Elektronika pro rošťáky roboťáky 1

1 HSES 062017 Jiří Hrbáček

Elektrické napětí a proud

Elektrické napětí je dáno potenciálním rozdílem dvou míst (bodů). Jsou-li oba body na stejném potenciálu není mezi nimi napětí. Můžeme také říct, že je mezi nimi napětí rovné 0.

Poznámka: Protože elektriku, napětí ani proud nemůžeme vidět, je dobré si je nějak pro snazší pochopení zobrazit přirovnáním. Rozdíl potenciálů si můžeme znázornit například pomocí rozdílné výšky nakloněné roviny, nebo různou velikostí kuliček znázorňujících velikost napětí. Každý si může vybrat, co je pro něj srozumitelnější a pochopitelnější.

Přirovnání se může zdát jako mnohdy zbytečné “vysvětlování pro hloupé”. Jde však skutečně o velmi užitečnou metodu, která dokáže názorně vysvětlit a umožní představit si, jak se chová nějaký pro nás moc abstraktní sytém, jakým například chování elektriky je. Elektřinu nemůžeme vidět, slyšet, nevoní. Když se jí dotkneme, můžeme ji nepříjemně cítit, ale může nás i zabít. Jediná reálná cesta k zjištění, jak to s ní je, je měření, nebo to lze vysledovat podle různých jejích projevů. Při tom můžeme využívat zjednodušování skutečného dění, je-li složité, a postupně se tak dopracovat ke správnému pochopení všech souvislostí.

Vyspělejší formou přirovnání je analogie. Analogické systémy jsou takové, které mají úplně stejné chování v daných situacích. Analogie se využívá ještě seriózněji a pomáhá ve vývoji systémů. Nejen k pochopení jejich činnosti, ale k simulaci jejich chování v reálném prostředí. Příkladem může být analogie elektrického RLC obvodu s mechanickým systémem, například s automobilem. Jeho hmotností, tlumením a odpérováním kol podvozku. Rychlost vozu a tvar povrchu vozovky analogicky modeluje průběh a velikost napětí, které pouštíme do RLC obvodu. Tato analogie nám v laboratoři dovolí přesně zvolit jaký typ tlumiče a jaká péra má mít auto příslušné hmotnosti, aby bylo při jízdě na silnici s různým tvarem povrchu silnice v požadovaném rozsahu rychlosti jízdy stabilní, jízda bezpečná a auto dobře “sedělo” na silnici a bylo dobře ovladatelné. Vše můžeme namodelovat v laboratoři a není třeba složitě, nebezpečně a draze jezdit se skutečným vozem po různých površích a zkoušet různá péra a tlumiče a sledovat jejich chování.

Pokud oba body na stejném potenciálu nejsou, naměříme mezi nimi nenulové napětí. Velikost tohoto napětí je dána velikostí potenciálního rozdílu obou bodů.

Na obrázku vidíme dvě různá přirovnání této situace. Vpravo je potenciál dán velikostí kuliček a rozdíl potenciálů tedy rozdílem velikostí kuliček ve dvou různých bodech (na levé a pravé straně izolované překážky). Na obrázku vlevo je potenciál (velikost napětí) dána výškou podložky a množstvím kuliček, které tlačí na přepážku.

Elektronika pro rošťáky roboťáky 1

2 HSES 062017 Jiří Hrbáček

Je jen na vás, který způsob je vám bližší a pochopitelnější. Zde jsem chtěl ukázat, že existuje velké množství možných způsobů vysvětlení a jen těžko se dá říct, který je lepší. Jistě, že i vy jste schopni vymyslet třeba ještě nějaký další a třeba i názornější.

Poznámka: Při bouřce jsou blesky. Blesk může vzniknout jedině tehdy, když vznikne mezi mrakem a zemí, nebo mraky mezi sebou tak velké napětí (potenciální rozdíl), že již vzduch nedokáže zabránit jeho vyrovnání. Překročí se elektrická pevnost vzduchu a přeskočí mezi nimi obrovská jiskra – blesk.

Jen tak pro zajímavost - aby přeskočila jiskra ve vzduchu na vzdálenost 1 mm, je k tomu třeba napětí 1000 V. Dovedete si představit, jak vysoké napětí musí být mezi mraky, nebo mraky a zemí, když udeří blesk, který je dlouhý třeba 100 m?

O tom, kolik energie je v jednom blesku, píše na svých stránkách například ČEZ: https://www.cez.cz/edee/content/microsites/elektrina/zaj2.htm

Uvádí zde například: „délka dráhy blesku je v průměru 2-3 km, trvání 0,001 s a teplota 20.000°C i víc. Napětí mezi mrakem a zemí je desítky až stovky milionů V, průměrný proud kolem 20.000 A. Energie, uvolněná při úderu blesku, je obrovská a dosahuje i několika stovek kWh“.

Jak vzniká blesk si můžete přečíst na eduportálu techmánie například zde: http://edu.techmania.cz/cs/encyklopedie/fyzika/meteorologie/atmosfericke-jevy/vznik-blesku

Meteorologové při bouřkách blesky počítají. Je zajímavé, že podle nich při běžné bouřce uhodí zhruba tísíce až desetitisíce blesků. Bývají ale i bouřky, jako například 23.června 2017 V České republice za 24 hodin uhodilo 298 727 blesků.

Propojíme-li dvě místa se stejným potenciálem, je mezi nimi nulové elektrické napětí a proud tedy neteče.

Elektronika pro rošťáky roboťáky 1

3 HSES 062017 Jiří Hrbáček

Propojíme-li místo s vyšším napětím (větším elektrickým potenciálem) s místem s nižšším napětím (menším elektrickým potenciálem), začne mezi nimi protékat proud, který teče z místa s vyšším napětím do místa s nižším napětím.

Místo s vyšším napětím označené U1 je kladnější (označujeme je znaménkem +), než místo s nižším napětím označené U2 (které označujeme znaménkem -). Napětí mezi těmito místy je U = U1 – U2, šipka označující napětí jde od + k -, tedy od místa s vyšším k místu s nižším napětím.

Poznámka: V době minulé, kdy vznikaly zásadní elektrotechnické teorie, bylo definováno, že proud teče od plusu k mínusu. Až mnohem později se zjistilo, že proud je uspořádaný pohyb volných elektronů a ty, protože mají záporný náboj, se ve skutečnosti pohybují od mínusu k plusu. Aby se všechny poučky a zákony nemusely měnit, dodnes při výpočtech v elektrotechnice počítáme s tím, že proud teče od plus k mínus. Ničemu to nevadí, nezpochybňuje to žádné z dříve definovaných zákonů a pouček. Tak si prostě jen pamatujeme, že proud teče od plus k mínus, ale elektrony se pohybují od mínusu k plusu.

Cvičení:

1. Teče proud od plus k mínus, nebo od mínus k plus? 2. Plus je v místě vyššího nebo nižšího potenciálu?

Elektronika pro rošťáky roboťáky 1

4 HSES 062017 Jiří Hrbáček

Stejnosměrný a střídavý proud

Stejnosměrný proud, jak již sám název napovídá, je takový proud, který v čase nemění svůj směr. Teče stále stejným směrem. Plus a mínus je stále na stejných svorkách zdroje.

Střídavý proud mění svůj směr a velikost v čase. Půlku jednotky času teče jedním směrem a druhou půlku druhým směrem. Této jednotce času říkáme perioda, protože proud za tu dobu nejdříve teče jedním a pak druhým směrem a tyto změny se periodicky opakují.

Periodu označujeme písmene T. Počet period za sekundu je pak frekvence střídavého proudu. Vztah mezi nimi je následující:

f = 1/T

kde: f – frekvence střídavého proudu v Herzích [Hz] T – perioda proudu v sekundách [sec]

V elektrické síti se v Evropě používá frekvence 50 Hz, což odpovídá periodě 20 ms (0.02 sec).

Houpačka na obrázku změní za sekundu stokrát svoji polohu. Každá změna polohy houpačky vyvolá změnu směru proudu. Změna však nenastane skokem, ale houpačka se plynule houpe a poud teče napřed jedním směrem, pak se snižuje až neteče žádný, pak začně téct opačným směrem, až při maximálním náklonu má zase největší velikost.

Elektronika pro rošťáky roboťáky 1

5 HSES 062017 Jiří Hrbáček

Podíváme-li se na napětí na svorkách zdroje, vidíme, že se napětí (a také proud) mění plynule a jejich průběh má sinusový tvar. Takovému průběhu proudu říkáme harmonický průběh. Graf závislosti velikosti proudu na čase je na následujícím obrázku.

T

Elektronika pro rošťáky roboťáky 1

6 HSES 062017 Jiří Hrbáček

Účinky elektrického proudu na lidský organizmus

Zajímá-li nás elektronika a elektrotechnika, dokonce i pokud nás nezajímá, musíme si uvědomit, že elektrika je všude kolem nás a může být pro nás prospěšná, ale i nebezpečná. Dokonce smrtelně nebezpečná. Proto se zde podívejme, alespoň stručně, na její účinky na lidský organizmus.

Víme, že lékaři elektrický proud využívají pro jeho léčebné účinky (například elektroléčba), používá se při oživování lidí, jímž se zastavilo srdce (defibrilátory), pomáhá při některých nemocech doprovázených poruchami srdečního rytmu. Udržuje srdce v bezchybné a pravidelné činnosti (kardiostimulátory - pacemakery) apod. Bohužel se ještě někde ve světě využívá k popravám (elektrické křeslo – například v některých státech USA).

Jaký vliv může mít elektrický proud na lidský organizmus? O tom podrobně mluví norma IEC 479. Lidské tělo klade průchodu proudu odpor. Ten je jiný pro stejnosměrný proud (odpor) a střídavý proud (odpor závislý na kmitočtu - impedance).

Zajímavé informace o účincích elektrického proudu na organizmus byly například shrnuty Michalem Křížem v článku, který naleznetme zde: http://elektrika.cz/data/clanky/o-ucincich-proudu-na-lidsky-organismus. Tady je ještě jiný zdroj, který stojí za přečtení: http://test-wiki3.lf1.cuni.cz/w/Účinky_elektrického_proudu_na_organismus Protéká-li tělem střídavý proud o frekvenci 50 Hz déle než 5 sec , začínáme jej pociťovat při proudu přibližně 0.5 mA. Od této hodnoty až do zhruba 3 mA pociťujeme v místě dotyku (kde proud do těla vstupuje a vystupuje) ne nepříjemné mravenčení a brnění. Proud o velikosti 1 – 8 mA dráždí nervy a stoupá nám krevní tlak. Držíme-li vodiče rukou a zvyšuje se proud, brnění zesiluje a začínají se svírat svaly, které jsou pod vlivem proudu. Při proudu asi 10 mA sevření je již tak silné, že vodič nelze pustit z ruky. Proud 20 mA již může mít škodlivé patofyziologické následky (poškození tkání apod.). Proud 25 mA způsobuje křeč dýchacího svalstva a dochází k zástavě dýchání. Od proudu 35 mA již může dojít k přechodné zástavě srdce (fibrilaci srdečního svalu). Srdce přestane pumpovat krev a jen se chvěje. Při proudu asi 80 mA již téměř jistě dochází k trvalé zástavě srdce. Jde-li o stejnosměrný proud (například z baterie apod.), začínáme jej pociťovat až při přibližně 2 mA. Od této hodnoty až do zhruba 25 mA pociťujeme mravenčení a brnění. Při proudu asi 150 mA je sevření svalů tak silné, že vodič nelze pustit. Při proudu 180 mA může dojít k zástavě srdce. Při proudu asi 300 mA je srdeční zástava téměř jistá. Jak vidíme, sneseme vyšší hodnoty stejnosměrných proudů oproti střídavým. Čím déle elektrický proud tělem protéká, tím horší to má následky. Oba proudy způsobují rozklad krve, svalové křeče, které vedou k zástavě dýchání. Stejnosměrný proud navíc neblaze působí na buněčné membrány. Velký podíl na odporu těla má odpor kůže. Odpor při dotyku se skládá z odporu kůže (2x – místo vstupu a výstupu proudu) a odporu vnitřních orgánů těla. Při 25V je individuálně od 1000 Ω až 9000 Ω. Do 50V je odpor kůže velký (můžeme změřit ohmmetrem) a odpor orgánů je proti němu malý. Odpor těla se také silně snižuje v závislosti na psychickém stavu (únava, deprese, vzrušení) a alkoholu. Může klesat až na 400Ω. Pro zvyšující se napětí klesá odpor kůže a je závislý na její vlhkosti apod. Od napětí přibližně 200 V již odpor kůže nemá vliv na odpor těla. Odpor těla při napětí 230 V (napětí v zásuvce) je přibližně v rozsahu 100 Ω až 2500 Ω . Má-li tělo větší odpor, poteče jím menší proud a opačně (Ohmův zákon – budeme se jím zabývat již brzy).

Elektronika pro rošťáky roboťáky 1

7 HSES 062017 Jiří Hrbáček

Nejnebezpečnější je, prochází-li proud přes hlavu (zasahuje mozkové centrum) a pak jde li oblastí srdce (levá –pravá ruka, levá ruka-levá noha). Z uvedeného je jasné, že elektrika je dobrý sluha, ale zlý pán! Není třeba se jí bát, je třeba však vědět, jak s ní zacházet, znát její nebezpečí a vědět, jak jí lze využít tak, aby dobře sloužila.

Důležité informace z normy. Norma také definuje

Bezpečný proud - střídavý je do 3.5 mA, stejnosměrný pak do 10 mA. Bezpečné prostředí - prostředí s nižší vlhkostí a teplotou. V tomto prostředí je bezpečné stejnosměrné napětí do 100 V a bezpečné střídavé napětí do 50 V. Zvláště nebezpečné prostředí – prostředí s vysokou vlhkostí a vysokou teplotou. Bezpečné hodnoty napětí se sníží u stejnosměrného napětí na 24 V a u střídavého napětí na 12 V. U střídavého proudu je významná při hodnocení nebezpečí také jeho frekvence. Nejnebezpečnější hodnoty frekvence se pohybují v rozmezí 50 - 60 Hz, což je frekvence elektrické sítě. Tato frekvence je blízká frekvenci pumpování srdce. Pokud je srdce pod vlivem proudu o této frekvenci, velmi brzy přestane pumpovat krev a začne fibrilovat.

První pomoc při úrazech elektrickým proudem nebo bleskemje popsána podrobně zde: https://www.zachrannasluzba.cz\zajimavosti\2011_elektroinstalater_uraz elektrickym proudem.pdf

Prostudujte si ji!!!!

Tady alespoň stručné zásady

Je nutno ihned:

1. Přerušit spojení těla postiženého se zdrojem proudu (nevodivou holí, suchým oděvem nebo botami, u vysokého napětí nutno vypnout proud!), nepodlehnout zmatku, aby nedošlo k zasažení zachránce!

2. Orientačně vyšetřete postiženého. Pokud nedýchá resuscitovat podle letáku níže! 3. V případě, že jste svědky zasažení, můžete zahájit oživování úderem pěstí do krajiny srdeční:

malíkovou hranou pěsti z výše asi 20 cm prudce uhodíte do hrudní kosti ve středu hrudníku (přibližně uprostřed mezi bradavkami) a zkontrolujete na krkavici (největší tepně po straně krku), zda se neobjevil tep.

Úder do krajiny srdeční

4.

Elektronika pro rošťáky roboťáky 1

8 HSES 062017 Jiří Hrbáček

AED – automatický externí defibrilátor, který ale asi obvykle k dispozici není.

Cvičení:

1. Co je fibrilace srdce? Co dělat, dojde-li k ní? 2. Jaké je bezpečné stejnosměrné napětí ve zvlášť nebezpečném prostředí?