Jak to ty elektrony dělají?  
Naprostá většina populace v rozvinutém světě denně, respektive spíš neustále, využívá elektrický proud. Ale skoro nikdo netuší, co to vlastně ta elektřina je a jakými zákony se řídí. Občas někdo si ze školy vzpomene, že jsou tam nějaké elektrony a to je tak asi všechno. Pojďme se podívat, jako to ty elektrony vlastně dělají, že je s nimi tolik legrace.


Víme, že elektrický proud je přenos elektronů. Drát si tedy můžeme představit, jako vodovodní trubku a elektrony třeba jako molekuly vody. Pak můžeme definovat základní pojmy:


Proud představuje množství elektronů, které projdou za jednotku času, tedy vlastně něco jako průtok. Ve vodovodu ho měříme na litry za sekundu, v drátech nám tečou ampéry.
Napětí
elektrony nutí k tomu, aby se pohybovaly žádoucím směrem. Je to tedy něco jako rozdíl tlaků. V potrubí ho měříme dejme tomu v pascalech, atmosférách a pod., v drátech máme volty.
Náboj je veličina, udávající množství elektrického proudu, je tedy úměrný počtu elektronů, které nás z daného pohledu zajímají a můžeme si ho představit třeba jako litry vody. Jeho jednotkou je coulomb, který získáme, pokud necháme 1 A procházet po dobu 1 sekundy.
Zdroj je zařízení, které uvádí proud do pohybu. Tedy něco jako čerpadlo. Stejně jako čerpadlo jedním koncem nasává a druhým vodu tlačí, zdroj jedním koncem „nasává“ elektrony (tomu říkáme kladný pól) a druhým je tlačí ven (tomu říkáme záporný pól ).
Spotřebič je zařízení, které proud brzdí a tím mu odebírá energii, měníce ji do požadované formy. Tedy něco jako mlýnské kolo, nebo raději hydraulický motor.


Když zavřeme kohoutek, je to něco jako když vypneme vypínač. Čerpadlo dál udržuje tlak v potrubí, ale voda neteče. V drátech je tedy napětí, ale neprochází jimi proud. Někde tady ale podobnost začíná pokulhávat. Když kohoutek otevřeme, může nám voda za (ne)vhodných okolností vytéct na podlahu. To elektřina běžně nedělá. Pojďme se podívat, kde je rozdíl. S vodou je to jasné, teče kamkoli, kde je pro ni místo. Proud naopak nejraději prochází pevnými věcmi, ale jen některými. Říkáme jim vodiče a jsou to téměř výhradně kovy.


Zda je materiál vodivý, nebo není, závisí na tom, jak si jeho atomy hlídají své elektrony. Některé jsou v tomto ohledu velmi benevolentní a část svých elektronů nechávají volně toulat mezi podobně bezstarostnými kolegy. Takovým elektronům říkáme vodivostní a materiálům, které je mají, vodiče. Ostatní jsou povětšinou zcela nevodivé a říkáme jim izolanty. Pak máme ještě polovodiče, ale o nich zas někdy jindy. Odlišně to funguje též v roztocích.


Nyní zkusíme stanovit, jakou rychlostí se takové elektrony ve vodiči pohybují. Pro jednoduchost budeme předpokládat proudovou hustotu 1 A/mm2 (prakticky používané hodnoty jsou do 6-10 v kabelech elektroinstalací, do 1-10 ve vinutí transformátorů a větších motorů, ale třeba až 30 v malých modelářských motorcích). Zároveň budeme předpokládat, že atomy jsou od sebe vzdálené 0,26 nanometru (nano je miliardtina), což je typická hodnota pro měď - nejpoužívanější vodič. Na 1 mm2 takových atomů připadá 14,8.1012, tedy asi 15 bilionů, metr vodiče jich obsahuje 55.1021, tedy 55 triliard. Náboj jednoho elektronu je 1,602.10-19 C. Má-li každý atom jeden vodivostní elektron, bude coulomb obsažen v 0,62.1019 atomech, což je v případě našeho drátu 0,11 mm jeho délky. Závěrem je tedy zjištění, že proud se naším vodičem šourá neuvěřitelně šnečím tempem 0,11 mm/s (kterému říkáme driftová rychlost), což se může zdát podezřelé, vezmeme-li v úvahu, že když stiskneme vypínač, lampička se rozsvítí hned. Zde zas pomůže analogie s vodou: Když trochu pootevřeme kohoutek, voda v trubce se taky pohybuje pomalu, přesto se pohyb rychle rozšíří do celé její délky. Jak rychle? Rychlostí zvuku, což je ve vodě asi 1,5 km/s. Podobně je to s elektrony, mezi kterými se „rozkaz“ k zahájení pohybu šíří rychlostí světla (přesněji rychlostí elektromagnetických vln v materiálu izolace, ale o tom zas někdy jindy).

 

Zvětšit obrázek
Nejjednodušší představa elektronů ploužících se vodičem: Poklidně se šourají od atomu k atomu, rychlostí danou proudovou hustotou.

Výše uvedený popis je už celkem dobře prakticky použitelný a i dost rozřířený mezi velkou částí elektrotechnicky vzdělané veřejnosti. Jenomže s elektrony hýbe nejen proud, ale i teplo, které jak známo hýbe se vším. No a protože elektrony jsou suverénně nejlehčí, tak se podle zákona zachování hybnosti musí po srážkách s kmitajícími atomy pohybovat rychle. Vzhledem k ohromnému nepoměru mezi hmotností atomu a elektronu je jasné, že rychlost bude závratná. Při běžné, pokojové teplotě je to v řádu km/s. Elektrony se tedy ve vodiči volně a velmi rychle chaoticky pohybují všemi směry a narážejí při tom do atomů a hranic vodiče. Tomuto mumraji říkáme elektronový plyn. Jestliže prochází proud, je k tomuto pohybu přičten nepatrný vektor směřující žádoucím směrem.

 

Zvětšit obrázek
Elektron jako opilá, neřízená střela: Poklidné šourání nahradí bujaré poletování všemi směry a narážení do všeho, co je v cestě. Procházející proud představuje nepatrnou rychlost, která se k tomuto blázinci přičte.

Za povšimnutí ještě stojí, že vodivostní elektrony svým pohybem samozřejmě šíří i teplo. Proto jsou vodiče elektrické i dobrými vodiči tepla. To je velmi příjemné zjištění, pokud chceme odvést teplo z elektrického zařízení, ale také velká komplikace, pokud bychom vyžadovali elektricky vodivý tepelný izolant. Praktickým důsledkem jsou například mizerné parametry peltierových baterií.


Vodič ovšem není homogenní, takže ani tato představa ještě není dokonalá. Kov má mikrokrystalickou strukturu. Při tuhnutí taveniny totiž na mnoha místech začnou růst krystaly, které se posléze v různých vzájemných polohách potkávají a tam to „hapruje“. Také jsou v něm nečistoty a příměsi, které situaci dále komplikují. No a nakonec je tu samotný výrobní proces, který obsahuje dosti násilné mechanické zpracování. Jestliže z úhledného válečku postupným tažením vyrobíme kilometrový drát, z původní struktury toho moc nezbyde.

 

Zvětšit obrázek
Elektron jako míček v Pinballu: Odráží se od hranic jednotlivých mikrokrystalů a atomů. Někdy se člověk diví, jak to, že ty elektrické přistroje vůbec fungují.

Ani tento popis není kompletní, ale pro dnešek by už mohl stačit. Někdy později se v tom budeme vrtat ještě hlouběji. Příště se pro změnu podíváme trochu více na jevy spojené s rychlými změnami velikosti a směru proudu.

Autor: Pavel Hudeček
Datum: 16.09.2013 11:40
Tisk článku

Fyzika - Zámečník Josef K.
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 206 Kč
cena: 183 Kč
Fyzika
Zámečník Josef K.

Diskuze:

Pokračování

Jirka Niklík,2013-10-30 12:15:29

Tak kdy bude pokračování?
Přesně tenhle typ výkladu mi vždycky chyběl. Prošel jsem elektro průmyslovkou, a představu co se děje v drátech jsem neměl. Že se to tam pomalu plouží jsem pochytil ke svému překvapení až na elektro fakultě. A tak je to se vším - výklady složitých jevů jsou v učebnicích víceméně unifikované, autoři je od sebe opisují, žáci je papouškují, a nikdo tomu pořádně nerozumí. Krásný příklad je vztlak křídla - obvyklý výklad, že nad vypouklou horní stranou křídla "proudí vzduch rychleji, a proto je tam podtlak" se prý objevil ve 30. letech a od té doby ho všichni opisují. Ale když se zeptáte, proč lítají modely s úplně plochým křídlem, a velká letadla s úplně symetrickým profilem, a proč může letadlo dlouhodobě letět na zádech, tak se to nedozvíte...
Podobný zmatek vládne třeba ve výkladu přílivu a odlivu, Foucaultova kyvadla, stavu beztíže, oběžných drah družic, fungování tranzistoru, o teorii relativity nemluvě...
Takže více polopatických výkladů s upozorněním na drobnosti, které většině lidí při konvenčním výkladu uniknou!

Odpovědět

Dobrý den.

Poz Návám,2013-09-22 18:49:18

Vaše snaha je chválihodná , ale použil jste příklad, který člověka neznalého vědy elekrotechnické spíše zmate i když bude mít pocit, že konečně pochopil, co to vlastně to napětí, proud a el. náboj vlastně je.

Odpovědět

Takze konkretneji

Pan Berousek,2013-09-20 14:15:59

Jak pisete vyse, nektera zjednoduseni je treba brat, s tim nemam problem, takze beru vodic, polovodic i izolant *pro vasi informai, vsechny materialy jsou vodive, zalezi jen na potencialu nikoliv na napeti. stejne tak lze teoreticky dokazat, ze za urcitych podminek je med nevodiva.

Urcite lze primhourit oko i nad definici zdroje spotrebice a napeti.

Co ale rozhodne opravu potrebuje, je definice proudu a naboje, ktere jsou opravdu naprosto spatne. Drobna hipoteticka napoveda, elektron s nulovym nabojem nevyvola zadny proud.

Odpovědět


Pavel Hudecek,2013-09-20 14:40:17

Diskutované popisy si nedávají za cíl konkurovat korektním fyzikálním definicím. Pro tento článek jsou však bohatě postačující. Rozhodně by se neměly komplikovat hypotetickou situací, co kdyby elektron neměl náboj. Možná to chtělo zmínku o protonech, ale vzhledem k tomu, že se v drátech nepřesouvají, není to nutné.

Odpovědět

Co to ten elektron vlastně je?

Miko Landa,2013-09-20 11:12:47

Bojím se bojím, že vysvětlení elektromagnetismu bude muset být v blízké budoucnosti provedeno trošku jinak. Zřejmě to vyřeší tzv. "teorie všeho", hledaná teorie velkého sjednocení všech interakcí, zřejmě teorie kvantové gravitace.
Podstatné totiž je co to ten elektron vlastně je. Je to částice, je to vlna, je to oboje?! Nebo je to struna - podle superstrunové teorie? A co elektrony v různých energetických stavech nebo volné elektrony - elektrony mimo látku mimo atom. Jsou to ještě elektrony nebo už energie svého druhu (energie sbalená na cesty) = foton. A opět, je foton částice, vlna, je oboje nebo je to struna?
Na úrovni elektronu (kvantové fyziky) je divné mluvit o teplu. Zde je to již zřejmě jedna z forem (kvantové) energie jako jiný energetický stav elektronu, vyzářený nebo pohlcený foton...
Obávám se, že vysvětlení elektromagnetismu=magnetismu zde bude: "když na magnet položíme papír, na který nasypeme železné piliny...".
Chtělo by to hlubší vhled, vymezení v poloze současného poznání. Protože zítra, zítra už může byt všechno jinak!
Ze světa teorie všeho zdraví Miko.

Odpovědět


Pavel Hudecek,2013-09-20 11:53:12

Obávám se, že tady moc nepotěším. Fyzika si neklade za cíl zjistit, jak to uvnitř doopravdy je, ale jen získat schopnost předpovědět, jak dopadnou nějaké situace. Nevíme tedy co je elektron, ale dokážeme předpovědět, co a s jakou pravděpodobností se stane, když se dva elektrony nějakým definovaným způsobem potkají.

Elektrické, kvantové, či relativistické veličiny mají tu vlastnost, že se s nimi člověk buď sžije a začne je používat, nebo od nich utíká k analogiím s "běžným" světem a tak zůstává stát na počátku cesty.

Odpovědět

Napětí

Petr Nejedlý,2013-09-20 08:03:27

V mládí jsem si býval jist napětím, bylo pro mne tou krásnou analogií vysokého kopce, ze kterého ty elektrony utíkají, ale postupem času mi zbyl mnohem jasnější pohled na proud a pojem napětí se pro mne stává čím dál abstraktnějším.
Co způsobuje, že těch 83 elektronů, které někde přebývají, posunou potenciál o 0.73V? Kapacita, říkáte, ale co je ona kapacita? Jakási kvalita, která působí tak, že čím víc ji mám, tím více elektronů můžu někam schovat na jednotkovou změnu napětí. Žárovka je baňka, která je baňka.
Z čeho kapacita pramení, jaká je její fyzikální podstata? Co způsobuje, že některé materiály snesou těch elektronů na povrchu víc a některé míň (na onu jednotkovou změnu napětí) A co je tedy vlastně ono napětí?
Nic z toho mi nebrání ony jevy používat a počítat s nimi, jen si je nějak nedokážu lépe myšlenkově vizualizovat (tím méně se třeba věnovat materiálovému inženýrství za lepší kondenzátory).

Má někdo dobrou odpověď na takto vágně "nevyřčené" otázky?

Odpovědět


Pavel Hudecek,2013-09-20 11:41:33

Základní problém je, že všechny analogie mají své hranice použitelnosti, takže jim buď musíme nějakou tu nepřesnost odpustit a moc se v tom nevrtat, nebo je zavrhnout úplně, ale pak zas nezbývá než se spokojit s poněkud abstraktnějšími pojmy, které nemají přímou spojitost se světem našich smyslů.

Pokud se tedy s analogiemi spokojíme, tak ten kopec není špatný, při vhodně nakresleném schematu je pak hezky vidět, kde a kterým směrem poteče proud. Ale běda když obrázek nakloníme. Poněkud lepší je představa potrubí a tlaku, resp. rozdílu tlaků mezi různými místy. Když to bude navíc tlak dokonale lehkého elektronového plynu, zcela zanikne závislost na tom, kde je nahoře a kde dole. Ale taky není dobré se v tom vrtat, z plynu kouká termodynamika, jenže ta se u elektřiny normálně prakticky vůbec neprojevuje.

Kapacita je prostě veličina udávající kolik coulombů tam lze uskladnit na každý volt zvýšeného napětí. Prakticky závisí na vlastnostech prostoru mezi elektrodami. Roste s plochou, klesá se vzdáleností a závisí také na materiálu izolace, resp. na jeho parametru zvaném permitivita.

Odpovědět

Cesta do pekel je dlážděna dobrými úmysly

Pan Berousek,2013-09-19 23:39:39

Dobrý den,

aktivita chvályhodná, ale pokud má osvěta splnit svůj účel, bylo by dobré opravit fatální chyby v definicích a vzhledem k atomové struktuře se vyvarovat superlativů typu zcela, výhradně, atd.

Dále příklad evokuje použitý materiál měď, ale v tom případě není vzhledem k elektronegativitě 1,9 předpoklad jednoho vodivostního elektronu namístě.

Děkuji za opravy a těším se na další články.

Odpovědět


Pavel Hudecek,2013-09-20 11:02:47

S tím jedním elektronem se v příkladech na toto téma počítá a to i když je tam přímo uvedena měď. Proto jsem použil stejný předpoklad. Mnohem zajímavější je zjištění, že výsledky příkladů se poněkud liší v závislosti na tom, zda byla použita atomová hmotnost, nebo meziatomová vzdálenost. Jelikož nic z toho ale nemá praktický vliv na fungování elektrických obvodů, dále jsem se v tom nevrtal.

Ostatní výtky jsou poněkud nekonkrétní.

Odpovědět

Moc povedené!

Jan Kment,2013-09-19 16:31:58

Ono, jedna věc je na něco přijít (nebo něco nastudovat a pak to oddrmolit zkouškové komisi) a jiná věc je vysvětlit to zbytku světa tak krásně srozumitelně! Nějaký Georgias kdysi tvrdil, že nic neexistuje, dokud to nepoznáme a nesdělíme. Možná i dnešní fyzika míří dnes podobným směrem...(???) Tak by se snad mohlo říct, i když elektřina byla již objevena, vy jste ji, pane Hudečku, právě stvořil!

Odpovědět

Supravodič

Pavel Kolar,2013-09-18 22:56:05

V supravodiči si představte, že kvantová neurčitost elektronu se rozšíří na celý vodič a tudíž zmizí odpor. Vím, není to přesné, je to jen přiblížení k představě, ale pomůže to. Tyhle analogie mohou významně napomoci chápání. Další "supra" vlastnosti jsou vlastně ze stejného soudku. Supratekutost nebo supratuhost.
Ta kvantová nerozlišitelnost je v podstatě matkou i samotné vodivosti, ale je jen lokální a omezená. Nehodlám to vysvětlovat, je to dost obtížné na specifickou představivost kterou většina lidí postrádá.

Odpovědět

Neuvěřitelné

Jan Taurus,2013-09-18 16:26:55

A neděláte si vy z nás srandičky? Voda v potrubí teče nikoliv podle rychlosti zvuku, ale podle tlaku jakým se vhání do potrubí. A analogicky z toho vyplývá že u elektřiny to bude napětí.
Já sice nejsem teoretický elektrotechnik, ale praktický, ale tohle se mi nezdá. Jistě některé části toho příspěvku jsou zajímavé, například to posouvání elektronů.
Nyní mně tady můžete rozcupovat, máte to ode mně povoleno :)))

Odpovědět


Jan Valečka,2013-09-18 18:01:41

Tady nejde o rychlost vody v potrubí/elektronů v drátu, ale o rychlost, s níž se šíří informace o tom, že se otevřel kohoutek/zapnul vypínač. Když otevřete kohoutek, tak celým natlakovaným potrubím až k čerpadlu se začne voda dávat do pohybu směrem ke kohoutku. Bez ohledu na rychlost pohybu vody se hranice pohybující se vody a nepohybující se vody šíří rychlostí zvuku.

Odpovědět

Díky - těším se na další články.

Enders Xenocida,2013-09-17 20:12:53

Je to pěkně popsáno - docela by mě zajímal pohyb elektronů v taseru nebo Teslově cívce.

Odpovědět


Pavel Hudecek,2013-09-17 21:59:52

Příští díl se bude naopak od elektronů tak trochu distancovat a to právě proto, aby se daly vysvětlit složitější věci:-)

Terminologická poznámka: Anglické Tesla coil se v češtině jmenuje Teslův transformátor. Anglický název více odpovídá vzhledu, český principu činnosti.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni