Rezistory jinak

Článek se snaží nastínit základni mechanismy vodivosti kovů a některé jevy při vedení proudu...

Něco o vodivosti

Nebylo by špatné nastínit pár informaci o mechanizmu elektrické vodivosti. Začneme u atomu: Okolo jádra se značně zmateně pohybuje několik elektronů. Elektronů je tolik, aby se atom jevil jako elektricky neutrální. V případě, že to není možné, hledá si v okolí nějakého kamaráda, se kterým by mohl sdílet své energetické "komplexy". Tak vznikají molekuly, ale i krystalové mřížky. Nebudu tu mluvit o meziatomových vazbách, ale jedna z nich stoji za zmínku - kovová. Tato vazba je dost pevná (kolik energie vyžaduje kus oceli na přeříznutí... ) a umožňuje atomům sdílet některé jejich elektrony. Elektrony se tedy do jisté míry volně pohybují krystalovou mřížkou. Pohyblivost elektronů souvisí s jejich energií, přičemž energií rozumíme energii tepelnou, světelnou nebo elektrickou. Elektrony se tedy pohybují chaoticky. Jejich okamžitá rychlost je blízká rychlosti světla, ale chaotický charakter pohybu způsobí, že se elektron prakticky "nepohne" z místa. V případě, že materiál vystavíme působení nějaké energie (tepelné, elektrické,...), bude chaotický pohyb trošičku usměrněn, tj. střední rychlost elektronu nebude nulová. Mechanismus elektrické vodivosti spočívá v působení orientovaného elektromagnetického pole na elektrony. Jak již bylo řečeno, pohyb elektronů ve směru působení pole bude převažovat nad pohyby do ostatních směrů - vzniká usměrněný pohyb elektronů. Kdybychom si ale označili jeden elektron a sledovali jeho pohyb, stačili bychom ho sledovat jen pár sekund a jeho rychlost přemísťování po materiálu by byla jen několik metrů za sekundu. Doba jeho "života" souvisí s níže popsaným jevem kmitání atomu a srážkami, ale když je jeho přemísťování po materiálu relativně pomalé, jak může byt "rychlost" elektrického proudu blízká rychlosti světla? Je to tím, že kolem pohybujícího se elektronu vzniká elektromagnetické pole, které se přenáší na další elektrony podobně jako z jiného zdroje pole a tím se energie přenáší na další a další elektrony - vzniká elektrický proud. Toto elektromagnetické pole se vytváří na povrchu vodičů a v jejich okolí a je nositelem energie, která se šíří rychlostí blízké rychlosti světla. Elektromagnetické pole tedy vytváří podmínky k šíření elektrické energie rychlostí světla.

Je třeba říct, že svou energii mají i atomy samotné a dávají to najevo kmitáním ze své rovnovážné polohy. Kmitání je úměrné energetickému stavu atomu, přeloženo: závisí na jeho "teplotě" - čím "teplejší", tím více kmitá. Kmitající atom má okamžitou rychlost poměrně velkou, ale okolo letící elektron má rychlost menší, takže je dost pravděpodobné, že do atomu narazí. Srážkou dojde k předání pohybové energie atomu, čimž se zvětší jeho energie a tedy i kmitání - kmitáním se zvýší tření mezi atomy a i teplota materiálu - materiál se zahřívá. Složení materiálu je rozhodující v otázce vodivosti, resp. odporu. Čím je kmitání atomu větší, tím častější jsou srážky a tím větší je odevzdávání energie materiálu - tím větší jsou tzv. ztráty - roste elektrický odpor. Tento jev bývá při přenosu energie nežádoucí, ale lze ho využít k elektrickému vytápění. Některé materiály vykazují velmi velké ztráty, které se mění na záření energie ve světelném spektru, lidově řečeno svíti průchodem elektrického proudu. Ale záření ve viditelném spektru je pouze malou částí celkové vyzářené energie - největší část energie je tepelná (infračervené zaření).

Samozřejmě nelze předpokládat, že celý materiál bude v každém místě vystaven stejné intenzitě energie. Uplatňuje se zde také jev zvaný difuze, který lze pozorovat třeba přiložením savého papíru okrajem na mokrý povrch. Vyrovnává se tady koncentrace vody a papíru (papír by se rozpouštěl do vody, ale protože jeho "difuzní konstanta" je jiná, trvalo by to nějaký ten týden ;). V případě elektronů s různou energii je to podobné - elektrony s vyšší energií se snaží přejít do míst, kde jsou elektrony s menší energií. Odborně řečeno, difuzní spád je exponenciální funkcí.

Do mechanismu vodivosti se zapojují i jevy elektromagnetického pole. Jeho průvodním jevem je působení sil na různé zúčastněné prvky. Například elektrony jsou vytlačovány tímto polem na povrch vodiče - tzv. skineffect. Tím se zmenšuje objem, který je protékaný proudem a tím se i zvětšují ztráty (oteplení vodiče). Tento jev lze pozorovat při přenosu velkých energií (vysoké napětí, velké proudy, vysoké frekvence). Například v energetice se šetří měď, kterou by stejně proud vlivem skinefektu netekl a nahrazuje se mechanicky pevnější ocelí ve středu vodiče. Měď je pouze na povrchu a zajišťuje vedení proudu. Skinefekt je ale i starostí elektroniků ve vysokofrekvenční technice, kde se dost výrazně díky změnám frekvence signálu může měnit odpor součástek i vodičů a tím se mění nastavení tranzistorů, což vede k chybám (zkreslení). Další energetickou ztrátou vlivem působení sil z elektromagnetického pole je, dá se říct, magnetická síla, která se snaží přitahovat nebo zmagnetovat okolní magnetické materiály, kterými mohou být jak konstrukční díly (šrouby, držáky...), tak i jiné vodiče (v kabelu), kterými teče proud. V případě střídavých ale i zvlněných stejnosměrných proudů se uplatňují ještě další elektrické vlastnosti, jako indukčnost, vzájemná indukčnost a kapacita, ale o těch se asi dozvíme vice později.

SHRNUTÍ:

Musíme si uvědomit, že elektricky odpor není výsadou rezistorů, ale je vlastností všech vodivých materiálů. Dále je dobré vědět, že v mechanismu vedení elektrického proudu i prostým vodičem se uplatňuje daleko více jevů než jen elektrický odpor. Kromě závislosti odporu na teplotě materiálu se při přenosech velkých energií uplatňuje skinefekt. Elektrotechnika je obor, který vyžaduje vidět všechny souvislosti. V jistých případech je možné některé aspekty zanedbat, ale i tak musíme vědět, proč.