom je daný vodič. Smer indukčných čiar zistíme pomocou ampérovho pravidla pravej ruky.  Ak vodič uchopíme pravou rukou tak, že palec ukazuje dohodnutý smer prúdu (čiže od kladného pólu k zápornému), tak prsty ukazujú smer indukčných čiar.

Dá sa  nejako docieliť, aby okolo vodiča s prúdom bolo také magnetické pole, ako je okolo permanentných magnetov? Áno, dá. A to tak, že vodič ovinieme okolo niečoho. Magnetické polia jednotlivých závitov sa potom skombinujú a vytvoria takéto magnetické pole. Vytvorili sme tak zariadenie, ktoré nazývame cievka. Čím hustejšie pri sebe sú dané závity (t.j. čím viac závitov je na jednotku dĺžky, tým je magnetické pole cievky silnejšie. Ak dovnútra cievky vložím predmet z magneticky mäkkého materiálu, tak magnetické pole cievky ešte viac zosilníme. Takto upravená cievka sa nazýva elektromagnet. Magnetické póly cievky a elektromagnetu určíme tiež pomocou ampérovho pravidla pravej ruky. Ak si cievku (elektormagnet) uchopíme do pravej ruky tak, že prsty ukazujú dohodnutý smer prúdu v závitoch, tak palec ukazuje severný pól.

Niečo navyše: elektromotor

Iste ste sa už stretli so zariadeniami, ktoré sú poháňané elektrickou energiou (mixér, ventilátor, vysávač...). Všetky tieto zariadenia majú elektromotor. Elektromotor je teda zariadenie, ktoré premieňa elektrickú energiu na mechanickú. Rôzne elektromotory fungujú rôzne, ale takmer všetky využívajú vznik magnetického poľa po prechode prúdu vodičom respektíve cievkou. Každý elektromotor sa skladá z rotora (časti, ktorá sa otáča) a statora (časti, ktorá sa nehýbe) V nasledujúcich odsekoch bude vysvetlený princíp fungovania najjednoduchšieho elektromotora - elektromotora s permanentným magnetom na jednosmerný prúd. Tento elektromotor sa používa, keď nám stačí nízky výkon (izbový ventilátor, vibračný motorček v mobile, pohyblivé hračky atď.). Pre dosiahnutie väčších výkonov (elektroautá, vlaky, dopravné pásy...) sa používa tzv. asynchrónny motor na striedavý prúd, ten je ale trochu zložitejší. A hlavne, na jeho pochopenie treba mať aspoň nejaké vedomosti o vlastnostiach striedavého prúdu, lenže to sa na základnej škole neučí. Preto som sa ho rozhodol (napriek tomu, že je to v súčasnosti najpoužívanejší elektromotor) z tohto príspevku vynechať.

Nevyhnutnou súčasťou elektromotora na jednosmerný prúd je komutátor. Jeho schéma je na obrázku (je to animácia, ale funguje, len keď na ňu kliknete). Je to súčiastka, ktorá prepína póly. Čiže ak na každú z častí komutátora (na obrázku sú to polkruhy) pripojím kábel, tak chvíľu bude kladná jedna časť a druhá bude záporná, a potom sa to vymení (prepne). A takto to bude pokračovať až dokiaľ neodpojíme zdroj. Komutátor sa točí, lebo je pripojený k rotoru elektromotora. V čase, keď je jedna časť komutátora kladná a druhá záporná, sa rotor pohybuje vďaka elektrickej energii (ktorá sa premieňa na mechanickú, princíp bude vysvetlený nižšie). V krátkom okamihu prepnutia elektromotorom netečie prúd, a rotor sa pohybuje vďaka zotrvačnosti.

Schéma elektromotora na jednosmerný prúd s permanentným magnetom je zobrazená na obrázkoch (taktiež animácie po kliknutí). Statorom tohto motora je permanentný magnet a rotorom je cievka alebo elektromagnet (resp. viac cievok alebo elektromagnetov, to už záleží na jednotlivom type konštrukcie). Jeden koniec cievky je zapojený na jednu časť komutátora a druhý koniec na druhú časť. Keďže komutátor prepína polaritu, mení sa aj smer prúdu v cievke. Keď si spomeniete ampérovo pravidlo pravej ruky, tak viete, že potom sa navzájom vymieňajú aj magnetické póly cievky. Cievka je pripojená tak, aby jej severný pól bol natočený k severnému pólu permanentného magnetu statora a južný pól k južnému. Keďže opačné póly sa priťahujú a rovnaké odpudzujú, cievka sa pôsobením týchto magnetických síl otočí (severným pólom k južnému pólu statora a južným k severnému). Vtedy komutátor zmení polaritu a póly na cievke sa vymenia. Teda cievka je zase otočená zhodnými pólmi k permanentnému magnetu a magnetické sily ju nútia, aby sa zasa otočila. Otočí sa a komutátor sa znova prepne. Tento cyklus sa opakuje, až dokiaľ neodpojíme zdroj (respektíve kým sa nevybije ).

Niečo navyše: výroba elektrického prúdu

Generátor elektrického prúdu je zariadenie, ktoré mení mechanickú prácu na elektrickú, generuje teda elektrický prúd. Generátory majú takú istú (alebo veľmi podobnú) konštrukciu ako elektromotory, ibaže fungujú opačne. Totižto rovnako ako elektrický prúd vytvára magnetické pole, tak magnetické pole, ktoré je v pohybe v okolí vodiča, v ňom vytvára (indukuje) elektrický prúd. Teoreticky by sme mali vedieť každý elektromotor použiť obrátene - čiže keď ho namiesto do zdroja zapojíme do spotrebiča a jeho rotor roztočíme, mal by do spotrebiča dodávať elektrický prúd.

Generátor jednosmerného prúdu sa nazýva dynamo. Najjednoduchšie dynamo má rovnakú konštrukciu ako elektromotor s permanentným magnetom (vysvetlený v predchádzajúcej kapitole), ibaže je zapojené nie do zdroja, ale do spotrebiča a rotor je roztáčaný mechanickou prácou. Získavame ním takzvaný pulzujúci jednosmerný prúd. To znamená, že prúd a napätie nie sú konštantné, ale pravidelne stúpajú a klesajú a v okamihu prepnutia komutátora sú nulové.

Generátor striedavého prúdu sa nazýva alternátor. Najpoužívanejším alternátorom je takzvaný trojfázový alternátor, ktorý má konštrukciu ako asynchrónny elektromotor a vytvára takzvané trojfázové napätie. Vysvetľovanie, čo to vlastne je, som sa rozhodol vynechať, z toho istého dôvodu, prečo som vynechal asynchrónny elektromotor.

Transformátor

Transformátor je zariadenie, pomocou ktorého vieme zmeniť elektrické napätie nahor alebo nadol s minimálnou stratou energie. Dá sa použiť iba pri striedavom prúde. Skladá sa z dvoch cievok navinutých oproti sebe na spoločnom jadre z magneticky mäkkého materiálu (čiže vlastne z dvoch elektromagnetov, pozri obrázok). A ako funguje? Striedavý prúd vytvára meniace sa magnetické pole v cievke napojenej na zdroj (tzv. primárnej cievke) a meniace sa magnetické pole (rovnako ako pri elektromotore) indukuje elektrický prúd v druhej (tzv. sekundárnej) cievke. Ak má primárna cievka väčší počet vinutí ako sekundárna, tak nastáva transformácia nadol. Ak má naopak, väčší počet vinutí sekundárna cievka, tak nastáva transformácia nahor. Celkový vzorec na prevod napätia je ^N₁/_N2=^U₂/_U1 (pričom N₁ je počet vinutí primárnej cievky, N₂ počet vinutí sekundárnej, U₁ napätie primárnej a U₂ napätie sekundárnej). Inými slovami povedané, pomer napätí je prevráteným pomerom k pomeru počtu vinutí cievok. Pomer počtu vinutí sa nazýva aj transformačný pomer transformátora.

Vzájomná premena elektrickej a chemickej energie + elektrický prúd v kvapalinách

Nasledujúce kapitoly sú na hranici fyziky a chémie, čiže na ich pochopenie treba mať nejaké znalosti z chémie. Ak ich nechápete, prečítajte si kapitolu redoxné reakcie z príspevku chemické reakcie.

Elektrolýza

Nasledujúci pokus si môžete vyskúšať aj doma, ale v rámci bezpečnosti používajte ako zdroj elektrického prúdu JEDINE BATERKU, NIE ELEKTRICKÚ ZÁSUVKU (mimochodom, s tou by to aj tak nefungovalo, funguje to len s jednosmerným prúdom): Ak do destilovanej vody zapojíme zdroj a spotrebič, tak zistíme, že voda je v podstate izolant (mimochodom ale vo veľmi zanedbateľnej miere elektrický prúd vedie). Iná situácia však nastane, ak použijeme pitnú vodu, alebo najlepšie slanú vodu. Vtedy zistíme, že voda prúd vedie a že pritom uvoľňuje nejaké plyny (vidíme bublinky a v prípade použitia kuchynskej soli cítime chlór). Vedenie prúdu nemôže spôsobovať soľ samá o sebe - kryštál soli je tiež izolant. Prečo sa to teda deje?

Soli sa skladajú s kladne elektricky nabitých katiónov a záporne nabitých aniónov, ktoré sú v kryštálovej mriežke navzájom elektrickými silami viazané. Voda túto mriežku rozbije, a tak sa vytvorí roztok, v ktorom si voľne plávajú katióny a anióny. Ak doň pustíme jednosmerný elektrický prúd, tak katióny budú priťahované k zápornej elektróde (ktorá sa preto nazýva katóda) a anióny budú priťahované ku kladnej elektróde (ktorá sa preto nazýva anóda). V roztoku sa teda usmernene pohybujú nabité častice a usmernený pohyb nabitých častíc je elektrický prúd.

Pri tom to ale neskončí. Záporná katóda je záporná, lebo dodáva elektróny. Dodá ich teda aj pritiahnutým katiónom, z ktorých sa tým pádom stanú neutrálne atómy/molekuly (ich oxidačné číslo sa teda znižuje, čiže prebieha redukcia). V prípade kuchynskej soli (čiže chemicky chloridu sodného) sú to sodné katióny, vzniká teda sodík, ktorý ale nevidíme, ani nevieme zachytiť, lebo okamžite reaguje s vodou za vzniku hydroxidu sodného a vodíka (ktorý pozorujeme ako bublinky). Kladná anóda je kladná, lebo odoberá elektróny. Odoberie ich teda aj pritiahnutým aniónom (v prípade kuchynskej soli chloridovým aniónom) za vzniku neutrálnych atómov/molekúl (v prípade kuchynskej soli molekuly chlóru, preto ten chlórový zápach; oxidačné číslo sa teda zvyšuje, čiže prebieha oxidácia).

Celý tento proces sa nazýva elektrolýza. Elektrolýzou sa pripravuje chlór aj v priemysle. Pripravuje sa ňou aj sodík (a fluór, hliník, alkalické kovy). Pripraviť sodík (a ďalšie alkalické kovy) je však o niečo ťažšie, lebo reagujú s vodou, nemôžeme teda použiť vodný roztok soli daného kovu. Preto namiesto roztoku použijeme jej taveninu. Niektoré prvky (fluór, alkalické kovy) nevieme pripraviť inak, ako elektrolýzou.

Ale ako to celé ale funguje? Zinková elektróda (Zn⁰) sa pri prepojení začne rozpúšťať za uvoľňovania zinočnatých katiónov (Zn²⁺) a meďnaté katióny (Cu²⁺) sa menia na kovovú meď (Cu⁰), ktorá sa uvoľňuje na medenej elektróde. Keď sa zinok mení na kladné zinočnaté katióny, zbavuje sa záporných elektrónov (zinková elektróda bude preto záporná), ktoré putujú káblikom až do medenej elektródy, kde ich pohlcujú meďnaté katióny, ktoré sa tým menia na elementárnu meď (tá sa uvoľňuje na elektróde). Medená elektróda bude kladná, lebo priťahuje elektróny (jej kladnosť spôsobujú meďnaté katióny, ktoré majú väčší potenciál ako zinočnaté katióny - to znamená, že ich kladnosť je akoby ,,silnejšia"). Ale každý roztok musí byť elektricky neutrálny, čiže v ňom nesmie byť nadbytok ani nedostatok katiónov a aniónov (inak povedané, celkový kladný náboj katiónov sa musí rovnať celkovému zápornému náboju aniónov).

Prvý suchý článok, ktorý bol vyrobený, je takzvaný zinkovo-uhlíkový článok (zobrazený na obrázku). Vo vnútri článku je katóda tvorená zmesou práškového oxidu manganičitého (burelu) a práškového uhlíka. V jej strede je vložená uhlíková tyčinka. Anódu tvorí zinková nádobka, v ktorej je katóda umiestnená. Elektrolytom je vodný roztok chloridu amónneho (salmiaku), ktorý sa však nenachádza voľne v kvapalnom stave, ale je nasiaknutý do prášku katódy. Medzi katódou a anódou sa nachádza separátor v podobe pijavého papiera. Pri chemickej reakcii vybíjania sa ale vytvára ďalšia voda. Preto sa stávalo, že vybitý článok mohol ,,vytiecť" a poškodiť zariadenie. Vylepšenou verziou tohto článku je zinkovo-chloridový článok - v ňom je väčšia časť chloridu amónneho nahradená chloridom zinočnatým. Pri reakcii vybíjania sa voda naopak spotrebúva, takže už nehrozí riziko vytečenia. Ďalšou výhodou je dlhšia životnosť. Väčšina dnešných klasických tužkových bateriek sú zinkovo-chloridové články. Nájdu sa však aj výrobcovia používajúci staré zloženie, pretože je o niečo lacnejšie. Napätie oboch článkov je 1,5V.

Alkalické batérie sú o niečo kvalitnejšie články. Ich napätie je tiež 1,5V. Katóda sa skladá z oceľovej nádobky vyplnenej zmesou burelu a uhlíka. Anóda je tvorená rúrkou separátora (pijavého papiera), v ktorej je emulzia práškového zinku a elektrolytu (hydroxidu draselného). Ako zberač prúdu z anódy sa používa mosadzná tyčinka, ktorá je do nej vložená. Výhodou je väčšia kapacita (dlhšie trvá, kým sa pri používaní vybijú, a takisto vedia dodávať vyšší výkon). Najväčšou výhodou je však nízka tzv. samovybíjacia schopnosť (čiže keď stoja nezaťažené, vybíjajú sa na rozdiel od klasických tužkových bateriek len veľmi pomaly), preto sa dajú využiť na odoberanie malých prúdov po veľmi dlhý čas (náramkové hodinky, zálohovacie batérie). Aj tzv. gombíkové batérie patria medzi alkalické batérie. Niektoré majú také isté zloženie, ako som popísal, ale väčšina má ako katódu oxid strieborný a nie uhlíkovo-burelovú zmes.