Fyzika · Základní škola · kapitola 5

Elektřina a magnetismus

Bez elektřiny si moderní život nedovedeme představit – svítí, topí, pohání vlaky i mobily. Elektřina a magnetismus jsou přitom dvě stránky téže síly: proud vytváří magnetické pole a pohyb magnetu vytváří proud.

1Elektrický náboj

Když třeme plastové pravítko o vlasy, pravítko přitahuje papírky – zelektrovalo se. Látky obsahují kladně nabité protony a záporně nabité elektrony. Při tření přecházejí elektrony z jednoho tělesa na druhé: těleso s přebytkem elektronů je nabité záporně, s nedostatkem kladně.

• Souhlasně nabitá tělesa se odpuzují, nesouhlasně nabitá se přitahují.
• Jednotkou náboje je coulomb (C).
• Vodiče (kovy, slaná voda, lidské tělo) náboj vedou, izolanty (plasty, sklo, suché dřevo, guma) ne.

Blesk je obrovský elektrický výboj mezi mrakem a zemí. Bleskosvod ho bezpečně odvede do země. Za bouřky se neschováváme pod osamělé stromy; bezpečné je auto nebo budova.

2Elektrický obvod

Elektrický obvod tvoří zdroj (baterie, akumulátor, zásuvka), spotřebič (žárovka, motor), vodiče a obvykle vypínač. Proud prochází jen uzavřeným obvodem. Obvody kreslíme schématickými značkami.

Proud je uspořádaný pohyb nabitých částic (v kovech elektronů). Napětí je „tlak“, který proud pohání: tužková baterie 1,5 V, autobaterie 12 V, zásuvka 230 V. Odpor vyjadřuje, jak vodič brání průchodu proudu – roste s délkou vodiče, klesá s jeho průřezem a závisí na materiálu (měď má malý odpor, proto jsou z ní kabely).

3Ohmův zákon

Proud procházející vodičem je přímo úměrný napětí a nepřímo úměrný odporu (Georg Simon Ohm, 1827):

I = U / R   ·   U = R · I   ·   R = U / I

4Sériové a paralelní zapojení

• Sériově (za sebou) – všemi spotřebiči prochází stejný proud, napětí zdroje se mezi ně dělí, celkový odpor je součet: R = R₁ + R₂. Vypadne-li jedna žárovka, zhasnou všechny (starší vánoční řetězy).
• Paralelně (vedle sebe) – na všech spotřebičích je stejné napětí, proud se větví. Spotřebiče fungují nezávisle – tak jsou zapojeny zásuvky v domě. Celkový odpor je menší než nejmenší z odporů.

5Práce a výkon elektrického proudu

P = U · I   [W]   ·   W = P · t   [J nebo kWh]

Spotřebu elektřiny měří elektroměr v kilowatthodinách: 1 kWh = 3,6 MJ je energie, kterou spotřebič s příkonem 1 kW spotřebuje za 1 hodinu. Varná konvice 2 kW za 3 minuty spotřebuje 0,1 kWh. Při průchodu proudu se vodiče zahřívají – využívá se v topných tělesech, žehličkách a pojistkách, které při přetížení obvod přeruší.

6Magnety a magnetické pole

Magnet má dva póly – severní (N) a jižní (S). Souhlasné póly se odpuzují, nesouhlasné přitahují. Magnet přitahuje železo, nikl a kobalt. Kolem magnetu je magnetické pole, které zviditelníme železnými pilinami (magnetické indukční čáry). Rozpůlením magnetu vzniknou dva menší magnety – samostatný pól neexistuje.

Země je obří magnet. Střelka kompasu se natáčí k severu – u severního zeměpisného pólu je ve skutečnosti jižní magnetický pól. Magnetické pole Země nás chrání před částicemi slunečního větru; jejich srážky s atmosférou u pólů vytvářejí polární záři.

7Elektromagnetismus

V roce 1820 zjistil Hans Christian Ørsted, že vodič s proudem vychyluje magnetku – proud vytváří magnetické pole. Cívka s proudem se chová jako magnet; s železným jádrem je to elektromagnet, který lze vypnout (jeřáby na šrot, zvonky, relé, reproduktory, třídění odpadu). Vodič s proudem v magnetickém poli se pohybuje – na tom je založen elektromotor.

Opačně: pohybem magnetu v cívce (nebo cívky v magnetickém poli) vzniká proud – elektromagnetická indukce (Michael Faraday, 1831). Na ní stojí generátory (alternátory) v elektrárnách, dynamo na kole i transformátor, který mění napětí střídavého proudu. Elektřina se k nám přenáší vedením velmi vysokého napětí (400 kV), aby byly ztráty co nejmenší, a transformátory ji snižují na 230 V.

8Výroba elektřiny a bezpečnost

V tepelné, jaderné nebo vodní elektrárně pohání pára nebo voda turbínu, která otáčí generátorem. Větrné elektrárny pohání vítr, fotovoltaické panely mění světlo přímo na elektřinu. V Česku vyrábějí nejvíce elektřiny uhelné a jaderné elektrárny (Temelín, Dukovany).

9Kvíz – procvič si kapitolu