Úvod do elektroniky

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. 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.

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. 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.

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?

Analógia elektrického obvodu s vodnou nádržou.

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.