Elektřina

Elektřina je definována jako souhrn projevů elektrostatického pole (z nichž mezi prvními byly silové účinky vyvolané třením izolantů[1] a následná polarizace látek[2]) a elektrodynamických jevů včetně elektromagnetismu.

Jevy spojené s elektřinou i magnetismem se nazývají elektromagnetismus. Technický obor zabývající se elektřinou se nazývá elektrotechnika.

Ve spisovné i obecné češtině slovo označuje specifické jevy vyvolané působením elektrického náboje a elektromagnetického pole - např. elektrický proud, elektrické napětí, elektrickou energii ap.[3]

Jako elektřina se označuje také energetická komodita (fyzikální podstatou se jedná zpravidla o elektrickou energii). V tomto smyslu se pak hovoří o výrobě, distribuci a spotřebě elektřiny, o obchodu s elektřinou apod.

Etymologie

Elektřina má název od jantaru (řecky élektron), na němž byly pozorovány silové účinky statické elektřiny.[1][4] Josef Jungmann zaznamenal starší českou podobu slova – električina,[4][5] lidově se elektřina označuje též slovem elektrika.[zdroj?] Dříve se občas užívalo slovo mluno[6][7]. Obrozenci navrhovali i název síla blesková[7].

Elektrický náboj
Podrobnější informace naleznete v článku Elektrický náboj.

Základní elektrickou vlastností těles je elektrický náboj. Těleso s elektrickým nábojem se nazývá elektricky nabité a je schopno působit elektrickou silou na jiné elektricky nabité těleso. V prostoru kolem nabitého tělesa se nachází elektrické pole, které popisujeme jeho intenzitou. Velikost elektrické síly vyjadřuje Coulombův zákon, v jiném tvaru pak Gaussův zákon elektrostatiky.

Tělesa lze zelektrovat různými způsoby - elektrostatickou indukcí, ionizací, chemickou disociací, třením, působením světla, tepla, aj. Ve všech případech jde uvnitř tělesa o oddělení některých elementárních částic s různým nábojem. Záporně nabité těleso má přebytek elektronů, kladně nabité těleso má nedostatek elektronů (má více protonů).

Elektrický náboj lze uchovat v kondenzátoru, příp. jiné součástce s elektrickou kapacitou.

Elektrický proud
Podrobnější informace naleznete v článku Elektrický proud.

Pohybu elektricky nabitého tělesa nebo částice se říká elektrický proud. Nejčastěji je elektrický proud tvořen usměrněným pohybem elektronů nebo jiných elektricky nabitých částic vodičem. Ty se kromě svého tepelného pohybu posouvají ve směru působení elektrické síly.

Pole vytváří na koncích vodiče elektrické napětí jako rozdíl elektrických potenciálů. Elektrický proud se rozdíl snaží vyrovnat tokem náboje. Vztah mezi odporem, napětím a proudem je vyjádřen Ohmovým zákonem.

Elektrická vodivost
Podrobnější informace naleznete v článcích Elektrická vodivost a Konduktivita.

Schopnost materiálu přenášet elektrický proud se nazývá konduktivita (měrná elektrická vodivost). Důležitou podmínkou vedení elektrického proudu látkou je přítomnost volných elektricky nabitých částic, typicky valenčních elektronů.

Podle charakteru látky a její schopnosti vést proud, lze látky různě dělit.

Elektrický proud v pevných látkách

Elektrický proud v kapalinách

Elektrický proud v kapalinách je možný v různých případech:

Elektrický proud v plynech

Elektrický proud v plynech se za běžných podmínek nevyskytuje, ale je možné jej vyvolat ionizací:

Supravodivost

Látky se také mohou stát supravodivými, například za velmi nízkých teplot blížících se absolutní nule.

Stejnosměrný a střídavý proud

Proud v elektrickém obvodu může být stejnosměrný nebo střídavý. Střídavý proud vzniká ze zdroje střídavého napětí a mění svůj směr a velikost. Při pravidelných změnách se maximální hodnota proudu (amplituda) střídá v každém směru s určitou frekvencí. V obvodech střídavého proudu může docházet k fázovým posuvům mezi proudem a napětím v závislosti na použitých prvcích. Výkon střídavého proudu se odvozuje z efektivní hodnoty střídavého proudu.

Elektrická práce, výkon, energie
Podrobnější informace naleznete v článku Elektrická energie.

Elektrická práce vykonaná za jednotku času je elektrický výkon.

Každý vodič klade průchodu elektrického proudu odpor: Elektrické síly posouvající částice konají práci. To má za následek ztrátu elektrické energie a její přeměnu na teplo: vodiče se zahřívají. Jouleovo teplo, vzniklé průchodem elektrického proudu vodičem, se v elektrotechnice uvažuje jeho elektrické ztráty.

Elektrická energie včetně ztrát dodávaná do obvodu za jednotku času se nazývá elektrický příkon.

Souvislost elektřiny a magnetismu
Podrobnější informace naleznete v článku Elektromagnetické záření.

Kolem vodiče, kterým prochází elektrický proud (obecně kolem jakékoli pohybující se elektricky nabité částice) se vždy vytváří magnetické pole. Opačně, jestliže se mění magnetické pole, pak se ve vodiči vždy indukuje elektrický proud (obecně vzniká elektrická síla působící na elektricky nabité částice). Každá změna v elektrickém poli indukuje změnu v poli magnetickém a naopak, každá změna v magnetickém poli pak indukuje změny v poli elektrickém. Tyto jevy ukazují na neoddělitelnou spojitost mezi elektřinou a magnetismem. Jednotná teorie elektromagnetismu resp. elektromagnetického pole je dána Maxwellovou teorií elektromagnetického pole. Podle této celistvé teorie, která je základem veškeré praktické elektrotechniky, elektrickou energii vždy přenáší pouze a výhradně elektromagnetické pole a to v celém prostoru (teoreticky nekonečně velkém) okolo elektrického vodiče.

Ve speciální teorii relativity, která na základě Maxwellovy teorie vznikla, lze ukázat, že magnetické pole kolem pohybujících se nabitých částic je důsledkem Lorentzovy transformace.[8] S použitím relativistické kvantové teorie lze takto vysvětlit i magnetismus permanentních magnetů, který je vytvářen spinem částic.[9]

Elektrický obvod
Podrobnější informace naleznete v článku Elektrický obvod.

Elektrický proud v praxi prochází vždy nějakým elektrickým obvodem. Jeho nejdůležitějšími částmi jsou zdroj elektromotorického napětí, elektrický spotřebič a elektrické vodiče, které jednotlivé části propojují. V elektrickém obvodu bez spotřebiče dochází ke zkratu, kdy enormně narůstá hodnota elektrického proudu ve vodiči což způsobuje i prudkou změnu intenzity doprovodného magnetického pole. Proti zkratu bývají elektrické obvody chráněny specializovanými elektrickými přístroji (kupř. pojistkami, bleskojistkami, nadproudovými ochranami či motorovými jističi).

Základní jednoduchý elektrický obvod může být:

  • sériový - součástky jsou spolu propojeny jeden za druhým na jediném vodiči, nebo
  • paralelní - vodiče se rozvětvují v uzlech, každá součástka má vlastní větev.

Vztahy mezi napětím a proudem v jednotlivých částech obvodu popisují Kirchhoffovy zákony. Zákonitostmi průchodu elektrického proudu elektrickými obvody se zabývá obecná teorie elektrických obvodů, která je jen praktickou aplikací jednotné teorie elektromagnetického pole.

Zvláštním druhem elektrických obvodů jsou elektronické obvody.

Elektrotechnické součástky

Nejpoužívanějšími součástkami v elektrických obvodech jsou kromě zdroje a vodičů také spínač, rezistor, termistor, reostat, potenciometr, kondenzátor, cívka, anténa, elektromagnetické relé, elektronka, dioda , fotodioda, tranzistor, fototranzistor, integrovaný obvod a další polovodičové součástky.

Elektrické spotřebiče

Mezi nejběžnější elektrické spotřebiče patří tepelné elektrické spotřebiče (žárovka, infrazářič, elektrická trouba), zářivka, elektromotor a různé elektronické spotřebiče (rádiový přijímač, televizní přijímač, různé druhy přehrávačů a rekordérů, telefon, počítač, atd.). V současné době se dbá na úspory energií a proto jsou využívány především úsporné spotřebiče.

Stručná historie elektřiny

Mezi obory fyziky patří elektřina k těm mladším. Významným renesančním badatelem byl William Gilbert, který zároveň elektrické jevy pojmenoval tak, jak je dnes známe. Rozvoj však nastal po objevu prvního použitelného zdroje stálého elektrického proudu - Voltova článku - v roce 1800.

Během krátké doby v první polovině 19. století byla prozkoumána většina elektrických vlastností látek za normálních podmínek, byly objeveny zákony platící v elektrických obvodech a nalezena souvislost elektřiny s magnetismem. Nejvýznamnější jména té doby jsou Alessandro Volta, André-Marie Ampère, Georg Simon Ohm, Hans Christian Oersted, Michael Faraday.

Průkopnické období bylo v roce 1865 završeno Dynamickou teorií elektromagnetického pole, ve které James Clerk Maxwell pouhými čtyřmi rovnicemi (a třemi materiálovými) vyjádřil vše podstatné z dosavadních objevů a zároveň jako důsledek svých rovnic předpověděl další, dosud neznámé elektromagnetické jevy.

Období druhé poloviny 19. století bylo ve znamení technických aplikací elektřiny, vynálezů různých elektrických spotřebičů (generátor, oblouková lampa, žárovka, elektromotor, telefon) a jejich zavádění do výroby a domácností. K slavným fyzikům a vynálezcům té doby lze řadit jména jako Heinrich Hertz, William Thomson (lord Kelvin), Thomas Alva Edison, Werner von Siemens, Nikola Tesla, Alexander Graham Bell, z Čechů František Křižík.

Třetí období bylo odstartováno objevem elektronu v roce 1897 J. J. Thomsonem. To vyvrátilo dosavadní představy o elektrickém fluidu uvnitř látek a umožnilo spolehlivě vysvětlit podstatu většiny elektrických jevů. Max Planck a Albert Einstein položili základy k vysvětlení kvantových vlastností elektromagnetického záření. Dalšími kroky vpřed byly Lorentzovy teoretické poznatky o elektromagnetickém poli a éteru, které správně interpretovala Einsteinova speciální teorie relativity a přirozeně tak vysvětlila magnetismus jako relativistický efekt mající původ v elektrickém působení, a objevy dalších subatomárních částic - protonu v roce 1911 a neutronu v roce 1932. Maxwellova teorie však selhávala při snaze vybudovat konzistentní teorii nabitých elementárních částic, což se podařilo až kvantové elektrodynamice. V elektrotechnice se novou součástkou stala vakuová elektronka, umožňující vysílání a příjem rozhlasu. Jinak po celou první polovinu 20. století bylo charakteristické masové rozšiřování elektřiny (elektrifikace obcí, stavba elektráren).

V druhé polovině 20. století se nejdůležitějším objevem stal tranzistorový jev v roce 1947, který uskutečnili John Bardeen, Walter Brattain a William Shockley. Po zvládnutí technologie výroby příměsových polovodičů se tranzistor stal základem elektronických obvodů používaných prakticky ve všech běžných elektronických přístrojích (dnešní procesory či mikroprocesory obsahují milióny až miliardy mikroskopických tranzistorů a tvoří základ pro počítač, mobilní telefon a mnohá další elektronická zařízení). Velký význam mělo rovněž umožnění přenosu obrazu na dálku pomocí televize, nejprve černobílé, později barevné.

Velký praktický dopad přineslo i používání optických vláken, CCD obvodů a dalších součástí moderní elektroniky.

V současné době je elektřina běžnou a neodmyslitelnou součástí života lidí v podobě nejrůznějších domácích spotřebičů, výrobních prostředků a prostředků komunikační a zábavní techniky.

Elektřina jako komodita

Výroba
Podrobnější informace naleznete v článcích Energetika a Elektrárna.

Při výrobě elektřiny jde o přeměnu jiného druhu energie na elektrickou energii:

Podle druhu primárního zdroje vnější energie rozlišujeme několik druhů výroben elektrické energie - tedy elektráren:

Střídavá elektřina se vyrábí třífázově pro snadnou tvorbu točivého magnetického pole pro točivé stroje: Elektrické napětí je v každé fázi oproti zbylým dvěma fázím vždy fázově posunuto o 120 stupňů v prostoru i čase.

Přenos
Dráty vysokého napětí, součást elektrorozvodné sítě.
Podrobnější informace naleznete v článku Přenosová soustava.

Z elektráren je elektrická energie dále rozváděna prostřednictvím elektrorozvodné sítě, pro tento účel musí být primární napětí vhodně transformována transformátory na různě vysoká provozní napětí.

Pro dálkové rozvody větších objemů elektrické energie se používají vedení velmi vysokého či vysokého napětí o napětí až stovek kilovolt. Místní rozvody pak používají napětí desítek kilovolt. Domovní rozvody pak užívají provozní napětí řádově stovek voltů.

Dodavatel

Dodavatel elektřiny je společnost, která nakupuje elektřinu na domácím nebo zahraničním trhu a prodává ji ostatním účastníkům trhu s elektřinou, zejména spotřebitelům. V České republice je od roku 2006 tento trh liberalizován a každý spotřebitel si může vybrat libovolného dodavatele elektřiny. Dodavatel elektřiny musí mít licenci od Energetického regulačního úřadu. (Distribuce se liberalizace netýká, distribuční sítě jsou jednotné a v daném místě je tak možný jediný distributor.)

Spotřeba

Velké spotřebiče elektrické energie se vyskytují zejména v průmyslu (méně pak v domácnostech) a bývají konstruovány jako elektromotory nebo velké elektrické pece.

Při běžné osobní spotřebě se běžně používá pouze jedna fáze. Domovní rozvody v těchto případech bývají rozděleny na více vzájemně nezávislých napájecích obvodů, každý je pak kvůli rovnoměrnosti zatížení elektrorozvodné sítě zapojen na jinou fázi rozvodu.

Z původního trojfázového napětí lze využívat fázové, napětí jedné fáze proti středu (zemi), nebo i sdružené mezifázové napětí.

Výroba a spotřeba v Česku

Podle Energetického regulačního úřadu bylo v roce 2012 v České republice vyrobeno 87,6 TWh elektrické energie. Uhelné elektrárny dodaly do sítě 47,3 TWh (54 %), jaderné (Temelín a Dukovany) 30,3 TWh (34,6 %), obnovitelné zdroje 7,9 TWh (9 %). Hrubá spotřeba činila 70,5 TWh, z toho průmysl spotřeboval 24,1 TWh (34,2 %), domácnosti 14,6 TWh (20,7 %) a energetika 12,6 TWh (17,9 %). Nejvíce elektřiny bylo spotřebováno ve Středočeském, Ústeckém a Moravskoslezském kraji (v každém přes 9 TWh), nejméně v Libereckém kraji (2,5 TWh). Celkem se spotřebovalo 80,5 % vyrobené elektřiny.[10]

Cena elektřiny
Vývoj ceny elektřiny na komoditních burzách [11]

Bez elektrické energie se neobejde žádná domácnost. Cena elektřiny je tvořena dvěma složkami: regulovanou a neregulovanou. Neregulovaná složka je dána velkoobchodní cenou elektřiny a představuje samotnou komoditu – tedy elektrickou energii jakou takovou. Druhou polovinu ceny tvoří regulovaná složka, která je každoročně stanovována Energetickým regulačním úřadem (ERÚ) a zahrnuje náklady na přenos elektřiny (tzv. systémové služby), distribuci elektřiny, příspěvek na obnovitelné zdroje energie a příspěvek na činnost operátora trhu (OTE). Do konečné ceny elektřiny se promítá také daň z elektřiny a DPH, které určuje stát. Podíl regulované složky na celkové ceně pro koncového odběratele se v případě domácností pohybuje od necelých 40 % do více než 50 %  (v závislosti na způsobu využití elektřiny v domácnosti a s tím spojené spotřeby a nastavené distribuční sazby).

Mezi lety 2018 a 2019 vzrostla cena elektřiny placené domácnostmi o 8,2 %[12]. V první části roku 2020 ceny elektřiny na burze klesaly v důsledku koronavirové krize, což se projevilo i zlevňováním pro koncové odběratele. Celková cena za 1 kWh v roce 2020, včetně dalších poplatků byla v průměru 4,5 korun.[13] V prvním poletí roku 2021 cena elektřiny na burze prudce vzrostla a ve výsledku byla řada dodavatelů nucena zdražit obchodní (neregulovanou) složku ceny.

Cena elektřiny a její vývoj v čase pro koncového odběratele je závislá z velké části na typu smlouvy, která je uzavřena s dodavatelem energií. Odběratel může uzavřít s dodavatelem smlouvu na dodávku elektřiny na dobu neurčitou, kterou je možné kdykoli vypovědět, nebo smlouvu na dobu určitou, která trvá až do jejího vypršení, tedy do konkrétního data, na kterém se odběratel a dodavatel dohodli na začátku. Většinou se takové smlouvy prodlužují automaticky[14], pokud odběratel nevyjádří rozhodnutí nepokračovat ve stanovené lhůtě. Smlouva může rovněž obsahovat fixaci ceny elektrické energie, kdy se dodavatel zavazuje k dodávce elektřiny za předem stanovenou cenu po celou dobu fixace (nejčastěji 1 – 3 roky). Fixace ceny bývá často součástí smlouvy na dobu určitou, zatímco cena elektřiny v rámci smlouvy na dobu neurčitou se může měnit.

Odkazy

Reference
  1. Příruční slovník naučný. Svazek I. Praha: Nakladatelství Československé akademie věd, 1962. Heslo Elektřina, s. 657: „Elektřina [z řec. élektron], název pro souhrn jevů a stavů zvaných elektrické. Elektr. stav byl nejprve pozorován podle silových účinků, které lze vyvolat třením látek,… (např. jantar, řec. élektron). … Tělesa nabitá stejnými druhy e. (stejnojmenné, souhlasné náboje) se odpuzují, tělesa nabitá různými druhy e. (nestejnojmenné, nesouhlasné náboje) se přitahují. Původní teorie e. byla fluidová (viz fluidum). Současná teorie e. je elektronová. (…)“
  2. Technický naučný slovník. Svazek I. Praha : Státní nakladatelství technické literatury, 1962. Heslo Elektřina, s. 544: „Elektřina, pomyslné množství vyjadřující míru zelektrování látek. Čím více je látka zelektrována, tím více e. „obsahuje“. …“
  3. Slovník spisovné češtiny pro školu a veřejnost, Academia Praha 1994, heslo elektřina
  4. Jiří Rejzek: Český etymologický slovník, LEDA 2001
  5. Josef Jungmann: Slovník česko-německý I.–V., Praha 1834–1839
  6. Listárna ÚJČ AVČR
  7. SVATOŇOVÁ, Kateřina. Vynálezy a pokroky: případ Křižík. Dějiny a současnost. Roč. 2013, čís. 10, s. 10–14.
  8. Bedřich Sedlák, Ivan Štoll: Elektřina a magnetismus, kapitola 2 - Silové působení mezi pohybujícími se náboji
  9. Lubomír Skála: Úvod do kvantové mechaniky, kapitola 17 - Základy relativistické kvantové mechaniky
  10. Energie stagnuje - její výroba ani spotřeba v ČR neroste ani neklesá. E15.cz [online]. 2012-05-19 [cit. 2012-05-20]. Dostupné online.
  11. Komodity - Elektřina - Vývoj ceny elektřiny na komoditních burzách
  12. Indexy spotřebitelských cen - inflace - leden 2019. Indexy spotřebitelských cen - inflace - leden 2019 [online]. [cit. 2019-04-05]. Dostupné online. (česky)
  13. Našetřeno.cz [online]. 2020-02-26 [cit. 2020-02-28]. Dostupné online. (česky)
  14. Smlouvy na dobu určitou: Jak odejít od dodavatele elektřiny bez sankce?. Finance.cz [online]. [cit. 2020-01-24]. Dostupné online.

Literatura
  • SEDLÁK, Bedřich; ŠTOLL, Ivan. Elektřina a magnetismus. [s.l.]: [s.n.] 650 s. ISBN 80-200-1004-1.
  • Vlček Jiří: Bezpečnost elektrických zařízení - příručka pro konstruktéry, BEN - technická literatura, 2007, ISBN 978-80-7300-222-0

Související články

Externí odkazy

Odkazované knihy byly digitalizovány v rámci služby eBooks on Demand v Národní technické knihovně v Praze.

This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.