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 (bola to logická úvaha ktorá vyplývala z toho, že strelka kompasu ukazuje vždy na sever).

Schematické znázornenie Voltovho stĺpu.

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?

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 prvého čerpadla prenášame pomocou hadice do druhého čerpadla, 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.

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:

$R=\frac{U}{I}$

).

Polovodiče »

❓

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