Úvod do elektroniky: Rozdiel medzi revíziami

Aktuálna revízia z 17:39, 3. september 2024

Téma uvádza základné princípy fungovania elektroniky - aké veličiny a jednotky poznáme, aký je medzi nimi vzťah, ale aj o stručnej histórií, o tom ako prúd preteká obvodom, a prečo vlastne všetky tieto veci fungujú tak ako fungujú.

História

Objav statickej energie

V roku 600 pred naším letopočtom Táles z Milétu spozoroval, že ak trieme jantár o kožušinu, tak kožušina je priťahovaná jantárom^[1]. Je to jeden z prvých zdokumentovaných prípadov spozorovania prítomnosti statickej elektriny v materiáloch. Statická elektrina je nahromadený náboj na povrchu objektov ktorý vzniká trením alebo separáciou rôznych materiálov. Určite si skúšal trieť svoje vlasy o balón a videl si že balón vlasy dočasne priťahoval.

Avšak, ľudia ktorí žili v tej dobe ešte úplne nechápali aký zásadný objav uskutočnili. Bolo to až oveľa neskôr, v roku 1600, kedy William Gilbert zaviedol pojem "elektrina" a študoval elektrostatické javy. Vysvetlil napríklad to, že magnety sa spolu priťahujú a poukázal na to, že naša planéta Zem je vlastne jeden veľký tyčový magnet.^[2]

Nasledujúce roky sa uskutočnili ďalšie významné objavy:

1752 - Benjamin Franklin uskutočnil svoj slávny pokus s bleskom a šarkanom, čím dokázal elektrickú povahu blesku.
1800 - Alessandro Volta vynašiel prvú elektrickú batériu (Voltov stĺp).

Elektromagnetizmus

🤔

Ako to, že niektorí ľudia ktorí pozorovali elektrické javy dospeli aj k záverom v oblasti magnetizmu? Nie sú to dve úplne odlišné veci?

Nie tak úplne. V roku 1820 Hans Christian Ørsted objavil súvislosť medzi elektrinou a magnetizmom.

V tomto bode sa stretávame s pojmom "elektromagnetická indukcia". Bola objavená Michaelom Faradayom v roku 1831, a predstavuje základ pre elektrické generátory.

Faradayov pokus spočíval v tom, že obalil kovový drôt okolo papierového kotúču a konce drôtu pripevnil o galvanometer (čo je v podstate zariadenie, ktoré dokáže zmerať veľkosť elektrického prúdu). Následne vnútri tejto umelo vytvorenej cievky pohyboval tyčovým magnetom. Spozoroval, že ručička galvanometra sa hýbala^[3]. Znamenalo to, že magnetické pole dokáže generovať elektrický prúd!

Bolo to až oveľa neskôr, v rokoch 1861 - 1865, kedy James Clerk Maxwell dokázal že elektrina a magnetizmus sú v skutočnosti dve stránky toho istého javu ktorý sa nazýva elektromagnetizmus. Svoje zistenia napokon zjednotil do teórie elektromagnetizmu.

S elektromagnetizmom sa dnes stretávame každodenne. Elektromagnetické vlny majú viacero podôb - môže sa jednať o rádiové a televízne vlny, Wi-Fi signál, röntgenové žiarenie, infračervené a ultrafialové svetlo, a podobne^[4].

Základné vlastnosti elektrického obvodu

Poznáme 3 základné veličiny:

elektrický prúd;
elektrické napätie;
elektrický odpor;

Spoluprácu týchto veličín v rámci elektrického obvodu opisuje Ohmov zákon, ktorý si vysvetlíme neskôr. Najskôr si poďme vysvetliť význam týchto veličín a predviesť ich stručnú charakteristiku.

Ako funguje elektrický obvod?

Každý elektrický obvod musí obsahovať 🔌 Vodič (bežne ide o kov, napríklad meď) a 🔋 Zdroj elektrického napätia prípadne 💡 Spotrebiče, ktoré používajú elektrickú energiu pre správne fungovanie (môže sa jednať o čokoľvek, od súčiastku rezistora až po klasickú svetelnú žiarovku). Zdroj elektrického napätia navyše obsahuje kladný pól a záporný pól. Predstav si to ako keď meníš štandardnú tužkovú batériu a musíš správne zapojiť ⊕ a ⊖ - koniec koncov, aj táto batéria predstavuje štandardný zdroj napätia, aký môžeme nájsť v elektrických obvodoch.

Princíp elektrického obvodu si vysvetlíme na jednoduchej analógií dvoch nádrží s vodou. Jedna z nich sa nachádza vyššie a druhá nižšie. Vodu z prvej nádrže prenášame pomocou hadice do druhej nádrže, pričom vodu dáva do pohybu výškový rozdiel medzi dvoma nádržami.

Teraz si predstav, že voda je akoby ⚡️ Elektrický prúd a hadica je 🔌 Vodič cez ktorý prúd prechádza. Výškový rozdiel predstavuje rozdiel potenciálov, teda ✨ Elektrické napätie ktoré tlačí vodu (elektróny) cez hadicu. Ak by sme hadicu v určitom bode zúžili, vytvorili by sme 🫸 Odpor ktorý sťažuje vode pretekať.

Podobne to funguje aj v elektrickom obvode:

Elektróny tečú od záporného pólu ⊖ ku kladnému ⊕, čo predstavuje ⚡️ Elektrický prúd. Je meraný v ampéroch (značka: A).
Na to aby elektróny tiekli, potrebujú ✨ Elektrické napätie (= rozdiel potenciálov), čo je v podstate hnacia sila elektrónov (ani voda v príklade vyššie by nemohla tiecť bez výškového rozdielu). Je merané vo voltoch (značka: V).
Do obvodu vstupuje aj tretia sila, ktorú označujeme ako 🫸 Odpor. Môže sa jednať napríklad o stratový výkon (to znamená, že energia uniká z obvodu vo forme tepla). Predstav si to, akoby hadica (a jednotlivé elektronické komponenty) bola z materiálu ktorý reaguje na teplo a v určitom bode hadicu zúži, čo spôsobuje ťažší prietok prúdu. Odpor je meraný v ohmoch (značka: Ω).

🤔

Vypadá to tak, že odpor je veličina ktorú v obvode nechceme a je spájaná s teplom. Prečo teda obvody nechladíme aby sme sa zbavili tepla a teda aj odporu?

Vodiče môžeme skutočne ochladiť a znížiť tak celkový odpor v obvode - takéto vodiče, ktoré vedú prúd s veľmi malým odporom, boli vynájdené a nazývajú sa supravodiče. Avšak, má to problém - na to, aby sme dosiahli skutočne zanedbateľný odpor (teda, odpor blížiaci sa k nule) potrebujeme vodič ochladiť na absolútnu nulu (−273,15 °C), čo je v bežnej domácnosti problém.

Náboj

Medzi základné vlastnosti hmoty patrí aj elektrický náboj. Má značku Q a jednotku C (Coulomb). Môžeš si ho predstaviť ako "množstvo elektriny" v objekte. Najmenší náboj v prírode je náboj elektrónu: -1.602 × 10^-19 C.

V praxi:

Nahromadenie náboja spôsobuje statickú elektrinu.
Tok náboja vytvára ⚡️ Elektrický prúd.
Rozdiel v množstve náboja medzi dvoma bodmi vytvára ✨ Elektrické napätie.

Ohmov zákon

Presúvame sa krátko pred Faradayovým objavom, do roku 1827. Vtedy Georg Ohm sformuloval Ohmov zákon, ktorý je základom pre pochopenie vlastností elektrických obvodov. Zákon hovorí, že:

Elektrický prúd pretekajúci v uzavretom elektrickom obvode je priamo úmerný napätiu zdroja a nepriamo úmerný elektrickému odporu obvodu (vzorec:
$R = \frac{U}{I}$
).

Ohmov zákon patrí jednoznačne medzi najdôležitejšie zákony v elektrickom obvode. Podľa vzorca vyššie vieme predpovedať, aké hodnoty veličín by pri jednej neznámej mal elektrický obvod obsahovať. Je to dôležité pre to, aby sme zabezpečili stabilitu a bezpečnosť elektrických zariadení. Napríklad, LED dióda nemôže mať priveľký odpor (príliš veľa tepla), inak by sa odpálila a permanentne poškodila.

Polovodiče »

❓

Chceš otestovať svoje vedomosti z tejto témy? K dispozícii je kvíz.

Referencie

↑ Magnet Academy (National Maglab) - History of electricity and magnetism (https://nationalmaglab.org/magnet-academy/history-of-electricity-magnetism/timeline/600-bc-1599/)
↑ William Gilbert - Slovenská Wikipédia (https://sk.wikipedia.org/wiki/William_Gilbert)
↑ Magnet Academy (National Maglab) - Electromagnetic Induction (https://nationalmaglab.org/magnet-academy/watch-play/interactive-tutorials/electromagnetic-induction/)
↑ James Clerk Maxwell Foundation - Electromagnetic Theory (https://clerkmaxwellfoundation.org/html/electromagnetic_theory.html)

[1] Magnet Academy (National Maglab) - History of electricity and magnetism (https://nationalmaglab.org/magnet-academy/history-of-electricity-magnetism/timeline/600-bc-1599/)

[2] William Gilbert - Slovenská Wikipédia (https://sk.wikipedia.org/wiki/William_Gilbert)

[3] Magnet Academy (National Maglab) - Electromagnetic Induction (https://nationalmaglab.org/magnet-academy/watch-play/interactive-tutorials/electromagnetic-induction/)

[4] James Clerk Maxwell Foundation - Electromagnetic Theory (https://clerkmaxwellfoundation.org/html/electromagnetic_theory.html)

[1]

[2]

[3]

[4]

@@ Riadok 46: / Riadok 46: @@
 Podobne to funguje aj v elektrickom obvode:
-* Elektróny tečú od záporného pólu ku kladnému, čo predstavuje {{Štítok|emoji=⚡️|text=Elektrický prúd}}. Je meraný v [https://sk.wikipedia.org/wiki/Amp%C3%A9r ampéroch] (značka: A).
+* Elektróny tečú '''od záporného pólu <span style="color: green">⊖</span> ku kladnému''' <span style="color: red">⊕</span>, čo predstavuje {{Štítok|emoji=⚡️|text=Elektrický prúd}}. Je meraný v [https://sk.wikipedia.org/wiki/Amp%C3%A9r ampéroch] (značka: A).
 * Na to aby elektróny tiekli, potrebujú {{Štítok|emoji=✨|text=Elektrické napätie|farba=rgba(0, 255, 0, 0.25)}} (= rozdiel potenciálov), čo je v podstate hnacia sila elektrónov (ani voda v príklade vyššie by nemohla tiecť bez výškového rozdielu). Je merané vo [https://sk.wikipedia.org/wiki/Volt voltoch] (značka: V).
 * Do obvodu vstupuje aj tretia sila, ktorú označujeme ako {{Štítok|emoji=🫸|text=Odpor|farba=rgba(66, 245, 218, 0.25)}}. Môže sa jednať napríklad o '''stratový výkon''' (to znamená, že energia uniká z obvodu vo forme tepla). Predstav si to, akoby hadica (a jednotlivé elektronické komponenty) bola z materiálu ktorý reaguje na teplo a v určitom bode hadicu zúži, čo spôsobuje ťažší prietok prúdu. Odpor je meraný v [https://sk.wikipedia.org/wiki/Ohm_(jednotka) ohmoch] (značka: Ω).
@@ Riadok 52: / Riadok 52: @@
 Vodiče môžeme skutočne ochladiť a znížiť tak celkový odpor v obvode - takéto vodiče, ktoré vedú prúd s veľmi malým odporom, boli vynájdené a nazývajú sa [https://sk.wikipedia.org/wiki/Supravodivos%C5%A5 supravodiče]. Avšak, má to problém - na to, aby sme dosiahli skutočne zanedbateľný odpor (teda, odpor blížiaci sa k nule) potrebujeme vodič ochladiť na [https://sk.wikipedia.org/wiki/Absol%C3%BAtna_nula absolútnu nulu] (−273,15 °C), čo je v bežnej domácnosti problém.
+==== Náboj ====
+Medzi základné vlastnosti hmoty patrí aj '''elektrický náboj'''. Má značku '''Q''' a jednotku '''C''' (''Coulomb''). Môžeš si ho predstaviť ako "množstvo elektriny" v objekte. Najmenší náboj v prírode je náboj elektrónu: -1.602 × 10<sup>-19</sup> C.
+V praxi:
+* Nahromadenie náboja spôsobuje statickú elektrinu.
+* Tok náboja vytvára {{Štítok|emoji=⚡️|text=Elektrický prúd}}.
+* Rozdiel v množstve náboja medzi dvoma bodmi vytvára {{Štítok|emoji=✨|text=Elektrické napätie|farba=rgba(0, 255, 0, 0.25)}}.
 == Ohmov zákon ==
-Presúvame sa krátko pred Faradayovým objavom, do roku 1827. Vtedy [https://sk.wikipedia.org/wiki/Georg_Simon_Ohm Georg Ohm] sformuloval '''[https://sk.wikipedia.org/wiki/Ohmov_z%C3%A1kon Ohmov zákon]''', ktorý je základom pre pochopenie vlastností elektrických obvodov. Zákon hovorí, že:<blockquote>Elektrický prúd pretekajúci v uzavretom elektrickom obvode je priamo úmerný napätiu zdroja a nepriamo úmerný elektrickému odporu obvodu (vzorec: <math>R = \frac{U}{I} </math>).</blockquote>{{Téma|Oblast=Kategória:Základy elektrotechniky a elektronických súčiastok|Poradie=10}}{{Kvíz}}
+Presúvame sa krátko pred Faradayovým objavom, do roku 1827. Vtedy [https://sk.wikipedia.org/wiki/Georg_Simon_Ohm Georg Ohm] sformuloval '''[https://sk.wikipedia.org/wiki/Ohmov_z%C3%A1kon Ohmov zákon]''', ktorý je základom pre pochopenie vlastností elektrických obvodov. Zákon hovorí, že:<blockquote>Elektrický prúd pretekajúci v uzavretom elektrickom obvode je priamo úmerný napätiu zdroja a nepriamo úmerný elektrickému odporu obvodu (vzorec: <math>R = \frac{U}{I} </math>).</blockquote>Ohmov zákon patrí jednoznačne medzi najdôležitejšie zákony v elektrickom obvode. Podľa vzorca vyššie vieme predpovedať, aké hodnoty veličín by pri jednej neznámej mal elektrický obvod obsahovať. Je to dôležité pre to, aby sme zabezpečili stabilitu a bezpečnosť elektrických zariadení. Napríklad, LED dióda nemôže mať priveľký odpor (príliš veľa tepla), inak by sa odpálila a permanentne poškodila.{{Téma|Oblast=Kategória:Základy elektrotechniky a elektronických súčiastok|Poradie=10}}{{Kvíz}}
 == Referencie ==
 <references />
 [[Kategória:Základy elektrotechniky a elektronických súčiastok]]