Elektrický obvod

Rozbalit box

Obsah boxu

Elektrický obvod je soustava elektronických součástek a vodičů, která je sestavena tak, aby jí mohl procházet elektrický proud. Jedná se o základní koncept v elektrotechnice a fyzice, který je základem fungování prakticky všech elektrických a elektronických zařízení. Aby obvodem procházel proud, musí být splněny dvě základní podmínky: musí obsahovat zdroj elektrického napětí a musí být uzavřený, což znamená, že tvoří nepřerušenou vodivou dráhu.

⏳ Historie

První zkoumání elektrických jevů sahá až do starověkého Řecka, kde filosof Thalés z Milétu kolem roku 600 př. n. l. popsal statickou elektřinu vznikající třením jantaru. Systematický výzkum však začal až mnohem později. V 18. století experimenty Benjamina Franklina s blesky a konstrukce prvního galvanického článku Alessandrem Voltou v roce 1800 položily základy pro pochopení elektrického proudu a napětí.

V 19. století došlo k formulování klíčových zákonů, které popisují chování elektrických obvodů. Georg Ohm v roce 1827 definoval vztah mezi napětím, proudem a odporem, známý jako Ohmův zákon. Kolem roku 1845 Gustav Kirchhoff formuloval své dva Kirchhoffovy zákony, které umožnily analyzovat složitější, rozvětvené obvody. Tyto objevy, spolu s prací Michaela Faradaye na elektromagnetické indukci a teorií Jamese Clerka Maxwella, odstartovaly éru elektřiny a vedly k vývoji nesčetných technologií.

🔧 Základní komponenty

Každý elektrický obvod se skládá z několika základních prvků, které plní specifické funkce.

• Zdroj napětí: Je aktivním prvkem, který dodává do obvodu elektrickou energii. Může to být například baterie, akumulátor, generátor nebo solární článek.
• Vodiče: Jsou materiály (nejčastěji měď nebo hliník) s nízkým elektrickým odporem, které propojují jednotlivé součástky a umožňují snadný průchod proudu.
• Spotřebič: Prvek, který přeměňuje elektrickou energii na jinou formu energie (světlo, teplo, pohyb). Příkladem je žárovka, topné těleso nebo elektromotor.
• Spínač: Slouží k záměrnému uzavření nebo přerušení (otevření) obvodu, čímž se ovládá tok proudu.
• Pasivní součástky:
  • Rezistor (odpor): Omezuje průchod proudu nebo vytváří úbytek napětí.
  • Kondenzátor: Dokáže dočasně uchovat elektrickou energii v elektrickém poli.
  • Cívka (induktor): Uchovává energii v magnetickém poli, které se vytváří průchodem proudu.

⚡ Typy elektrických obvodů

Elektrické obvody lze dělit podle několika kritérií.

Podle zapojení součástek

• Sériový obvod: Součástky jsou zapojeny za sebou v jedné jediné větvi. Proud je v celém obvodu stejný, zatímco napětí se dělí mezi jednotlivé spotřebiče. Přerušením obvodu v jakémkoli místě (např. spálením jedné žárovky) přestane fungovat celý obvod.
• Paralelní obvod: Součástky jsou zapojeny vedle sebe ve více větvích. Napětí na všech větvích je stejné, zatímco proud se dělí mezi jednotlivé větve. Pokud se přeruší jedna větev, ostatní mohou fungovat dál. Toto zapojení se běžně používá v domácích elektroinstalacích.
• Kombinovaný (sériově-paralelní) obvod: Obsahuje kombinaci sériově a paralelně zapojených částí.

Podle typu proudu

• Stejnosměrný obvod (DC): Proud v něm teče stále jedním směrem. Zdrojem jsou typicky baterie nebo napájecí zdroje.
• Střídavý obvod (AC): Směr a velikost proudu se periodicky mění. Tento typ proudu se používá v běžné elektrické síti pro přenos energie na velké vzdálenosti.

Podle složitosti a signálu

• Analogový obvod: Zpracovává spojitě proměnné signály, kde napětí nebo proud reprezentují fyzikální veličiny. Příkladem jsou zesilovače nebo filtry.
• Digitální obvod: Pracuje s diskrétními signály, obvykle ve dvou stavech (logická 1 a 0). Tvoří základ počítačů, mikroprocesorů a další digitální elektroniky.
• Smíšený obvod: Kombinuje analogové i digitální prvky, například v A/D převodnících.

⚖️ Základní zákony

Pro analýzu a návrh elektrických obvodů se používají základní fyzikální zákony.

Ohmův zákon

Ohmův zákon popisuje vztah mezi napětím (U), proudem (I) a odporem (R) v obvodu.

I = U / R

• I je elektrický proud, měřený v ampérech (A).
• U je elektrické napětí, měřené ve voltech (V).
• R je elektrický odpor, měřený v ohmech (Ω).

Zákon říká, že proud v obvodu je přímo úměrný napětí a nepřímo úměrný odporu.

Kirchhoffovy zákony

Kirchhoffovy zákony jsou dva a používají se pro analýzu složitějších, rozvětvených obvodů.

• První Kirchhoffův zákon (zákon pro uzly): Uvádí, že součet proudů vstupujících do uzlu (místa, kde se setkávají tři a více vodičů) se rovná součtu proudů z uzlu vystupujících. Je to vyjádření zákona zachování elektrického náboje.
• Druhý Kirchhoffův zákon (zákon pro smyčky): Říká, že v jakékoli uzavřené smyčce obvodu se součet napětí na spotřebičích rovná součtu elektromotorických napětí zdrojů v této smyčce. Tento zákon vychází ze zákona zachování energie.

💡 Pro laiky: Obvod jako vodní systém

Představte si elektrický obvod jako systém potrubí s vodou.

• Baterie (zdroj) je jako čerpadlo, které dodává vodě tlak, aby mohla proudit.
• Vodiče jsou potrubí, kterým voda teče.
• Elektrický proud je samotný proud vody – množství vody, které proteče za sekundu.
• Elektrické napětí je tlak vody vytvářený čerpadlem. Čím vyšší tlak, tím silnější proud.
• Rezistor (spotřebič) je jako zúžené místo v potrubí. Klade vodě odpor, zpomaluje její tok a tlak za ním klesá.
• Spínač funguje jako kohoutek. Když je otevřený (zapnutý), voda proudí. Když je zavřený (vypnutý), tok se zastaví.

Pokud je potrubí někde přerušeno (otevřený obvod), voda nemůže téct, i když čerpadlo běží. Stejně tak elektrický proud nemůže protékat, pokud obvod není uzavřený.

🔌 Aplikace v praxi

Elektrické obvody jsou všudypřítomné. Tvoří základ pro:

• Domácí spotřebiče: Od jednoduchých, jako jsou svítilny a topinkovače, až po složité, jako jsou televize, pračky a mikrovlnné trouby.
• Osvětlení: Včetně domácího osvětlení nebo vánočních světelných řetězů.
• Elektronika: Počítače, mobilní telefony, rádio a audio zesilovače.
• Doprava: Elektrické systémy v automobilech, vlaky, tramvaje a elektromobily.
• Průmysl: Řídicí systémy, robotika a výrobní linky.
• Věda a lékařství: Měřicí přístroje, EKG, defibrilátory a další lékařská zařízení.

⚠️ Bezpečnostní rizika

Práce s elektrickými obvody, zejména těmi, které jsou připojeny k síťovému napětí, je nebezpečná a vyžaduje dodržování bezpečnostních pravidel.

• Úraz elektrickým proudem: Průchod proudu lidským tělem může způsobit svalové křeče, popáleniny, zástavu srdce a smrt.
• Zkrat: Nežádoucí vodivé spojení mezi dvěma body s různým potenciálem (např. kladným a záporným pólem), které způsobí průtok velmi velkého proudu. Může vést k přehřátí vodičů, požáru nebo explozi zařízení.
• Požár: Přetížené nebo poškozené obvody se mohou přehřívat a zapálit okolní materiály.

Základní ochranou je používání pojistek a jističů, které při nadproudu nebo zkratu obvod automaticky přeruší, a také použití proudových chráničů. Při jakékoli manipulaci s elektrickými zařízeními je nutné je nejprve odpojit od zdroje napětí.

Zdroje

Elektrický obvod - Wikipedie Sériové a paralelní zapojení | E-manuel.cz - online učebnice fyziky Co je to elektrický obvod | hobbytec.cz Elektrický obvod: co to je, k čemu slouží a typy | Redeweb Elektrické obvody - Prezentace - IS MUNI Analogový obvod - Wikipedie Typy elektrických obvodů - krusinsky.cz Elektrické obvody-Typy elektrických obvodů - Průmyslové zprávy - Novinky - Hangzhou NeoDen Technology Co, Ltd Kirchhoffovy zákony - Eduportál Techmania Elektrický obvod - Eduportál Techmania Elektronický obvod - Wikipedia Elektrické obvody a Ohmův zákon - úvod (video) - Khan Academy Jednoduchý el obvod - Fyzika 007 Ohmův a Kirchoffův zákon - U=R*I - Vzorec pro napětí - Botland.cz Ohmův zákon, Kirchhoffovy zákony a jejich aplikace - Studijni-svet.cz Sériové a paralelní zapojení - fyzika 8 ZŠ - YouTube Bezpečnost při práci s elektrickým zařízením Ohmův & Kichrhoffův zákon - EAS elektro Sériové zapojení - Wikipedia Bezpečnost při práci s elektřinou a elektrickými zařízeními - Dokumentace BOZP a PO Zásady bezpečné práce s elektrickými zařízeními, které jsou pod napětím Elektrický obvod, 6. ročník, Fyzika ZŠ - YouTube Bezpečnost a ochrana zdraví při práci s elektřinou - Živnostník profi Analogové vs. digitální obvody - PCBasic Bezpečnost při práci s elektrickým zařízením - Rekvalifikace, kvalifikace, kurzy a školení elektrikáře 27. Ohmův zákon, Kirchhoffovy zákony a jejich praktické aplikace Elektrický obvod - fyzika 8 ZŠ - YouTube Sériově a paralelně zapojené rezistory - shrnutí (článek) - Khan Academy Elektřina - Wikipedia Historie elektřiny - Kdo ji objevil a proč se jí lidé báli?