Elektrický proud a pohyb nosičů elektrického náboje

Elektrický proud je uspořádaný pohyb částic s elektrickým nábojem, tedy nosičů náboje, například elektronů, iontů nebo děr v polovodičích. Elektrický proud je fyzikální veličina popisující výsledný tok elektrického náboje vodičem nebo obvodem za jednotku času.

Aby k pohybu elektrického náboje, tj. k toku elektrického proudu, došlo, musí být obvod uzavřen. Proud vzniká vždy, když je na vodič přiloženo napětí, tedy elektrický potenciálový rozdíl, který vytváří elektrické pole působící silou na nosiče náboje a způsobuje jejich pohyb.

Co je elektrický proud

Elektrický proud, jak ho známe, je v podstatě uspořádaný pohyb nosičů elektrického náboje. Typ nosičů se může lišit v závislosti na fyzikálně-chemických vlastnostech prostředí, ve kterém elektrický proud teče.

Vodiči, například kovy, procházejí elektrony, v polovodičích se na vedení proudu podílejí elektrony a elektronové díry, v plynech ionty a elektrony a v kapalinách ionty. Elektrická a elektronická zařízení, která nás obklopují, jako jsou žárovky, zesilovače zvuku, telefony, počítače nebo pračky, ve skutečnosti fungují na základě pohybu nosičů elektrického náboje.

Elektrický proud je veličina vhodná pro popis zdrojů magnetického pole. Elektrický proud je skalární fyzikální veličina, přičemž směrovost jeho toku se projevuje v příbuzných vektorových veličinách, jako je hustota elektrického proudu.

Elektrický náboj a nosiče náboje

Nosiče náboje jsou částice zodpovědné za pohyb elektrického náboje v materiálu. Jejich typ, počet a pohyblivost přímo ovlivňují elektrickou vodivost, rychlost odezvy a vlastnosti materiálů.

Elektrony v kovech

Kovy mají krystalickou mřížku, která je složena z kladných iontů kovů. Valenční elektrony jsou ke kationtům vázány kovovou vazbou, která je ale velmi slabá.

Valenční elektrony lze proto velmi snadno odtrhnout. Připojením vodiče ke zdroji napětí se pohyb elektronů usměrní a budou se pohybovat od záporného ke kladnému pólu zdroje.

Ionty v elektrolytech

V elektrolytech, tedy v kapalinách s rozpuštěnými ionty, jsou nosiči náboje kladné i záporné ionty, které se pod vlivem elektrického pole pohybují opačnými směry. Kladné ionty se pohybují k záporně nabité elektrodě a záporné ionty ke kladně nabité elektrodě.

Elektrony a díry v polovodičích

V polovodičích se na vedení proudu podílejí jak elektrony, tak díry - absence elektronu ve struktuře atomu, která se chová jako kladný nosič náboje. Počet a typ nosičů lze ovlivnit příměsemi, což umožňuje výrobu diod, tranzistorů a integrovaných obvodů.

Nosiče náboje v plynech a plazmatu

V plynech proud přenášejí ionty a elektrony. Plazma obsahuje volně se pohybující elektrony a ionty, které umožňují vedení proudu ve vysokonapěťových či pokročilých aplikacích.

Dohodnutý a skutečný směr proudu

Dohodnutý směr proudu, jinak také technický směr proudu, je směr pohybu proudu od kladného pólu (+) k zápornému pólu (-). Byl stanoven v době, kdy nebyla známa podstata vedení elektrického proudu ve vodičích.

Dnes víme, že směr proudu záleží na tom, které náboje, zda kladné nebo záporné, zprostředkovávají vedení elektrického proudu. Dohodnutý směr proudu je skutečným směrem pohybu pro kladné náboje.

V kovových vodičích obstarávají transport elektrického proudu elektrony, které mají záporný náboj (-), a proto je skutečný směr proudu od záporného pólu (-) ke kladnému pólu (+), tedy opačný na rozdíl od dohodnutého směru proudu.

Směr proudu v obvodu je konvenčně určen jako směr pohybu kladných nábojů, přestože v kovech jsou skutečnými nosiči náboje záporné elektrony, které se pohybují opačným směrem.

Pohyb nosičů náboje ve vodiči

Proud je vyvolán a udržován přítomností elektrického pole ve vodiči. Toto pole vzniká přiložením napětí, tedy potenciálového rozdílu mezi dvěma body obvodu, které působí silou na volné nosiče náboje a způsobuje jejich pohyb určitým směrem.

V kovových vodičích, například v měděných nebo hliníkových drátech, jsou hlavními nosiči náboje elektrony, které se mohou volně pohybovat atomovou mřížkou materiálu. Připojením vodiče ke zdroji napětí se jejich neuspořádaný pohyb doplní o usměrněnou pohybovou složku.

Pohyb těchto nosičů neprobíhá rychlostí světla, takzvaná „driftová rychlost“ elektronů ve vodiči bývá řádově několik milimetrů za sekundu. Elektromagnetické pole se však šíří téměř rychlostí světla, takže účinek přiloženého napětí a vznik proudu je podél vodiče téměř okamžitý.

Elektrony se při pohybu vodičem opakovaně srážejí s částicemi krystalové mřížky. Elektrický odpor je důsledkem narážení elektronů na kladné ionty, při kterém se elektrony zpomalí a ztrácejí kinetickou energii.

Co způsobuje tok elektrického proudu

Elektrické napětí je rozdíl elektrických potenciálů, který vzniká mezi dvěma určitými body v elektrickém obvodu, a je výsledkem práce vykonané elektrickým nábojem.

Napětí vytváří elektrické pole a elektrické pole působí na nosiče náboje silou. Pokud je obvod uzavřený, vzniká usměrněný pohyb nosičů náboje, který označujeme jako elektrický proud.

Velikost proudu závisí na přiloženém napětí a odporu materiálu, jak popisuje Ohmův zákon. Zvýšení napětí zvyšuje proud při konstantním odporu, zatímco zvýšení odporu proud snižuje.

Elektrický proud jako fyzikální veličina

Elektrický proud I je základní fyzikální veličina - udává množství náboje, které projde průřezem vodiče za jednotku času. Jeho měrnou jednotkou je ampér (A), což je základní jednotka elektrického proudu v soustavě SI.

Prochází-li náboj vodičem rovnoměrně, je elektrický proud určen jako podíl celkového náboje Q, který projde průřezem vodiče, a doby t, za který projde.

I = Q / t

• I je elektrický proud v ampérech,
• Q je elektrický náboj v coulombech,
• t je čas v sekundách.

[I] = A = C × s⁻¹

Prochází-li náboj vodičem nerovnoměrně, určuje se hodnota okamžitého proudu. Stejně se určí průměrný proud odvodu.

Definice ampéru

Vodičem prochází proud 1 A, jestliže projde průřezem vodiče náboj 1 C za 1 s. Jeden ampér odpovídá přibližně 6,242 × 10¹⁸ elektronů za sekundu daným bodem obvodu.

Od revize SI z roku 2019 je ampér definován stanovením elementárního náboje e na přesně 1,602176634 × 10⁻¹⁹ coulombu. Tato definice spojuje ampér s kvantovými vlastnostmi elektronů a zajišťuje, že elektrická měření jsou vztažena k neměnným fyzikálním konstantám.

Předpony jednotky ampér

• miliampér (mA): 1 mA = 0,001 A,
• mikroampér (μA): 1 μA = 0,000001 A,
• kiloampér (kA): 1 kA = 1 000 A.

Citlivá elektronika využívá mikroampéry, zatímco průmyslové a letecké systémy mohou pracovat se stovkami ampérů.

Stejnosměrný a střídavý proud

Stejnosměrný proud

Stejnosměrný proud se značí ss nebo DC (direct current). Jeho směr je stálý a elektrický náboj se pohybuje jedním směrem.

Podmínkou pro vznik stejnosměrného konstantního proudu je uzavřený elektrický obvod. Stejnosměrný proud generují baterie, solární články a elektronické zdroje.

Střídavý proud

Střídavý proud se značí stř. nebo AC (alternating current), jehož směr toku i okamžitá velikost se v čase cyklicky mění. Střídavý proud může mít harmonický nebo obecný průběh.

Časový průběh proudu s harmonickým průběhem má tvar sinusoidy. Střídavý proud může periodicky měnit směr, přičemž elektrony v kovovém vodiči kmitají tam a zpět.

V AC obvodech, zejména s indukčností a kapacitou, je vztah rozšířen o reaktanci a impedanci a proud s napětím nemusí být ve fázi. Pro výpočty se v takových případech používají efektivní, tedy RMS, hodnoty.

Střídavý proud je možno transformovat, je proto výhodnější použít vyšší napětí, kdy pro přenesení stejného výkonu postačí úměrně menší proud.

Elektrický obvod a jeho části

Nejjednodušší uzavřený elektrický obvod by měl mít zdroj, spotřebič, vodiče a vypínač. Ve všech místech jednoduchého elektrického obvodu je stejný proud.

Zdroj napětí

Zdroj napětí má kladný pól, anodu, a záporný pól, katodu, a v ostatních částech obvodu vytváří časově neproměnné elektrické pole, které uvádí volné elektrony do usměrněného pohybu.

Suchý článek, plochá baterie nebo akumulátor mění chemickou energii na elektrickou energii. Na jeho svorkách je neměnné svorkové napětí U.

Přesněji má nezatížený zdroj napětí U₀ = U_E. U_E je elektromotorické napětí zdroje, tedy udávané napětí, a v uzavřeném obvodu je U < U_E.

Spotřebič

Elektrický spotřebič je zařízení, v němž se elektrická energie účelně mění v jinou energii, například v energii světelnou v žárovce.

Vodiče

Spojovací vodiče spojují zdroj napětí s elektrickým spotřebičem a spínačem. Používá se například měď, hliník nebo zlato, přičemž vodiče mohou být opatřeny izolací z PVC.

Spínač

Spínače slouží k uzavření nebo přerušení obvodu. Přerušený obvod neumožňuje trvalý průchod elektrického proudu.

Měření elektrického proudu a napětí

Do elektrického obvodu zapojujeme často měřicí přístroje k měření proudu a napětí. Proud měříme ampérmetrem, který zapojujeme sériově, napětí voltmetrem, který zapojujeme paralelně.

Ampérmetr má velmi nízký vnitřní odpor a elektrický proud musí protékat skrz něj. Ampérmetr by se neměl připojovat přímo na zdroj, protože by mohl vzniknout velmi velký proud.

Voltmetr má velký vnitřní odpor a připojuje se paralelně k měřené součástce nebo části obvodu. Voltmetr může být připojen přímo na zdroj.

Elektrický proud je možné měřit také klešťovým ampérmetrem, který se pomocí svých kleštin nacvakne okolo vodiče. Klešťový měřič měří magnetické pole generované proudem a umožňuje bezkontaktní měření.

Mezi další používané přístroje patří multimetry, osciloskopy, spektrální analyzátory, bočníky, Rogowského cívky a proudové sondy. Bočníky jsou nízkoodporové komponenty používané k měření úbytku napětí a výpočtu proudu.

Elektrický proud v pevných látkách

To, jestli pevná látka po připojení na elektrický zdroj povede elektrický proud, tedy zda jde o vodič nebo izolant, závisí na její struktuře.

Vodiče

Vodiče, zejména kovy, mají krystalickou mřížku složenou z kladných iontů kovů a volnějších valenčních elektronů. Valenční elektrony lze proto velmi snadno odtrhnout.

Vodiče mají velké množství volných nosičů náboje. Po připojení vodiče ke zdroji napětí se jejich neuspořádaný pohyb změní v pohyb s nenulovou průměrnou rychlostí a vzniká elektrický proud.

Izolanty

Izolanty kovovou vazbu nemají a valenční elektrony jsou v obalu vázány silným silovým působením, například iontovou vazbou. Elektrony se proto nemohou snadno pohybovat celou látkou.

Izolanty brání významnému toku proudu a používají se pro bezpečnost a elektrické oddělení jednotlivých částí obvodů.

Ohmův zákon

Pokud se teplota vodiče nemění, je proud jím procházející přímo úměrný napětí mezi konci vodiče. Tento vztah se nazývá Ohmův zákon.

U = I × R

Z něj lze odvodit:

• I = U / R,
• R = U / I.

• U je napětí ve voltech,
• I je proud v ampérech,
• R je odpor v ohmech.

Konstantou úměrnosti mezi napětím a proudem je elektrický odpor R, tedy rezistance.

[R] = Ω = V × A⁻¹

Elektricky to představují dva obvody se stejným napětím a různými odpory. Obvodem s vyšším odporem projde méně náboje, což znamená, že obvodem s vyšším odporem protéká menší proud.

Jeden ohm je elektrický odpor mezi dvěma body ve vodiči, kde přiložení napětí jednoho voltu způsobí průtok proudu jednoho ampéru. Elektrická vodivost G je převrácený poměr elektrického odporu.

[G] = S = Ω⁻¹

Hydrostatická analogie

Pro popis napětí, proudu a odporu ve vztahu k mechanice tekutin bude přístupnou analogií fyzikální jev v jednoduché nádobě s vodou. V tomto případě množství uložené vody představuje množství elektrického náboje, hydrostatický tlak působící na vodu představuje napětí a průtok vody představuje průtok elektrického proudu.

Voda v nádrži představuje elektrický náboj. Tlak na konci hadice může představovat napětí. Množství vody, které protéká hadicí z nádrže, si můžeme představit jako proud.

Čím vyšší je tlak, tím vyšší je proud a naopak. Užší hadice představuje větší odpor, protože při stejném tlaku jí proteče méně vody.

Článek však nevyčerpává problematiku elektřiny a měl by být považován pouze za orientační. V případě obvodů střídavého proudu, které mohou navíc obsahovat reaktanční, tedy indukční a kapacitní, prvky, je mechanismus toku proudu a rozdělení napětí propracovanější a vyžadoval by rozsáhlejší vysvětlení než analogie s mechanismy proudění tekutin.

Elektrický odpor a jeho příčiny

Elektrický odpor je důsledkem narážení elektronů na kladné ionty. Při těchto srážkách se elektrony zpomalují a ztrácejí kinetickou energii.

Odpor vodiče závisí na kovu, ze kterého je vyroben, na jeho délce a na průřezu. Měrný elektrický odpor ρ, tedy rezistivita, je vlastnost materiálu.

R = ρ × l / S

• R je elektrický odpor,
• ρ je měrný elektrický odpor,
• l je délka vodiče,
• S je průřez vodiče.

[ρ] = Ω × m

Čím delší je vodič, tím větší je jeho odpor; čím je jeho průřez větší, tím menší je odpor.

Závislost odporu na teplotě

Závislost elektrického odporu vodičů na teplotě je ve velkém teplotním intervalu prakticky lineární a můžeme ji vyjádřit vztahem:

R = R₀ × (1 + α × Δt)

• α je teplotní součinitel odporu,
• Δt = t₁ − t₂ je teplotní rozdíl,
• R₀ je odpor vodiče na začátku ohřívání.

Teplotní součinitel odporu udává, kolikrát se zvětší odpor při zahřátí vodiče o 1 °C. S rostoucí teplotou roste odpor kovového vodiče, protože amplituda kmitů částic krystalové mřížky se zvětšuje a srážky elektronů jsou častější.

Také měrný elektrický odpor závisí na teplotě lineárně podle vztahu:

ρ = ρ₀ × (1 + α × Δt)

Supravodivost

Při velmi nízkých teplotách klesá měrný odpor na neměřitelnou hodnotu. Tento jev se nazývá supravodivost.

Nyní je nutno chladit kapalinovým dusíkem, což je neekonomické, a měl by přijít nový materiál, který nebude potřebovat tak nízkou teplotu.

Rezistory a proměnný odpor

Materiály s malým teplotním součinitelem elektrického odporu se využívají pro výrobu rezistorů, tedy součástek s daným elektrickým odporem.

Rezistory s proměnným odporem mají tři vývody - dva na každém konci a třetí připojený k jezdci. Podle zapojení se mohou využít různě.

Reostat

Reostat slouží k regulaci elektrického proudu v obvodu. Do obvodu je zapojen jedním koncem pevného vodiče a jezdcem.

Poloha jezdce určuje délku vodiče, kterým prochází proud, a tím i odpor reostatu.

Potenciometr

Potenciometr, tedy dělič napětí, slouží ke změně napětí. Ke zdroji je zapojen oběma konci pevného vodiče.

K jezdci je připojen další obvod, jehož druhý konec je spojen s jedním koncem rezistoru. Jezdcem se mění napětí v druhém obvodu.

Ohmův zákon v praxi

Ohmův zákon je možné pozorovat i v praxi, a to na jednoduchých elektrických obvodech složených z několika málo součástek.

LED diody se nechovají stejně jako rezistory. Jsou to polovodičové prvky, takže rovnice pro proud protékající samotnou LED diodou není tak jednoduchá jako standardní Ohmův zákon.

LED dioda vnáší do obvodu úbytek napětí, a tím mění velikost proudu, který jí protéká. Pokud LED diodu připojíme přímo k baterii, může jí protékat velmi velký proud, který ji zcela jistě poškodí.

Protože nechceme, aby naší LED diodou protékal tak velký proud, budeme potřebovat rezistor. K určení hodnoty odporu rezistoru můžeme použít Ohmův zákon.

V tomto příkladu máme 9V baterii a červenou LED diodu s proudovou hodnotou 20 mA. Z bezpečnostních důvodů nenapájíme LED diodu maximálním proudem, ale jejím doporučeným proudem přibližně 18 mA.

Vypočítaná rezistence je přibližně 500 Ω. Potřebujeme tedy rezistor o velikosti přibližně 500 Ω, aby proud procházející LED diodou byl nižší než maximální jmenovitý proud.

Hodnota 500 Ω není u standardních rezistorů běžná, proto můžeme použít rezistor o odporu 560 ohmů. Použití rezistoru s nepatrně vyšším odporem, než je požadováno, může navíc mírně snížit jas světla LED diody, ale rozhodně ji nepoškodí.

Zdroj s vnitřním odporem

Ohmův zákon platí pro jednoduchý obvod. Když připojíme elektrický obvod ke zdroji, se zvětšujícím proudem se zmenšuje svorkové napětí zdroje.

Graf závislosti svorkového napětí na odebíraném proudu je zatěžovací charakteristika zdroje. Reálný zdroj se chová jako by byl sériově složen z ideálního zdroje s konstantním napětím U_e a z rezistoru R_i, tedy vnitřního odporu zdroje.

Svorkové napětí bude:

U = U_e − R_i × I

Ohmův zákon pro uzavřený obvod bude:

I = U_e / (R + R_i)

Proud v uzavřeném obvodu je roven podílu elektromotorického napětí a celkového odporu R + R_i.

Sériové a paralelní zapojení

Sériové zapojení

Při sériovém zapojení jsou rezistory zapojeny za sebou. Stejný proud protéká všemi součástmi.

I = konst.

Celkové napětí se rozdělí mezi jednotlivé rezistory:

U = U₁ + U₂

Výsledný odpor je roven součtu hodnot jednotlivých odporů:

R = R₁ + R₂

Paralelní zapojení

Při paralelním zapojení jsou rezistory zapojeny vedle sebe. Napětí je na všech paralelních větvích stejné a proud se mezi větve rozdělí.

U = konst.

I = I₁ + I₂

Převrácená hodnota výsledného odporu je rovna součtu převrácených hodnot jednotlivých odporů:

1 / R = 1 / R₁ + 1 / R₂

V rozvětveném obvodu prochází každou větví menší proud než nerozvětvenou částí obvodu.

Větve, uzly a sítě

Větev je část elektrického obvodu mezi dvěma uzly. Uzel je místo v obvodu, kde se stýkají nejméně tři vodiče.

Síť je rozvětvený obvod s více zdroji napětí. Elektrická síť je rozvětvený elektrický obvod, který obsahuje alespoň dva zdroje napětí.

Kirchhoffovy zákony

Kirchhoffovy zákony se používají pro výpočet různých parametrů elektrické sítě, zejména rozvětveného obvodu a stejnosměrného proudu.

První Kirchhoffův zákon

První Kirchhoffův zákon, tedy věta uzlová, říká, že algebraický součet proudů v uzlu je nulový. Součet proudů do uzlu vstupujících je roven součtu proudů z obvodu vystupujících.

Tento zákon vyjadřuje zákon zachování elektrického náboje: náboj v uzlu ani nevzniká, ani nezaniká. Proud vtékající do uzlu je kladný, proud vytékající je záporný.

Σ I = 0

Například:

I₁ = I₂ + I₃

I₁ − I₂ − I₃ = 0

Druhý Kirchhoffův zákon

Druhý Kirchhoffův zákon, tedy věta okruhová, říká, že součet elektromotorických napětí jednotlivých zdrojů se rovná součtu úbytků napětí na jednotlivých odporech.

Úbytek napětí na spotřebičích v části obvodu je roven elektromotorickému napětí v tomto okruhu.

Σ R × I = Σ U_e

Elektrický proud a výkon

Elektrický výkon vyjadřuje rychlost přeměny elektrické energie. Výkon elektrického proudu je:

P = U × I

Výkon lze určit také jako podíl vykonané práce a času:

P = W / t

Jednotkou výkonu je watt (W). Zařízení s výkonem 1 watt vykoná práci 1 joule za 1 sekundu.

1 J = 1 Ws

Elektrický proud umožňuje přenos a přeměnu energie, například v elektrickém spotřebiči. Jeden watt je výkon vzniklý proudem jednoho ampéru při napětí jednoho voltu.

Výkon měříme wattmetrem a odebranou energii elektroměrem.

Elektrická práce a účinnost

Při přenesení náboje Q mezi svorkami zdroje o napětí U se vykoná elektrická práce.

W = U × Q

Protože platí Q = I × t, lze práci vyjádřit také vztahem:

W = U × I × t

Elektrická energie se často udává v kilowatthodinách.

1 kWh = 3,6 × 10⁶ J

Účinnost spotřebiče

Účinnost spotřebiče je poměr užitečného výkonu k příkonu:

η = P′ / P

Účinnost lze vyjádřit také v procentech vynásobením hodnoty stem.

Při zapojení zdroje do uzavřeného obvodu se část energie spotřebovává v samotném zdroji. Nejvyšší možný výkon elektrického obvodu je, když R je rovno R_i. Tento obvod má účinnost η = 50 %.

Obvody s menším R mají nižší účinnost, v obvodech s větším R je sice větší účinnost, ale menší výkon kvůli menšímu proudu.

Jouleovo teplo

Jouleovo teplo je teplo, které vzniká při průchodu elektrického proudu ve vodiči. Vznik tepla je při přenosu elektrické energie spíše na škodu, využívá se však u spotřebičů, které mají teplo vydávat, například u vařiče.

Q_J = U × I × t

Jouleovo teplo lze vyjádřit také jako elektrickou práci nebo součin výkonu a času:

W = Q_J

W = P × t

Při ohřevu vody se elektrická energie mění na teplo podle vztahu:

Q = m × c × Δt

Například pro ohřev 120 litrů vody z 20 °C na 80 °C při výkonu 2 kW vychází doba ohřevu přibližně 15,12 minuty.

Elektrický proud v přenosových soustavách

Alternátory v elektrárnách obvykle pracují se jmenovitým napětím pouze několika tisíců voltů. Při výkonech stovek MW pak z alternátoru teče proud v řádu desítek tisíc ampérů.

Vedení pro takové proudy musí mít extrémně velké průřezy vodičů a musí být schopno mechanicky odolávat působení značných magnetických sil. Vzniká úbytek napětí na vedení, který by představoval značný úbytek výkonu.

Pro přenesení stejného výkonu při vyšším napětí postačí úměrně menší proud. Kromě omezení ztrát je pak i realizace dálkových vedení nesrovnatelně jednodušší i levnější.

Napětí alternátorů se zvyšuje pomocí transformátorů, umístěných zpravidla přímo v areálu elektrárny, na vyšší přenosové napětí. Za přenosová napětí se obvykle považují hodnoty nad 110 kV.

Na výstupu z přenosové soustavy jsou zařazeny snižující transformátory, dodávající elektřinu do distribuční sítě, na napětích například 22 kV.

Přenosovou soustavu tvoří především soustava dlouhých nadzemních vedení velmi vysokého napětí, další transformátory a pojistky.

Důležité je dodržení jmenovité frekvence, což je v Evropě 50 Hz, jmenovitého napětí a samozřejmě nepřerušená dodávka energie ke spotřebiteli.

Elektrická energie je výjimečná tím, že je v celé síti nutné zajistit rovnováhu mezi její okamžitou výrobou a spotřebou. Elektrickou energii totiž nelze nijak skladovat, přičemž náhradou skladů jsou záložní elektrárny.

Druhy elektráren

• Tepelné elektrárny využívají chemicky vázanou energii uvolňovanou při spalování fosilního paliva.
• Jaderné elektrárny využívají tepelnou energii vznikající při štěpení atomových jader těžkých prvků uranu 235 nebo plutonia 239.
• Vodní elektrárny využívají kinetickou a potenciální energii vodních zdrojů, například vodních toků nebo mořského přílivu.
• Větrné elektrárny využívají pohybovou energii větru.
• Sluneční elektrárny využívají fotovoltaické články.
• Geotermické elektrárny využívají horkou vodu nebo páru z vrtů do nitra Země.

Jaderné elektrárny jsou založeny na štěpení jader uranu 235 nebo plutonia 239. Budoucnost by měla přinést řízenou termonukleární reakci, tedy termojadernou fúzi, při níž dochází ke slučování jader atomů za vzniku tepla o milionech kelvinů, drženého v magnetickém poli.

Hustota elektrického proudu

Elektrický proud zpravidla protéká celým objemem vodiče. Lokálně se však může množství, rychlost i směr nosičů náboje s daným místem ve vodiči měnit.

K popisu lokálního elektrického proudu se zavádí vektorová fyzikální veličina hustota elektrického proudu, zkráceně proudová hustota. Hustota elektrického proudu má značku J nebo j a jednotku A/m².

Velikost hustoty elektrického proudu je definována jako podíl okamžitého elektrického proudu procházejícího daným elementem průřezu vodiče a kolmého průmětu tohoto elementu průřezu na střední směr pohybu nosičů náboje.

Pro proud celým průřezem vodiče platí:

I = ∫_S j · dS

Hustota elektrického proudu vystupuje ve vztazích teorie elektromagnetického pole formulovaných v diferenciálním tvaru.

Plošný elektrický proud

V některých případech má vodič deskovitý tvar, takže jeho tloušťka je zanedbatelná vzhledem ke zbývajícím rozměrům. Elektrický proud také může protékat pouze těsně u materiálového rozhraní nebo pouze těsně u povrchu vodiče, například u skin efektu.

V těchto případech hovoříme o plošném proudu. K jeho popisu se zavádí hustota plošného elektrického proudu, která se obvykle značí i nebo J_S a její jednotkou je A/m.

Druhy elektrického proudu podle nositelů náboje

Kondukční proud

Kondukční proud, tedy vodivostní proud, je uspořádaný tok volných nositelů náboje v látkovém prostředí. Příkladem je pohyb volných elektronů v kovech, iontů v elektrolytech, ionizovaných molekul v plynech nebo děr v polovodičích.

Konkrétní vlastnosti kondukčního proudu závisí na typu a vlastnostech látkového prostředí. Vzniká působením elektrického pole ve vodiči na nositele náboje.

Konvekční elektrický proud

Konvekční elektrický proud je způsoben mechanickým pohybem látky, v níž je náboj vázán. Příkladem je přenos náboje nabitým pohyblivým pásem ve Van de Graaffově generátoru nebo pohyb nabitých částic unášených v toku tekutiny.

Vázané elektrické proudy

Kondukční a konvekční proudy se společně označují jako proudy volné, neboť nositelé náboje mohou vykonávat makroskopické pohyby.

V mnoha případech je však náboj vázán na částice vázané v mikroskopické struktuře látky. Jeho pohyb se označuje za vázaný elektrický proud.

Vázané elektrické proudy se tradičně dělí na proudy polarizační a proudy magnetizační. Polarizační proud vzniká při proměnné polarizaci dielektrika mikroskopickými posuny nabitých částic.

Magnetizační proudy jsou mikroskopické uzavřené proudy, které jsou původcem magnetických dipólových momentů částic ve struktuře látky.

Prostorové rozložení proudu

Podobně jako u laminárního proudění tekutin lze ke grafickému zobrazení prostorového proudu použít proudové čáry, tedy trajektorie ustáleného pohybu jednotlivých nosičů náboje.

Vzhledem k zákonu zachování náboje má smysl i pojem proudové trubice, tedy prostor kolem proudové čáry, na který lze aplikovat zákony elektrického obvodu.

Na rozdíl od mechanického proudění je však navíc nutno respektovat vzájemné magnetické silové působení proudových trubic, projevující se například v takzvaném pinch efektu, tedy příčném stlačení plazmového proudu.

Elektrický proud a magnetické pole

Každý vodič s proudem vytváří magnetické pole. Pravidlo pravé ruky určuje jeho směr: palec ukazuje směr proudu a prsty směr magnetických siločar.

Ve střídavých systémech vytváří střídavý proud střídavá magnetická pole, která mohou indukovat napětí v okolních vodičích. Tento jev může vést ke vzniku elektromagnetického rušení.

Elektrický proud je proto důležitý nejen pro přenos energie, ale také pro popis elektromagnetických jevů a zařízení, jako jsou elektromotory, transformátory, generátory a komunikační systémy.

Ochrana elektrických obvodů

Pojistky a jističe dimenzované v ampérech chrání obvod před nebezpečným přetížením tím, že při překročení bezpečné hodnoty proud odpojí.

Správné dimenzování vodičů, rezistorů, pojistek a jističů je důležité proto, aby nadměrný proud nezpůsobil nadměrné zahřívání, poškození izolace nebo vznik požáru.

V rozvětvených soustavách musí být ochranné prvky přizpůsobeny očekávanému proudu, napětí i charakteru připojených spotřebičů.