Měřicí veličiny v elektronice – odkud pocházejí měrné jednotky a co znamenají?

Elektronika je oborem, ve kterém se každodenně využívá řada fyzikálních veličin a základních měrných jednotek. Díky nim můžeme popisovat fungování obvodů, provádět měření a navrhovat elektronická zařízení. Mezi nejdůležitější pojmy patří mimo jiné elektrické napětí (U), elektrický proud (A), elektrický odpor, výkon, elektrická kapacita a indukčnost.

Je dobré vědět, že současné měrné jednotky soustavy SI nevznikly náhodou. Mnohé z nich nesou jména vědců, kteří významně přispěli k rozvoji fyziky a elektrotechniky. V současnosti je většina měření založena na Mezinárodní soustavě jednotek SI, která systematicky uspořádává základní jednotky i odvozené jednotky soustavy.

Co je soustava jednotek SI?

Soustava SI je Mezinárodní soustava jednotek, tedy celosvětově používaný systém jednotek určených k měření fyzikálních veličin. Byla vytvořena proto, aby byly výsledky měření jednoznačné a co nejlépe porovnatelné po celém světě.

Základem soustavy SI je 7 základních jednotek:

Na základě těchto jednotek se vytvářejí odvozené jednotky, např.:

• elektrické napětí – volt (V),
• výkon – watt (W),
• elektrický odpor – ohm (Ω),
• elektrická kapacita – farad (F).

Soustava SI také využívá předpony, které usnadňují zápis velmi velkých a velmi malých hodnot, např.:

• kilo (k) = 1000,
• mega (M) = 1 000 000,
• mili (m) = 0,001,
• mikro (µ) = 0,000001,
• nano (n) = 0,000000001.

Příklad:

• 2 km = 2000 m,
• 5 ms = 0,005 s,
• 3 MW = 3 000 000 W.

Soustava SI je v současnosti standardem ve vědě, technice, medicíně a ve většině zemí světa, díky čemuž všichni používají stejné jednotky při provádění a porovnávání měření.

Odkud pocházejí názvy jednotek používaných v elektronice?

Mnoho jednotek používaných v elektronice a elektrotechnice bylo pojmenováno na počest významných vědců, kteří významně přispěli k rozvoji elektřiny, magnetismu a elektroniky.

Ampér (A) – André-Marie Ampère. Francouzský fyzik, matematik a jeden ze zakladatelů elektrodynamiky. Zkoumal vztahy mezi elektrickým proudem a magnetickým polem.

Volt (V) – Alessandro Volta. Italský fyzik, vynálezce první elektrické baterie nazývané Voltův článek. Jeho výzkum přispěl k rozvoji elektrotechniky.

Ohm (Ω) – Georg Simon Ohm. Německý fyzik a učitel. Formuloval Ohmův zákon popisující vztah mezi napětím, proudem a odporem.

Watt (W) – James Watt. Skotský vynálezce a strojní inženýr. Zdokonalil parní stroj a přispěl tak k rozvoji průmyslu a energetiky.

Farad (F) – Michael Faraday. Anglický fyzik a chemik. Objevil jev elektromagnetické indukce a vytvořil základy fungování transformátorů a elektrických motorů.

Henry (H) – Joseph Henry. Americký fyzik zabývající se elektromagnetismem. Nezávisle na Faradayovi objevil jev elektromagnetické indukce a rozvíjel elektromagnety.

Hertz (Hz) – Heinrich Hertz. Německý fyzik, který jako první experimentálně potvrdil existenci elektromagnetických vln předpovězených Jamesem Clerkem Maxwellem.

Coulomb (C) – Charles-Augustin de Coulomb. Francouzský fyzik a vojenský inženýr. Zkoumal interakce mezi elektrickými náboji a formuloval Coulombův zákon.

Tesla (T) – Nikola Tesla. Srbsko-americký vynálezce, elektrotechnický a strojní inženýr. Vyvinul řadu řešení souvisejících se střídavým proudem (AC), elektrickými motory a přenosem energie.

Základní jednotky soustavy SI:

1. Délka:
   Jednotka: metr (m).
   Definice: určuje vzdálenost mezi dvěma body a umožňuje popsat rozměry objektu.
   Příklad: Kuličkové pero má délku 15 cm, tedy 0,15 m.
2. Hmotnost:
   Jednotka: kilogram (kg).
   Definice: určuje množství hmoty v tělese, tedy informuje o tom, jak „těžký“ je předmět.
   Příklad: Školní taška má hmotnost 5 kg.
3. Čas:
   Jednotka: sekunda (s).
   Definice: určuje dobu trvání jevu nebo interval mezi událostmi, umožňuje měřit, jak dlouho něco trvá.
   Příklad: Mrknutí oka trvá přibližně 0,3 s.
4. Elektrický proud:
   Jednotka: ampér (A).
   Definice: určuje množství elektrického náboje, které projde vodičem za jednotku času, a informuje o velikosti průtoku elektrického proudu.
   Příklad: Vodičem protéká proud o velikosti 5 A, což znamená, že jím každou sekundu projde náboj o velikosti 5 coulombů.
5. Termodynamická teplota:
   Jednotka: kelvin (K).
   Definice: určuje stupeň zahřátí tělesa, informuje o tom, jak teplý nebo studený je objekt.
   Příklad: Pokojová teplota je přibližně 293 K (20 °C).
6. Látkové množství:
   Jednotka: mol (mol).
   Definice: určuje počet částic (atomů, molekul apod.) v látce, používá se k vyjádření velmi velkého počtu částic.
   Příklad: 1 mol vody obsahuje přibližně 6,02 × 10²³ molekul vody.
7. Svítivost:
   Jednotka: kandela (cd).
   Definice: určuje intenzitu světla vyzařovaného v daném směru a informuje o tom, jak silně zdroj světla svítí.
   Příklad: Zapálená svíčka má svítivost přibližně 1 kandelu (1 cd).

Elektrické napětí (U) – co to je?

Elektrické napětí (U) je zjednodušeně řečeno síla, která „tlačí“ elektrický proud k tomu, aby protékal obvodem. Můžeme si to představit na příkladu vody v potrubí:

• elektrický proud je voda protékající potrubím,
• napětí je tlak, který tuto vodu pohání.

Čím vyšší je tlak, tím snadněji a rychleji voda proudí. Stejně tak v elektrotechnice platí, že čím vyšší je napětí, tím větší je schopnost proudu protékat obvodem.

Elektrické napětí (U) – co to je?

Příklad ze života: Představte si balónek naplněný vzduchem. Když do něj uděláte malý otvor, začne z něj unikat vzduch, protože uvnitř je vyšší tlak než v okolním prostředí. S elektrickým napětím je to podobné. Elektrony se pohybují z místa s vyšším potenciálem do místa s nižším potenciálem a vytvářejí tak tok elektrického proudu.

V čem se měří napětí?
Jednotkou elektrického napětí je volt (V).

Příklady:

• baterie AA – 1,5 V,
• USB port – 5 V,
• automobilový akumulátor – 12 V,
• elektrická zásuvka v domácnosti – 230 V.

Proč je napětí důležité?

Bez napětí by elektrický proud neměl „hnací sílu“, která by mu umožnila protékat. Právě napětí umožňuje fungování elektrických zařízení, jako jsou mobilní telefon, notebook, televizor, chladnička nebo osvětlení.

Elektrické napětí – jak provést měření napětí?

Elektrické napětí se měří pomocí voltmetru.

Měřicí přístroj se připojuje paralelně k měřenému prvku nebo zdroji napětí. Výsledek se udává ve voltech (V).

Například při měření napětí baterie AA přiložíme sondy voltmetru k jejím pólům. Naměřená hodnota může být přibližně 1,5 V.

Kde se používá elektrický proud (I)?

Intenzita elektrického proudu určuje, kolik elektrických nábojů proteče vodičem za určitý čas. Je to jedna ze základních veličin popisujících elektrický proud. Čím větší je tok elektrických nábojů, tím větší je intenzita proudu.

V praxi lze tok proudu přirovnat k proudění vody v potrubí. Čím více vody proteče potrubím za sekundu, tím větší je průtok. Obdobně platí, že čím více elektrického náboje projde vodičem za stejný čas, tím větší je intenzita elektrického proudu.

Jednotkou intenzity elektrického proudu je ampér (A). Jedná se o jednu ze sedmi základních jednotek soustavy SI.

Často se lze setkat s označením elektrický proud v ampérech, které se vztahuje právě k měření intenzity proudu vyjádřené v ampérech. Znalost této veličiny je nezbytná všude tam, kde jsou analyzovány veličiny proudu, veličiny elektrického proudu a parametry elektronických zařízení.

Jak měřit intenzitu elektrického proudu?

Natężení elektrického proudu se měří pomocí ampérmetru. Měřicí přístroj se zapojuje sériově do obvodu tak, aby veškerý proud protékal měřicím přístrojem. Výsledek se udává v ampérech (A).

Příklad: Při nabíjení mobilního telefonu lze změřit, že nabíječka dodává proud o velikosti 2 A.

Rezistance (R) a elektrický odpor – jak fungují?

Rezystance (elektrický odpor) určuje, do jaké míry součástka brání průchodu elektrického proudu.

Jednotkou elektrického odporu je ohm (Ω).

V praxi se měření elektrického odporu provádí pomocí multimetru vybaveného funkcí ohmmetru. Příklad elektrického odporu lze přirovnat ke zúžení potrubí: široké potrubí propouští vodu snadno, zatímco úzké potrubí její průtok omezuje.

Od čeho závisí rezistance?

Hodnota elektrického odporu závisí mimo jiné na:

• druhu materiálu (např. měď vede elektrický proud lépe než plast),
• délce vodiče,
• průřezu vodiče,
• teplotě.

Rezistance umožňuje řídit tok proudu v elektrických obvodech. Díky ní lze chránit zařízení před poškozením a regulovat činnost různých elektronických součástek, jako jsou LED diody, senzory a integrované obvody.

Elektrický výkon (P) a jeho druhy

Elektrický výkon určuje rychlost spotřeby nebo přenosu elektrické energie. Čím vyšší je výkon zařízení, tím více energie spotřebuje za stejný čas. Například žárovka o výkonu 60 W spotřebuje za stejnou dobu dvakrát více energie než model o výkonu 30 W.

V obvodech střídavého proudu rozlišujeme:

• Činný výkon (vykonává práci) – vykonává užitečnou práci a přeměňuje se na jiné formy energie, například na světlo, teplo nebo pohyb.
• Jalový výkon (pomáhá zařízením fungovat) – nevykonává užitečnou práci, ale je nezbytný pro činnost některých elektrických zařízení, jako jsou motory, transformátory nebo cívky. Zjednodušeně řečeno „cirkuluje“ mezi zdrojem a spotřebičem.
• Zdánlivý výkon (součet obou druhů výkonu) – celkový výkon odebíraný z elektrické sítě. Skládá se z činného a jalového výkonu. Udává, jak moc je elektrická síť zatížena.

Co je elektrická kapacita?

Elektrická kapacita určuje schopnost kondenzátoru ukládat energii a shromažďovat elektrický náboj. V elektronických obvodech kondenzátory zajišťují mimo jiné filtraci napětí a stabilizaci činnosti obvodů. Jednotkou kapacity je farad (F).

Kondenzátory se používají v:

• počítačových napájecích zdrojích,
• nabíječkách mobilních telefonů,
• blescích fotografických přístrojů,
• elektronických obvodech televizorů a počítačů.

Čím větší je kapacita kondenzátoru, tím více energie dokáže uložit a tím účinněji může stabilizovat napětí a omezovat rušení v elektrickém obvodu.

Indukčnost a magnetismus – jak fungují?

Cívky ukládají energii do magnetického pole. Jejich nejdůležitějším parametrem je indukčnost. Jednotkou indukčnosti je henry (H), pojmenovaný na počest Josepha Henryho.

Obecně se setkáváme se dvěma pojmy:

Vlastní indukčnost – cívka působí sama na sebe a brání změnám vlastního proudu.

Vzájemná indukčnost – jedna cívka působí na druhou cívku a indukuje v ní napětí.

Jevy vlastní a vzájemné indukčnosti přímo souvisejí s magnetickým tokem a magnetickým polem. Magnetický tok určuje, jaké „množství“ magnetického pole prochází danou plochou, například závity cívky. K popisu magnetické indukce se používá jednotka tesla (T).

 Frekvence (f) – co to je?

Jednotkou frekvence je hertz (Hz).

Frekvence určuje, kolikrát se daný jev opakuje během jedné sekundy. Například elektrický proud v domácích zásuvkách v České republice má frekvenci 50 Hz, což znamená, že proud mění svůj směr 50krát za sekundu.

Elektrický náboj – k čemu se používá?

Elektrický náboj popisuje množství náboje nahromaděného nebo přenášeného v obvodu. Správný pohyb elektrických nábojů způsobuje vznik elektrického proudu. Celkové množství elektrického náboje se vyjadřuje v coulombech. Coulomb (C) je oficiální jednotka elektrického náboje.

Elektrický náboj hraje klíčovou roli v:

• fungování baterií a akumulátorů,
• přenosu elektrické energie,
• elektronice a počítačích,
• kondenzátorech ukládajících elektrický náboj,
• elektrostatických jevech, jako jsou blesky.

Shrnutí

Miary a jednotky používané v elektronice umožňují přesně popisovat fungování elektrických obvodů a správně provádět měření. Většina z nich vychází z Mezinárodní soustavy jednotek SI, která představuje společný standard používaný ve vědě.

V elektronice jsou zvláště důležité veličiny, jako jsou elektrické napětí (V), elektrický proud (A), rezistance (Ω), výkon (W), kapacita (F), indukčnost (H), frekvence (Hz) a elektrický náboj (C). Právě díky nim je možné navrhovat, uvádět do provozu a diagnostikovat elektronická zařízení, od jednoduchých obvodů až po pokročilé počítačové a energetické systémy.

Znalost základních měrných jednotek a jejich významu usnadňuje pochopení fungování elektrických zařízení, správnou interpretaci výsledků měření a bezpečnou práci s elektronickými obvody. Jedná se o základní znalosti pro každého, kdo se zajímá o elektroniku, ať už jako koníček, nebo profesionálně.