ELEKTROTECHNIKA & INTELIGENTNÍ BUDOVY

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta stavební

ELEKTROTECHNIKA & INTELIGENTNÍ BUDOVY Ing. Bohumír Garlík, CSc.

Praha 2010

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

Ing. Bohumír Garlík, CSc.

ELEKTROTECHNIKA & INTELIGENTNÍ BUDOVY

Praha 2010

Evropský sociální fond Praha &EU: Investujeme do vaší budoucnosti

PŘEDMLUVA Skriptum Elektrotechnika & Inteligentní budovy je určeno pro studenty oboru Budovy a prostředí a oboru Inteligentní budovy, ale můţe slouţit i jako učební text doktorandského studia katedry TZB stavebních fakult, nebo pro studenty jiných stavebních oborů a oborů elektrotechnických zaměření jako návod případně představa o významu elektrotechniky ve stavebnictví. Cílem předloţeného materiálu je, aby čtenář – studující získal základní teoretické znalosti v oblasti inteligentních budov, jejich řešení, projektování, včetně koncepčního návrhu energetických hledisek a prostředí budov. Popisovaná témata, jejich odborná profilace, teoretické důkazy a podněty jsou směrovány do získání takových znalostí, které by bylo moţné rozvinout prostřednictvím dalších vzdělávacích aktivit. Autor tohoto textu si je vědom, ţe nová problematika studia inteligentních budov, není uceleně publikována, roztříštěnost různých pojednání, stanovisek, článků, závěrů odborných konferencí, nebo jakýchkoli pokusů o řešení této problematiky, není ve svém komplexu podloţena teoretickými důkazy a vědeckými závěry. Tento materiál můţe být povaţován za základní teoretické pojednání a zdůvodňuje jednotlivé odborné oblasti dotýkající se jednotlivých směrů studia inteligentních budov. Obor elektrotechniky je tak široký, ţe výběr oblasti elektrotechniky, která souvisí s budovami, zejména budovami inteligentními, byl podloţen zkušenostmi z přednášek a praktickými zkušenostmi z provádění staveb včetně jejich technologické a technické realizace. Výběr oblasti stacionárního a nestacionárního elektrického a magnetického pole, vznik elektromagnetických a elektrických vln a kmitání, včetně odvozených elektrotechnických zákonitostí ve vazbě na TZB, jejich komplexního vlivu na úsporu energií, na prostředí a člověka vůbec, byl jednoznačně odůvodněn. Ze získaných znalostí jsou pak popisovány základní elektrické veličiny a definice, jejich význam a vliv v procesu existence světa, existence člověka, existence a uţitkové funkce staveb. Prostředí budov, ve kterém člověk, ţivočichové a rostliny existují (bydlí, pracují apod.) v kontextu s realizací moderních technologií staveb a jejího technického zařízení, včetně realizace elektrických zařízení a automatizace budov, je nutné přizpůsobovat architektuře a zdraví a to vše zohledňovat při tvorbě a projektování inteligentních budov. Skriptum je problémově členěno do šesti kapitol. První kapitola Úvod má za cíl seznámit studenta (čtenáře) s historií, významem a perspektivou elektrotechniky, jak v ţivotě a existenci člověka, přírody, země a její dopadu na různé technické realizace. Druhá kapitola se zabývá elektrotechnikou ve vztahu k technickému zařízení, energie a prostředí budov (TZEPB), tzn. stacionárnímu, nestacionárnímu elektrickému a magnetickému poli, včetně střídavého proudu a některých komponent zabudovaných v automatizačních procesech budovy. Třetí kapitola se zabývá prostředím budov a vlivem elektromagnetických a elektrických polí na lidský organismus, baubiologií a vlivem elektromagnetických polí na ţivočichy a rostliny. Čtvrtá kapitola se zabývá novým přístupem k realizaci elektroinstalací. Jedná se o tzv. inteligentní elektroinstalaci s nízkým polem ELF a souvisejícími technickými předpoklady její realizace. Pátá kapitola je zaměřena na automatizaci budov včetně současných aplikovatelných systémů – sběrnic a

přehledu základních funkcí a principů systému KNX/EIB. Poslední šestá kapitola uzavírá celek ve smyslu definování inteligentní budovy, stavební a architektonické koncepce a prostředí staveb. Závěrem autor děkuje panu ing. Josefu Kuncovi, za odbornou korekturu kapitoly 5.4 a Ing. Pavle Pechové za překreslení všech obrázků v textu. V Praze, září 2010 Autor

1

ÚVOD

1

2 INTELIGENTNÍ ŘÍZENÍ - ELEKTROTECHNIKA JAKO PROSTŘEDEK ŘÍZENÍ A KONTROLY PROSTŘEDÍ 5 2.1 Elektrotechnika v kontextu TZEPB 2.1.1 Stacionární elektrické pole 2.1.1.1 Základní charakteristiky elektrické pole 2.1.1.2 Coulombův zákon 2.1.1.3 Kartézská soustava souřadnic: 2.1.1.4 Polární soustava souřadnic v rovině 2.1.1.5 Sférická soustava souřadnic: 2.1.1.6 Intenzita elektrostatického pole 2.1.1.7 Gaussova věta elektrostatiky 2.1.1.8 Práce, napětí, potenciál a potenciální energie v elektrostatickém poli 2.1.1.9 Elektrická indukce 2.1.1.10 Vodiče a izolant v elektrostatickém poli 2.1.1.11 Rozdělení elektrostatických jevů 2.1.1.12 Elektrostatické jevy v praxi, výskyt a ochrana 2.1.1.13 Stacionární proudové pole 2.1.2 Stacionární magnetické pole 2.1.2.1 Magnetické pole elektrického proudu 2.1.2.2 Příklady na stacionární magnetické pole 2.1.2.3 Ampérův zákon 2.1.2.4 Magnetická indukce 2.1.2.5 Magnetické pole cívky 2.1.2.6 Částice s nábojem v magnetickém poli 2.1.2.7 Magnetické napětí, intenzita magnetického pole, magnetický tok a Hallův jev 2.1.2.8 Vodič a závit protékaný proudem v magnetickém poli 2.1.2.9 Závit (proudová smyčka) v magnetickém poli 2.1.2.10 Látky v magnetickém poli 2.1.2.11 Magnetické vlastnosti látek 2.1.2.12 Magnetická hystereze 2.1.3 Nestacionární elektrické (magnetické) pole 2.1.3.1 Faradayův zákon elektromagnetické indukce 2.1.3.2 Vzájemná indukčnost 2.1.3.3 Vlastní indukčnost 2.1.3.4 Vířivé proudy 2.1.3.5 Skinefekt (povrchový jev) 2.1.3.6 Stejnosměrné motory a dynama 2.1.3.7 Stejnosměrné generátory (dynama) 2.1.3.8 Příklady 2.1.4 Střídavý proud 2.1.4.1 Vznik harmonického střídavého napětí a proudu 2.1.4.2 Efektivní hodnota střídavého proudu a napětí 2.1.4.3 Transformace střídavého napětí a proudu 2.1.4.4 Třífázový proud 2.1.5 Vznik elektromagnetických a elektrických vln, kmitání 2.1.5.1 Elektromagnetický oscilátor

6 6 6 10 14 15 16 20 25 30 38 40 43 46 52 62 65 68 72 75 78 84 85 89 89 91 93 95 96 96 98 98 99 100 100 101 101 104 104 106 106 107 110 110

2.1.5.2 2.1.5.3 2.1.5.4 2.1.5.5 2.1.5.6 2.1.5.7

Přeměny energie v elektromagnetickém oscilátoru Elektromagnetické vlnění, záření Vznik elektromagnetického vlnění Stojaté elektromagnetické vlnění Algoritmy řešení úloh šířící se elektromagnetické vlny Elektromagnetický dipól, šíření elektromagnetických vln prostorem

113 114 115 116 116 123

3 PROSTŘEDÍ BUDOV, LIDÉ A VLIV ELEKTROMAGNETICKÝCH A ELEKTRICKÝCH POLÍ 124 3.1

Interakce elektromagnetického pole a lidského organismu

126

3.2 Podstata a vliv elektromagnetických polí ELF 128 3.2.1 Působení statického a nízkofrekvenčního pole na člověka 131 3.2.2 Výpočet proudové hustoty v lidském těle indukované elektromagnetickým polem nízkých frekvencí (ELF ELM) 136 3.2.3 Legislativa pro ELF ELM pole v České republice 137 3.2.4 Příznaky elektromagnetických polí velmi nízké frekvence 140 3.2.5 Faradayův zákon a uplatnění Lorentzovy síly v lidském organismu 142 3.2.6 Fyziologické účinky elektrického proudu na lidský organismus 145 3.2.7 Elektromagnetické záření v pásmu vf a vvf a jeho vliv na lidský organismus 150 3.2.7.1 Vliv mobilních telefonů na lidské zdraví 152 3.3 Baubiologie (stavební biologie) 3.3.1 Vliv elektromagnetických polí na prostředí domu – bytu 3.3.2 Účinky vysokofrekvenčního elektromagnetického pole (ELF, ELM) 3.3.3 Ochrana před účinky vf magnetickými poli v budovách 3.3.4 Vliv EMP, ELF na živočichy 3.3.5 Vliv EMP, ELF na rostliny

4

KLASICKÁ ELEKTROINSTALACE A JEJÍ REALIZACE S OHLEDEM K ELF

4.1 Inteligentní elektroinstalace 4.1.1 Elektroinstalace s nízkým polem (ELF) 4.1.2 Technologie rekonstrukce a výstavba nových objektů podle kriterií ELF 4.1.2.1 Pospojování 4.1.2.2 Ochranné pospojování u zařízení pro zpracování dat (např. řídící systémy 4.1.2.3 Stínící účinek pospojování 4.1.2.4 Elektromagnetické stínění 4.1.2.5 Elektromagnetická kompatibilita 4.1.2.6 EMC biologických systémů 4.1.2.7 EMC technických systémů 4.1.2.8 Stavební objekt a řešení EMC 4.1.2.9 Opatření ke zlepšení EMC ve stavebních objektech 4.1.2.10 Legislativa EMC 4.1.2.11 Odolnost budov – prevence kriminality od EMC (EMP) 4.1.3 Opatření a praktická realizace inteligentní elektroinstalace v prostředí ELF

5

AUTOMATIZOVANÉ SYSTÉMY BUDOV

155 156 157 158 159 159

160 160 161 162 163 166 169 171 176 177 178 180 180 182 183 184

187

5.1 Logické systémy 5.1.1 Logický řídicí systém 5.1.2 Teorie automatů – základní hledisko 5.1.3 Logické systémy – logické obvody 5.1.3.1 Rozdělení logických systémů 5.1.3.2 Boolská algebra 5.1.3.3 Hradla – schematické značky logických členů 5.1.3.4 Metody popisu logických funkcí (obvodů) 5.1.3.5 Minimalizace logických výrazů 5.1.3.6 Realizace kombinační logické funkce základními kombinačními hradly 5.1.4 Sekvenční logické systémy - automaty 5.1.5 Programovatelné logické automaty (PLC)

189 190 191 192 194 196 197 201 206 207 209 213

5.2 Automatizované systémy řízení budov (ASŘB) 5.2.1 Základní pojmy z ASŘB 5.2.2 Technické zařízení budov a její systémová technika 5.2.3 Řízení pro inteligentní budovy 5.2.4 Sběrnice a sítě v automatizaci budov 5.2.5 Komunikační standardy 5.2.6 Sběrnice EIB 5.2.7 Sběrnice EIBA a KNXA 5.2.8 Sběrnice LON 5.2.9 Protokol BACnet 5.2.10 Další sběrnice pro automatizaci budov 5.2.11 Hodnotící pohled na současné sběrnicové systémy

216 217 218 219 221 222 223 223 224 226 226 227

5.3

227

Základní pojmy z oblasti výpočetní techniky

5.4 Základní funkce a princip systému KNX/EIB 5.4.1 Princip činnosti systému KNX/EIB 5.4.2 Připojení decentralizovaných prvků ke sběrnici KNX/EIB 5.4.3 Topologické uspořádání KNX/EIB 5.4.4 Konstrukci individuální adresy 5.4.5 Skupinová adresa v instalacích KNX/EIB 5.4.6 Komunikační objekt 5.4.7 Blokové schéma malé konfigurace systému KNX/EIB 5.4.8 Stavba telegramu v instalacích KNX/EIB 5.4.9 Liniové a oblastní spojky, liniové zesilovače v instalacích, tlumivka 5.4.10 KNX/EIB Nejmenší možná systémová instalace

233 233 238 240 242 243 245 247 247 252 252

6 INTELIGENTNÍ BUDOVY, STAVEBNÍ A ARCHITEKTONICKÁ KONCEPCE, PROSTŘEDÍ A ENERGIE 254 6.1

Funkčně zaměřené stavebnictví

6.2 Projev inteligence v inteligentních budovách 6.2.1 Rámcový koncept inteligentních budov 6.2.2 Pochopení inteligence inteligentních budov 6.2.3 Rámec inteligence budov 6.2.4 Přenos nevyjádřeného technického know-how do inteligentních budov

257 258 260 266 269 270

6.2.5

Dvojí role inteligence koncového uživatele

6.3 Prostředí budov, architektura a lidé 6.3.1 Integrované obslužné struktury 6.3.2 Architektura a smysly

270 273 275 277

7

PŘÍLOHY

281

7.1

Tabulky

281

7.2

Základy elektrotechniky - odkazy

283

7.3

Měření elektromagnetického pole

283

8

LITERATURA

284

1 ÚVOD Před první světovou válkou v Evropě, byla elektřina vymoţeností, případný výpadek elektrického proudu neznamenal pro lidi nic tragického. Neexistovaly ledničky, elektrické sporáky, světla na elektřinu byla jen u velmi bohatých rodin, nebyly semafory, ve městech byla snad jen jedna telegrafní linka, takţe běţný ţivot bez elektřiny fungoval naprosto normálně. Na počátku dvacátých let, například v Severní Americe, znamenal delší výpadek elektrického proudu – elektřiny řadu problémů. Nejezdily tramvaje, úřady závislé na telefonech nemohly pracovat, mrakodrapy na kterých bylo město závislé, byly nedostupné, přinejmenším jejich nejvyšší patra, protoţe nejezdily výtahy. Ani tehdy nešlo o totální katastrofu. Obilí se dál pěstovalo a sklízelo, protoţe v té době neexistovala závislost na traktorech, vlaky a lodě byly poháněny parou, města byla nadále zásobována potravinami atd. Dnes, výpadek elektrického proudu – elektřiny, zejména déle trvajícího charakteru, způsobí katastrofální situaci. Nefungovala by televize ani rádio, počítačová síť atd., byli bychom odříznuti od všech informací. Mobilní telefony by fungovaly po dobu nabité baterie, pak uţ by je nebylo moţné dobíjet. Děti by nechodily do školy, protoţe by školy byly uzavřené. Benzinové pumpy, závislé na zásobách nafty a benzínu, by nebyly schopné prodávat z elektricky ovladatelných stojanů pohonné hmoty, ani je doplňovat. Nemohli bychom se zásobovat potravinami, nefungovaly by kreditní karty, ani bychom nemohli vybírat peníze z bankomatů. Policejní stanice by bez fungování telefonů byly zcela v izolaci, a velice brzy by došly i baterie ve vysílačkách. Nikdo by nemohl zavolat záchranku, protoţe krizová telefonní čísla by byla mimo provoz. Kdybychom snad došli do nemocnice pěšky, nebylo by tam k dispozici mnoho potřebných a nezastupitelných věcí: ţádný rentgen, ţádné vychlazené krevní konzervy či vakcíny, ţádné plicní ventilátory ani světlo. Kdybychom snad chtěli opustit toto město, moc bychom si nepomohli, přestaly by pracovat záloţní generátory, nefungovaly by letištní radary a letadla by nemohla vzlétnout ani s ručním řízením, protoţe by se nedalo čerpat palivo z podzemních zásobáren. Kdyby výpadek trval delší dobu, museli by se uzavřít přístavy, protoţe nákladní jeřáby by nemohly vykládat obrovské kontejnery a zboţí by se nemohlo elektronicky třídit. Pokud by se výpadek elektrické energie rozšířil celosvětově, izolace by se ještě zvětšila. Ve velkoměstech by vypukl hladomor, obzvláště poté, co by přestala fungovat klimatizace ve skladech potravin. Během pár týdnů po celém výpadku elektrického proudu by se stala světová velkoměsta neobyvatelná. Kvůli nedostatku potravin a pohonných hmot by vypukly nepokoje a z obrovského mnoţství šesti miliard lidí naší planety by měla šanci přeţit jen malá hrstka. Domy, obydlí by nebyly obyvatelné, lidé by z nich odcházeli, nastala by krize prostředí, na kterém jsou lidé závislí. Kdyby elektřina ze světa vymizela úplně, voda všech oceánů Země by vyrazila prudce vzhůru a vypařila by se, protoţe by přestali existovat elektrické vazby mezi molekulami vody. DNA našeho těla by se rozloţila také. Všechny ţivé organismy, které jsou závislé na 1

příjmu kyslíku, by se začaly dusit, protoţe molekuly kyslíku obsaţené ve vzduchu by se bez elektrické přitaţlivosti marně odráţely od molekul krevního hemoglobinu. Pevnina by se hroutila a rozpadala, protoţe elektrické síly, které drţí křemičitany a další sloučeniny naší planety pohromadě, by přestaly působit. Pohoří by se propadla do prázdna a na jejich místech by se oddělily zemské desky. V posledním okamţiku by zbytek ţivých tvorů naposledy zahlédl Slunce, jak samo zhasíná, neboť elektromagneticky přenášené světlo naší hvězdy by zmizelo a den by se změnil na nekonečnou noc. Síla elektrické energie je mocná, působí bez přestávky, více neţ 13 miliard let. Je skryta hluboko v nitru skal, hvězd a atomů. Kolem nás je vţdy téměř stejné mnoţství kladně i záporně nabitých elektrických částic v tak nádherně vyrovnaném poměru, ţe jejich působení nevnímáme, přestoţe jejich vliv je všudypřítomný. Elektrické jevy byly známé jiţ ve starověkém Řecku, od té doby bylo učiněno mnoho pokusů proniknout do jejich skrytého světa. Do poloviny 18. století toho bylo objeveno málo, zlom nastal v devadesátých letech 18. století díky práci ctiţádostivého italského badatele Alessandra Volty. Ten zjistil, ţe kdyţ si na jednu stranu jazyka poloţí měděnou minci a na druhou kulatý zinkový plíšek, poté spojí jejich konce, proběhne mu jazykem jemné brnění. A tak ve svých ústech vytvořil první stabilně fungující „baterii“ na světě. Volta nevěděl, proč to funguje, či jak solný roztok umoţňuje volným elektronům projevit se na jednom z kovů, ale pomocí drátu dokázal poslat brnící spršku elektronů kolem laboratorního stolu. Energie, která prýštila z této baterie, se hrnula vpřed jako voda v řece, takţe dostala název „elektrický proud“. V období viktoriánské éry vznikly telefony, telegrafy a elektrické ţárovky; horské dráhy a rychlé tramvaje – samozřejmě řada různých elektrických motorů, které je poháněly. Jiţ v roce 1859, ještě před americkou občanskou válkou, existoval ve Francii první efektivně fungující fax. Svět se začal proměňovat. Vlna nových technologií v oblasti elektrotechniky dala vzniknout novým moderním společnostem. Pomohla ţenám získat volební právo. Dala vyrůst suburbiím (městské periferie) daleko od center měst. Umoţnila vývoj bulvárního tisku a díky břitké podobě telegrafických zpráv dala vzniknout i novému „hemingwayovskému“ stylu prózy. Tady bychom mohli skončit, ovšem kdyby v polovině 18. století angličtí vědci nepootevřeli dveře do světa elektřiny ještě více. Zjistili, ţe elektřina zahřívající dráty se nepohybuje sama o sobě. Existuje zde ještě něco jiného – vše prostupující pohyb neviditelných vln, které ji ţenou před sebou. Objevem těchto neviditelných vln byli někteří badatelé tak ohromeni, ţe je to utvrdilo v jejich náboţenské víře. Jiní však v těchto dosud netušených vlnách viděli mechanismus, který můţe aktivovat mimosmyslové vnímání a další psychické jevy. Ještě před koncem 19. století nalezl jeden odhodlaný experimentátor způsob, jak z měděného drátu uvolnit vlny a vyvést je do prostoru. Tento objev vedl k prvním pokusům s mobilními telefony (první primitivní mobilní telefon byl v provozu v roce 1879 v londýnském Portlandu na místě, kde dnes stojí budova BBC. V několika následujících desetiletích dostaly svou podobu i radar a televize, které také vyuţívaly těchto neviditelných vln.

2

Ve dvacátém století se objevily další úkazy. Několik fyziků bylo konečně schopno podívat se elektřině přímo do tváře. Vědci zjistili, ţe atomy uvnitř nás sice vypadají jako zmenšený model sluneční soustavy s elektrony obíhajícími jako miniaturní planety kolem maličkého Slunce. Ale tyto elektrony, které se pohybují také v závislosti na tom, jak nás elektřina obklopuje, se mohou teleportovat daleko v prostoru z jednoho místa na druhé. Tyto přeskoky elektronů v nás jsou těţko pochopitelné. Je to, jako kdyby Země byla elektronem, který by se mohl ihned odpoutat od Slunce, katapultovat se a vznášet se někde nad Jupiterem. 20. století bylo stoletím největších světových válek. V této době kaţdý, kdo slíbil, ţe přijde na to, jak s nabitými elektrony hýbat, dostal příleţitost získat mimořádné prostředky na výzkum. Vznikly první projekty umělé inteligence a vznik prvních mikročipů. Jiţ ve dvacátých letech 19. století se lidé snaţili postavit počítač, ale technika zaloţená na síle parních motorů, na kuličkových loţiskách a ozubených kolech byla příliš hrubá na to, aby něco takového umoţnila. Nevhodná byla ale nejen technologie, nedostatečná byla i tvůrčí představivost. O sto let později, tedy na počátku 20. století Alan Turing, jako první detailně a přesvědčivě ukázal, jak by to bylo moţné jinak. Nové poznatky o kvantové povaze elektronu mu daly šanci sestavit první počítač, avšak technika nebyla zralá. Turing po smrti svého přítele ztratil veškerou víru v Boha, kterou doposud měl. Zlostně zavrhl víru v to, ţe pouze tělo je smrtelné, zatímco duše je nesmrtelná a ţije na věky. Jeho přítel byl mrtev. Jeho zloba, ten chladný materialismus, mu velice usnadnil objev, na který Turing přišel o pár let později. Pokud totiţ věříme v nesmrtelnost duše, budeme těţko přemýšlet o vytvoření umělého stroje, který by mohl myslet jako lidé. Chladný materialismus byl v té době pro Turinga pomyslnou ochranou smutku, po smrti jeho přítele Morcoma. Několik let Turing působil na Cambridgi, jako jeden ze snaţivých a pilných studentů. V roce 1935 aţ 1936 bylo Turingovi dvaadvacet let, v té době se zúčastnil v paříţské posluchárně přednášky německého matematika Davida Hilberta, který nahlas zdůrazňoval, co povaţuje za nejdůleţitější matematický problém té doby. Jeden z nich, který nebyl vyřešen se týkal logiky. Šlo o to, jak dlouhé by mělo být logické odvození. Jednoho dne, kdy odpočíval v trávě na louce si představoval stroj, který by se mohl rozběhnout, pokud bude vyřešen Hilbertův problém týkající se logiky. Turong si představil, ţe by mohl vyřešit Hilbertovu otázku, týkající se rozhodnutí o pravdivosti či nepravdivosti výroku. Uvědomil si také, ţe jeho stroj by mohl teoreticky za pouţití logiky vyřešit či udělat cokoli. Jediné, co by musela obsluha stroje udělat, by byl stručný a zcela jasný zápis povelů, které by měl stroj provést. Stroj by vůbec nemusel „rozumět“ tomu, co tyto instrukce znamenají. Jediným jeho úkolem by bylo je vykonat. Turing dokázal, ţe jakýkoli úkol, který je moţné si představit, jako je např. sčítání čísel, malování obrázků, je moţné převést do jednoduchých logických kroků, kterými by se stroj řídil. Byl to úţasný intelektuální objev, avšak bohuţel ve své době nepochopený. Turing nazval svůj stroj Universal Machine

3

(Univerzální stroj), toto pojmenování téţ pouţil v roce 1937 ve svém příspěvku pro časopis londýnské matematické společnosti. Turing pak začal pracovat na koncepci programového vybavení (software). Uvědomil si totiţ, ţe jeho počítač by nebyl příliš uţitečný, kdyby ho bylo nutné přestavovat pro kaţdý další úkol. Začal proto uvaţovat o takové vnitřní stavbě počítače, kterou by umoţňoval tento program měnit. Univerzální programové vybavení by mohlo být jednoduše pevnou součástí počítače, ale současně by se mohlo neustále upravovat a přizpůsobovat. V tomto momentě nastupuje elektřina. Pokud by se Turingův počítač měl stát rovným soupeřem lidské mysli, pak by také potřeboval spoustu přepínačů a výhybek, které by byly schopny velkou rychlostí provádět všechny potřebné úpravy, aby mohl zpracovávat obrovské mnoţství informací a rozhodovat se přibliţně jako lidský mozek. Přepínače by musely být velmi malé a musely by pracovat velmi rychle. To, co Turing skutečně potřeboval, byl nový pohled fyziky na elektrony, tzn. na to, co se nazývá kvantovou mechanikou. Podle nové teorie šlo přepínat elektrony bez jakéhokoli mechanického pohybu součástí – kontaktů. Namísto mechanického pohybu součástí lze podle kvantové mechaniky elektrony ovládat elektrickým polem. Největší pokrok v oblasti vyuţití elektřiny začal v únoru 1942, na obranu Velké Británie, kdyţ německé námořnictvo přešlo na nový formát kódování. Na toto uţ jednoduchá „bomba“ nestačila, proto Turing vybudoval pokročilejší zařízení nazvané Colossus (Kolos). Toto zařízení se uţ blíţilo jeho představě z třicátých let. Stroj byl dokonalejší neţ kalkulačka, ale nebyl to ještě programovatelný počítač. Turing stále ještě neměl v rukou dostatečně miniaturizované součásti pro přepínače nebo paměti. Programové vybavení uvnitř jeho strojů – software – by mohlo být měnícím se schématem elektrických obvodů a vedle něho by fyzicky existovalo technické zařízení hardware, které by mělo schopnost do své „paměti“ ukládat vše, co by navrhoval software. Turing začal přemýšlet o tom, co opravdu znamená být opuštěnou lidskou bytostí, a právě v tomto okamţiku se zrodil nápad popsat umělou inteligenci a podstatu vědomí. Teprve několik let po jeho smrti byla tato zpráva uznána jako základ moderních kognitivních a počítačových věd. Zemřel osamocen s elektrotechnikou a s Turingovým počítačem. Elektřina je pozoruhodné, ale velice komplexní téma. Je náročné drţet se meritu věci a nedostávat se do přílišných detailů nebo podrobných vysvětlení. V tomto materiálu chci poloţit základy, podloţené teoretickými a aplikačními metodami, elektrotechniky v kontextu a ve významu k budovám aţ po budovy inteligentní. Inteligentní budova představuje zajištění optimálních vnitřních klimatických podmínek, a to vyuţitím několika souvisejících nástrojů: stavební materiály a konstrukce, technologická zařízení, řídicí systémy, odborně vedený provoz a erudovaný management. Jinými slovy jde o „inteligentní řízení technického zařízení, energie a prostředí budov“ (IR-TZEPB). Výsledkem by měl být ekonomický, energeticky nenáročný a ekologický chod budovy, připouštějící navíc jistou flexibilitu z hlediska jejího uţívání. Provoz 4

v inteligentní budově je do značné míry automatizovaný, jednotlivé technologické funkční celky si mezi sebou předávají informace důleţité pro svůj chod. Celek je pak zastřešen nadřazeným systémem (centrálou, dispečerským stanovištěm, stanicí operátora), kde se provozní informace a informace o stavu technologických zařízení setkávají a ze kterého je moţné chod budovy ovlivňovat zadáváním hlavních provozních parametrů. Poţadavky na inteligentní budovy se odvíjejí od jejího účelu a způsobu vyuţití. V praxi můţeme budovy rozdělit do několika kategorií. Mezi frekventované patří budovy obytné, administrativní, skladové areály, hotely, školy, nemocnice a obchodní nebo polyfunkční objekty (od divadla, kina, nádraţí aţ po stadiony). Všechny uvedené typy budov by měly splňovat základní kritéria: bezpečnost (lidí, kteří budovu uţívají), spolehlivost (bezporuchový provoz systémů), úsporný provoz (nízké náklady související s uţíváním budovy) a přiměřená cena (investiční náklady na stavbu budovy).

2 INTELIGENTNÍ ŘÍZENÍ - ELEKTROTECHNIKA JAKO PROSTŘEDEK ŘÍZENÍ A KONTROLY PROSTŘEDÍ V této kapitole se budeme zabývat těmi částmi teoretické elektrotechniky a automatizační techniky, které mají kontinuální vliv na realizaci, vlastnosti a aplikace v oblastech návrhu inteligentního řízení technického zařízení, energie a prostředí budov a pravidly pro jejich praktické pouţití. Půjde především o vytvoření si správné představy o základních pojmech a vztazích v elektrotechnice, o jejich pouţívání při řešení konkrétních technických problémů v praxi a realizace technického a elektrického zařízení v budovách včetně jejich inteligentního řešení. Uspořádání jednotlivých částí a kapitol se bude poněkud lišit od klasického tradičního pojetí výkladu teoretické elektrotechniky. Hlavní důvod tohoto přístupu je vhodnější odvození hlavních pojmů s představou o pochopení konkrétních veličin prakticky měřitelných, neţ způsob, který se opírá o abstraktní myšlení. Další důvod takového uspořádání myšlenek a teorie lze spatřovat v tom, ţe elektrický proud je ze všech veličin nejnázornější a představa elektrického proudu je prakticky aplikovatelná k pouţívání elektrické energie v denním ţivotě. Rovněţ i při popisu pole proudového, elektrostatického a magnetického se ukazuje, ţe můţeme pracovat s analogickými pojmy a myšlenkovými postupy, které jsou v kaţdém poli stejné. Centrum našeho zájmu v kontextu elektrotechniky s inteligentními domy bude v tomto materiálu zaměřen na takové oblasti, které bezprostředně souvisí s tvorbou, realizací a projektováním inteligentních domů s důsledky z toho plynoucím. Půjde o výběr oblastí elektřiny a magnetismu, základy teorie řízení v klasickém a logickém pojetí Volba takového přístupu při výkladu je konstruována do podmínek docílit orientační představy tvorby a návrhu inteligentního domu, zejména pro širší oblast studovaného zájmu z různých profilovaných oborů studia. 5

2.1 Elektrotechnika v kontextu TZEPB Elektřina je definována jako souhrn elektrostatických jevů (z nichţ mezi prvními byly silové účinky vyvolané třením izolantů a následná polarizace látek) a elektrodynamických jevů včetně elektromagnetismu. Jevy spojené s elektřinou i magnetismem se nazývají elektromagnetismus. Technický obor zabývající se elektřinou se nazývá elektrotechnika.

2.1.1 Stacionární elektrické pole Elektrostatika je část fyziky, která studuje elektrické jevy, které souvisejí s (časově) ustáleným (neměnným) vzájemným silovým působením elektricky nabitých částic a těles. V širším slova smyslu se do elektrostatiky řadí i jevy elektrizace těles a (i nestatické) projevy tzv. statické elektřiny. Základním pojmem elektrostatiky je statické elektrické pole, které lze popsat pomocí vektorového pole, intenzity elektrického pole nebo pomocí skalárního potenciálu. Základním zákonem elektrostatiky je Coulombův zákon, ze kterého lze odvodit další zákony a věty elektrostatiky. 2.1.1.1 Základní charakteristiky elektrické pole Elektrické pole je prostor, kde působí elektrické síly. Ke vzniku elektrického pole je nutná přítomnost elektrického náboje (elektricky nabité těleso). Elektrické pole je částí elektromagnetického pole. Elektrický náboj je vlastnost částice nebo tělesa, která udává jeho elektrické vlastnosti. To, ţe náboj je vlastnost částice, znamená, že náboj se nemůže vyskytovat samostatně, vţdy je vázán na částici, případně více částic, které tvoří těleso. Náboje nikdy nevznikají ani nezanikají, nabité částice se mohou v rámci určitých hmotných těles přemísťovat, posouvat, hromadit, čímţ se elektromagnetické jevy projevují i na tělesech větších rozměrů. Pokud jsou nabité částice vzhledem k pozorovateli v klidu hovoříme o elektrostatickém poli. Pokud jsou nabité částice v pohybu hovoříme o elektrodynamickém poli. V makroskopické teorii elektromagnetického pole nedělíme obvykle materiál na jednotlivé elektrony a protony, zabýváme se pouze jejich sumárními účinky. Elektrické pole můžeme rozdělit podle závislosti na čase: a) Nestacionární elektrické pole- obecné, časově proměnné elektrické (magnetické) pole b) Stacionární elektrické pole - časově neproměnné elektrické pole [elektrostatické pole-speciální případ stacionárního pole (časově neproměnného pole), v němţ se nevyskytují elektrické proudy – elektrické náboje se nepohybují]; někdy se téţ nazývá stejnosměrné elektrické pole 6

c) Tvar elektrického pole - Homogenní (všechny siločáry jsou vzájemně rovnoběţnými přímkami) - Radiální pole (všechny siločáry jsou přímkami procházejícími jedním bodem) Fyzikální veličina, která popisuje velikost náboje se značí písmenem Q nebo q. [Q] = C (coulomb) = A  s. Náboj jednoho coulombu projde průřezem vodiče při proudu 1 A za 1 s. Kdyţ má částice nebo těleso elektrický náboj, má schopnost vyvolat silové působení mezi dalším tělesem s elektrickým nábojem. Mezi takto nabitými tělesy se projevují elektromagnetické síly. Toto silové působení ( = silová interakce) se uskutečňuje prostřednictvím elektro-magnetického pole (→ elektromagnetická interakce). O částicích (tělesech), které nesou elektrický náboj, říkáme, ţe jsou elektricky nabité. Vlastnosti silového pole mezi nabitými částicemi závisí na jejich pohybovém stavu. Je-li náboj v klidu, obklopuje ho elektrické (elektrostatické) pole. Je-li náboj v pohybu, vytvoří se kolem něho podle způsobu pohybu buď magnetické nebo elektromagnetické pole. Elektrické a magnetické pole jsou neoddělitelnými sloţkami elektromagnetického pole. Samostatně o nich mluvíme pouze, když se za určitých podmínek projevuje jen jedna složka a druhá je potlačena. Elektrické pole vznikne kolem náboje, který je v dané vztaţné soustavě v klidu. Zákon zachování elektrického náboje V izolované soustavě se celkový náboj zachovává; náboj není moţné vytvořit ani zničit. Lze jej ovšem přenášet z jednoho tělesa na druhé. Elektrický náboj je kvantován. Nejmenším, dále nedělitelným nábojem je elementární náboj e, coţ je náboj jednoho protonu (přisuzujeme mu kladný náboj) nebo jednoho elektronu (přisuzujeme mu záporný náboj). Všechny elektrické náboje (kladné i záporné) jsou celistvými násobky elementárního elektrického náboje (dále nedělitelné). e = 1,602  10–19 C Mezi elektrony a protony, které jsou základní částice tvořící hmotu, se projevují síly, které se nazývají elektromagnetické. Tyto síly je moţno pozorovat mezi stojícími i pohybujícími se částicemi. Z hlediska charakteru rozdělujeme síly na elektrické a magnetické. Magnetické síly se projevují pouze mezi pohybujícími se částicemi. V elektrickém poli je síla úměrná velikosti nábojů a klesá s kvadrátem vzdálenosti. Protony a elektrony jsou v atomu v rovnováze, proto se atom navenek jeví jako elektricky neutrální. Elektrický náboj vznikne, kdyţ se poruší rovnováha protonů a elektronů v atomu: Tzn. kdyţ chceme dodrţet zákon zachování náboje, musíme zdůraznit, ţe náboj ve skutečnosti nevznikne, ale nahromadí se částice se stejným nábojem. Tím se oddělí elektrony od protonů, které se původně z našeho pohledu navzájem rušily, takţe celkový náboj byl nulový. S dostatečně citlivými přístroji bychom je dokázali rozlišit.

7

– u plynů vzniká ionizací, kdyţ na molekuly plynu působí radioaktivní záření (radioaktivní částice se pohybují velkou rychlostí, narazí do molekuly plynu a molekula se roztrhne) – kapaliny jsou elektricky neutrální, ale přidáním soli dojde k její disociaci na kladně a záporně nabité ionty. Např. NaCl → Na+ + Cl–. – u pevných látek vzniká teplem nebo třením, např. ebonitová tyč o koţešinu (liščí ocas), skleněná nebo novodurová tyč o vlněnou látku Elektrický náboj se projevuje přeskokem elektrické jiskry, silovým působením (přitahuje lehké částice jako kousky papíru, vlasy, ...) nebo svalovou křečí. S ohledem na strukturu materiálu můţeme definovat dva druhy nábojů: volné a vázané. Volné náboje jsou takové, které se mohou volně přesouvat, hromadit a dokonce přecházet z jednoho tělesa na druhé. Volný náboj je charakteristický pro materiály, které nazýváme vodiče. Nositeli volných nábojů jsou valenční elektrony, které jsou v těchto materiálech slabě vázány k jádru, snadno se uvolňují a v tělese se pohybují v podobě elektronového plynu. Vázané náboje se nemohou volně pohybovat, pouze posouvat. Vznik vázaných nábojů je charakteristický pro dielektrické materiály. Elektrony jsou pevně vázány k jádrům a není moţné je odtrhnout, tyto látky mají schopnost vytvářet elektrické dipólydvojice s kladným a záporným nábojem. Dipóly se mohou ve vnějším elektrickém poli natáčet a posouvat. Z makroskopického hlediska se tento posuv projeví jako vázaný náboj, který se objeví na povrchu dielektrika, nebo prostorový vázaný náboj rozloţený s určitou hustotou v objemu tělesa. Elektrické siločáry: Zvláštním případem elektrického pole je pole elektrostatické, které je buzeno nepohyblivými (statickými) náboji a je popsáno elektrickými siločárami, a to kvalitativně i kvantitativně. El. siločáry jsou myšlené čáry, které graficky znázorňují situaci v okolí elektrického náboje. Navzájem se neprotínají, jsou kolmé k povrchu tělesa a jsou vţdy orientovány od kladného náboje k zápornému (dáno dohodou).

Obr. 2.1: Homogenní pole – podle kvality (tvaru) siločar rozlišujeme tři základní druhy polí: radiální pole (pole bodového náboje) – kladného náboje (obr.2.2, a) – záporného náboje (obr.2.2, b) pole dvou nábojů – opačných (obr. 2.2, c) – souhlasných (obr. 2.2, d) 8

homogenní pole (mezi dvěma rovnoběţnými deskami) → obr.2.1: a pak další, sloţitější pole – podle kvantity (hustoty) siločar lze určit, jak je pole silné. Čím větší je hustota siločar, tím silnější je pole.

Obr. 2.2 a): radiální pole kladného náboje

Obr. 2.2 b): radiální pole záporného náboje

Obr. 2.2, c), d): Znázornění typů polí dvou nábojů opačných znamének Bodový náboj. Bodový náboj je náboj konečné velikosti umístěný na geometricky zanedbatelně velikém tělese ve srovnání se vzdáleností, ve které zkoumáme elektromagnetické účinky náboje. Kdyţ budeme zkoumat síly působící v atomu mezi elektrony a protony, bude bodovým nábojem přímo elektron, nebo proton. Oproti tomu, například náboj rozmístěný na tělese velikosti tenisového míčku, budeme moci na druhé straně fotbalového hřiště s úspěchem povaţovat také za bodový. Jinými slovy: bodový náboj – rozměry nabitého tělesa jsou zanedbatelné vzhledem ke vzdálenosti ostatních nabitých objektů integrujících s uvaţovaným tělesem. Základní shrnutí a) Elektrický náboj je vţdy vázán na hmotný objekt b) Existují náboje kladné a záporné c) Pro silové účinky nabitých těles platí princip superpozice d) Zákon kvantování elektrického náboje říká, ţe všechny náboje jsou násobkem e e) Zákon zachování náboje – celkový náboj v izolované soustavě je roven algebraickému součtu všech nábojů a nemění se 9

f) Invariantnost náboje – relativistický invariant (na rozdíl od hmotnosti) g) Pohybující se náboje budí pole elektrodynamické (elektromagnetické) h) Zákon silového působení nábojů – Coulombův zákon 2.1.1.2 Coulombův zákon Je to základní zákon elektrostatického pole, obr. 2.3. Elektrická síla, která působí mezi dvěma nabitými bodovými náboji je dána vztahem v případě, ţe náboj Q1 působí na náboj Q2

  Q Q   F12  ( F21 )  k 1 2 2 r12 (r21 ) [ N ] – (Newton)(2-1) r   r12 (r21 ) -

r

-

jednotkový vektor, který je orientován ve směru od budícího náboje k náboji, na kterém se posuzují silové účinky (v případě, že budou oba náboje stejného znaménka, bude síla působit ve směru tohoto vektoru a bude odpudivá, v opačném případě bude síla působit proti směru jednotkového vektoru a bude přitažlivá) vzdálenost mezi náboji

Obr. 2.3: Znázornění silového působení odpuzování a přitahování dvou nábojů a) odpuzování; b) odpuzování; c) přitahování 10

k – konstanta úměrnosti, je závislá na tvaru pole a na prostředí, ve kterém elektrické pole působí  prostředí charakterizuje permitivita  - pro kaţdé prostředí je jiná:

k

1 [ N.m2.C-2 ] 4  

(2-2)

  r 0

(2-3)

 0 - permitivita vakua: 8,854.10-12 C2.N-1.m-2 (F/m) (Farad/metr)

 r - relativní permitivita (bezrozměrná), viz.tab.1  0 - permeabilita vakua

 0  4  10 7 H / m ( Henri/metr)

c

1

 0 0

 3  10 8

[m/s]

c – rychlost světla ve vakuu Tab.1: Příklad hodnot relativní permitivita dle prostředí

Prostředí

Relativní permitivita  r

Vzduch

1,000 54

Slída

5,4

Voda(200C)

80,4

Vektorové vyjádření Coulombova zákona Z níţe uvedeného obr. 2.4 můţeme vyjádřit vektorově Coulombův zákon.

11

Obr.2.4: Vektorové prostorové uspořádání dvou bodových nábojů Q1 a Q2     Vektory F12 , F21 , r12 ar21 leţí ve stejné přímce.

  r1 , r2

-

polohové vektory nábojů Q1 a Q2,

   r21  r2  r1

-

udává polohu Q2 vzhledem k Q1

   r12  r1  r2

-

udává polohu Q1 vzhledem k Q2

-

jednotkový vektor mířící od Q1 do Q2

 r12 0 r12  r12 (viz.obr. 2.4)

Poznámka: Jednotkový vektor (často téţ prostorový vektor) nese informaci o směru daného vektoru. Kaţdý vektor můţeme vyjádřit součinem skalárního bodového vektoru a     jednotkového vektoru: a  x  a0 ; a 0 ( r120 ) - jednotkový vektor Předpokládejme, ţe jsou ve vakuu umístěny dva bodové náboje, Q1 a Q2, nacházející se ve vzdálenosti r12 (r21). Síla, kterou působí náboj Q1 na náboj Q2, je dána Coulombovým zákonem:

 Q Q  F12  k 1 2 2 r120 r12

12

(2-4)

 Q1 Q2  F12  k  r12 r123

(2-5)

 Q1 Q2  0 F21  k r21 r212

(2-6)

 Q1 Q2  F21   r21 r213

(2-7)

obdobně

  F12   F21 (viz. třetí Newtonův zákon)

Uveďme si pro názornost na tomto místě tento příklad: Vezměme si atom vodíku, v jehož jádře se nachází, jede proton. Ve vzdálenosti r=5,3.10-11m se nachází elektron. Elektrostatická síla, která mezi těmito dvěma částicemi působí je přibližně

ke e 2 Fe  2  5,2.10 8 N . Tyto částice na sebe ale také působí gravitační silou, která je r přibližně Fg  3,6  10 47 N. Z toho pak vidíme, že gravitační působení je oproti elektrostatickému naprosto zanedbatelné!!! Aplikace Coulombova zákona Coulombův zákon popisuje silové působení mezi jakýmikoli dvěma náboji. Pokud na sebe navzájem působí více nábojů (soustava nábojů) viz.obr. 2.5, je celková síla, působící na libovolný náboj, dána jednoduchým vektorovým součtem jednotlivých silových účinků ostatních nábojů.

13

Obr. 2.5: Silové působení soustavy více nábojů

 F

1 4 0

n

Q0 Q j    3 (r  r j ) r  rj

 j 1

[N]

(2-8)

Poznámka: Zopakujme si ! 2.1.1.3 Kartézská soustava souřadnic: Vektorová fyzikální veličina (vektor) je charakterizována velikostí a směrem, obr. 2.6. Vedle vektorových veličin jsou ve fyzice veličiny, které jsou určeny pouze svou velikostí a rozměrem (jednotkou) a nikoliv směrem. Takové veličiny nazýváme skaláry.

Obr. 2.6: Vektor přemístění, vektor síly, rychlosti, intenzity pole atd. Kartézská soustava souřadnic obr. 2.7, se pouţívá v analytické geometrii, definování vektorů a jejich výpočtů, rovnice přímek, rovnice rovin, vzájemná poloha rovin, metrické úlohy v prostoru, kruţnice, elipsy, paraboly apod.

14

Obr. 2.7: Kartézská soustava souřadnic (příklad) Jednotkový vektor (polohový vektor) obr. 2.8, obr. 2.9, je vektor, jehoţ velikost je jedna a míří v kladném směru

Obr. 2.8: Zobrazení polohového vektoru r; vyobrazení jednotkových vektorů i, j, k. Obecně:

r = xi +yj +zj; r  x 2  y 2  z 2 .

(2-9)

Obr. 2.9: Zobrazení jednotkových vektorů Souřadnicový systém s jednotkovými vektory i, j, k, tvoří pravoúhlý souřadný systém. Jednotkové vektory leţící v kladném směru souřadnicových os x, y a z označíme i, j a k. Libovolný vektor r pak ve sloţkách (prostoru) zapíšeme jako vektorový součet r  rx i  ry j  rz k

v rovině

        r  rx i  ry j  xi  yj ; r  xi  yj  r  x 2  y 2

kde rx i, ryj, rzk jsou vektorové sloţky vektoru r ve směru souřadných os, a rx , ry, rz, jsou velikosti vektorových sloţek vektoru r, které jsou skalárními veličinami. 2.1.1.4 Polární soustava souřadnic v rovině Je taková soustava souřadnic v rovině, u které jedna souřadnice udává vzdálenost bodu od počátku souřadnic a druhá souřadnice udává úhel spojnice tělesa a počátku od zvolené osy leţící v rovině (nejčastěji osa x kartézských souřadnic). Viz. Obr. 2.10.

15

Obr. 2.10: Polární soustava souřadnic Polární soustava souřadnic je vhodná: -

Při níţ se nemění vzdálenost tělesa od jednoho bodu (počátku souřadnic-např.při pohybu po kruţnici)

-

Při níţ se uvedená vzdálenost mění s nějakou jednoduchou závislostí

Transformace polárních na kartézské: x  r cos ; y  r sin 

(2-10)

Převod kartézských souřadnic na polární:  y r  x 2  y 2 ;  arctg   x

(2-11)

2.1.1.5 Sférická soustava souřadnic: Je soustava souřadnic v prostoru, u které je jedna souřadnice (označena r) udává vzdálenost bodu od počátku souřadnic, druhá souřadnice (označena  ) udává úhel odklonu průvodce bodu od osy x a třetí souřadnice (označena  ) úhel mezi průvodičem a osou z.

Bod ve sférické soustavě souřadnic. Transformace sférických souřadnic na kartézské je: 16

x  r sin  cos ; y  r sin  sin ; z  r cos 

Převod kartézských souřadnic na sférické je: z r  x 2  y 2  z 2 ;  arctg 2( y, x);  arccoc  r

Příklad: Předpokládejme, viz obr. 2.11, ţe trojice nábojů je umístěna v rovině. Máme nalézt sílu, která působí na náboj q3, je-li q1=6x10-6C, q2=-6x10-6C, q3=3x10-6C, a=2x10-2m. Řešení: Vztah mezi polárními souřadnicemi R ,  a kartézskými souřadnicemi x, y je dán rovnicemi, viz. obr. 2.11.

Obr. 2.11: Kartézská a polární soustava souřadnic tří nábojů (bodů) q1, q2 a q3 x  R cos  , y  R sin  ,

(2-12)

R  a 2  a 2  2a

(2-13)

a a

(2-14)

  arctg Poloha náboje (bodu) q3 je

  q3  R cos   i  R sin   j ,

(2-15)

Síla, kterou působí náboj q1 na náboj q3, je označena vztahem pro F13. Pro jednotkový vektor ve směru síly F13 lze vyjádřit matematický vztah    r13  cos   i  sin   j 17

(2-16)

cos  

a a ; sin   R R

R 2  a 2  a 2  2a 2

R  2a cos  (sin  ) 

a 2a



2 2

 pak dosazením do (2-16) dostaneme pro jednotkový vektor r13    r13  cos   i  sin   j 

2   (i  j ). 2

(2-17)

Vyuţitím principu skládání sil platí pro výslednou sílu, působící na náboj q3:

q q   1  q1 q3   2 r13  2 2 3 r23  4 0  r13 r 23  - druhý člen v závorce má záporný koeficient, jelikoţ nábojq2 je záporný F3  F13  F23 

-

 r23 jednotkový vektor nemíří stejným směrem jako síla F23

-

 r13 jednotkový vektor má stejný směr jako síla F13

-

abychom stanovili součet v závorce vztahu (2-18), musíme kaţdý vektor vyjádřit v kartézských sloţkách a síly sečíst podle pravidel vektorového součtu

-

 jednotkový vektor r13 mířící od q1 do q2 vyjádříme vztahem viz. (2-17)

-

r23 vzdálenost mezi q2 a q3 je rovna „a“

-

 jednotkový vektor r23 mířící od q2 do q3 vyjádříme     r23  cos   i  sin   j  cos 180  i  sin 180  j  i  0  i

-

(2-18)

(2-19)

dosazením do (2-18) dostaneme F3 

q q   1  q1 q3  1  2 r13  2 2 3 r23   4 0  r13 r23  4 0

=

1 4 0



 q1 q3 2   (q1 )q3   ( 2 a ) 2 2 (i  j )  a 2 

 q1 q 2  2 1 q1 q 2 ( i  j )  i   2 2 a  4  4 0 a 18

 2  2    i   j  i  4  4  

 i   



q1 q3 4 0 a 2 1

 2   2   1  i   j .  4  4  

(2-20)

Velikost výsledné síly pak je (podíváme se na (2-8)) 1

2 2 2 1 q1 q3  2   2      3N .  F3   1     4 0 a 2  4 4     

(2-21)

Úhel, který svírá síla s osou „x“ v kladném směru, je  F3, y   2/4    arctg    151,30     1 2 / 4   F3, x 

  arctg 

(2-22)

Poznámka: a) Rovnice (2-22) má dvě řešení: Druhé řešení   28,7 0 je nesprávné, protoţe by   to znamenalo, ţe síla má kladnou sloţku i a zápornou sloţku j . b) Pro soustavu „N“nábojů bude výsledná síla působící na j-tou částici

N

F j   Fij

(2-23)

i 1 i j

kde Fij – je síla, která působí mezi částicemi „i“ a „j“. c) Z principu superpozice plyne, ţe síla působící mezi dvěma libovolnými náboji je nezávislá na přítomnosti ostatních nábojů. To platí za předpokladu, že se náboje nepohybují. Hustota náboje, je veličina charakterizující náboj na zdánlivě větších nabitých tělesech: a) Objemová hustota náboje



dQ [C.m 3 ] . dV

(2-24)

b) Plošná hustota náboje



dQ [C.m 2 ] dS

(2-25)

19

c) Délková (lineární) hustota náboje



dQ [C.m 1 ] dl

(2-26)

Celkový náboj tělesa (hustota náboje jako funkce souřadnic)

Q   dQ

(2-27)

V

(integrace přes celý objem „V“, resp. plochu „S“ nebo délku „l“) 2.1.1.6 Intenzita elektrostatického pole Máme-li náboj (těleso) v klidu, uloţené v polární soustavě souřadnic, zavádíme silové pole vytvořené tímto nábojem v celém svém okolí a pomocí tohoto pole působí tento náboj na ostatní náboje. Podobně i ostatní náboje působí na další i na námi popsaný náboj v klidu. Tedy elektrostatické pole se projevuje silovým působením na nabité částice. Vlastnosti elektrostatického pole a jeho intenzitu můţeme definovat pomocí síly působící na elektrický náboj. Pro vyvolání tohoto projevu nemusí protékat elektrický proud. Prostorové uspořádání elektrického pole se znázorňuje siločarami, které začínají vţdy u kladného náboje a končí u náboje záporného. Vlastnosti silokřivek elektrostatického pole: -

 Vektor intenzity elektrického pole E má v kaţdém bodě směr tečny k silokřivkám pole.

-

Počet silokřivek procházejících jednotkovou plochou kolmou k jejich směru můţeme chápat jako úměrný velikosti elektrostatického pole v dané oblasti.

-

Silokřivky elektrostatického pole mají začátek v kladných nábojích (nebo v nekonečnu) a končí v záporných nábojích (nebo v nekonečnu).

-

Mnoţství silokřivek, mající počátek v kladném náboji nebo konec v záporném náboji, musí být úměrné velikosti nábojů.

-

Dvě silokřivky se nikdy nemohou kříţit, v opačném případě by vektor intenzity v daném bodě mířil současně dvěma různými směry. Takové elektrostatické pole se určitou mírou projevuje vně budovy i uvnitř budovy a to s vlivem pro člověka do jisté míry neţádoucím. Blíţe v další části textu. Rozdělení elektrických polí:

a) Stejnosměrné elektrické pole (statické) - je-li elektrický náboj tělesa konstantní 20

b) Střídavé elektrické pole (dynamické) - elektricky nabité těleso se uvede do pohybu (např. el. těleso připojeno ke zdroji st. napětí) Pro vyjádření intenzity elektrického pole, platí stejné vztahy jak pro stejnosměrné tak i střídavé elektrické pole. Podrobnosti o vlivu elektrických polí na lidský organismus, na jejich vliv vůči stavebním materiálům a dalších hledisek souvisejících s návrhem inteligentních budov, budou podrobněji rozebírány v dalších kapitolách tohoto textu. Abychom tedy vyjádřili intenzitu uvaţovaného elektrického pole, vloţíme do něj tzv. testovací náboj Q0 a změříme sílu F, jaká bude na tento náboj působit. Elektrické pole je pak popsáno a definováno





F N  C 1 , q0 0 Q 0

E  lim

(2-28)

Slovní vyjádření: Intenzita elektrického pole udává (číselně) sílu působící v tomto poli na jednotkový zkušební náboj. Jednotka: [N/C = J/m.C = V/m] Intenzita elektrostatického pole buzená bodovým nábojem q0, viz. obr.2.12.

Obr. 2.12: Elektrické pole záporného náboje S vyuţitím Coulombova zákona

 1 Q0 Q   F r 4 0 r 3 dosazením do (2-28) je intenzita elektrostatického pole bodového náboje Q- v bodě r dána vztahem

 1 Q E r. 4 0 r 3

[N.C-1]

(2-29)

  Z toho plyne, ţe E má opačnou orientaci neţ r (záporný náboj Q-). Takové pole se nazývá radiální (pole v blízkosti náboje nebo pole ve velké vzdálenosti od soustavy nábojů 21

má podobné vlastnosti jako pole bodového náboje Q   Qi ; pokud není Q=0.). Nebo téţ i

můţeme vycházet ze vztahu (2-1) a obr. 2.3 jestliţe obecně je intenzita elektrostatického pole E definována: „silou působící na jednotkový bodový kladný náboj“ a je pak F vyjádřena E  N .C 1 ; N , C , pak můţeme psát Q





    Q1 Q2   F12 r12 (r21 ) ; a za „k“(vakuum) viz (2-2) dosazením za F12  ( F21 )  k E12  r2 Q2

dostaneme

 Q  Q 1  E12  k 21 r12  1 2 r12 4 0 r r

[V/m]

(2-30)

Jednotkou intenzity elektrického pole je [V/m], což z uvedeného vztahu nevyplývá,  vychází to z definice. Současně velikost vektoru intenzity E12 je přímo úměrná velikosti náboje (v našem případě Q1-ten působí na Q2) a klesá s kvadrátem vzdálenosti od náboje. Intenzita elektrostatického pole soustavy bodových nábojů Vycházíme z obr. 2.5, kde

 1 F 4 0

n

 j 1

Q0 Q j     3 (r  r j ) r  rj

dosazením do vztahu (2-28) dostaneme

 1 E 4 0

n

Qj   3 (r  r j ). r  rj

 j i

(2-31)

 Velikost a směr E se mění bod po bodu – pole nehomogenní.  E v daném bodě

    E  E1  E2  ...  En

Elektrostatické pole dipólu obr. 2.13:

Obr. 2.13: Dipól 22

(2-32)

Elektrický dipól obr. 2.13 vzniká, pokud kladné a záporné náboje nejsou v prostoru stejně rozmístěny. Nejjednodušším a typickým příkladem dipólu je dvojice opačných nábojů od sebe vzdálených o malou vzdálenost vzhledem ke vzdálenosti, ve které nás zajímá, jaké elektrické pole vytváří. Elektrický dipól můţeme charakterizovat pomocí elektrického dipólového momentu „p“. Dipólový moment (přesněji elektrický dipólový moment) je vektorová veličina popisující nesymetrické rozdělení elektrického náboje, např. v molekule nebo v malé skupině atomů. Elektrický moment dipólu

  p  Q  l C.m

(2-33)

Řešení v soustavě x, y, viz obr. 2.14.

Obr. 2.14: Elektrostatické pole dipólu v bodě P, (polární soustava souřadnic) Poloha bodu P je dána polohovým vektorem, viz. (2-9)

   r  i x  j y.

(2-34)

polohové vektory nábojů Q+ a Q- jsou, podle (2-31) l  r  j 2

l  r   j 2

(2-35)

podle (2-31) je celková intenzita elektrostatického pole v bodě P

 E

1 Q  Q    r1  3 r2 . 4 0  r13 r2  23

(2-36)

nyní popíšeme vektory     l  r1  r  r  i x  j y   2 

(2-37)

    l  r2  r  r  i x  j y   2 

(2-38)

vyjádření jmenovatelů zlomků v rovnici (2-36), viz. (2-9)

1  r1

l  x y  2 

2

2

(2-39) 3

1  2 l    x  ( y  ) 2  3 2  r1 

(2-40)

Vyuţijeme známé vzorce k úpravě:

( a)  a ; a  a n

s

s s

n

r

r s

pak

r13

 l   x2   y   2  

2 3

  2  l 3   r  x   y   2   

2

3 2

3

  yl l 2  2   1  2  2  4r    r

(2-41)

podobně

 l  r23   x 2   y   2  

2 3

  2  l 3   r  x   y   2   

2

3 2

  yl l    1  2  2    r 4r  2

3 2

(2-42)

l2 1 a je tedy moţné jej zanedbat. neboť x  y  r . Pro rl , je člen 4r 2 2

2

2

Pouţitím přibliţného vzorce [pro male a platí 1  a   1  na) ] dostaneme n

 3 yl  r13  r 3  1  2 ,  2r  24

(2-43)

 3 yl  r23  r 3  1  2 .  2r 

(2-44)

Po dosazení (2-37), (2-38), (2-43) a (2-44) do (2-36) a po úpravě dostaneme

   1 3 1  E Qyl ( i x  j y )  jQl 5 3 . 4 0  r r

(2-45)

    Výaz v kulaté závorce je roven “r”; Qyl  p  r a j Ql  p , takţe pak pro intenzitu elektrostatického pole platí

 E

   p  3 pr r  3 . 4 0  r 5 r  1

(2-46)

    Rovnice (2-46) platí i pro trojrozměrný prostor, kde r  xi  yj  zk . Z rovnice vyplývá, ţe intenzita elektrostatického pole dipolu klesá se třetí mocninou vzdálenosti, na rozdíl od intenzity elektrostatického pole bodového náboje, která klesá se druhou mocninou vzdálenosti. To se dalo očekávat, neboť celkový náboj dipolu je nulový, takţe 1 intenzita pole musí klesat rychleji neţ 2 . r

Poznámka: -

    V bodě na ose dipólu je  p  r   r  pr 2 a pak pro intenzitu pole dostaneme

 E -

1 4 0

 2p r3

(2-47)

   V bodě P na ose souměrnosti dipólu je skalární součin p  r  0 a pak pro E platí

  1 p E 4 0 r 3

(2-48)

2.1.1.7 Gaussova věta elektrostatiky “Tok intenzity elektrostatického pole“ Φe „libovolnou uzavřenou plochou je ve vakuu roven podílu celkového náboje uvnitř plochy a permitivity vakua”obr. 2.15:

25

Obr. 2.15: Tok intenzity elektrostatického pole uzavřenou plochou S Při zkoumání vektorového pole je takovým základním pojmem tok vektoru plochou. Plochu v tomto případě rozdělíme na elementární plošky dS a v kaţdém místě vypočítáme velikost součinu této plošky a průmětu intenzity elektrického pole do směru kolmého k plošce. Výsledný tok získáme sečtením (integrací) těchto součinů přes celou plochu. Z matematického hlediska je tok vektoru plochou definován vztahem, ve kterém je vyuţito vlastností skalárního součinu dvou vektorů, pro tok vektoru intenzity platí:

  e   EdS   E.ds.cos  .

(2-49)

S

 E – vektor intenzity elektrického pole

 dS - vektor kolmý k ploše, je orientován ve směru, ve kterém tok počítáme   n0 - jednotkový vektor ve směru normály k plošce dS

  dS  n0 dS Potom součin

  EdS  EdS cos   En dS Tento skalární součin má skutečně význam součinu velikosti elementární plochy a  normálové sloţky vektoru E . Pro případ dvou rovnoběţných rovin nabitých náboji opačných znamének rozloţenými s plošnou hustotou stejné velikosti         prostoru mezi rovinami je

26

E

 0

(2-50)

zatímco v okolí prostoru se obě pole ruší a E=0 Gaussova věta pro obecný tvar obalové plochy a libovolně rozložený náboj Dokáţeme si, ţe Gaussova věta platí pro jeden bodový náboj obklopený uzavřenou plochou libovolného tvaru. Podle principu superpozice lze libovolně rozmístěný náboj chápat jako součet bodových nábojů. Kdyţ si na obalové ploše vytkneme pomocí elementárního kuţele o prostorovém úhlu d elementární plošku o velikosti dS bude platit pro silový tok touto plochou obr. 2.16:

     Q 1 2 Q EdS  EdSn0  E r  dS cos   E r  dS '  r  d   d 4 0 r 2 4 0

(2-51)

n0 - jednotkový vektor směřující v kolmém směru vně z uzavřené plochy dS ' - průmět elementární plochy do směru kolmého na poloměr

dS '  r 2  d

Obr. 2.16: Libovolně rozloţený náboj uzavřený plochou libovolného tvaru Při výše uvedené volbě je tok vystupující z plochy kladný a tok vstupující do plochy záporný. Z výše uvedeného, je patrné, ţe na velikosti silového toku procházejícího elementární plochou, kterou vytkne prostorový kuţel, vůbec nezáleţí na vzdálenosti od náboje ani na úhlu, který v daném bodě svírá plocha s vektorem intenzity elektrického 27

pole. Závisí pouze na velikosti náboje a elementárního prostorového úhlu d . Kdyţ sečteme dílčí toky všemi elementárními plochami přes celý prostorový úhel, bude platit pro tok intenzity elektrostatického pole  e

  e   EdS  S

4

Q

 

4 0 0

d 

Q

0

[C.m.F-1]

(2-52)

Poznámka: Gaussova věta platí právě proto, že intenzita elektrického pole klesá s kvadrátem vzdálenosti, zatímco plocha viděná pod určitým prostorovým úhlem s kvadrátem vzdálenosti stoupá.. Jejich součin je na vzdálenosti nezávislý.

Gaussova věta pro obecný tvar obalové plochy, kterou silový tok protíná na několika místech, viz Obr. 2.17:

Obr. 2.17: Obecný tvar obalové plochy V tomto případě protne elementární kuţel plochu na lichém počtu míst. Silový tok procházející elementárními ploškami nezávisí (viz. Předchozí důkaz) na vzdálenosti plošek od náboje, je u všech plošek stejně velký. S ohledem na orientaci elementární plochy je vytékající silový tok  e kladný a vtékající silový tok záporný. Silové toky se na sudém počtu míst odečtou, výsledný tok pak bude mít pouze velikosti toku jednou ploškou. Pro silový tok celou uzavřenou plochou platí stejný výsledek:

  e   EdS  S

4

Q Q d  4 0 0 0

 

Gaussova věta pro náboj ležící vně uzavřené plochy, viz obr. 2.18:

28

(2-53)

Obr. 2.18: Náboj leţí vně uzavřené plochy V případě, jak je patrné na obr. 2.18, protne elementární kuţel plochu na sudém počtu míst. S ohledem na orientaci elementární plochy je vytékající silový tok kladný a vtékající silový tok záporný. Silové toky se na sudém počtu míst odečtou, výsledný silový tok pak bude nulový. To také potvrzuje předpoklad, ţe silový tok uzavřenou plochou je nenulový pouze v případě, je-li do plochy uzavřen náboj. Poznámka (pro zopakování): Prostorový úhel, viz obr. 2.19:

Obr. 2.19: Oblouková míra Pro důkaz Gaussovy věty je nutné použít zavedení prostorového úhlu, který je obdobou úhlu v obloukové míře. U kruhu středového úhlu přisuzujeme úhel 3600 což je 2π v obloukové míře. Obvod kruhu je: o=2πr ; Úhlu α odpovídá část obvodu o velikosti o  2  r 

  r  2

Elementárnímu úhlu dα v obloukové míře odpovídá na obvodě část: do  r  d U prostorového úhlu je situace obdobná, viz obr. 2.20. 29

Obr. 2.20: Prostorový úhel Prostorovému úhlu v celém vnitřním prostoru přisoudíme velikost 4πsteradiánů a tomuto úhlu odpovídá sférická plocha na poloměru r (povrch koule): S  4r 2 ;

Prostorovému

S   4  r 2 

   r2 4

úhlu

ρ

odpovídá

část

sférické

plochy

o

velikosti:

Prostorovému úhlu (kuželu) o velikosti dρ potom odpovídá elementární ploška na sférické ploše: dS  r 2  d 2.1.1.8 Práce, napětí, potenciál a potenciální energie v elektrostatickém poli Práce v elektrostatickém poli – napětí Práce je z fyzikálního hlediska dána integrací síly po určité dráze. Elektrostatická síla působící na bodový náboj v elektrickém poli je dána:

  F  QE

[C.V.m-1]

(2-54)

Práce potřebná na přenesení bodového náboje Q mezi body A a B v elektrickém poli je dána, viz obr. 2.21

 

 

A  Fdr  QEdr

(2-55)

 rB

  A  Q  Ed r  rA

30

[J]

(2-56)

Obr. 2.21: Práce v elektrostatickém poli Práce, kterou vykoná elektrostatická síla při přemístění bodového náboje Q z bodu A do bodu B v elektrostatickém poli, nezávisí na tvaru trajektorie, je přímo úměrná přenášenému náboji Q: AAB  Q .

 Qi 1 E r   4 0 r  ri   QQi RdR QQi A   4 0 R1 R 3 4 0  R2

r  ri   3

 R2

dR QQi R R 2  4 0 1

1 Qi   R 4 0 R 3  1  R   

R2



(2-57)

QQi  1 1     4 0  R1 R2 

(2-58)

R1

Práce A je přímo úměrná velikosti přenášeného náboje a elektrického napětí mezi body M a N B   A  Q  E  dr  Q A   B   QU AB A

[J]

(2-59)

Napětí v elektrickém poli, potenciál a potenciální energie Práce vykonaná přenesením jednotkového bodového náboje z bodu A do bodu B v elektrostatickém poli, nezávisí na tvaru trajektorii (dráze) je přímo úměrná přenesenému náboji Q( AAB  Q ) a je současně definována jako NAPĚTÍ mezi body A a B. Konstantou úměrnosti je elektrické napětí UAB mezi body A a B

U AB 

AAB Q

[J.C-1]; [V] (volt)

Potenciální energie AAB  QU AB  E pA  E pB - práce je rovna úbytku potenciální energie 31

(2-60)

Změna potenciální energie bodového náboje Q nacházející se v elektrostatickém poli je rovna záporně vzaté práci vykonané silami elektrostatického pole při malém přemístění bodového náboje Q v elektrostatickém poli E p   A , dosazením do (2-57) a viz. obr.2.21

pro Ri    E p  0

 1 1     R2 R1 

QQi 4 0

E p  E pB  E pA 

(2-61)

- volba místa nulové potenciální energie (prakticky v  povrch

Země)

Ep  Q

Qi 4 0 Ri

- potenciální energie částice nesoucí náboj Q v poli vytvořeném Qi R        E p    FdR  Q  EdR  Q  EdR R





(2-62)

R

Potenciální energie náboje Q je rovna práci, kterou vykoná vnější síla při přenosu tohoto náboje z nekonečna do daného bodu R (nebo opačně) n

Q

i 1

4 0

E p   E pi 

n

Qi

R i 1

výsledná potenciální.energie

(2-63)

i

Potenciál elektrostatického pole Potenciál elektrostatického pole v daném bodě prostoru definujeme jako podíl potenciální energie náboje umístěného v tomto bodě a velikosti tohoto náboje



Pro bodový náboj platí

i 

Qi 4 0 Ri 1

Ep Q

 

R





R

     EdR 

  E  dRV 

(2-64)

n

 i 1

i

dosazením do (2-63) a (2-64) → R

dosazením (2-64) do (2-62) dostaneme



pro spojitě prostorově rozloţené náboje je

32





    EdR

(2-65)



1 4 0

 V

dV (2-66)

r

Dále: dA  dE p     dA  Fdr  QEdr

    d  grad  dr  E   grad; rotE  rotgrad  0

dE p  Qd

→elektrostatické pole je NEVÍROVÉ (potenciálové) – Celý problém je stejný jako u divergence, protoţe je popsán v jednom bodě. Křivkový integrál je veden po křivce elementárních rozměrů kolem malé plochy, jejíţ velikost limituje k nule. Obecně závisí velikost rotace na natočení dané plošky v prostoru, v případě elektrostatického pole je jedno, jak je ploška natočena, integrál po uzavřené dráze kolem této plošky a tedy i rotace je vţdy nulová. Gradient skalární funkce je vektor, který směřuje ve směru, ve kterém dochází k největšímu přírůstku skalární funkce. Jeho velikost udává velikost změny skalární funkce ve směru největšího přírůstku. V elektrostatickém poli směřuje intenzita elektrického pole ve směru opačném, neţ je směr největšího přírůstku potenciálu a tedy i gradientu. Potenciál elektrostatického pole v bodě R: -

Číselně roven potenciální energii kladného jednotkového náboje v daném místě pole, Číselně roven práci vykonané vnější silou při přenesení kladného jednotkového náboje z nekonečna do daného bodu pole, Číselně roven práci vykonané polem při přenesení kladného jednotkového náboje z bodu pole do nekonečna

Potenciál je skalární veličina - J.C-1=V (volt) Elektrické napětí mezi body A a B můţeme také definovat jako rozdíl potenciálů

    A   B   E p dl B

U AB

[V]

(2-67)

A

U AB  E  d ;

d – vzdálenost bodů A a B

(2-68)

Elektrické napětí nezávisí na tvaru trajektorie ani na velikosti přenášeného náboje, je určena pouze polohou bodů A a B. Vykonaná nebo dodaná práce v elektrickém poli se musí projevit jako změna potenciální energie. Při přenesení jednotkového náboje z bodu A do bodu B je rovna rozdílu potenciálů v bodě A a B. 33

Potenciál je nutno chápat jako potenciální energii, kterou by měl v daném elektrostatickém poli jednotkový bodový náboj. Potenciál, podobně jako potenciální energie, jsou veličiny nejednoznačné. Práce (napětí) jako rozdíl potenciálů má jiţ hodnotu jednoznačnou. Příklad: Potenciální energie tíhového pole zná dobře kaţdý z nás. Např. kdyţ bychom upadli, upustili nějaký předmět,…víme, ţe kaţdý předmět padá vţdy směrem k zemi. Pro analogii, kterou můţeme vyuţít pro pole elektrostatické, je důleţité, ţe předmět padá vţdy ve směru síly, která dané pole charakterizuje, tj. ve směru tíhové síly. Pohybuje-li se předmět ve směru síly (směrem dolů), potenciální energie klesá, pohybuje-li se proti směru této síly, potenciální energie roste. Stejné závěry platí i v poli elektrostatickém, jen je třeba dbát na to, ţe elektrostatická síla (na rozdíl od síly tíhové) můţe být přitaţlivá i odpudivá. Příklad:

Obr. 2.22: Elektrostatická energie bouřkové činnosti Elektrický průraz vzduchu: E  3  10 6 V / m Příklad: Výpočet potenciálu elektrostatických polí soustav nábojů: a) Pole bodového náboje Q (v počátku souřadné soustavy), poloha M je určena  polohovým vektorem rM , viz obr. 2.23

34

Obr. 2.23:

 Dosazením vztahu pro E do vztahu (2-29) a (2-65) dostaneme

1 M  4 0



Q  r r 3 r  dl M

(2-69)

  r  dl  rdl cos   rdr po dosazení

M

Q



rdr 1   3  4 0 rM r 4 0



dr

r

rM

2



1

Q 4 0 rM

(2-70)

Poznámka: Stejný výsledek platí i pro potenciál elektrického pole vodivé koule o poloměru R.Je-li Q záporný potom potenciál je rovněţ záporný.

 b) Potenciál buzený nábojem spojitě rozloženým s objemovou hustotou náboje  r ¨' ,obr. 2.24.

35

Obr. 2.24: Bodový náboj spojitě rozloţený

M 

1 4 0



 (r ' )dV



  rM  r '

V

(2-71)

Potenciál buzený nábojem spojitě rozloženým na ploše S s plošnou hustotou náboje 

M 

1 4 0





 (r ' )dS   rM  r '

S

(2-72)

Potenciál buzený nábojem spojitě rozloženým na křivce l s lineární hustotou náboje 

M 

1 4 0



 (r ' )dl

 r l

M

  r'

(2-73)

Příklad: Napětí mezi dvěma body v elektrickém poli bodového náboje obr. 2.25

Obr. 2.25: Elektrické pole bodového náboje; napětí mezi dvěma body Napětí mezi dvěma body A a B v poli bodového náboje se vypočítá velmi jednoduše, pokud si zvolíme body leţící na jedné siločáře. Intenzita elektrostatického pole pak 36

směřuje v kaţdém místě ve směru integrační dráhy, skalární součin v integrálu přejde na součin algebraický. Po dosazení za intenzitu elektrického pole bodového náboje z (2-29) dostaneme rB  Q 1 Q 1 1      Edl   dr  2 4  4  rB  r 0 0  rA A rA B

U AB

(2-74)

Příklad: Abychom dokázali, ţe napětí skutečně nezávisí na tvaru dráhy, pouze na poloze počátečního a koncového bodu, můţeme přejít zpět z bodu B do bodu A po nějaké jiné dráze s libovolným tvarem trajektorie. Spojitou dráhu lze nahradit velkým počtem schodových úseků, ve kterých se v první části pohybujeme ve směru siločar (intenzity elektrického pole) a v druhé části kolmo na siločáru. Při pohybu ve směru kolmém na siločáru se nekoná ţádná práce, pro zbylé úseky platí, viz obr. 2.26

Obr. 2.26: Trajektorie (dráha) mezi body A a B r3 r2 r1 rA   r4   Edl   E (r )dr   E (r )dr   E (r )dr   E (r )dr   E (r )dr  A

U AB

B



rB

r4

r3

r2

r1

Q 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Q 1 1                4 0  rB r4 r4 r3 r3 r2 r2 r1 r1 rA  4 0  rB rA 

 B   A

(2-75)

Práce nezávisí na dráze, ale závisí na poloze bodů A a B, ta je v uvedeném případě dána velikostí poloměrů v bodě A a B. Přejdeme-li v elektrostatickém poli po uzavřené dráze do stejného bodu, ze kterého jsme vyšli, bude vykonaná práce nulová, elektrostatické pole je potenciálové. Příklad: Co se stane, kdyţ dráha z bodu A do B není rovnoběţná s E, ale je skloněna o úhel θ, jak je 37

nakresleno na obrázku 2.27? V takovém případě vypočteme potenciálový rozdíl podle vztahu

    U AB   B   A   Eds   E  s   E0  s  cos    E0  y B

(2-76)

A

Obr. 2.27: Potenciálový rozdíl způsobený homogenním elektrickým polem Povšimněme si, ţe na obrázku 2.27 směřuje osa y dolů. Opět vidíme, ţe pohyb ve směru pole E sniţuje elektrický potenciál. Co se bude dít s potenciálem, pokud postupně projdeme dráhu A → C → B? V tom případě se bude potenciálový rozdíl skládat ze dvou sloţek, kaţdý pro jeden úsek dráhy:

  CA   BC Při pohybu z A do C bude změna potenciálu  CA   E0  y . Následně, při dráze z C do B, bude potenciálový rozdíl nulový  CB  0 , protoţe tato část dráhy je kolmá na směr pole E. Stejný výsledek získáme, pokud tuto část dráhy vypustíme. Můţeme to učinit jen díky tomu, ţe pole E je konzervativní. Povšimněte si, ţe po dráze A → C → B je práce konána jen podél části dráhy AC, která je rovnoběţná se směrem pole. V bodech B a C je elektrický potenciál shodný  B   C  . Ze vztahu U  Q vyplývá, ţe k pohybu náboje z C do B není zapotřebí ţádné práce. Všechny body podél dráhy spojující C s B jsou na téţe „ekvipotenciální linii“. 2.1.1.9 Elektrická indukce Při vloţení nenabitého vodiče do elektrostatického pole o intenzitě E0 působí na nabité částice s nábojem q síly F  qE0  volné náboje (v kovech elektrony) se budou přemísťovat – elektrostatická indukce, obr. 2.28

38

Obr. 2.28: Nenabitý vodič v elektrostatickém poli Indukované náboje vytváří vlastní pole o intenzitě Ei (orientované proti vnějšímu poli). Ustálený stav E  E0  Ei  0 . Pole indukovaných nábojů na povrchu vodiče ruší ve vodiči vnější pole E0 (za cca 10-12s). Původně nenabité těleso se změní v elektrický dipól. Pomocí elektrostatické indukce je moţné provádět nabíjení vodičů. V důsledku elektrostatické indukce se na stěnách indukují náboje s plošnou hustotou   i , i . Velikost intenzity elektrostatického pole indukovaných nábojů

Ei 

i 0

(2-77)

(Ei má opačnou polaritu k E0) Výsledná intenzita elektrostatického pole uvnitř vodiče musí být nulová, takţe

E0 

i  0   i   0 E0 0

(2-78)

  V Maxwellově teorii kromě E zavádíme vektor elektrické indukce D

  D  0E

(2-79)

Po dosazení dostaneme



 D   i C.m 2



(2-80)

  Směr vektoru D je totoţný se směrem vektoru E . Na první pohled se můţe zdát, ţe   veličiny E , D jsou skoro stejné a ţe se liší pouze násobkem konstanty  0 , ovšem ve

skutečnosti se tyto dvě veličiny liší velmi podstatně. Hlavním rozdílem je fakt, ţe elektrická indukce nezávisí na prostředí, v němţ se počítá. 39

2.1.1.10 Vodiče a izolant v elektrostatickém poli Z hlediska elektrických vlastností rozdělujeme látky na vodiče a nevodiče. Podmínkou, aby látka byla dobrým vodičem je přítomnost volných elektricky nabitých částic. V kovech jsou to volné valenční elektrony, v kapalinách a ionizovaných plynech kladné a záporné ionty, ve vakuu jakékoli nabité částice. Ke vzniku elektrického proudu nestačí jen přítomnost nabitých částic. Je nutné, aby se tyto částice daly do pohybu. K tomu je donutí přítomnost elektrického pole. Tato podmínka je splněna, je-li na konci vodičů rozdíl elektrických potenciálů. Jestliţe vloţíme vodič do elektrostatického pole o intenzitě E, bude na jednotlivé náboje působit síla F=qE, která náboje (volné elektrony) rozpohybuje. Výsledkem bude nerovnoměrné rozloţení náboje na povrchu vodiče, viz obr. 2.29. Naopak nevodič (izolant, dielektrikum) obsahuje ve své struktuře pouze vázané elektricky nabité částice, jejichţ případný pohyb je umoţněn jen na vzdálenosti řádově rovné rozměrům molekul (nebo atomů) dané látky, tyto částice nemohou být proto nositeli elektrického proudu, ale ani tyto látky nejsou k elektrickému poli netečné. Jestliţe těleso z izolantu vloţíme do elektrického pole, působí elektrická síla na celý atom nebo molekulu a nastane v nich určitý posun elektrických nábojů. Tvar atomů a molekul se stávají elektrické dipóly a tento jev se nazývá elektrická polarizace. Elektrické náboje, které se indukují v atomech a molekulách dielektrika, se nazývají vázané náboje, protoţe nejdou z tělesa odvést. Náboj je záporný na té straně tělesa, do níţ vstupují siločáry vnějšího elektrického pole, a kladný na té straně, kde siločáry z tělesa vystupují. Uvnitř dielektrika jsou kladné a záporné náboje pomíchány a navenek se neprojevují, viz obr. 2.29.

Obr. 2.29: Izolant v elektrostatickém poli Jak jsme ukázali, viz. (2-76) je uvnitř izolovaného vodiče elektrické pole nulové. Jakýkoli náboj, který je vodiči předán, se musí díky platnosti Gaussova zákona nacházet na jeho povrchu. Uvaţujeme křivkový integrál

 E.  ds po uzavřené křivce viz. obr. 2.30: 40

Obr. 2.30: Normálová a tečná sloţka elektrického pole vně vodiče Protoţe elektrické pole E je pole konzervativní, je křivkový integrál mezi body a, b, c, d roven nule:

 E  ds  Et l   En x'  0l   En x'  0

(2-81)

abcd

kde Et a En jsou tečná a normálová sloţka elektrického pole V limitním případě x  0 a x' 0 dostaneme podmínku Et l  0 . Protoţe je však délkový element l nenulový, musí být nutně nulová tečná sloţka elektrického pole

Et=0

(na povrchu vodiče)

(2-82)

Odtud dospíváme k závěru, ţe povrch vodiče ve stavu elektrostatické rovnováhy je ekvipotenciálním povrchem. Abychom ověřili platnost této úvahy, předpokládejme na povrchu vodiče dva body A a B. Protoţe je tečná sloţka Et nulová, je rozdíl potenciálů B



 B   A    E  ds  0

(2-83)

A

Neboť E je kolmé na ds. Proto musejí mít body A a B stejný potenciál  A   B . U povrchu vodiče je elektrické pole E kolmé k jeho povrchu. Pokud je tečná sloţka pole E zpočátku nenulová, dojde k pohybu nábojů, který způsobí, ţe tato sloţka pole zcela vymizí. Pole má proto nenulovou pouze normálovou sloţku a vektor intenzity je proto kolmý k povrchu vodiče. Abychom vypočítali intenzitu elektrického pole v blízkosti povrchu vodiče, vyuţijeme Gaussovy plochy ve tvaru válce s hlavní osou kolmou k jeho povrchu, viz. obr. 2.31 podobně jak jsme počítali podle obr. 2.15

41

Obr. 2.31: Gaussova plocha pro výpočet elektrického pole vně vodiče S pouţitím Gaussova zákona, viz. (2-48) můţeme psát pro tok intenzity elektrostatického pole

  S  E   EdS  En S  0  S  0 S

(2-84)

neboli

En 

 0

(2-83)

Tento výsledek je platný pro vodiče libovolných tvarů.

Intenzita elektrostatického pole uvnitř vodiče, kterým protéká elektrický proud -

Náboj nabitého vodiče je rozloţen jen na povrchu (uvnitř vodiče jsou náboje kompenzovány) Těsně pod povrchem nabitého vodiče, kterým protéká elektrický proud, uvaţujme uzavřenou plochu S, obr. 2.32

0br. 2.32: Průřez vodiče, kterým protéká elektrický proud 42

-

V celém objemu vodiče je E  0 Pokud by E  0 , působila by na volné elektrony síla F  eE , coţ by vedlo k jejich přemísťování Uvedené by bylo moţné vyuţít při stínění elektrostatických polí

Poznámka: Plošná hustota náboje  x, y, z  nemusí být ve všech místech povrchu vodiče stejná. Měřením se můţeme přesvědčit, ţe největší hustota náboje nabitého vodiče je vţdy na hranách a na hrotech vodiče, nejmenší pak (nulová) je v dutinách vodiče. V okolí hrotů dochází k sršení náboje (sání elektřiny hrotem – hromosvod). Obr. 2.33.

Obr. 2.33: Elektrický vítr 2.1.1.11 Rozdělení elektrostatických jevů

-

Přitahování a odpuzování nabitých částic Např. třením jantaru jsou popsány projevy přitaţlivých a odpudivých sil mezi zelektrovanými tělesy (skleněná tyč+kůţe, novodur+srst). V současném pojetí označujeme jako zdroj těchto sil elektrické náboje, které třením na površích některých materiálů vznikají. Elektrický náboj (skalární veličina) je vlastně určitá míra z elektrování a je označován písmenem Q (e), jednotkou je „C“ (Coulomb). Rozeznáváme dva druhy elektrických nábojů: kladný (na skleněné tyči); záporný (na novoduru).

-

Elektrostatická indukce Je to elektrický jev, při kterém se na povrchu tělesa indukuje (vytváří) elektrický náboj, viz obr. 2.34 a 2.35. Elektrický náboj vyjadřuje určitou vlastnost částic, která je spojována se vznikem vzájemného působení mezi tělesy (částicemi) podobným způsobem jako je hmotnost spojována s existencí gravitačního pole. Přítomnost elektrického náboje je tedy nutná pro vznik elektrického nebo magnetické pole přiblíţením jiného elektricky nabitého tělesa, proto se označuje jako indukovaný náboj. Indukovaný náboj má opačnou polaritu neţ náboj, který tuto indukci vyvolal. U 43

vodičů lze indukovaný náboj z tělesa odvést, u izolantů zůstává indukovaný náboj v tělese. Elektrostatická indukce je jeden z druhů elektrování těles. Obr. 2.34: Pokud se v blízkosti tělesa nenachází jiný el.náboj, jsou elektrické náboje v tělese rozloţeny rovnoměrně. Těleso se jeví neutrálně. Obr. 2.35: Pokud se v blízkosti tělesa nachází jiný elektrický náboj, dochází elektrostatickou indukcí k nerovnoměrnému rozloţení nábojů v tělese.

Vloţením vodiče (tj. látky, ve které se elektrický náboj, přesněji nabitá částice, můţe volně přesouvat) do elektrického pole jiného nabitého tělesa se toto pole změní. Příčinou je přeskupení volných nabitých částic ve vodiči, nazývané elektrostatická indukce. Bez vlivu vnějšího pole jsou v nenabitém vodiči nosiče kladného i záporného náboje rovnoměrně rozloţeny. Vlivem odpudivých sil se nosiče náboje souhlasného s nábojem nabitého tělesa přesunou na protilehlou část vodiče, naopak nosiče náboje opačného se přitáhnou do přilehlé části vodiče. Elektrostatická indukce se vyuţívá především v kondenzátoru, kdy elektrické pole nabitých desek vzájemně indukují elektrické náboje opačné polarity, čímţ lze elektrický náboj na deskách po nějakou dobu uchovat. Dielektrikum mezi deskami umoţňuje zvětšit mnoţství indukovaného náboje. Elektrostatická indukce je něco jiného neţ elektrická indukce a elektromagnetická indukce. -

Polarizace dielektrika V izolantu (elektrický izolant je látka, která nevede elektrický proud, elektrický izolant neobsahuje volné částice s elektrickým nábojem, nebo je obsahuje v zanedbatelném mnoţství, zamezuje průtoku elektrického proudu mezi vodiči, které mají rozdílný elektrický potenciál) nejsou nosiče elektrického náboje volné; vloţením do elektrického pole jiného nabitého tělesa proto nedojde k jejich přeskupení na povrch. Nosiče elektrického náboje obou polarit jsou vázány v atomech, molekulách či krystalových buňkách izolantu. Jejich polohy se však mohou mikroskopicky posunout 44

a původně neutrální atomy tak změnit na dipóly, nebo polární molekuly či polární krystalové buňky uspořádat - v obou případech budou dipóly většinově orientovány souhlasným nábojem od vnějšího nabitého tělesa a budou tak zeslabovat výsledné pole v izolantu. Tento jev se nazývá polarizace dielektrika.

Obr.2.36, 2.37, 2.38: Nepolární a polární dielektrika Polarizace dielektrika nemusí být vyvolána pouze elektrickým působením nabitého tělesa, ale můţe k ní dojít spontánně vzájemným spolupůsobením a jím vyvolaným samovolným uspořádáním polárních molekul nebo polárních krystalových buněk. Vloţením izolantu do elektrického pole nastává jev, který se nazývá polarizace dielektrika. Při polarizaci se z atomů nebo molekul dielektrika (nepolární dielektrikum) působením přitaţlivé a odpudivé elektrické síly stanou elektrické dipóly – dojde k nesymetrickému rozloţení částic s elektrickým nábojem uvnitř atomů nebo molekul (blíţ k jedné straně elektrony, blíţ ke druhé straně jádra atomu). Taková polarizace se nazývá atomová polarizace. Některé látky (polární dielektrika, např. voda) obsahují elektrické dipóly i bez působení vnějšího elektrického pole. Jejich směr je ale chaotický a při polarizaci dojde pouze k uspořádání dipólů do jednoho směru. Taková polarizace se nazývá orientační polarizace.

45

-

Elektrizace těles; statická elektřina Elektrostatické jevy v širším slova smyslu zahrnují: Projevy oddělení kladného náboje od záporného, Hromadění náboje stejné polarity, Přenos elektrického náboje mezi tělesy (elektrizace), Projevy tzv. statické elektřiny, způsobené nashromáţděním nábojů na povrchu různých těles a předmětů, e) Výměna nashromáţděných nábojů při kontaktu s jinými povrchy a) b) c) d)

Elektrický náboj vzniká: 1. Kontaktem těles rozdílného materiálu, příčinou můţe být: a) Rozdílná výstupní práce elektronu u dvou kovů b) Triboelektrický jev – u dielektrik (při jejich tření se rozloţí po větším povrchu nevodiče, coţ umoţní oddělení větších nábojů) c) Elektrochemický proces (Voltův jev) 2. 3. 4. 5.

Elektrování vodiče elektrostatickou indukcí, Teplem (tzv. pyroelektrický jev), Tlakem (tzv. piezoelektrický jev), Zářením (tzv. vnitřní fotoelektrický jev).

Náboj se předá z jednoho tělesa na druhé: 1. Dotykem 2. Sršením (zejména z hrotů těles) či výbojem (jedná se vlastně o elektrický proud v plynech či vakuu, přesto bývá někdy diskutován v rámci elektrostatických jevů v širším slova smyslu) 3. Vedením (elektrickým proudem) – jiţ mimo rámec elektrostatiky 2.1.1.12 Elektrostatické jevy v praxi, výskyt a ochrana Budeme-li hovořit o stejnosměrném elektrickém poli a jeho projevu v realitě světa, pak pro tento začátek si připomeňme, ţe elektricky nabitá tělesa jsou stále obklopena elektrickým polem. Pak mluvíme o elektrostatických jevech. Současně také uţ víme, ţe jeli náboj tělesa časově konstantní, mluvíme o stejnosměrném elektrickém poli. Intenzita elektrického pole tedy závisí na napětí mezi tělesy (měřeno ve voltech) a na vzdálenosti pólů (měřeno v metrech). Uveďme si takový příklad, máme napětí 4,5 V mezi póly ploché baterie, vzdálenost těchto pólů je přibliţně 5 cm (mezi kovovými plíšky), pak intenzita elektrického pole je: 46

E

4,5  90V / m  0,9V / cm 0,05

Přirozené (přírodní) stejnosměrné pole Mezi zemí-jejím povrchem a ionosférou přibliţně ve výšce 70 aţ 80 km se nachází stálé elektrické pole. Zemský povrch obsahuje převáţně záporné nosiče náboje, horní vrstva atmosféry obsahuje převáţně kladné nosiče (tedy ionty). Vlivem kosmického záření, radioaktivního záření a ultrafialového záření, včetně světelného záření, vznikají na Zemi nové nosiče nábojů (mluvíme o tzv. ionizaci), které zajišťují zachování, případně obnovení tohoto elektrického pole. Intenzita tohoto elektrického pole na povrchu Země se značně mění, to závisí na tvaru povrchu Země, na prostoru, zástavbě, ale také i na počasí a dalších faktorech. Například intenzita elektrického pole v údolích se pohybuje kolem 20V/m, v horských oblastech kolem 260 V/m, v létě kolem 280 V/m a v zimě kolem 140 V/m. Před bouřkou můţe elektrické pole vzrůst aţ na několik tisíc V/m. Dosáhne-li intenzita pole určité hranice, dochází k elektrickým výbojům, které jsou doprovázeny světelnými efekty, říkáme jim influenční jevy. Přirozené stejnosměrné elektrické pole (vyskytuje se přechodně za bouřky, nebo při vystupování z auta, při česání vlasů, atd. Vzhledem k jeho mírnosti není pro člověka významné). Toto pole neproniká do budov, protoţe stavební materiály pouţité na fasády budov jsou většinou dostatečně vodivé, takţe mohou snadno toto pole odvádět a tím současně budovu stínit. V níţe uvedené tabulce tab. 1, uvedeme několik příkladů naměřených elektrostatických nábojů na stavebních materiálech. Tab.1:Elektrostatické náboje na stavebních materiálech Stavební materiál Dřevotřísková deska PVC Polyetylén Koberec Parkety (dub)

Intenzita elektrického pole (V/m) -250 -34000 -65000 -20000 -200

Umělé stejnosměrné pole (elektrostatické pole) se nacházejí mezi všemi tělesy, které jsou připojeny na zdroj stejnosměrného napětí. Vzhledem k tomu, ţe v současných budovách se stejnosměrné napětí pouţívá zřídka, nebudeme se této problematice věnovat podrobně v aplikačních podobách. V současné době se stejnosměrné napětí pouţívá třeba u veřejných dopravních prostředků (tramvaje, trolejbusy, metro), u ţeleznic v ČR, SR, Francii, Belgii, Nizozemsku, Itálii, Polsku a bývalém Sovětském svazu. U těchto 47

dopravních prostředků nevzniká ţádná intenzita elektrického pole, protoţe vodivé materiály (pláště vozů) elektrické pole odstiňují (Faradayova klec). Stejnosměrné elektrické pole, které se můţe vyskytnout v budovách, je vytvářeno především syntetickými materiály. Příkladem můţe být chůze po podlaze kryté kobercem z umělého vlákna a potom kdyţ sáhneme na dveře, ucítíme malou elektrickou ránu nebo dokonce můţeme spatřit jiskru. Taková situace je výraznější v případě suchého zimního počasí, neboť suchý vzduch je málo elektricky vodivý. Proto se můţe vně i uvnitř budovy vytvořit silné elektrické pole, jehoţ intenzita je několikanásobně vyšší neţ přirozené stejnosměrné pole ve volné přírodě. K posouzení případných účinků na ţivé bytosti je důleţitý údaj o intenzitě stejnosměrného elektrického pole, ale i o době, během níţ toto pole doznívá. Pokud takové pole dozní rychle (např. ve vlhkém vzduchu) je riziko malé. Pokud se takové pole vyskytne v období suchého vzduchu, elektrostatické náboje přetrvávají hodiny ale i dny. Pak můţe dojít k váţnému poškození na zdraví ţivé bytosti, a to nejen elektrickým nábojem, ale především v důsledku vlivu stejnosměrného elektrického pole na kvalitu vzduchu. Stejnosměrné pole určuje ionizaci vzduchu, vyskytne se počat malých iontů (elektricky nabitých částic), coţ ovlivní pocit pohody člověka a omezuje značně jeho tělesnou aktivitu. Mechanismus působení je následující: vlivem ionizujícího záření se nejdříve vytvoří záporné volné elektrony a kladně nabité molekuly. Elektrony a ionty se ve vzduchu usazují na molekulách vody a plynů (kyslíku a dusíku), přičemţ nejprve vzniknou „malé ionty“. Tyto ionty působí ve vzduchu jako určitý druh vysavače prachu. Na ně se totiţ rychle nabalují další, i větší molekuly a spojují se ve velké ionty a aerosoly, které klesají k podlaze. Ve volné přírodě činí koncentrace malých iontů cca kolem 500 aţ 1400 iontů na cm3 vzduchu, přičemţ kladné a záporné ionty jsou v početní rovnováze; ve vnitřních prostorách budov bez silných elektrostatických polí je to kolem 600 aţ 1900 iontů na cm3 vzduchu. Znečištění vzduchu např. kouřením, způsobí rychlý pokles počtu malých iontů desetkrát aţ stokrát (na 30 aţ 200 malých iontů na cm 3 vzduchu). Podobný účinek mají silná elektrostatická pole, neboť přitahují nabité ionty. Vznik a zánik malých iontů proběhne v několika minutách, jejich počet je v poměru k počtu molekul ve vzduchu velmi malý. Nízký počet malých iontů je známkou znečištění vzduchu nebo silných elektrostatických polí. Jak extrémně vysoké, tak příliš nízké koncentrace iontů ve vzduchu znamenají zvýšení zdravotních rizik a jsou pak příčinou různých onemocnění. Účinek stejnosměrného elektrického pole se můţe vyskytnout i v případě jestliţe se člověk pohybuje v silných elektrostatických polích Elektrické náboje se za normálních okolností vybíjejí pomalu, proto se v podstatě nic neděje. Ovšem pokud vybití nahromaděných nábojů na těle člověka proběhne rychle (například sáhneme-li na nějaký uzemněný předmět v budově), protéká po krátkou dobu relativně vysoký proud. V závislosti na energetickém obsahu můţe dojít k nepříjemné situaci při vybíjení náboje na těle člověka. Energie výboje od 2 do 25 mikrojoulů ( J ) , tj. 2 aţ 25x10-6 J, je pociťováno 48

cuknutím, při 100 aţ 250 J nastává druh šoku, zdraví nebezpečné jsou zásahy od 1000

J výše. Geopatogenní zóny mohou vzniknout nehomogenitou kůry zemského povrchu, například nad podzemními toky, či prameny, rudných loţisek podobně tím, ţe mění tvar siločar magnetického pole naší planety a tím pádem ovlivňuje jeho hustotu, včetně vytváření sekundárních magnetických polí. Dále vytváří stejnosměrné elektrické pole na rozhraní různých elektrických vodivostí (tzv. geostatické pole). U elektrických sítí dochází kromě zavlečení geopatogenních zón vodičem (drátem) do budovy a to ještě k podpoře zóny elektromagnetickým polem vytvořeným touto sítí. Geopatogenní zóny tedy nejčastěji přichází do budovy po elektrickém vedení. Vliv geopatogenních zón je na: -

Odhalování nervových vláken Poškození endokrinního systému (narušení spojení mezi hypofýzou a hypotalamemvyřazení systému korigující obsah vápníku v krvi) Rakovina Neplodnost Poruchy vnímání a rozhodování atd.

Vznik umělých zemních stejnosměrných proudových polí je úzce svázán se vznikem bludných proudů. Bludnými proudy nazýváme proudy, které se dostanou do půdy vlivem nedostatečně od země izolovaného vodiče nebo zařízení, které uţívá zem jako zpětný vodič. Tyto proudy vytvářejí zemní proudové pole, které z hlediska vzniku elektrochemické koroze úloţných zařízení je nejnebezpečnější. Stejnosměrný proud teče cestou nejmenšího odporu a podle vodivosti zeminy se rozšiřují do velkých vzdáleností (řádově stovky metrů aţ kilometry) od vedení, kterým by měly téci. Čím menší je vodivost půdy, tím větší teritorium zasahují a naopak, při dobré vodivosti půdy je jejich rozptyl menší. Název bludné proudy dostaly proto, ţe jejich tok není moţné přesněji stanovit. U zařízení střídavého proudu je situace poněkud odlišná. Nejčastějšími zdroji stejnosměrných bludných proudů jsou: -

Stejnosměrné elektrizované ţeleznice, městské dráhy, důlní dráhy, metro, vyuţívající jako zpětných vodičů pro trakční proud kolejnice, které jsou nedostatečně izolované od země (zvláště tam, kde přechodový odpor mezi kolejí a zemí je menší neţ předepsaný rp  0,5  km) .

-

Stejnosměrné rozvody v průmyslových podnicích, kde se pracuje s elektrickými svářecími agregáty. Zařízení na aktivní ochranu proti korozi. I z tohoto důvodu je nutné projektovat aktivní ochranu komplexně, tedy pro všechna úloţná zařízení v dané oblasti společně.

-

49

Ochrana před stejnosměrnými elektrickými poli Interiér budovy je moţno před vnějšími stejnosměrnými elektrickými poli snadno stínit na rozdíl od magnetických polí. Masivní stavební materiály jako jsou cihly, tvárnice, bloky, omítky apod. díky své elektrické vodivosti ovlivňují stejnosměrné elektrické pole do takové míry, ţe takové pole nelze v budově zpravidla prokázat. Výjimkou jsou domy dřevěných konstrukcí, v případě kdyţ se vlhkost dřeva v zimě sniţuje, mohou elektrostatická pole dřevem proniknout do budovy. Rovněţ tak sklo nestíní, stejnosměrná elektrická pole vně budovy lze nejčastěji prokázat v blízkosti oken. Elektrostatická pole vznikají na povrchových plochách nábytku se špatnou vodivostí, zvláště se jedná o umělé hmoty, nebo záclony, čalounění, koberce se syntetických vláken, podlahové krytiny z PVC a polyetylénu a jiné povrchové úpravy z umělé pryskyřice. Ochranou pak je, vyhnout se takovým konstrukcím a pouţívání uvedených materiálů a hmot. Opatření proti elektrickým polím jsou odstínění a svod. Účinnost stínění se zvýší svodem indukovaného náboje do země. V zimě je třeba zajistit, aby vlhkost vzduchu v obytných místnostech neklesla pod 50% relativní vlhkosti, tím se zabrání vysychání sliznice dýchacích cest a silnému elektrickému nabití předmětů a lidí v místnostech. Ochranu před geopatogenním vlivem na lidský organizmus je moţné řešit tak, ţe zajistíme zamezení postupu geopatogenní zóny, která přichází do budovy pomocí elektrického vedení. Nabízí se moţnost ochrany vypínáním jističů nebo vyšroubováním pojistek. V současné době je celá řada přístrojů (odpojovačů), která zajistí automaticky přerušení vedení v době, kdy není ve sledovaném úseku elektrického rozvodu ţádná spotřeba elektrické energie a to na přívodu nebo pro daný konkrétní úsek. Zapne-li nějaký spotřebič, odpojovač okamţitě reaguje opětovným připojením, viz. obr. 2.39

Obr. 2.39: Schéma zapojení odpojovače Pokud se jedná o ochranu úloţných zařízení od vlivu bludných proudů, tak tuto lze zajistit prostřednictvím pasivní ochrany nebo aktivní ochrany. 50

Pasivní ochrana: Jsou to taková opatření, která omezují vstup a výstup bludných proudů od země izolovaného vodiče nebo do zařízení a ze zařízení nebo omezují tok proudu přes něj. Mezi často pouţívané druhy pasivní ochrany patří: -

Různé druhy izolací jako jsou asfaltové, z plastických hmot a různé speciální izolace Stavební ochrana, která můţe být provedena uloţením kabelů do kanálů Obsypání úloţného zařízení nevodivou zeminou, pískem nebo štěrkem Volba trasy úloţného zařízení co nejdále od zdrojů bludných proudů a v zemině s co největší vodivostí

Aktivní ochrana: Zajišťuje trvalý záporný potenciál úloţného zařízení a odvod proudů z úloţných zařízení nebo od země izolovaných vodičů a to jen v místech připojení ochrany. Trvalým záporným zpolarizováním kovových zařízení se zamezí vzniku anodických oblastí na úloţném zařízení. Aktivní ochranu je třeba chápat jako ochranu doplňkovou. Kaţdá aktivní ochrana předpokládá dokonalou pasivní ochranu. Aktivní ochrana je řešena několika způsoby: -

přímá drenáţ – obr. 2.40 a) málo pouţívaná, nevhodná v případě kdyţ se na kolejnicích mění polarita napětí polarizovaná drenáţ - obr. 2.40 b) je to přímá drenáţ doplněna o usměrňovač, který zamezí protékání proudu ve směru z kolejnice do úloţného zařízení zesílená polarizovaná drenáţ – obr. 2.40 c) uţívá se tam, kde normální drenáţ nestačí sníţit potenciál anodického pásma úloţného zařízení nebo tam, kde vyjma bludných proudů působí i půdní koroze

Obr. 2.40: Přímá a polarizovaná drenáţ; a) přímá drenáţ, b) polarizovaná drenáţ, c) zesílená polarizovaná drenáţ Další opatření jak vzniklý náboj okamţitě odstranit je jeho odvedení do Země, nebo přijmout taková opatření, která by vznik nehody nebo úrazu eliminovala. Mezi dobře fungující opatření patří: -

uzemnění těles 51

-

pouţívání ochranných pomůcek zvětšování elektrické vodivosti vzduchu (zvyšováním vodivosti ztratí vzduch své dielektrické vlastnosti a zmenší se jeho elektrická pevnost. Na vodičích ve vzduchu umístěných se tak nebude moci hromadit velký náboj, který by se mohl časem vybít v podobě jiskry, která by pak mohla způsobit poţár.

Elektrostatické pole lze také vyuţít např.: -

čištění vzduchu od mechanických nečistot elektrostatické filtry kouře čištění rud konstrukce měřících přístrojů-zejména elektrostatické voltmetry

Vyhodnocení elektrostatických jevů Předpokladem pro stejnosměrné elektrické pole (elektrostatické pole) je existence dvou těles s rozdílným elektrickým nábojem: a) elektrostatické pole se uměle vytvoří, kdyţ se spojí dvě elektricky vodivá tělesa se zdrojem stejnosměrného napětí, nebo kdyţ se třou elektrické izolanty, b) elektrická pole mohou vznikat, aniţ protéká elektrický proud, c) síla, která vychází z elektrických nábojů v klidovém stavu, se nazývá elektrostatická síla d) intenzita elektrického pole závisí na napětí a vzdálenosti pólů; jednotkou intenzity elektrického pole je volt/metr (V/m) e) vzhledem ke své velikosti představuje Země pro elektrické náboje a pole referenční bod; jsou-li elektricky nabitá tělesa připojena na vodivou tyč zabudovanou do země, odvádí tato tyč nosiče nábojů do země a napětí se vyrovnává (u budov vyrovnání potenciálu základovým zemničem) f) všechny neuzemněné materiály uvnitř elektrického pole mohou samy nést náboj 2.1.1.13 Stacionární proudové pole Nabijeme-li vodivé těleso elektrickým nábojem tím, ţe přidáme nebo odebereme nabité částice, přeskupí se během krátké doby elektrické náboje tak, aby nastal ustálený stav. V ustáleném stavu se jiţ částice nepohybují, nepůsobí na ně uvnitř vodiče ţádné síly, intenzita elektrického pole uvnitř vodiče je tedy nulová. Vloţený kladný nebo záporný náboj se usadí na povrchu vodiče, kde na něj působí pouze síla kolmá k povrchu tělesa. Intenzita elektrického pole vystupuje kolmo z vodiče. Obdobná situace nastane po vloţení tělesa do vnějšího elektrického pole. I zde dojde k pohybu částic pouze do toho okamţiku, neţ bude dosaţeno ustáleného stavu. Dodáme-li pomocí vnějšího zdroje elektrickou energii tak, abychom dosáhli v kaţdém okamţiku nenulové intenzity elektrického pole (nenulového potenciálového spádu ve vodiči), 52

nedojde jen k přechodnému pohybu částic, ale k jejich ustálenému pohybu. V tomto okamţiku mluvíme o elektrickém proudu. Elektrický proud Elektrický proud je tok elektrického náboje. Představme si určitou skupinu nábojů, které se pohybují kolmo k ploše o obsahu A, jak je patrné na obr. 2.41.

Obr. 2.41: Náboje, pohybující se průřezem A Elektrický proud je definován jako celková velikost náboje, který daným průřezem proteče za jednotku času. Velikost procházejícího náboje se můţe v závislosti na čase měnit, okamţitá hodnota proudu v určitém časovém okamţiku je dána limitním vztahem

I  lim t 0

Q dQ  t dt

[A] (Ampér)

(2-86)

1 A= 1 coulomb/s. Velikost elektrického proudu v přírodě se pohybuje od nanoampérů, které tečou našimi nervy, po megaampéry, které protékají bleskovými kanály. Průměrný proud Ip je

Ip 

Q t

(2-87)

Směr elektrického proudu byl implicitně stanoven jako směr pohybu kladných nábojů. Nositeli elektrického náboje uvnitř vodiče jsou záporně nabité volné elektrony, které se dle konvence pohybují proti směru elektrického proudu. Z hlediska výsledných účinků elektrického proudu je to však ekvivalentní. Kladný náboj přejde na jednu stranu uvaţované plochy, je ekvivalentní se záporným nábojem, který přejde na druhou stranu.

53

Proud I je skalární veličina (můţe být kladný nebo záporný). Pro případ ustáleného (stacionárního) proudu je I p  I

I 

Q t

(2-88)

Hustota proudu Proud je definován jako náboj, který projde určitou plochou za jednotku času, viz obr. 2.42, tento náboj však nemusí být ve všech místech uvaţované plochy stejně veliký a navíc nemusí náboje procházet ve směru kolmém na plochu. V krajním případě by mohly procházet ve směru rovnoběţném s plochou a proud by byl pak nulový. Z toho důvodu zavádíme veličinu, která se nazývá proudová hustota a je definována jako proud vztaţený na jednotku plochy, která je orientována kolmo ke směru pohybujících se nábojů:

Obr. 2.42: Proudová hustota

I  0 S 0 S

J  lim

[A/m2]

(2-89)

 0 - jednotkový vektor ve směru pohybu nabitých částic Proud, který projde elementární plochou o velikosti dS, potom bude

dI  J  dS

(2-90)

Vliv skutečného natočení elementární plochy ve směru pohybujících se částic je ve  vztahu zohledněna skalárním součinem, kde je plocha prezentována vektorem dS , který má velikost dS a je orientován ve směru kolmém na plochu. Celkový proud plochou pak bude dán integrací proudové hustoty

54

I   J  dS

(2-91)

S

Ohmův zákon, napětí Uvaţujme, ţe v určitém vodiči došlo vlivem vnucené intenzity elektrického pole k ustálenému toku nabitých částic – elektrickému proudu. Kaţdá nabitá částice, jejíţ elektrický náboj je rozmístěn ve vodiči s objemovou hustotou ρ , bude v elektrickém poli urychlována silou:

F  QE

(2-91)

Částice se pohybují tak dlouho, dokud nedojde ke sráţce s jinými částicemi (atomy v krystalické mříţce), kterým částice odevzdá svoji kinetickou energii. Ta se pak přemění v teplo. Výsledkem tohoto nerovnoměrného pohybu je určitá střední rychlost, kterou se částice budou pohybovat. Budeme-li předpokládat, ţe částice urazí za čas dt vzdálenost dl, viz. obr.2.43, pak jejich střední rychlost bude:

Obr. 2.43: Vodivé těleso o objemu dV

 

dl dt

(2-92)

Kdyţ si ve vodivém tělese obr. 2.43, kterým prochází elektrický proud, vytkneme elementární objem o velikosti dV

dV  dS  dl

(2-93)

právě tak, aby délka dl byla vzdálenost, kterou kaţdá částice z tohoto objemu urazí za čas dt, musí čelní plochou dS projít za čas dt celý náboj dQ, který je v tomto objemu obsaţen:

dI 

dQ dV   dS  dl   dt dt dt 55

(2-94)

Proudová hustota je definována jako proud procházející jednotkou plochy a platí

J

dI   dS  dl dl        dS dS  dt dt

(2-95)

Mezi proudovou hustotou, hustotou nabitých částic v jednotce objemu daného vodiče a rychlostí, kterou se nabité částice pohybují, platí vztah

J   v

(2-96)

Dá se předpokládat, ţe rychlost pohybu nabitých částic bude jednoznačně úměrná intenzitě elektrického pole v  E , bude ale záviset na mnoţství dalších faktorů, které ovlivňují mnoţství sráţek s ostatními částicemi. Bude tedy záviset na celkové stavbě krystalové mříţky a tedy na druhu vodivého materiálu. Bude záviset například i na teplotě, která ovlivňuje kmitání atomů v krystalové mříţce a zvyšuje pravděpodobnost sráţek. Všechny tyto faktory můţeme vztáhnout pod jednu konstantu „k“.

v  kE

(2-97)

Dosadíme-li vztah (2-97) do vztahu (2-96) pro proudovou hustotu dostaneme Ohmův zákon v diferenciálním tvaru:

J   k E  E

(2-98)

 - měrná vodivost – konduktivita [S/m] (udává vztah mezi intenzitou elektrického pole a proudovou hustotou). Vrátíme-li se zpět k elementárnímu objemu dV a zavedeme-li do výpočtu integrální veličiny, kterými je napětí a proud, dostáváme pro proud tekoucí plochou dS objemu dV:

dI  J  dS Napětí rozloţíme po délce tohoto objemu: dU  E  dl . Dáme-li napětí a proud do podílu, můţeme definovat elektrický odpor elementu o délce:

dR 

dU E  dl E  dl dl    dI J  dS   E  dS   dS

[Ω]

(2-99)

Integrací (vypočteme celkový odpor vodiče) dostáváme vztah pro Ohmův zákon v integrálním tvaru obr. 2.44

56

Obr. 2.44: Vodič mezi body M a N neprocházející zdrojem Uvaţujeme konstantní průřez S  . Mezi body M a N zdroje udrţuje konstantní rozdíl  potenciálů  M   N  U , je-li ve vodiči E st  konst. pro napětí platí

   N U   E st  dl  E st  dl  E st  l N

M

[V]

(2-100)

M

Odtud vyjádříme

E st 

U l

(2-101)

Velikost hustoty proudu ve vodiči

J

I . S

(2-102)

Výraz pro Est a J dosadíme do Ohmova zákona v diferenciálním tvaru

I U  . S l

(2-103)

Odtud po úpravě

I

U U  , 1 l R  S

Kde 57

(2-104)

R

1 l l   S S

(2-105)

je elektrický odpor uvaţovaného úseku vodiče; veličina  

1



je měrný odpor

(objemová hustota) materiálu vodiče. V technické praxi se obvykle průřez vodiče vyjadřuje v mm2 a délka vodiče v m, proto se pouţívá jednotka měrného odporu Ω.mm2.m-1 . Pro R=konst (lineární vodič) je proud I přímo úměrný napětí U na tomto vodiči. Převrácená hodnota odporu R je elektrická vodivost „G“, tj.

G

1 . R

[S]

(2-106)

S – siemens 1S=1Ω-1=A.V-1 Jouleův zákon Jouleův zákon, obr. 2.45 se zabývá částí energie pohybujících se částic, které se v objemu tělesa přeměňuje na teplo. Mnoţství vzniklého tepla lze vyjádřit na základě práce, kterou musí elektrické pole vykonat, aby přemístilo částici nabitou nábojem dQ o vzdálenost dl v poli, kde působí síla daná intenzitou elektrického pole E:

Obr. 2.45: Jouleův zákon

dA  F  dl  E  dQ  dl

(2-107)

Velikost protékajícího náboje za jednotku času je moţno vyjádřit pomocí proudové hustoty

dI 

dQ  J  dS dt 58

(2-108)

dQ  J  dS  dt , dS  dt  dV

Za čas dt se tedy vykoná v objemu dV v elektrickém proudovém poli práce o velikosti:

dA  F  dl  E  dQ  dl  E  J  dS  dt  dl  E  J  dV  dt

(2-109)

která se v tomto objemu přemění v teplo. Podělíme-li tuto práci časem dt a velikostí objemu dV, dostaneme výkon, který se přemění v jednotce objemu na teplo, jedná se tedy o jakousi hustotu ztrát.

p

dA 1   J E dt dV

(2-110)

Pomocí Ohmova zákona J    E lze Jouleův zákon přepsat do tvaru

J2 p  J E  EE  E   2

(2-111)

V ustáleném stavu: A  F l  E Ql

I

protoţe jsme dosadili za

E

U l

a po dosazení za

Q  Q  I .t dostaneme t

A  U .I .t a po dosazení za U  R.I dostaneme

U2 A  R I t  t R 2

[J]

(2-112)

Coţ nazýváme Joulův zákon. Elektrická energie, výkon a práce Uvaţujme elektrický obvod, sestavený z baterie a odporu R obr. 2.46. Nechť potenciálový rozdíl mezi dvěma body a a b je U  (U b  U a ) 0 . Při přemístění q náboje mezi těmito body se jeho potenciál elektrické energie zvětší o U  q  U . Na druhé straně se energie nositelů náboje sníţí při kolizích s atomy odporu. Pokud zanedbáme vnitřní odpor baterie a propojovacích drátů, po příchodu do bodu a zůstane potenciální energie náboje ∆q nezměněna. 59

Obr. 2.46: Obvod z baterie a odporu o velikost R Celková ztráta energie při průchodu odporem je

P

U  q      U  I  U t  t 

[W]

(2-113)

To je také přesné mnoţství výkonu, poskytovaného baterií. Dosazením V  IR můţeme předchozí rovnici upravit do tvaru

(U ) 2 P  I R  R 2

(2-114)

Práce při přemístění náboje Q z místa o různých potenciálech

A  Q(1   2 )  QU.

[J]

(2-115)

 Uvedený vztah platí i pro stacionární elektrické pole E st , které ve vodiči vyvolává ustálený proud.

A  QU  UIt,

(2-116)

Coţ lze vyjádřit pomocí Ohmova zákona

U2 A  UIt  RI t  t. R 2

(2-117)

Výkon elektrického proudu ve vodiči je

A U2 2 P   UI  RI  . t R 60

(2-118)

Jednotka výkonu v soustavě SI je watt (W); 1W=J.s-1=V.A Jednotka práce v soustavě SI je joule (J). Pozitivní praktický význam: ohřev v odporových pecích, topení, sušení apod., rozžhavená vlákna žárovek jako zdroj světla. Negativní důsledky: ztráty elektrické energie. Nutnost zajištění odvodu tepla u různých elektrických spotřebičů. Spotřebiče chráníme např. tavnými pojístkami Závislost odporu na teplotě Odpor všech vodivých látek závisí na teplotě. Pro kovy a většinu vodivých látek platí:

RT  RT0 e

1 1 B    T T0

   

,

(2-119)

Kde RT - odpor vodiče při teplotě T RT0 - odpor při teplotě T0 B - konstanta materiálu vodiče, má rozměr teploty (pro kovy je záporná, polovodiče kladná) Závislost odporu vodiče na teplotě charakterizujeme tzv. teplotním součinitelem odporu αT, který se číselně rovná změně odporu 1Ω při změně teploty o 1 K (kelvina), tedy

T 

1 dRT . RT dT

[K-1]

(2-120)

Stanovení souvislosti αT s konstantou B, provedení derivace odporu RT podle T 1

1 

B    dRT B  B T T   RT0 e  0    2   RT   2 . dT  T   T 

Dosazením do (2-120)

T  

61

B . 2 T

(2-121)

(2-122)

Pro řadu vodičů je konstanta B malá a můţeme proto vztah (9-118) zjednodušit, pokud rozdíl (T-T0) není příliš velký. Rozvoj mocniny ve vztahu (2-119) podle vzorce e x  1 

x x2   ..... , tedy 1! 2!

   T T T  T0  RT  RT0 1  B 0  ...  RT0 1  B  TT0 TT0    

(2-123)

Pokud se T příliš neliší od T0 můţeme se v rozvoji omezit na první dva členy a označit B součin TT0  T02 . Potom  T0   2 , a po dosazení do výrazu (2-123) dostaneme odpor T0 vodiče v závislosti na teplotě

RT  RT 0 1   T 0 T  T0 

[Ω]

(2-124)

2.1.2 Stacionární magnetické pole Základem elektrotechniky jsou rovnice elektrického a magnetického pole. Elektrickým polem jsme se zabývali v minulé kapitole. V této kapitole se budeme zabývat magnetickým polem. Magnetická pole vznikají vţdy, kdyţ protéká elektrický proud. Stejnosměrný proud vytváří stejnosměrné magnetické pole (stacionární), střídavý proud vytváří střídavé magnetické pole o stejném kmitočtu (nestacionární). Magnetické pole je buzeno stacionárně nebo dynamicky: -

-

Stacionární magnetické pole (kvazistatické, statické); je buzeno stacionárním elektrickým proudem, tj. rovnoměrně se pohybujícími náboji; nebo také je moţné říci, ţe vlastnosti takového pole se nemění s časem (magnetická indukce je konstantní), zdrojem je permanentní magnet v klidu, vodič, kterým prochází stálý elektrický proud. Nestacionární (dynamické) magnetické pole je buzeno časově proměnným elektrickým polem; vlastnosti magnetického pole se mění v závislosti na čase, zdrojem je magnet, který se vzhledem k čidlu pohybuje, vodič, kterým prochází časově proměnný proud. Poznámka: Pohybující se permanentní magnet je pro čidlo (kterým magnetické pole vyšetřujeme) zdrojem nestacionárního magnetického pole. Z hlediska moţného zanedbání elektromagnetického pole:

některých

62

jevů

se

uţívají

tři

případy

a) Nestacionární b) Kvazistacionární (zdánlivě stacionární; například kvazistacionární pole, je druh elektromagnetického pole vytvořeného časově proměnnými elektrickými proudy, jejichž změny jsou tak pomalé, že pro řešení kvazistacionárních polí lze použít všechny metody řešení stacionárních polí) c) Stacionární (statické) Stacionární magnetické pole – zdrojem je nepohybující se permanentní magnet nebo nepohybující se vodič s konstantním proudem. Stacionární magnetické pole vzniká rovnoměrným pohybem elektrického náboje (např. vodič - jímţ protéká stejnosměrný proud, nebo volně v prostoru - paprsek elektronů nebo iontů v urychlovači nebo v obrazové trubici). Různými pokusy se dá dokázat, ţe kolem pohybujícího se náboje je kromě elektrického pole také pole magnetické, které silově působí na magnetku nebo ostatní pohybující se náboje. Elektrické a magnetické pole mají stejnou fyzikální podstatu. Magnetické pole je buzeno časově neměnným proudem, jeho siločáry jsou uzavřené. Elektrické pole je buzeno náboji v klidu, jeho siločáry nejsou uzavřené, začínají a končí na nábojích. Magnetické pole stejně jako elektrické pole je silového původu. Magnetické pole je tedy prostor, kde působí určité síly. Těmto silám říkáme magnetické síly. A.M. Ampere objevil, ţe vnější magnetické pole silově působí na pohybující se náboje (vodič, kterým protéká elektrický proud). Neprochází-li vodičem elektrický proud, pak je v klidu mezi póly magnetu. Magnetické pole je neoddělitelnou součástí elektromagnetického pole. Pro znázornění magnetického pole pouţíváme obdobně jako pro elektrické pole siločáry. V případě magnetického pole se jedná o myšlené prostorově orientované uzavřené křivky – magnetické indukční čáry, které se nikdy neprotínají. Tečny v daném místě magnetické indukční čáry mají směr osy velmi malé magnetky umístěné v tomto bodě. Rovina magnetických indukčních křivek je kolmá ke směru proudu (pohybujícího se náboje). Magnetické indukční čáry vţdy směřují od severu N k jihu S – coţ je odvozeno z kompasu, protoţe Země je magnet a pól magnetu, který ukazoval k zeměpisnému severu, byl označen jako severní. Blíţe severního zeměpisného pólu leţí jiţní magnetické pól Země. Všechna magnetická pole, ať vzniknou průtokem proudu nebo pocházejí z trvalého magnetu, stále mají jeden severní a jeden jiţní pól, jsou to tedy takzvané dipóly. Rozřízneme-li trvalý magnet na dvě části, vzniknou tak dva nové celé magnety, z nichţ kaţdý má severní a jiţní pól. Neexistují jednopólové magnety, tzn. izolované severní a jiţní póly. Pod pojmem hustota magnetického toku neboli magnetická indukce se rozumí počet siločar, které procházejí jednotkou plochy. Obvyklá magnetická pole dosahují indukce v militesla, mikrotesla nebo nanotesla, tedy v tisícinách, milióntinách nebo miliardtinách této jednotky. Účinek magnetického pole, nebo jinak definováno, účinek magnetického toku v nějakém materiálu, je závislý na magnetických zvláštnostech materiálu 63

obklopujícího vodič, na jeho tzv. permeabilitě (propustnosti). Středem pozornosti v souvislosti s návrhem technického zařízení v budovách, zejména budovách inteligentního formátu, nás musí zajímat, jaké vlivy na prostředí budov a jejich bydlení má souvislost s tímto magnetickým tokem. Magnetický tok, magnetická intenzita a magnetická indukce jsou charakteristickými funkcemi právě zmíněných zabudovaných technických zařízení v budovách, jako jsou elektrické kabeláţe ve zdech budovy, elektrické a elektronické zařízení instalované v budovách, pouţité stavební materiály, rozmístění instalací a jejich odborné uloţení a architektonické funkce celého komplexu vybavení. Za stejné intenzity je účinek magnetického pole tím větší, čím větší je permeability materiálu. Lidské tělo má podobnou permeabilitu jako voda nebo vzduch. Vstoupíme-li do magnetického pole, indukce se nezvýší, poněvadţ ta je závislá na technických parametrech a veličinách instalovaných zařízení v budovách. Pokud uvedené parametry a veličiny nejsou předimenzovány, pak nenastanou ţádné škodlivé účinky, jaké by mohly nastat, pokud by byl člověk za jiných okolností vystaven elektrostatickému poli a to na základě právě té elektrické vodivosti. Vlivem feromagnetických kovů je v blízkém okolí magnetické pole deformováno, coţ je do jisté míry problém, který by se měl řešit. V budovách jsou nejčastější příčinou uvedené deformace ocelové výztuţe v betonu. Změny mohou nastat v blízkém okolí umělých stejnosměrných magnetických polí, např. v blízkosti magnetů reproduktoru, nebo v okolí elektrického vedení stejnosměrného proudu. Silnější stejnosměrná magnetická pole vznikají v oblasti veřejné dopravy a v průmyslových provozech, dále tramvaje, metro atd. Za jízdy přetrvává v prostoru pro cestující ve výšce do 2 m magnetická indukce kolem 90μT, tzn skoro dvojnásobek zemského magnetického pole. Ještě vyšší intenzity magnetického pole lze naměřit na mnoha pracovištích v průmyslu, ale také i v bytových objektech mimořádné vybavenost a to nejen v závislosti na stacionárním magnetickém poli. Na druhé straně byly například v mozku člověka nalezeny magnetické krystaly o velikosti od 0,1 aţ 0,3 μm. Rovněţ bylo prokázáno, ţe lidské orgány samy vydávají velmi slabé, ale konkrétně měřitelné magnetické signály kolem cca 0,1pT (pikotesla=10-12T, mozek kolem 1pT, srdce 50pT. Proto také nelze vyloučit, ţe silná stejnosměrná magnetická pole mohou funkční schopnosti orgánů narušovat. Uvedené příklady budou v další části textu hlouběji komentovány včetně návrhu na opatření jak čelit a jak konstruovat technická zařízení v budovách. K tomu je nutná znalost a pochopení teorie elektrických a magnetických polí, v současné době hluboko neprozkoumaných důsledků z toho plynoucí. Rozbor této elektrotechnické disciplíny v kontextu s rozvojem výstavby budov, zejména v prostředí jejich inteligence, je a bude stěţejní problematikou při projektování budov, jejich zástavby, architektury budov, do značné míry řešení projektu vnitřního prostředí budov.

64

2.1.2.1 Magnetické pole elektrického proudu Biotův-Savartův zákon Pouţívá se při výpočtu magnetické indukce pole v daném bodě A okolí vodiče protékaného stacionárním proudem. Tato problematika ve věcné podobě je charakteristická nejen u stacionárních magnetických polí, ale také i u nestacionárních magnetických polí. Velikost magnetické indukce v místě určité vzdálenosti například od stěny místnosti, kde jsou instalovány elektrické rozvody, je na pořadu dne. Právě to je důvod jak tento problém vyhodnocovat a řešit. K tomu nám můţe do značné míry poslouţit právě Biotův-Savaratův zákon. Vektorově provedeme výpočet tak, ţe sečteme infinitezimální (nekonečně malé číslo, jehoţ absolutní hodnota je menší, neţ jakékoli kladné reálné číslo) příspěvky dB všech proudových elementů vodiče k celkové magnetické indukci, obr. 2. 47.

Obr. 2.47: Vodič, uzavřená smyčka a bod o indukci B

 0 Idl  r 0 dB  4 r 2 dl -

(2-125)

délkové infinitezimální elementy vodiče, mající směr tečny vodiče s orientací ve směru proudu

r0

-

jednotkový vektor s počátkem, který splývá s počátkem vektoru dl a míří k bodu A

r

-

vzdálenost bodu A od proudového elementu I. dl

μ0 -

permeabilita vakua:  0  4  10 7 T  m  A1

α

úhel, který svírá vektor dl a r0

-

65

Velikost vektoru dB je: (za vyuţití znalostí o vektorovém počtu: vektorový součin vektorů a a b je definován jako vektor kolmý k vektorům a a b s velikostí rovnou ploše kosoúhelníka, který oba vektory definují a  b  n  a  b  sin  )→

dl  r0 dl  r0  sin   dl sin  dosadíme do (2-123) a dostaneme

dB 

 0 Idl  sin  4 r2

(2-126)

Uvaţujme dále nekonečně dlouhý vodič přímý, kterým protéká elektrický proud a naším úkolem je najít magnetickou indukci v bodě A ve vzdálenosti r0 od vodiče, viz. obr. 2.48 a),b).

a)

b)

Obr. 2.48: a) Řez rovinou obsahující bod A a vodič; b) Řez rovinou, která prochází bodem A a je kolmá k vodiči – pohled shora Pro infinitezimální úhel dα přibliţně platí: tg (d )  d Z trojúhelníku, jehoţ vnitřní úhel je dα, dostaneme

tg (d )  d  sin  

x  x  r  d r

x r  d  dl dl

; z obr. 2.37 můţeme napsat ţe: r  d  r0 a dl  r , pak píšeme

sin  

r  d r0  dl r 66

(2-127)

Na základě obr. 2.47 můţeme tvrdit, ţe části dB od všech elementů vodiče jsou shodně orientované ve směru tečny ke kruţnici, která leţí v rovině kolmé k vodiči a prochází bodem A. Protoţe platí princip superpozice, abychom určili vektor B, stačí sečíst velikosti všech vektorů dB integrací. Nyní nalezneme vhodné vyjádření dB jako funkce jedné proměnné. Ve vztahu (2-127) jsou dvě proměnné (r a α), které jsou však na sobě závislé a tak jednu z nich můţeme vyjádřit pomocí druhé:

dl d d   . r r sin  r0

dB 

dl d Dosadíme za v (2-126) r0 r2

 0 Id sin  a integrujeme podle α 4 r0

0 I  0 I 0 I    B sin   d    cos   . 0 4 r0 0 4 r0 2 r0

[T]

(2-128)

Bylo výše uvedeno dostatek informací, abychom vyslovili závěr vycházející z Biotova-Savarotova zákona, ţe magnetické indukční čáry mají tvar soustředěných kruţnic kolem vodiče, jak ukazuje obr. 2.49 a ty jsou orientovány podle pravidla pravé ruky: „Přiložíme-li palec k vodiči ve směru proudu, zahnuté prsty ukazují orientaci magnetických indukčních čar“.

Obr. 2.49: Orientace magnetických indukčních čar pole vytvořeného elektrickým proudem v dlouhém přímém vodiči

67

Jestliţe ve vakuu vytváří proud I magnetické pole o magnetické indukci B0, pak stejný proud v homogenním, izotropním látkovém prostředí o relativní permeabilitě μ r vytváří magnetické pole o indukci

  B   r B0

(2-129)

Relativní permeabilita charakterizuje magnetické vlastnosti prostředí a udává, kolikrát je permeabilita určitého látkového prostředí μ větší neţ permeabilita vakua. Proto

r 

 0

(bezrozměrná)

(2-130)

2.1.2.2 Příklady na stacionární magnetické pole Příklad: Určete magnetickou indukci v bodě „S“, který je společným středem půlkruhových oblouků AB a CD, viz obr. 2.50. Oba oblouky jsou spojeny tak, ţe vytváří obvod ABCD, kterým teče proud „I“.

Obr. 2.50: Řešíme pomocí Biotova-Savaratova zákona:

dB 

 0 Idl  r0 4 r 2

Nejprve odvodíme magnetickou indukci ve středu kruhového oblouku viz. obr. 2.51. Je zřejmé, ţe jsou navzájem kolmé vektory dl a r0. Navíc příspěvky k celkové indukci v bodě „S“ od všech proudových elementů oblouku jsou shodně orientovány. Proto

68

Obr. 2.51: Obrázek pro odvození magnetické indukce středu oblouku

 I B 02 4r

 max

 0

dl 

0 I  max 4r 2

Nyní se vrátíme k našemu zadání. Příspěvek k celkové indukci v bodě „S“ od úseku AB proudovodiče je orientován za nákresnu  a má velikost

B AB 

0 I 0 I    příspěvek úseku CD má orientaci 4R12 4 R12

ͼ a má velikost BCD 

0 I . 4 R22

Úseky DA a BC k celkové indukci nepřispívají, neboť pro všechny orientované délkové elementy z nich vybrané platí, ţe odchylka vektorů dl a r0 je O0 nebo 1800, coţ znamená, ţe je pro ně dl x r0=0. Protoţe R1BCD, bude indukce v bodě „S“ orientovaná shodně s vektorem BAB a mít velikost:

B  B AB  BCD 

0 I  1 1   2  2 . 4  R1 R2 

Příklad: Máme dva nekonečné rovnoběţné vodiče, které jsou umístěny ve vzdálenosti 2L. Oběma prochází proud I. Směry proudů ve vodičích jsou opačné. Určete velikost a směr magnetické indukce v bodech roviny souměrnosti (tj. na rovině uprostřed mezi vodiči). Viz. Obr. 2.52.

Obr. 2.52: Znázornění příkladu – zadání Řešení:

69

 a) Směr vektoru magnetické indukce B určíme pomocí Ampérova pravidla pravé ruky. viz. obr. 2.53; pro velikost vektoru magnetické indukce B od dlouhého přímého vodiče s proudem platí vztah

B

0 I 2 R

b) Vektor výsledné magnetické indukce v bodě P na rovině souměrnosti o mezi vodiči určíme jako součet vektorů magnetických indukcí od jednotlivých vodičů

   B  B1  B2

Obr. 2.53: Obrázek k bodu b) Protoţe vodiči prochází stejně velké proudy, vytváří v bodě „P“ na rovině souměrnosti o magnetické pole o stejných velikostech. Pro jejich velikosti platí vztah

B1  B2 

0 I 2 R

I

- elektrický proud procházející kaţdým vodičem

R

- vzdálenost bodu „P“ od vodiče

R  L2  x 2

a pro velikost B1 platí: B1 

70

0 2

I L2  x 2

 Z obrázku 2.53 vidíme, ţe výsledná magnetická indukce B bude leţet v rovině   souměrnosti o. Její velikost B získáme sečtením velikostí průmětů obou vektorů B1 aB2 do roviny o, tzn.

B  B1 cos   B2 cos   2B1 cos  Úhel φ vyjádříme pomocí vlastností pravoúhlého trojúhelníka

cos  

B2

L L  , vztah pro velikost B1 a cosφ dosadíme do vztahu pro B: R L2  x 2

0 I 2 L2  x 2

L L2  x 2

. Po úpravě: B 

 0 IL

 L2  x 2 

Vektor celkové magnetické indukce v bodech roviny souměrnosti leţí v této rovině a jeho velikost jsme výše odvodili. Příklad: Dvěma vodiči nekonečné délky, umístěnými podle obrázku 2.54, tečou elektrické proudy I1= 2 A a I2= 1 A. Směry proudů jsou patrné z obrázku. Vodiče jsou umístěny ve vakuu a jejich vzdálenost je d = 3 cm. Prostředí je vakuum, permeabilita vakua je  0  4 .10 7 H .m 1 .

Obr. 2.54:  a) Znázorněte směr magnetické indukce B , kterou vytváří vodič protékaný proudem I1 v místě A a spočtěte její velikost B1. b) Stanovte velikost magnetické indukce B2, kterou vytvoří vodič protékaný proudem I2 v bodě A. c) Spočtěte velikost vektoru výsledné magnetické indukce B v bodě A. 71

Řešení: a) Velikost indukce B1 určíme z Biot-Savarotova zákona pro nekonečně dlouhý vodič

B

0 I 2a

, a – vzdálenost od vodiče, kde se indukce stanovuje

Pro náš případ platí:

 0 I1 3 0 3  4   10 7  2 B1     2  10 5 T . 2 2d 4d 4  3 10 2 3 b) Velikost indukce B2 určíme z Biot-Savartova zákona pro nekonečně dlouhý vodič:

 0 I 2 3 0 I 2 3  4    10 7  1 B2     2  10 5 T . 2d 4d 2  3  10 2 2 3 c) Výsledná indukce v bodě A je dána vektorovým součtem příspěvků obou proudovodičů:

   B  B1  B2 ; Vektory jsou navzájem kolmé, pak pro velikost výsledné indukce:

B  B12  B22 

2 10   2 10  5 2

5 2

 2,83 10 5 T .

2.1.2.3 Ampérův zákon Z Coulombova zákona jsme byli schopni vypočítat vektorovou charakteristiku elektrického pole E tak, ţe jsme v souladu s principem superpozice vektorově sečetli příspěvky od všech nábojů dQ. K témuţ cíli slouţí Gaussův zákon elektrostatiky, který je jedním z nejobecnějších přírodních zákonů a ve specielním případě statických nábojů z něj plyne zákon Coulombův. Ampérův zákon (zákon celkového proudu) má podobný význam pro pole magnetické jako Gaussův zákon pro pole elektrické. Pomáhá při řešení úloh, kdy hledáme vztah mezi elektrickým proudem a magnetickou indukcí a rozloţení proudů v prostoru má jednoduchou symetrii. 72

Mějme dlouhý přímý vodič, kterým protéká elektrický proud I, v rovině kolmé na vodič volíme libovolnou uzavřenou křivku l (vodič prochází plochou uzavřenou touto křivkou), obr. 2.55:

Obr. 2.55: Odvození Ampérova zákona -

  Na l volíme vektorový element dl jehoţ vzdálenost je dána průvodičem r . Elementu přísluší vzhledem k vodiči středový úhel d

d 

dl  cos  , takţe dl  cos   r  d , r

  kde dl  cos  je velikost průmětu elementu dl do směru kolmého k r . (úhel α svírá   vektory B a dl . -

Hodnota křivkového integrálu

  0 I  0 2 0 2   B  d l  Bdl cos    r  d   I d    I   0 l l l 2 r 2 0 2



0  I (2  0)   0 I 2

(2-131)

Coţ je Ampérův zákon, který vyjadřuje vlastnost magnetického pole = pole vírové (není polem potenciálovým a nelze zavést skalární potenciál). 73

Zobecnění Ampérova zákona Pro případ, ţe plochou prochází více vodičů s proudy I1, I2,….In, bude pro kaţdý vodič platit

   Bk  dl   0  I k ,

(2-132)

l

 kde Bk

je magnetická indukce od k-tého vodiče s proudem. Magnetické pole splňuje

princip superpozice n      B1  B2  ...  Bn   Bk  Bcelk

(2-133)

k 1

Můţeme psát

n  n  n      B  dl    Bk  dl    Bk  dl   0  I k . l k 1

l

n

Označení

I k 1

k

Pak dostaneme

k 1 l

(2-134)

k 1

 I 1  I 2  ...  I n  I celk

(2-135)

   B  dl   0  I celk

(2-136)

l

 Bude-li procházet proud I celk plochou S ohraničenou křivkou l s hustotou proudu J , pak

I celk 

  J   dS

[A]

(2-137)

S

     B  dl   0  J  dS

Tedy

l

(2-138)

S

Pouţitím Stokesovy věty z vektorové analýzy

    rot B  d S   J  dS , 0  S

Odtud

(2-139)

S

  rotB   0 J

Coţ je Ampérův zákon v diferenciálním tvaru. 74

(2-140)

2.1.2.4 Magnetická indukce V podstatě jde o sílu působící v magnetickém poli na vodič s proudem. Magnetická indukce B je fyzikální veličina určená pro kvantitativní popis magnetického pole v kaţdém jeho bodě. Podívejme se na obr. 2.56

Obr. 2.56: Princip magnetické indukce Na vodič protékaný proudem I působí v magnetickém poli síla

Fm  B  I  l  sin 

[N]

(2-141)

l .sinα….. průmět vodiče do vodorovné roviny (aktivní délka) α……….. úhel mezi vodičem a indukčními čarami   0;  )

  0  sin   0  Fm  0 N



  sin   1  F  B  I  l 2

maximum

B………..magnetická indukce (vektorová fyzikální veličina)

B -

Fm I  l  sin 

[T] (N.A-1.m-1)

(tesla)

(2-142)

Běţné hodnoty jsou cca od 0,01 T aţ 0,5 T (v blízkosti permanentních magnetů) Velmi silné magnetické pole je 100 T 75

-

 Směr B ……směr souhlasně orientované tečny k indukční čáře v daném bodě.  Pro homogenní magnetické pole je B konstantní směr i velikost.   Fm je kolmá na B i na vodič.

Magnetickou indukci lze také vyjádřit:

B

 S

(2-143)

Magnetická indukce je definována počtem magnetických indukčních čar, tedy magnetickým tokem Φ, na jednotku plochy S. Je to vektorová veličina, v kaţdém místě magnetického pole je vţdy kolmá na plochu, má určitou velikost a směr. Směr síly Fm určíme Flemingovým pravidlem levé ruky: „ Položíme-li levou ruku k vodiči tak, aby prsty ukazovaly směr proudu a indukční čáry vstupovaly do dlaně, ukazuje odtažený palec směr síly Fm působící na vodič“ Výše uvedený vztah pro magnetickou sílu platí jen pro přímý vodič s protékajícím proudem. Můţeme jej zobecnit pro tenký vodič libovolného tvaru, rozdělíme-li si tento vodič na velmi krátké úseky ∆l. Výsledná magnetická síla působící na celý vodič je dána vektorovým součtem sil působících na jednotlivé úseky. Vzájemné silové působení dvou přímých rovnoběžných vodičů s proudem Přiblíţíme-li k sobě dva vodiče ve vzájemné vzdálenosti d s protékajícími proudy I1, I2, silově na sebe navzájem spolupůsobí obr. 2.57

Obr. 2.57: Vzájemné silové působení vodičů s proudy a) Podle obrázku a) První vodič v místě druhého vodiče vyvolá magnetické pole o magnetické indukci 76

  I B1  k 0 1 2 d   Na délku druhého l  i l i  j  k ; j  k  i; k  i  j; i  k   j. )

vodiče

(2-144) bude

působit

síla

(Poznámka:

  Na délku l  i  l druhého vodiče bude působit síla

     II Fm 2  I 2 (l  B1 )  i   k  0 1 2  l  2 d





  0 I1 I 2 j l 2 d

(2-145)

Obdobně druhý vodič v místě prvního vodiče vyvolá magnetické pole o magnetické indukci

 I  B2   k 0 2 2 d

(2-146)

  Na délku l  i  l prvního vodiče bude působit síla

 

      II  I I Fm1  I1 (l  B2 )  i  k 0 1 2  l   j 0 1 2  l 2 d 2 d

(2-147)

V absolutních hodnotách pak výrazy (2-142) a (2-144) píšeme

Fm 2 

 0 I1 I 2 l 2 d

a

Fm1  

 0 I1 I 2 l 2 d

(2-148)

Obě síly mají stejnou velikost, ale opačnou orientaci  vodiče se přitahují. (Směry obou sil je moţné určit Flemingovým pravidlem levé ruky). V případě, ţe proudy I1 a I2   ve vodičích budou mít nesouhlasný směr, viz obr. 2.57 b), změní síly Fm1 , Fm 2 svou orientaci a vodiče se budou odpuzovat. Výraz sin α jsme do vztahu pro magnetickou sílu nepsali jako ve vztahu (2-141), neboť magnetické indukční čáry magnetického pole vytvářeného jedním vodičem jsou kolmé ke druhému vodiči. A tedy sin   sin 90 0  1 .

Fm Uţitím vztahu (2-142) tedy B  a vztahu (2-147) a podmínky I  l  sin   sinα=1→vodič kolmý na B , dostaneme vztah pro velikost vektoru magnetické indukce ve vzdálenosti d od dlouhého přímého vodiče s proudem I:

77

B

 0 I1 I 2l  I 1  0 2 d I  l  sin  2 d

(2-149)

Na tomto místě můţeme pak definovat Ampérův zákon – definici jednotky elektrického proudu: „Jeden ampér je stálý proud, který při průchodu dvěma přímými rovnoběžnými nekonečně dlouhými vodiči, zanedbatelného průřezu, umístěnými ve vakuu, ve vzdálenosti 1 m od sebe vyvolá mezi vodiči sílu 2.10 -7 N na jeden metr délky vodiče“. Protoţe uţ je nám známo, ţe magnetické pole a elektrické pole jsou vzájemně propojené součásti pole elektromagnetického, pak tato skutečnost má praktický dopad na stanovení ba dokonce řízení inteligentního prostředí v budovách. Vyhodnocení vlivů elektromagnetických polí v kontextu s budováním a projektováním inteligentních budov je a zejména bude hlavním dominujícím postavením projektů jako takových i ostatních budov pasivních a zejména energeticky nenáročných. Kompromis s cílem energetických úspor a efektivního zdravého prostředí je řešením, které koresponduje s přirozenou náročností a ţivota člověka vůbec. Z uvedeného dílčího závěru je nutné se zmínit, ţe jsou vzájemně propojeny také konstanty magnetického a elektrického pole:

c

c

-

1 (2-150)

 0  0

rychlost světla ve vakuu, nebo téţ rychlost elektromagnetických vln ve vakuu, nebo rychlost šíření elektromagnetického pole ve vakuu.

Rychlost elektromagnetických vln není konstantní, ale závisí na prostředí:

v

1

 



c

 r  r

(2-151)

Vzájemné vztahy mezi elektrickými a magnetickými veličinami vysvětlují Maxwelovy rovnice elektromagnetického pole. 2.1.2.5 Magnetické pole cívky Solenoid je to dlouhá, válcová cívka, všech závitů stejně velkých, přesně kruhových a po celé její délce l rozloţené o stejné hustotě. Taková cívka je častým zdrojem magnetického pole v technické praxi hojně pouţívaná (různá relé, transformátory, 78

tlumivky, stykače, chrániče, atd.), viz obr. 2.58. Magnetické indukční čáry jsou v blízkosti osy solenoidu přibliţně rovnoběţné, v bodech vně solenoidu jsou příspěvky k celkové magnetické indukci protichůdné, proto je hustota siločar malá a pole slabé. Budeme aplikovat Ampérův zákon na výpočet magnetického pole ideálního solenoidu. Závity takového solenoidu jsou vinuty těsně vedle sebe, magnetické pole uvnitř solenoidu je homogenní a vně nulové, průměr solenoidu je zanedbatelný vzhledem k jeho délce.

Obr. 2.58: Solenoid Pro názorné vyhodnocení vztahů magnetického pole cívky a pro definování postupu návrhu si vybereme na cívce Ampérovu křivku ve tvaru obdélníka s vrcholy ABCD a přisoudíme ji takovou orientaci, aby uvnitř solenoidu souhlasila s orientací indukčních čar viz. obr. 2.59.

Obr. 2.59: Volba Ampérovy křivky pro výpočet indukce magnetického pole uvnitř ideálního solenoidu Cirkulace magnetické indukce podél Ampérovy křivky rozdělíme do čtyř částí:

79

B

C

D

A

A

B

C

D

 Bds   Bds   Bds   Bds   Bds.

(2-152)

Skalární součiny Bds jsou nenulové jen na úseku CD a pole uvnitř ideálního solenoidu homogenní a vektory B a ds rovnoběţné, tudíţ l

 Bds  B  ds  Bs

l 0

 B(l  0)  Bl

(2-153)

0

Jestliţe je na délce „l“ cívky N závitů, je celkový proud I c  NI . Pak podle (2-134) s přihlédnutím k (2-125) a v našem případě je 2π=1, platí pro indukci magnetického pole uvnitř ideálního solenoidu:

B  0

NI  0  H l

(2-154)

Toroid můţeme povaţovat za solenoid stočený do prstence, jehoţ rozměry charakterizují vnitřní a vnější poloměr R1 a R2. Pole uvnitř toroidu není homogenní, ovšem na druhou stranu se u něj neprojevují ţádné okrajové efekty. Tvar toroidu naznačuje, ţe indukční čáry magnetického pole jsou uvnitř souřadné kruţnice obr. 2.60.

Obr. 2.60: Toroid Zvolíme si Ampérovu křivku tak, aby respektovala symetrii úlohy, viz obr. 2.61. Bude tím kruţnice o poloměru r   R1 , R2  . Podle Ampérova zákona snadno zjistíme, ţe platí

2r  B   0  I  N 80

(2-155)

R1, R2

Obr. 2.61: toroidu.

- vnitřní a vnější poloměr toroidu; r – poloměr Ampérovy křivky

Volba Ampérovy křivky pro výpočet indukce magnetického pole uvnitř

Odtud

B

0  I  N . 2  r

(2-156)

Vidíme, ţe velikost magnetické indukce je uvnitř toroidu nepřímo úměrná vzdálenosti od středu toroidu. Podle Ampérova zákona lze dokázat, ţe vně ideálního toroidu je indukce nulová. Je-li rozdíl mezi vnitřním a vnějším poloměrem toroidu malý, bude v něm pole přibliţně homogenní. Odvozené výsledky pro solenoid a toroid nezávisí na tvaru jejich průřezu Příklad: Dlouhým solenoidem, leţícím ve vakuu (prozatím pro jednoduchost výpočtu, v určitém raálném prostředí se výpočet bude poněkud lišit, ale to aţ později), s hustotou 10 závitů na centimetr s poloměrem 7 cm, protéká proud 20 mA. Přímým vodičem leţícím v ose solenoidu protéká proud 6 A. V jaké vzdálenosti od osy solenoidu bude svírat vektor celkové magnetické indukce úhel 45 0 s osou vodiče? Jaká je v tomto místě velikost magnetické indukce B? Řešení:

81

Nakreslíme si, jak vypadají magnetická pole vytvořená přímým vodičem s proudem a solenoidem obr. 2.62. Co musí platit pro to, aby poţadovaný úhel byl 450?

Obr. 2.62: Indukční čáry pole solenoidu a pole přímého vodiče

Obr. 2.63: Podélný řez solenoidem Jedná se o dlouhý solenoid, na obr. 2.63 je znázorněna pouze jeho část. Uvnitř solenoidu je magnetické pole rovnoběţné s osou a současně s vodičem, který prochází solenoidem. Magnetická indukce od solenoidu a vodiče jsou na sebe vţdy kolmé. Aby vektor výsledné magnetické indukce svíral s osou solenoidu tedy i s magnetickou indukcí úhel 450, musí být oba případy stejně veliké. Velikost magnetické indukce uvnitř solenoidu nezávisí na poloze (je konstantní). Magnetická indukce dlouhého vodiče klesá se vzdáleností od vodiče. Naším úkolem je najít takovou vzdálenost od vodiče, kde se velikost magnetické indukce vodiče bude rovnat velikosti magnetické indukce solenoidu. Pro velikost magnetické indukce dlouhého vodiče Bv platí Bv 

0 I v , kde Iv je 2R

proud, který vodičem protéká, a R vzdálenost mezi vodičem a místem, kde určujeme magnetickou indukci. Pro velikost magnetické indukce solenoidu Bs platí:

BS   0 I C n ;

kde IS je proud, který solenoidem protéká; n hustota závitů; μ0 je permeabilita vakua. Jak bylo výše uvedeno je patrné, ţe výsledná magnetická indukce B bude svírat s osou 82

solenoidu úhel 450, jestliţe bude platit: Bv  BS . Za Bv a BS dosadíme výše uvedené vztahy

0 I v   0 I C n , z této rovnice vyjádříme R: 2R

R

Iv . 2I C n

Velikost celkové magnetické indukce ve vzdálenosti R od osy vodiče vypočítáme jako, viz.obr. 2.63

Obr. 2.63:

B

BS cos 45 0

Po dosazení: n=10 cm-1=1000 m-1 r=7 cm=0,070 m IC=20 mA=0,020 A Iv= 6 A R=?; B=?

R

Iv 6  m  0,048m  4,8cm ; 2I c n 2 0,02  1000

BS  0 I C n 4  10 7  0.02  1000 B   T  3,554  10 5 T  36T 0 0 cos 45 cos 45 2 2

83

Vektor výsledné magnetické indukce B bude svírat úhel 450 ve vzdálenosti R=4,8 cm od osy solenoidu. V tomto místě je velikost celkové magnetické indukce přibliţně B=36 μT. 2.1.2.6 Částice s nábojem v magnetickém poli Síla působící na vodič je proudem I:

Fm  B  I  l  sin  . Jde vlastně o výslednici sil

působících na jednotlivé částice s nábojem. N

-

počet elektronů  celkový Q   N  e

Elektrony – mají rychlost (stálou) – v t – za tento čas elektron urazí dráhu l  t  v Proud, který projde vodičem za dobu t I 

 Fm  B 

Q t

Q t

 t  v  sin   Q  v  B  sin  - síla působící na volný elektron

(2-157)

α – úhel mezi směrem pohybu náboje a indukčními čarami

   Fm - je kolmá na v a na B. Směr působení síly určíme pomocí Flamingova pravidla levé ruky (FPLR): "Položíme-li otevřenou levou ruku na vodič tak, aby prsty ukazovaly směr proudu a indukční čáry vstupovaly do dlaně, ukazuje odtažený palec směr síly, kterou působí magnetické pole na vodič s proudem."   Tedy místo i dáme v

-

Je-li Q>0 síla má směr stejný jako FPLR  Je-li Q<0  Fm opačný směr neţ podle FPLR

  Je-li částice s nábojem zároveň v elektrickém a magnetickém poli, působí na ní Fm iFe

    FL  Fm  Fe

Lorentzova síla

(2-158)

 Vletí-li částice s nábojem do homogenního magnetického pole kolmo na B   pohybuje se po kruţnici kolmé na B 84

v2  Q  v  B  sin   m  r Poloměr dráhy částice

  900  sin   0 r 

mv Q B

(2-159)

Poznámka: Praktická aplikace silového působení magnetického pole na částice s nábojem je např. při činnosti televizní obrazovky. V rámci výzkumu prostředí budov, by bylo moţné v rozšířených aplikačních funkcích z části této metody výpočtu pouţít. Poněvadţ v prostoru budov se nabité částice pohybují volně či uspořádaně a ty do určitých mezí ovlivňují prostředí. Odvod těchto částic do tzv.“záchytných stanic“ by v souvislosti s takovým řešením mohlo regulovat prostředí budov a podílet se na jejich inteligenci. 2.1.2.7 Magnetické napětí, intenzita magnetického pole, magnetický tok a Hallův jev Magnetické napětí, stejně jako příčinou proudu v poli proudovém, je elektrické napětí, příčinou vzniku indukčních čar, napětí magneto motorické. Prochází-li vodičem elektrický proud I, vznikne magnetické pole, jehoţ indukční čáry jsou soustředěné kruţnice. Magnetické pole bylo tedy vybuzeno proudem I, proud je příčinou vzniku magnetického pole, a tudíţ magneto motorickým napětím. Magneto motorické napětí značíme Fm a platí:

Fm  I

(2-160)

Při vybuzení magnetického pole několika proudy je magneto motorické napětí na určité indukční čáře dáno algebraickým součtem všech proudů, které indukční čára obepíná. Kaţdá indukční čára obepíná proud, který ji vyvolal. Obecně platí n

Fm   I k

(2-161)

k 1

Dle obr. 2.64 můţeme podle pravidla pravé ruky stanovit

Fm  I1  I 2  I 3 , dále můţeme mezi

kaţdými dvěma body indukční čáry definovat

magnetické napětí, např. Um1 mezi body 1 a 2, viz. obr.2.64. Součet magnetických napětí podél celé indukční čáry se rovná magneto motorickému napětí podél této čáry, coţ pak bude

Fm  U m12  U m23  ... 85

(2-162)

Obecně: n

Fm  U mk

(2-163)

k 1

Z uvedeného vztahu vyplývá, ţe jak napětí magneto motorické, tak napětí magnetické jsou na prostředí nezávislé. Lze pro ně stanovit jednotku:

Fm   N  I   A

(ampér)

(2-164)

Obr. 2.64: Magnetická pole a magnetické napětí Intenzita magnetického pole, značí se „H“ je dána magnetickým napětím připadajícím na jednotku délky indukční čáry, neboli spádem magnetického napětí a je vyjádřena vztahem

H

Um l

[A.m-1]

86

(2-165)

Intenzita magnetického pole „H“, je vektorová veličina, jejíţ směr a smysl je dán směrem indukčních čar. Vzhledem k tomu, ţe indukční čára představuje křivku, je vektor H v libovolném místě tečnou k indukční čáře, viz obr. 2.65.

Obr. 2.65: Intenzita magnetického pole V okolí dlouhého přímého vodiče, kterým prochází proud I, tvoří indukční čáry soustředěné kruţnice. Ve vzdálenosti r od osy vodiče je intenzita magnetického pole stejná po celé délce indukční čáry. Platí

H 

Um I  l 2r

(2-166)

Z toho vyplývá, ţe s rostoucí vzdáleností od vodiče se intenzita magnetického pole zmenšuje. Magnetické pole u solenoidu je

U m  NI , N – počet závitů Dále můţeme psát

H 

B

0

(ve vakuu)

(2-167)

Magnetický tok, vyjadřuje se počtem indukčních čar v magnetickém poli, označuje se Φ. Magnetický je vybuzen elektrickým proudem nebo také permanentním magnetem. Magnetický tok je skalární veličina, určuje pole celkově (v ploše), je definován napětím  vzniklým (indukovaným) při časové změně toku, tedy u  [V;Wb,s]. Jednotkou t magnetického toku je 1 Wb (weber), nebo (V. s). Magnetický indukční tok je definován v magnetickém poli homogenním

  B  S  cos  87

[Wb]

(2-168)

B – magnetická indukce S – plocha α – úhel, který svírá normálový vektor plochy s vektorem magnetické indukce

 

   BdS Magnetický tok v cívce je

Tok uzavřenou plochou je

  LI

(2-169)

(L-indukčnost cívky)

   BdS  0

(2-170)

S

Hallův jev, jestliţe do homogenního magnetického pole umístíme destičku z kovu nebo polovodiče, přemísťujuí se volné částice s nábojem působením magnetické síly k jedné boční stěně destičky, obr. 2.66.

Obr. 2.66: Hallův pokus Uvedený pokus se projevil tím, ţe mezi bočními stěnami vzniklo malé napětí (Hallovo napětí).

~ IB UH  R d

(2-171)

R – Hallova konstanta (má pro některé vodiče kladnou hodnotu, pro jiné zápornou hodnotu) Hallův jev je při stejném magnetickém poli a stejné hustotě proudu mnohem silnější u polovodičů neţ u kovů. Proto se ho pouţívá převáţně u polovodičů a je na něm zaloţeno měření magnetických polí. Tyto přístroje se nazývají teslametry (měřiče magnetické indukce).

88

2.1.2.8 Vodič a závit protékaný proudem v magnetickém poli Vodič protékaný proudem umístěný v magnetickém poli, obr. 2.67, na pohybující se elektrické náboje (elektrický proud) v magnetickém poli ve směru kolmém na směr indukčních čar (směr B) působí síla kolmá na směr indukčních a kolmá na směr proudu – Lorenzova síla. S

S

F

J

J

Obr. 2.67: Vodič s proudem v magnetickém poli Magnetická indukce se na jedné straně vodiče zvětší a na protější straně zmenší. Vodič je pak vytlačován z hustějšího pole do pole řidšího s menší magnetickou indukcí. Velikost této síly popisuje Ampérův zákon:

F  B I l

(2-172)

l – aktivní délka vodiče I – elektrický proud protékající vodičem B – magnetická indukce Směr síly je určen pravidlem „levé ruky“: Položíme-li levou ruku na vodič tak, aby indukční čáry vstupovaly do dlaně a prsty ukazovaly směr proudu ve vodiči, pak odtažený palec ukazuje směr síly. 2.1.2.9 Závit (proudová smyčka) v magnetickém poli Je-li závit protékaný proudem umístěn ve vnějším magnetickém poli, pak normála plochy závitu má směr jako má magnetická indukce závitu. Pak dochází ke spolupůsobení polí závitu a vnějšího magnetického pole, výsledkem pak je otáčivý moment, tedy dojde ke vzniku dvojice sil, které působí na závit, pokud ten není v mrtvé poloze. Lorenzova síla se sice snaţí vzdálit od sebe vodiče závitu, ale to můţeme zanedbat. Viz. obr. 2.68. 89

S

S F mrtvá poloha

J

J

Obr. 2.68: Znázornění platnosti Lorenzovy síly Pro vyjádření fyzikálního principu otáčení závitu ve vnějším magnetickém poli si nakreslíme obr. 2.69 a 2.70.

Obr. 2.69: Závit v magnetickém poli rovnoběţně v „mrtvé poloze“, úhel α=900 vůči  normále n

Obr. 2.70: Závit v magn.poli pootočený o úhel α Na obr. 2.69 pozorujeme u vodičů 23 a 41 směr síly, který je dán podle FPLR a na vodiče 34 a 12 nepůsobí ţádná síla, protoţe jejich průmět do roviny kolmé na vektor magnetické indukce je nulový. 90

F1  F2  B  I  a

(2-173)

  α je úhel mezi n a B

l  sin    ;

F1, F2 – dvojice sil jejich moment je definován:

M  F d

(2-174)

d – vzdálenost působiště sil po dosazení do (2-174) vztah (2-173) dostaneme

M  B I ab  B I  S ; Obecně můţeme zapsat:

α=π/2

M  B  I  S  sin 

M=max. [H] viz.obr.2.70

(2-175) (2-176)

  Závity se síly F3 a F4 se vyruší, nemají otáčivý pohyb. 2.1.2.10 Látky v magnetickém poli Magnetická polarizace a magnetizace, uvaţujeme toroidní cívku o N závitech, kterou prochází proud I – proud přístupný, velikost magnetické indukce je viz. vztah (2-154).    Vyplníme-li dutinu cívky látkou, pak se magnetická indukce změní B   0 H  Bi .  Zavedeme podobně jako v případě polarizace dielektrika ( Pe ), v případě magnetizace látek  vektor magnetizace M [A/m] (jako součet všech Ampérových magnetických momentů molekulárních proudů v jednotkovém objemu látky V ). V případě vektoru magnetizace  definujeme vektor magnetické polarizace Pm [T]. Můţeme i přes odvození definovat a psát:

   Pm   0  M  Bi

(2-177)

 Bi - magnetická indukce magnetického pole molekulárních proudů (blíţe se nebudeme zabývat)  Magnetickou indukci B v látce můţeme vyjádřit





       B  B0  Pm   0 H   0 M   0 H  M .

(2-178)

Vidíme, ţe při vyplnění dutiny cívky látkou se intenzita magnetického pole v toroidní   cívce H nezmění, změní se jen magnetická indukce B . Tato skutečnost pak má vliv na  vytváření prostředí budov, kde hodnota magnetické indikce B je tímto ovlivňována, 91

protoţe určité hodnoty magnetické hodnoty mají vliv na zdraví člověka (jak bude pojednáno v dalších částech skripta) a tedy i na jeho pohodlí vedle pohodlí od automatizace. Jiná situace nastane v případě válečků, tyčinek, koulí apod., které budou vloţeny do   dutiny cívky. V takovém případě H v látce se odlišuje od H 0 intenzity vnějšího magnetického pole.

   H  H0  HD  H0

[A/m]

(2-179)

- je intenzita demagnetizačního pole působící proti vnějšímu magnetickému poli, a

platí (2-180) Pro vzorky typu elipsoidu, koule, desky a dlouhé tyče (uvnitř je pole homogenní), platí

  H D   DM

(2-181)

D - demagnetizační faktor (koule D=1/3; deska kolmá na indukční čáry D=1; dlouhá tyč rovnoběţná s indukčním čarami D=0)

  Pm a M charakterizují stupeň uspořádání magnetických momentů →charakterizují stupeň magnetizace látky. Pro lineární magnetika

  M  km H

a tedy

  Pm   0 k m  H

(2-182)

k m - magnetická susceptibilita (bezrozměrná veličina, pro vakuum = 0) Vyjádříme-li magnetickou susceptibilitu z (2-182) s přihlédnutím k (2-177) můţeme psát

km 

Nebo pro toroidní cívku

 Pm

Bi    0 H 0 H

km  92

Bi B0

(2-183)

(2-184)

B0 - velikost magnetické indukce vnějšího magnetického pole.  Dosazením za magnetizaci M z (2-182) do (2-178), dostaneme vztah pro  magnetickou indukci B v látkovém prostředí

     B   0 H   0 k m H   0 1  k m H   0  r H

(2-185)

 r  1  k m vv- relativní permeabilita prostředí (bezrozměrná veličina)   Magnetická indukce B v látkovém prostředí je μr – krát větší neţ ve vakuu B0 .

  0 r

Permeabilita prostředí:

(2-186)

2.1.2.11 Magnetické vlastnosti látek 1. Látky silně magnetické, 2. Látky slabě magnetické: a) slabě vtahovány do magnetického pole ( k m  0 ) b) slabě vypuzovány z magnetického pole ( k m 0 ) Parametrem pro rozdělení látek podle jejich magnetických vlastností je km nebo μr. -

Látky paramagnetické k m  0,  r 1

-

Látky diamagnetické k m 0,  r 1

-

Látky feromagnetické k m 0,  r 1 a) Látky diamagnetické, mají atomy nebo molekuly bez přítomnosti vnějšího magnetického pole nulový magnetický moment (elektrony jsou spárovány a jejich    magnetické momenty jsou vzájemně vykompenzovány), B0  0; mai  0; mi  0. Působením vnějšího pole získá kaţdý elektron indukovaný magnetický moment, orientovaný proti vnějšímu poli. b) Látky paramagnetické, atomy a molekuly mají vlastní nenulový magnetický moment. Bez vnějšího magnetického pole chaoticky orientované magnetické   momenty mají  mai  mi  0 . V

 Ve vnějším poli dojde k částečnému uspořádání do směru B0 (uspořádání je narušeno tepelným pohybem molekul). 93

km – paramagnetických látek závisí na T: k m 

C , T

C – Curieova konstanta

 Magnetická polarizace Pm ve slabých magnetických polích je při dané teplotě  lineární funkcí H . c) Feromagnetické látky, do této skupiny patří např.: Fe, Ni, Co, Gd,…Odlišnosti proti předchozím látkám:

  -velké hodnoty km , μr, jiţ ve slabých magnetických polích BB0 ,   - km ,μr nejsou konstantní, ale obecně nelineární funkcí intenzity H (potom i Pm  závisí nelineárně na H

- feromagnetické látky dosahují nasyceného stavu jiţ ve slabých magnetických polích,  - magnetická susceptibilita feromagnetické látky závisí na H i na předchozím

magnetování látky – její hystereze -km závisí na teplotě látky. Pro kaţdou feromagnetickou látku existuje tzv. Curieova teplota Tc, při jejímţ překročení se stává látka paramagnetickou (FeTc=7690C, Ni – Tc=3580C). V paramagnetické oblasti platí pro km Curieův – Weisův zákon

km 

C T  Tp

(2-187)

Platí pro T TC . TP je tzv. paramagnetická Curieova teplota (několik desítek stupňů vyšší neţ TC. Domény – malé spontánně zmagnetované oblasti ve feromagnetické látce obr. 2.71. Objem domén 10-3 mm3 aţ mm3. Zahřátím nad TC se doménová struktura zruší. 94

Obr. 2.71: Znázornění v řezu – domény 2.1.2.12 Magnetická hystereze  Vloţením odmagnetované feromagnetické látky do magnetického pole o H : M  f ( H ), B  f ( H ), viz. Obr. 2.72 a) dojde k nevratným změnám v orientaci domén.

Obr. 2.72: Hysterezní smyčky feromagnetika Popis hysterezní smyčky: -

Křivka prvotní magnetizace, Nasycený stav, Hysterezní křivka, Remanentní magnetická indukce (pro H=0, B=Br) Koercitivní intenzita (změna směru při B=0, H=Hk).

Celý cyklus – hysterezní smyčka feromagnetika. Podle velikosti plochy hysterezní smyčky, tj. k tomu potřebná práce na přemagnetování jednotkového objemu magnetika vyhodnocujeme látky na: 95

a) Magneticky tvrdé – široká hysterezní smyčka (permanentní magnet) b) Magneticky měkké – úzká hysterezní smyčka, obr 2.72 b) např. jádra transformátorů, tlumivek, kotvy elektromotorů, atd.

2.1.3 Nestacionární elektrické (magnetické) pole V nestacionárním magnetickém poli (nebudeme v dalším pouţívat nestacionární elektrické pole) se magnetická indukce s časem mění. Zdrojem nestacionárního magnetického pole je buď nepohybující se vodič s proudem, který se s časem mění, nebo pohybující se vodič s proudem (ať konstantní nebo s časem proměnným) nebo pohybující se permanentní magnet nebo elektromagnet. Elektromagnetické změny se šíří podél vodičů rychlostí světla (3.108 m.s-1). 2.1.3.1 Faradayův zákon elektromagnetické indukce  . Faradayův zákon t elektromagnetické indukce: „Okamžitá velikost indukovaného elektromotorického napětí se rovná časové změně magnetického indukčního toku“

Časová změna indukčního toku je definována jako podíl:

ui  

 t

[V]

(2-188)

Uvaţujeme přímý dlouhý vodič délky l pohybující se v homogenním magnetickém poli, který je orientován do nákresny, obr. 2.73

Obr. 2.73: vodič s proudem v homogenním magn.poli -

Vodič je umístěn kolmo k indukčním čarám homogenního magnetického pole o indukci B. Vodič se pohybuje kolmo k indikčním čarám rychlostí v. Ve vodiči jsou volně se pohybující nosiče proudu q0.

-

Magnetická síla působící na nosiče je:

Fm  q0  v  B 96

(2-189)

-

Magnetická síla Fm tyto nosiče přemístí k hornímu konci vodiče  , dolní konec – kde dojde ke sníţení koncentrace nosičů proudu   (rozdíl potenciálů) Takové rozdělení nábojů ve vodiči vede ke vzrůstu elektrického pole Ei , které je způsobeno elektrickou silou

Fe  q  Ei -

(2-190)

Ustálený stav pak je

Fe   Fm  q0 Ei  q0  v  B.

[N]

Ei  B  v

odtud

(2-191) (2-192)

Ei – intenzita elektrického pole ve vodiči Pomocí Ei vypočítáme

U i  Ei  l  B  v  l Rychlost vodiče v 

Pro Ui dostaneme

dS  B  m

(2-193)

dx , (plocha opsaná vodičem za čas dt: dx  l  dS ) dt

Ui  

dx  l dS  B B   dt dt

(2-194)

magnetický indukční tok plochou dS za čas dt

Faradayův zákon elektromagnetické indukce tedy je

Ui  

d m dt

(2-195)

Pro vysvětlení záporného znaménka – Lenzovo pravidlo: „Směr indukovaného proudu v obvodu je vždy takový, že svým magnetickým polem se snaží zabránit změnám magnetického indukčního toku, které jej vyvolávají“ Poznámka: Změna magnetického pole vyvolává pole elektrické, obě pole spolu vzájemně souvisí a nelze je proto studovat odděleně.

97

2.1.3.2 Vzájemná indukčnost Rozumíme tak, ţe jde o vznik indukovaného elektromotorického napětí v jiném elektrickém obvodu, který je způsobený časově proměnným magnetickým polem v okolí prvního elektrického obvodu. Mějme: -

Dva elektrické obvody (cívky), první cívkou prochází časově proměnný elektrický proud I1 (t), druhou cívkou neprochází elektrický proud, tam se jen indukuje, Počet závitů první cívky je N1, počet závitů druhé cívky je N2, viz obr. 2.74

Obr. 2.74: Vzájemná indukčnost Přenos energie z jednoho elektrického obvodu (cívky) do druhého je zprostředkován magnetickým polem. Hovoříme pak o tzv. induktivní vazbě mezi obvody: -

Těsná vazba – téměř celý indukční tok prochází druhým obvodem, Volná vazba – prochází jen malá část z celého indukčního toku

Vzájemná indukčnost je pak definována

M  0   r

N1 N 2 S l

(2-196)

Koeficient M je koeficient vzájemné indukčnosti (vzájemná indukčnost). Jednotkou je „H“ (henry), také Wb.A-1. 2.1.3.3 Vlastní indukčnost Změny magnetického indukčního toku vyvolávají ve vlastním obvodu indukované napětí Ui. Magnetický indukční tok všemi závity cívky je

m (t )  L  I (t )

[Wb]

L – vlastní indukčnost cívky. Jednotkou indukčnosti 1 H (henry). 98

(2-197)

Tedy vlastní indukcí se v cívce indukuje napětí, obr. 2.75

Obr. 2.75: Vlastní indukčnost cívky

Ui  

d m (t ) dI (t )  L dt dt

(2-198)

Znaménko „-„ vyjadřuje, ţe indukované napětí působí proti změně proudu v obvodu.

Indukčnost toroidní cívky

N 2 S L  0 r l

[H]

(2-199)

Tedy indukčnost cívky závisí na magnetických vlastnostech jádra (μ r), geometrickém tvaru cívky (S, l) a roste s N2. Poznámka: Vinutí cívky má vţdy jistý odpor RL. Reálnou cívku znázorňujeme jako sériovou kombinaci odporu a ideální indukčnosti L. 2.1.3.4 Vířivé proudy Vířivé proudy vznikají tehdy, pokud pohybujeme v magnetickém poli velmi silným vodičem, nebo tento vodič je v klidu v časově proměnném magnetickém poli. Indukované proudy ve vodiči víří, proto jsou označovány jako vířivé proudy. Indukované vířivé proudy generují magnetickou sílu, která působí proti pohybu a zatěţuje pohybování vodičem v magnetickém poli. Protoţe vodič má nenulový vnitřní odpor R, Jouleovo teplo způsobuje

U i2 . Ztrátu ve vodiči lze redukovat vyšším odporem R. Odpor R vodiče můţeme zvětšit rozřezáním na tenké prouţky a slepením nevodivým lepidlem. Účinky vířivých proudů: ztrátu výkonu ve výši P 

-

Tlumení neţádoucích mechanických oscilací Brzdné systémy nákladních automobilů Vodič je zahříván ve vf ohřevu (vloţení do dutiny cívky protékané vysokofrekvenčním ohřevem) 99

2.1.3.5 Skinefekt (povrchový jev) Střídavý proud vytváří i uvnitř vodiče střídavé magnetické pole, které indikuje ve vodiči vířivé proudy orientované uvnitř vodiče proti procházejícímu proudu a na povrchu souhlasně s ním. Střídavý proud je úměrně kmitočtu vytlačován k povrchu vodiče. Zmenšením účinného průřezu vodiče narůstá pro vysokofrekvenční proudy odpor vodiče. Pouţívají se zde lankové vodiče, prostříbřené dráty nebo duté vlnovody. 2.1.3.6 Stejnosměrné motory a dynama Stejnosměrný komutátorový motor Skládá se ze dvou částí, stator a rotor. Stator je tvořen tělesem motoru s vnitřními póly, na kterých jsou nasazeny statorové cívky, nebo jsou s permanentních magnetů. Rotor motory (kotva) se skládá z hřídele, svazku rotorových plechů nasazených na hřídeli a vinutí je zde uloţeno v dráţkách a komutátoru. Vinutí kotvy jsou napájena přes komutátor z přítlačných uhlíkových kartáčů (uhlíků) upevněných v dráţkách. Princip činnosti, ve statoru je vytvořeno stálé magnetické pole. Napájení rotoru přes komutátor zajišťuje neměnné pólování magnetického pole kotvy. Spolupůsobením budícího vinutí – pole statoru a pole kotvy vzniká točivý moment otáčející kotvou. Pole kotvy se snaţí natočit stejným směrem, jaký má budící pole statoru. Směr otáčení ss motorů je měněn přepólováním napájení kotvy. Obr. 2.76.

Obr. 2.76: Řez ss. motoru – princip V otáčející se kotvě ss motoru vzniká napětí, které sniţuje odběr proudu kotvou (reakce kotvy). Otáčky ss motoru lze zvyšovat zvětšováním napětí na kotvě nebo zeslabováním budícího pole a sniţovat zmenšováním napětí na kotvě. S rostoucím mechanickým zatíţením klesají otáčky a tím i indukované napětí v kotvě. Tím narůstá proud kotvy (odběr motoru) a zatíţený ss motor odebírá větší proud neţ nezatíţený.

100

2.1.3.7 Stejnosměrné generátory (dynama) Přeměňují mechanickou energii na elektrickou. Stator je nehybná část, skládá se z kostry a pólů, na kterých je budící vinutí napájené ss proudem. Cívky budícího vinutí statoru jsou spojeny do série, aby se polarita pólů střídala. Magnetické pole statoru probíhá od severního pólu k jiţnímu. Rotor je sloţen z plechů slisovaných do svazku, který je naklínován na hřídeli. Na obvodu kotvy jsou dráţky, do kterých je uloţeno vinutí kotvy. Vinutí kotvy je izolováno a je vhodně spojeno mezi sebou i s komutátorem. Při otáčení kotvy v magnetickém poli střídavě pod sverním a jiţním pólem se ve vinutí indukuje střídavé napětí, které se prostřednictvím komutátoru usměrní na ss napětí a odvádí se pomocí kartáčů na svorkovnici dynama. Kartáče dosedají na komutátor a jsou k němu přitlačovány pruţinou. Princip činnosti: V závitu, který se otáčí v magnetickém poli se indukuje střídavé napětí. Protoţe jsou kartáče nehybné, je kladný kartáč během otáčení závitů stále spojen s vodičem pohybujícím se pod jiţním pólem a záporný kartáč je stále spojen s vodičem pohybujícím se pod severním pólem. Následkem toho vnějším obvodem trvale prochází proud od kladného kartáče přes spotřebič k zápornému kartáči – tedy vznikne proud stejnosměrný. Čím více závitů na kotvě, tím méně je výsledné napětí zvlněno. Obr. 2.77.

Obr. 2.77: Dynamo, princip 2.1.3.8 Příklady Příklad: Máme nekonečně dlouhý vodič, kterým teče proud I . Ve vzdálenosti s od něho je obdélníková smyčka o délce l a šířce w, viz obr. 2.76

101

Obr. 2.76: Obdélníková smyčka ve vzdálenosti s od vodiče a) Určete magnetický tok smyčkou, způsobený proudem I b) Předpokládejte, ţe proud ve vodiči je funkcí času a je dán předpisem I (t )  a  bt , kde a a b jsou kladné konstanty. Jaké je indukované elektromotorické napětí a jaký je směr indukovaného proudu Poznámka: Praktická podoba uvedeného příkladu můţe být pojata například, kdyţ v blízkosti silového rozvodu je instalována kovová trubka (rozvod topení, plynu, vodovodu, zábradlí, atd.) v domě. Tato skutečnost můţe způsobit jednak vzniku vířivých proudů, rozdíl potenciálů a tím nebezpečí úrazu, nebo porucha jiných např. zabezpečovacích zařízení apod. Řešení: 1. Z Ampérova zákona plyne

 B  ds  

0

I

Magnetická indukce generovaná proudem ve vodiči ve vzdálenosti r od vodiče je

B

0 I 2  r

(2-200)

Celkový tok magnetického pole  B obdélníkovou smyčkou dostaneme sečtením všech příspěvků z diferenciálních plošek dA  l  dr :

 0 I  l S W dr  0 I  l  s  w   B   B  dA   ln   2 S r 2 w  

Jednotkový vektor kolmý na plochu smyčky jsme zvolili směrem do nárysny. 102

(2-201)

2. Z Faradayova zákona můţeme indukované elektromotorické napětí vyjádřit jako

d d   I  l  s  w   0 l  s  w  dI   0  ln       dt dt  2  w  2  w  dt  bl  s  w Ui  0 ln  , 2 w   Ui  

Kde jsme derivaci proudu označili b 

(2-202)

dI dt

Tedy: Kolem nekonečně dlouhého, rovného vodiče, se vytvoří magnetické pole, které je závislé na proudu I. Z Lenzova zákona proud, který teče smyčkou, teče proti směru hodinových ručiček, tak, aby vzniklé pole mířilo před nárysnu a vyrovnalo tak změny toku magnetického pole vodiče, který míří za nárysnu. Příklad: Vodivá tyč, např. kovová trubka z některých rozvodů TZB je umístěna kolmo nebo se pohybuje konstantní rychlostí v téţ kolmo na nekonečně dlouhý vodič, kterým teče proud I, viz obr. 2.77. Jaké je elektromotorické napětí indukované na koncích trubky TZB?

Obr. 2.77: Vodič a rozvod TZB Řešení: Z Faradayova zákona je indukované elektromotorické napětí dáno vztahem

U i  B  l  v,

(2-203)

v – rychlost kovové trubky Magnetická indukce ve vzdálenosti r od nekonečně dlouhého vodiče je dle Ampérova zákona

103

B

0 I . 2  r

(2-204)

Indukované elektromotorické napětí je pak dáno vztahem

  I  Ui   0   l  v  2  r 

(2-205)

2.1.4 Střídavý proud Střídavý elektrický proud (napět) je periodickou funkcí času

I (t )  I (t  nT ), kde

n  0  1,2,....., T - perioda

Střední hodnota střídavého proudu (napětí) během periody T musí být rovna 0. Tj. plocha leţící nad osou času musí být stejně velká jako plocha leţící pod osou času Obr. 2.78

Obr. 2.78: Periodické průběhy: a) nejsou střídavé; b) jsou střídavé průběhy proudů 2.1.4.1 Vznik harmonického střídavého napětí a proudu

 Otáčení cívky (ω) v homogenním magnetickém poli B. Uvaţujeme závit obr. 2.79.  V čase t=0 – vektor S plochy závitu svírá s indukčními čarami úhel φ. V čase t  0  vektor S plochy závitu svírá s indukčními čarami úhel   t   . Magnetický indukční tok  m (t ) se mění s časem

 

m (t )  B  S  BS cos   BS cos(t   ) 104

(2-206)

Podle Faradayova zákona elektromagnetické indukce se v závitu indukuje napětí

Ui  

dm (t ) d   BS cos(t   )  BS sin(t   ) dt dt

(2-207)

střídavé harmonické napětí u, střídavý harmonický proud i. Můţeme vyjádřit rovnicí, obr. 2.79

u  U m sin(t   ) u

(2-208)

- okamţitá hodnota napětí,

Um - maximální (vrcholová) hodnota napětí, amlituda, 2 , T

Ω

- úhlová frekvence = 2f 

φ

- počáteční fázový úhel, počáteční fáze, (t   )

T

- perioda

Um - maximální hodnota napětí Připojením zdroje střídavého napětí u k rezistoru R, bude jím procházet střídavý proud

i

u Um  sin(t   )  I m sin(t   ) R R

(2-209)

Obr. 2.79: Průběh střídavého napětí u Pro maximální (vrcholovou) hodnotu střídavého proudu platí I m 

Um R

Zjednodušení matematického vyjádření střídavých proudů a napětí pro φ=0 105

(2-210)

i  I m sin t

(2-211)

2.1.4.2 Efektivní hodnota střídavého proudu a napětí Je definována jako: „Hodnota stejnosměrného proudu, který při průchodu rezistorem o odporu R vyvine za dobu jedné periody stejné Jouleovo teplo jako uvažovaný střídavý proud“. Efektivní hodnota střídavého proudu je definována

I

Im 2

(2-212)

Efektivní hodnota střídavého napětí je definována

U 

Um 2

(2-213)

Poznámka: Měřící přístroje na měření střídavého proudu nebo napětí mají stupnice ocejchované v efektivních hodnotách. Stejně také údaje na elektrických spotřebičích jsou uváděny v efektivních hodnotách. 2.1.4.3 Transformace střídavého napětí a proudu Transformátor je zařízení pro zvyšování nebo sniţování střídavého napětí. Magnetický obvod (neboli jádro transformátoru) tvoří základ transformátoru. Typický transformátor je sloţen: -

primární cívka o N1 závitech (je připojena ke zdroji střídavého napětí U1) sekundární cívka o N2 závitech (je připojena k zátěţi Rz, kde naměříme výstupní napětí U2) magnetický obvod sloţen z izolovaných plechů z feromagnetické látky s úzkou hysterezní smyčkou

Transformátor pracuje na principu indukovaného elektromotorického napětí. Napětí na sekundární cívce je indukováno první cívkou díky vzájemné indukčnosti. Mějme dva typy transformátorů z hlediska jejich vyuţití a základních fyzikálních poměrů na nich: a) Nezatížený transformátor – sekundární obvod není uzavřen, i = 0 -

Počet závitů primární cívky je N1 106

-

Počet závitů sekundární cívky je N2 Pro poměr vrcholových nebo efektivních hodnot platí

U m2 U 2 N 2   p U m1 U 1 N1

(2-214)

Transformační poměr -

Transformace nahoru -

-

Transformace dolů

-

N 2  N1 , p1, na vyšší napětí U 2 U 1

N 2  N1 , p1, transformace na niţší napětí p=1 pouţití z bezpečnostních důvodů pro oddělení sekundárního obvodu od rozvodné sítě. -

b) Zatížený transformátor – zátěţ je připojena k sekundárnímu vinutí Rz. Pro vrcholové hodnoty magnetických indukčních toků platí

N 2 I m 2 N1 I m1  , Rm Rm

(2-215)

I m 2 I 2 N1 1    . I m1 I 1 N 2 p

(2-216)

Odtud

Poznámka: -

Při rozvodech elektrické energie dochází ke ztrátám výkonu na odporu vedení R z ( Pztr  R I 2 .

-

Pro omezení ztrát se provádí transformace nahoru (vysoké napětí, malý proud) Před rozvodem do spotřebitelské sítě se provede transformace dolů (napětí 230 V, 400 V) Transformace dolů provádíme:

-

Při svařování elektrickým obloukem U transformátorových pájek Všude tam, kde při malém napětí musíme získat velký proud.

2.1.4.4 Třífázový proud Vznik a vlastnosti třífázového proudu 107

Třífázový proud se vyrábí v generátorech – alternátorech. Princip alternátoru je patrný na obr. 2.80.

Obr. 2.80: Princip alternátoru Skladba alternátoru: -

Stator má trojí vinutí (tři cívky) s osami pootočenými o 120 0 Rotor alternátoru je v podstatě silný elektromagnet otáčející se úhlovou rychlostí ω (indukce střídavých napětí fázově posunutých o 120 0) Okamžité hodnoty indukovaných napětí v cívkách

u1  U M sin t

(2-117)

2 u 2  U M sin(t   ) 3

(2-118)

4 u3  U M sin(t   ) 3

(2-119)

Vhodným spojením cívek lze vyuţít 4 vodiče k přenosu třífázového napětí -

Nulový vodič (střední) označen písmenem PEN 3xfázový vodič označen obyčejně L1, L2, L3

-

Fázové napětí – je napětí mezi fázovými vodiči a nulovým vodičem samostatně

-

(U=230 V; Um= 220 2 = 325 V) Sdružené napětí – napětí mezi dvěma fázovými vodiči (U12, U23, U31) 108

-

Amplituda sdruţeného napětí je U m12 3U m , tj.

3 -krát větší neţ amplituda fázového

napětí.

U msdr  325 3  563V ,

-

Amplituda sdruţeného napětí

-

Efektivní hodnota sdruţeného napětí U sdr  230 3  400V

Zapojením spotřebiče (odpor Rz) mezi nulový vodič a fázové vodiče, potečou U fázovými vodiči proudy o stejné amplitudě I m  m vzájemně fázově posunuty o 120 0. Rz Pokud zatíţení fází není o stejné, prochází nulovým vodičem malý vyrovnávací proud. Točivé magnetické pole Zjednodušení konstrukce elektromotorů. Stator elektromotorů na třífázový proud se skládá ze tří cívek posunutých proti sobě o 120 0, viz. obr. 2.81.

Obr. 2.81: Vznik točivého magnetického pole Proudy procházející cívkami vyvolávají střídavá magnetická pole (prostorově i fázově posunutá o 120 0). Okamţité hodnoty vektorů magnetické indukce jsou

  B1  Bm1 sin t

  2   B2  Bm 2 sin t    3  

109

(2-120)

(2-121)

  4   B3  Bm3 sin t    3  





(2-122)



Kde pro velikost amplitudy platí Bm1  Bm 2  Bm3  Bm .

(2-123)

Sloţením dílčích magnetických polí vznikne v prostoru mezi cívkami výsledné    magnetické pole o magnetické indukci B , jako vektorový součet indukcí B1 a B3 .Vektor magnetické indukce výsledného magnetického pole má velikost

3 Bm a s časem mění směr 2

– rotuje s ω.  Točivé magnetické pole – je takové magnetické pole, jehoţ vektor B nemění s časem velikost, ale mění směr.

2.1.5 Vznik elektromagnetických a elektrických vln, kmitání Zdrojem střídavých proudů vyuţívaných v energetice, v rozvodné soustavě jsou alternátory generující proud o specifické (normativní) frekvenci, u nás 50 Hz. V technické praxi se však vyuţívají i proudy odlišných frekvencí, zejména u technických zařízení budov (jako regulace otáček ventilátorů vzduchotechnických zařízení apod.), jejichţ zdroji jsou různé typy oscilátorů, nebo frekvenční měniče. Střídavé proudy a napětí označujeme v těchto případech jako elektromagnetické kmitání. K periodickým změnám energie elektrického pole v energii magnetického pole a naopak, probíhá v elektromagnetickém oscilátoru. Jeho parametry opět určují periodu kmitání. 2.1.5.1 Elektromagnetický oscilátor Nejjednodušším elektromagnetickým oscilátorem je obvod tvořený cívkou a kondenzátorem (oscilační obvod), toto kmitání pak lze pomocí dvouvodičového vedení přenášet, resp. pomocí půlvlnného dipólu přenášet tzv. elektromagnetickým polem. Toto pole se přenáší prostřednictvím elektromagnetických vln. Mějme oscilační obvod s indukčností L a kapacitou C, viz. obr. 2.82

Obr. 2.82: Oscilační obvod

Obr. 2.83: Demonstrace kmitání oscilačního obvodu 110

Podle obr. 2.83 nastává situace, ţe při nabití kondenzátoru se mezi jeho deskami vytvoří elektrické pole a jeho energie představuje energii oscilátoru v počátečním okamţiku. Kdyţ kondenzátor připojíme k cívce, začíná oscilačním obvodem procházet proud, kondenzátor se vybíjí a energie elektrického pole se zmenšuje. Současně se zvětšuje proud procházející cívkou a kolem ní se vytvoří magnetické pole. Energie elektrického pole „Ee“ kondenzátoru se mění na energii magnetického pole „Em“ cívky, viz obr. 2.84

Obr. 2.84: Výklad dějů v oscilačním obvodu LC Najdeme matematické vyjádření periody kmitání obvodu LC a to za předpokladu: Obvod je uzavřený a elektromagnetické kmitání v něm vytváří střídavý proud I, který prochází kondenzátorem a také i cívkou. Napětí na kondenzátoru U C  X C  I je stejně velké jako napětí na cívce U L  X L  I . Z rovnosti obou napětí plyne X C  X L čili

0 L 

1 , 0C

(2-124)

ω0 – je úhlová frekvence vlastního kmitání elektromagnetického oscilátoru Úpravou dostaneme

0 

1

(2-125)

LC

Z tohoto vztahu vyplývá Thomsonův vztah pro periodu vlastního kmitání 1 elektromagnetického oscilátoru, pouţijeme vztah f 0  a 0  2  f 0 a dosadíme do (2T0 125), pak dostaneme

T0  2 LC

(2-126)

a vztah pro frekvenci vlastního kmitání

f0 

1 2 LC

[Hz]

(2-

127) Můţeme vyslovit: Perioda popřípadě frekvence vlastního kmitání oscilačního obvodu závisí jen na jeho parametrech, tedy indukčnosti „L“ a kapacitě „C“ obvodu. Napětí kondenzátoru v počátečním okamţiku nemá vliv na periodu kmitání. Určuje však amplitudu napětí Um elektromagnetického kmitání obvodu. Pro okamţité napětí u platí vztah 111

u  U m cos 0 t

(2-128)

obvodem prochází proud, který je za napětím opoţděn o π/2, takţe (na indukčnosti)

i  I m cos(0 t   / 2)

(2-129)

Im – amplituda proudu Uvedené vztahy platí pouze pro oscilační obvody se zanedbatelným odporem a harmonickým kmitáním. V případě, ţe odpor obvodu není zanedbatelný je jeho vlastní kmitání vţdy tlumené. Tuto skutečnost lze vyjádřit vztahem

  02   2

(2-130)

 - součinitel (konstanta) tlumení V obvodu vznikají tlumené elektromagnetické kmity. Elektrický proud závisí na čase podle rovnice:

I  I 0  e t  sin t 

(2-131)

R ; za úpravy s vyuţitím (2-124) a (2-129) dostaneme 2L



1  2 LC

(2-132)

ω – úhlová frekvence kmitů L – indukčnost cívky R – celkový odpor v obvodu Em – energie magnetického pole cívky Ee – elektrická energie soustředěná v kondenzátoru

1 Ee   Q  U ; 2

a

Q C pak U;

1 Q2 Ee  2 C 1 Em   L  I 2 . 2

(2-133)

(2-134)

Budeme-li pro jednoduchost předpokládat, ţe nebude v obvodu docházet ke ztrátám, není důvod, proč by neměl platit zákon zachování energie, pak

E  Ee  Em  konst

(2-135)

Celkový pohled na výše uvedené – lze zaznamenat i co do principu oscilačního obvodu na obr. 2.85

112

Obr. 2.85: Princip oscilačního obvodu LC Poznámka: Popíšeme si funkci oscilačního obvodu, viz téţ obr. 2.85: - V čase t=0 jsme kondenzátor nabili, náboj respektive napětí na kondenzátoru je maximální a proud v obvodu má nulovou hodnotu. Tato skutečnost odpovídá maximální hodnotě elektrické energie a nulové hodnotě energie magnetického pole v okolí cívky. - S postupem času hodnota náboje na kondenzátoru klesá, hodnota proudu roste. Ve chvíli, kdy náboj (napětí) na kondenzátoru klesne na nulu, proud nabude maxima. Tomu odpovídá nulová hodnota elektrické energie a maximální hodnota energie magnetické. - Protoţe je kondenzátor vybit, nemůţe proud dále narůstat. Zmenšuje se, ale jeho změna vyvolá indukci elektromotorického napětí v cívce (cívka se brání změnám a tak se jim snaţí zabránit), kondenzátor se postupně nabíjí a napětí na něm dosáhne maxima v momentě, kdy hodnota proudu klesne na nulu. Zároveň s proudem klesne na nulovou hodnotu i energie magnetického pole v okolí cívky, elektrická energie bude opět maximální. 2.1.5.2 Přeměny energie v elektromagnetickém oscilátoru Přeměny energie v elektromagnetickém oscilátoru Periodicky se přeměňuje energie elektrického pole kondenzátoru na energii magnetického pole cívky a naopak

E= Ee+ Em= konst.

(2-136)

Tlumené a netlumené kmitání -netlumené- amplitudy mají pořád stejnou velikost, perioda i frekvence se nemění -tlumené- zmenšuje se amplituda a frekvence, perioda se zvětšuje - je způsobeno ztrátou energie, která se přeměňuje na jiné energie (vnitřní, tepelná)

113

Nucené kmitání Připojením elektromagnetického oscilátoru ke zdroji harmonického napětí vzniká v oscilátoru nucené kmitání. Oscilátor kmitá s frekvencí připojeného zdroje, nikoli s frekvencí vlastního kmitání. Nucené kmitání je netlumené. Rezonance Je-li frekvence ω síly vyvolávající nucené kmitání rovna vlastní frekvenci ω 0, je amplituda výchylky ym největší. Graf závislosti ym na ω se nazývá rezonanční křivka -tvar závisí na tlumeném oscilátoru -u ideálního (netlumeného) oscilátoru by amplituda výchylky rostla při splnění podmínek rezonance (ω= ω0) neomezeně -čím větší tlumení tím je rezonanční křivka méně strmá Rezonancí lze zesílit kmitání. Při splnění podmínky ω= ω 0 lze malou silou vzbudit kmitání o značně velké amplitudě výchylky. 2.1.5.3 Elektromagnetické vlnění, záření Anglický fyzik J. C. Maxwell dospěl k závěru, ţe elektromagnetický rozruch (oscilace) se šíří stejnou rychlostí jako světlo, které je také druhem elektromagnetického vlnění (viditelné oblasti). Ve vakuu je rychlost elektromagnetického vlnění přibližně 1 (2-137) c  3  10 8 m  s  0 0 Rychlost šíření elektromagnetické vlny v dielektriku  r 1 je menší neţ rychlost

šíření ve vakuu, tj.  c. Podíl rychlosti šíření vlny ve vakuu a dielektriku je tzv. absolutní index lomu dielektrika

n

c



  r  r

(2-138)

Kvantové vlastnosti elektromagnetického záření, které není vyzařováno spojitě, ale po kvantech o energii

W  hf  h h – Plancova konstanta

114

c



[J]

(2-139)

2.1.5.4 Vznik elektromagnetického vlnění Proměnné magnetické pole budí vírové elektrické pole a naopak. Takové děje vznikají při harmonickém kmitání elektricky nabitých částic. V technické praxi vyvoláváme toto kmitání jako nucené kmitání v elektromagnetickém dipólu. Vlastnosti oscilátoru můţe mít i atom. Šíření magnetického pole kolem dipólu má charakter vlnění. Pro pochopení dějů ve vedení je podstatné si uvědomit, ţe změny napětí na jeho začátku dospějí na konec vedení, ke spotřebiči, s určitým zpoţděním. Přenos energie probíhá rychlostí světla, ta však je ale konečná. Na obr. 2.86 je znázorněn zdroj harmonického napětí vysoké frekvence, který je spojen se spotřebičem dvouvodičovým vedením.

Obr. 2.86: Dvouvodičové vedení Při velké frekvenci zdroje napětí bude napětí mezi vodiči záviset nejen na čase, ale i na vzdálenosti od zdroje. Jestliţe pro okamţité napětí zdroje platí vztah u  U m sin t , pak x v bodě M ve vzdálenosti x od zdroje bude určité okamţité napětí opoţděno o dobu   . c Pro napětí mezi vodiči v bodě M tedy platí u  U m sin  (t´T ). (2-140) úpravou tohoto vztahu dostaneme vztah

x  t u  U m sin 2     T cT 

(2-141)

Za periodu T kmitání oscilátoru dospěje elektromagnetické vlnění do vzdálenosti, kterou nazýváme vlnová délka elektromagnetického vlnění

  cT 

c f

(2-142)

f –frekvence oscilátoru Dvouvodičovým vedením se šíří postupné elektromagnetické vlnění popsané rovnicí postupné vlny 115

 t x u  U m sin  t     U m sin 2    T  

(2-143)

2.1.5.5 Stojaté elektromagnetické vlnění Náboj vodičů není rozloţen rovnoměrně a mezi E vodiči je různá intenzita elektrického pole. Pokud je ke konci vedení připojen rezistor, bude mít proud stejnou . fázi jako napětí. B Současně s elektrickým polem vzniká kolem vodičů také pole magnetické. Vektor magnetické indukce je kolmý na vektor elektrické intenzity a ještě navíc jsou obě sloţky kolmé na směr šíření vlnění. To znamená, ţe kaţdé elektromagnetické vlnění je příčné vlnění. Navíc platí, ţe u postupné vlny jsou oba vektory ve fázi, obě veličiny nabývají svých maximálních hodnot ve stejném okamţiku. Vzniká elektromagnetické pole, kterým je přenášena energie – tento děj má charakter vlnění. Pokud se na konci vedení energie nespotřebuje, nastává odraz vlnění a vzniká stojaté vlnění. Na konci vedení má napětí kmitnu a proud uzel. Fázový posun proudu a napětí je čtvrt periody ( 2 ). 2.1.5.6 Algoritmy řešení úloh šířící se elektromagnetické vlny Pro praktické účely jsou takové úkoly v souvislosti s vytvářením prostředí budov a tedy jejich inteligenci podstatné, protoţe působení vlivu šířící se elektromagnetické vlny v obydlí člověka má určitý vliv, který není zanedbatelný, naopak jsou známé zdravotní problémy z toho plynoucí. Naším úkolem tohoto materiálu není podklad pro řešení problémů, ale je hlavně základním materiálem pro získání orientace v této problematice, pochopení významu problému v kontextu s řešením inteligentních budov a v neposlední řadě návodem jak problémy řešit a z čeho vycházet. To se netýká jen tohoto odstavce, ale celého textu skript. Na tomto místě je uvedená připomínka aktuální. Elektrické a magnetické pole vlny se řídí vlnovou rovnicí. Jakmile je dána funkční forma jednoho pole, je jiţ druhé pole určeno Maxwellovými rovnicemi. Vlnová rovnice je příkladem lineární diferenciální rovnice s konstantními koeficienty, coţ obecně znamená, ţe například lze snadno ověřit, ţe jakákoli funkce ve tvaru  x  t  splňuje jednorozměrnou vlnovou rovnici (důkaz ponecháme na zájmu studenta-čtenáře):

116

 2 1 2   2  2 2  x, t   0  x  t  

- rychlost šíření vlny

 x, t 

- vlnová funkce

(2-144)

Pak snadno dokáţeme, ţe obě pole, jak Ey tak Bz splňují vlnovou rovnici a šíří se 1 rychlostí světla    2,997  10 8 m / s  c .

 0 0

Pokud ovšem funkce  ( x1 )

a  ( x2 ) jsou řešením vlnové rovnice, pak

 ( x1 )   ( x2 ) je také řešením. Důsledkem toho pak je, ţe elektromagnetické vlny splňují princip superpozice. Jedním moţným řešením vlnové rovnice je

  E  E y ( x, t )  E0 cosk x t  j  E0 coskx  t  j ,

(2-145)

  B  Bz ( x, t )  B0 cosk x t  k  B0 coskx  t k

(2-146)

kde pole jsou sinusová s amplitudami E0 a B0. Vztah mezi velikostí vlnového vektoru k a vlnovou délkou  je dán jednoduchým vztahem k

2



a úhlovou frekvencí ω je

  k  2

  2f 

(2-147)

f - frekvence Jako příklad algoritmu řešení pro hodnocení šířící se elektromagnetické vlny s elektrickým polem, vycházíme ze vztahu

 E ( z, t )  E0 sin(kz  t )i

(2-148)

Tato rovnice obsahuje kompletní informaci o elektromagnetické vlně: a) Směr šíření vlny: argument v sinu v elektrickém poli můţeme přepsat, jako (kz  t )  k ( z t ), coţ nám říká, ţe se vlna šíří v kladném směru osy z. b) Vlnová délka: vlnová délka λ souvisí s vlnovým číslem k vztahem  

2 . k

c) Frekvence: frekvence vlny f souvisí s úhlovou frekvencí vlny ω vztahem f  d) Rychlost šíření: rychlost vlny je dána relací 117

 . 2

  f 

2     . k 2 k

(2-149)

Ve vakuu je rychlost elektromagnetické vlny rovna rychlosti světla c. e) Magnetické pole „B“: magnetické pole B je kolmé k vektorům E, který míří ve směru  x a jednotkovému vektoru k , který míří podél kladného směru osy z, který je také směrem šíření elektromagnetické vlny, jak jsme jiţ určili dříve. Navíc, protoţe se vlna    šíří ve stejném směru, jako vektorový součin ExB , dospějeme k závěru, ţe B musí   směřovat do směru +y (protoţe i xj  k ).   Vzhledem k tomu, ţe B je vţdy ve stejné fázi jako E , budou obě pole mít stejný tvar funkce, tudíţ magnetické pole můţeme vyjádřit ve tvaru

 B( z, t )  B0 sin(kz  t ) j

(2-150)

kde B0 je amplituda. Uţitím Maxwelových rovnic obdrţíme pro

k E B0  E0    0 . c  

(2-151)

a to je pro vakuum.  1   f) Poyntingův vektor: uţitím S  ExB získáme Poyntingův vektor ve tvaru

0

  1   1   E B S ExB  E0 sin(kz  t )i x B0 sin(kz  t ) j  0 0 sin 2 (kz  t )k . (2-152)

0

0







0

g) Intenzita: intenzita vlny je rovna střední hodnotě S:

E0 B0 E0 B0 E02 cB02 2 I  S  sin (kz  t )    . 0 2 0 2c 0 2 0

(2-153)

h) Tlak záření: jestliţe elektromagnetická vlna dopadá kolmo k povrchu, je zcela odraţená, pak je velikost tlaku záření

E02 B02 2l E0 B0 P   2  . c c 0 c 0 0

(2-154)

Příklad: Předpokládejme, ţe elektrické pole rovinné elektromagnetické vlny je dáno vztahem

  E ( z, t )  E0 cos(kz  t )i , určete následující hodnoty: 118

a) Směr šíření vlny. b) Odpovídající magnetické pole. Řešení: a) Po přepsání argumentu funkce cos(kz  t )  cos k ( z  ct ) , kde   ck , vidíme, ţe směr šíření vlny je +z. b) Směr šíření elektromagnetické vlny je stejný jako směr Poyntingova vektoru, který je    B     dán S  E  . Navíc víme, ţe pole E a B jsou k sobě kolmá. Tudíţ E  E ( z, t )i a

0      S  Sk . Potom bude B  B( z, t ) j . Znamená to, ţe B míří v kladném směru osy +y.   Protoţe E a B jsou navzájem ve stejné fázi, můţeme psát

  B( z, t )  B0 cos(kz  t ) j

 K nalezení velikosti B pouţijeme Faradayův zákon:

  B E ds    dt Coţ vede k

B y E x  z t Z těchto rovnic obdrţíme

 E0 k sin(kz  t )   B0 sin(kz  t ) Neboli

E0   c B0 k Magnetické pole bude dáno vztahem:

  E  B( z, t )   0  cos(kz  t ) j  c 

Z vlastní zkušenosti a praktického ţivota a v souvislosti s výše uvedenými znalostmi víme, ţe existují další druhy elektromagnetických vln: -

Některé přenášejí rozhlasové a televizní vysílání Jiné ohřívají jídlo v mikrovlnné troubě Další způsobují opálení pokoţky Nebo procházejí přes různá tělesa – rentgen Dále díky elektromagnetickým vlnám pouţíváme mobilní telefony Připojujeme se na internet Posloucháme kompaktní disky Sledujeme filmy na DVD 119

-

Nebo ovládáme televizi dálkovým ovládáním Ovládáme různé řídicí systémy budov bezdrátově (EPS, EZS, ţaluzie, osvětlení, atd.)

Jednotlivé druhy elektromagnetického vlnění se od sebe liší, např. vlnovou délkou, schopností pronikat látkami apod. Mají však také spoustu společných vlastností. Všechny se ve vakuu šíří stejnou rychlostí jako světlo, všechny mají elektrickou a magnetickou složku, které nelze oddělit. Všechny druhy také při šíření podléhají ohybu vlnění, interferenci a v neposlední řadě také disperzi. Z teorie elektromagnetického vlnění poprvé vyplynulo, ţe lze elektromagnetické vlny seřadit podle vlnové délky, viz obr. 2.87 a 2.88.

Obr.2. 87:Elektromagnetické záření

Obr. 2. 88: Spektrum vlnových délek Největší vlnovou délku mají tzv. technické vlny, někdy téţ označované jako nízkofrekvenční vlny. Jsou to elektromagnetické vlny, které vznikají v různých technických zařízeních. Jejich vlnová délka dosahuje řádově několik desítek aţ tisícovek kilometrů. Představme si např. elektrický obvod připojený do běţné rozvodné sítě. Frekvence střídavého napětí je 50 Hz. Ze vztahu mezi frekvencí a vlnovou délkou můţeme určit jejich vlnovou délku:



c 3  10 8  m  6000000m f 50 120

Rozhlasové a televizní vlny přenášejí televizní a rozhlasový signál. Jejich vlnová délka leţí v intervalu 104 aţ 10-2 m. Všechny vznikají v oscilačních obvodech jako důsledek přeměny energie elektrického pole na energii magnetického pole. V tomto pásmu také leţí elektromagnetické vlny, které pouţívají mobilní telefony. Mikrovlny jsou elektromagnetické vlny, jejichţ vlnová délka leţí v rozmezí 10-2 aţ 10-4 m. Našly rozsáhlé vyuţití v technické praxi. Pouţívají se v radarové technice ke zjišťování polohy a vzdálenosti letících těles, v moderní komunikační technice se pouţívají k bezdrátovému připojení počítačů. Své místo našly i v domácnostech, jako jsou mikrovlnné trouby a další vyuţití. Infračervené záření je záření, které leţí pod červenou oblastí, zkráceně jej označujeme jako IR (infra red) záření. Herschel později dokázal, ţe pro toto záření platí zákon odrazu vlnění a lomu vlnění. Přišlo se na to tak (Herschel), ţe teplota v oblasti, kde dopadá modré světlo, je menší neţ teplota v oblasti, kam dopadá světlo červené, a dokonce, ţe v oblasti těsně za červenou hranou spektra je teplota ještě vyšší. Zdrojem infračerveného záření jsou tělesa s vysokou teplotou, jako jsou speciální výbojky či diody. Infračervené záření vysílají prakticky všechna tělesa. Této vlastnosti těles se pouţívá v dalekohledech pro noční pozorování nebo v tzv. termovizi. Také podstatně lépe neţ světlo prochází zakalenými prostředími (mlha atd.), coţ našlo uplatnění v meteorologii nebo vojenské technice (letecká technika, tepelně naváděné řízené střely, přístroje pro noční létání). Velmi rozsáhlé pouţití našlo v elektronice. Veškerá dálková ovládání v sobě obsahují diodu, která vyzařuje v infračervené oblasti pokyny např. pro změnu programu, sníţení hlasitosti, atd. Světlo je elektromagnetické vlnění vnímatelné lidským okem. Jeho vlnové délky leţí v intervalu 390 nm aţ 790 nm. Rozborem tohoto druhu elektromagnetického vlnění se nebudeme zabývat, odkazujeme na přednášky z oblasti umělého osvětlení v budovách. Ultrafialové záření bylo objeveno v roce (1861) německým fyzikem Johannem Wilhelmem Ritterem, který zkoumal, jestli existuje neviditelné záření také za modrým koncem spektra. Šlo o chemické zkoumání, a proto se původně jmenovalo chemické, dnes ultrafialové (=za fialovou; zkráceně se označuje UV záření – ultra violete). Vlnové UV záření leţí v intervalu 400 nm aţ 10 nm. Podle vlnové délky rozlišujeme tři typy UV záření: -

UV A (vlnové délky od 390 nm do 320 nm) UV B (vlnové délky od 320 nm do 280 nm) UV C (vlnové délky od 280 nm do 10nm)

Zdrojem UV záření jsou tělesa s vysokou teplotou (např. Slunce, další hvězdy nebo elektrický oblouk) nebo speciální výbojky (např. výbojka plněná párami rtuti, která se pouţívá jako horské slunce).

121

Neprochází obyčejným sklem, proto je nutné při výrobě speciálních výbojek pouţívat zvláštní druh skla – tzv. křemíkové sklo. Dále způsobuje ionizaci vzdušného kyslíku (podílí se na tvorbě ozón), má chemické účinky, ve velkých dávkách můţe vyvolat rakovinu kůţe. Rentgenové záření objevil v roce 1895 německý fyzik Willhelm Conrad Rontgen, kdyţ zkoumal vlastnosti katodového záření (záření tvořené svazkem urychlených elektronů). Toto záření po dopadu na kovovou elektrodu vyvolává vznik nového elektromagnetického záření, které fyzik označil jako paprsky X (X rays). Paprsky X mají velkou energii a jsou schopny procházet také neprůhlednými předměty. Rentgenovo záření je záření vlnové délky 10 nm aţ 1 pm, které vzniká ve speciálních výbojových trubicích – rentgenkách, viz obr. 2.89.

Obr. 2.89: Rentgenka Její hlavní částí je ţhavená katoda, ze které v důsledku termoemise vyletují elektrony. Tyto elektrony jsou urychlovány elektrickým napětím a dopadají na anodu (z wolframu). Elektrony na anodě „zabrzdí“ a předají svou kinetickou energii atomům, které tvoří látku anody. V důsledku toho se anoda zahřívá a je třeba ji chladit (vodou, otáčením kolem její osy). Tímto způsobem vniká spojité rentgenovo záření (brzdné-bílé). Na energii rentgenového záření se přemění pouze velmi malá část (1% - 2%) energie dopadajících elektronů. Vlnová délka vzniklého rentgenového záření závisí na energii letících elektronů, tj. na urychlovacím napětí. Čím je urychlovací napětí větší, tím je vlnová délka rentgenového záření kratší. Velikost elektrického proudu v rentgence ovlivňuje intenzitu rentgenového záření. V praxi se nejčastěji vyuţívá v lékařství, počítačová tomografie. Díky velmi krátké vlnové délce rentgenového záření můţeme pozorovat jeho ohyb na krystalických látkách (rentgenová strukturní analýza). Rentgenovo záření stejně jako UV záření je ve velkých dávkách pro lidi škodlivé, proto je třeba se před ním chránit.

122

Gama záření objevil roku 1900 Paul Villard. Na rozdíl od rentgenového záření, které vzniká jako důsledek energetických přeměn v elektronovém obalu atomu, vzniká gama záření v atomovém jádře při dějích, které doprovázejí vznik záření alfa nebo beta.Toto záření je vysoce pronikavé do materiálu, chránit se před ním je moţné velkou masou materiálu, vhodnější jsou materiály s vyšším atomovým číslem a hustotou. Pouţívá se hlavně při sterilizaci materiálů, při ošetřování jídla, hlavně masa a zeleniny (aby zůstaly déle čerstvé – zabíjí bakterie). Přestoţe můţe samo o sobě způsobit rakovinu, pouţívá se při jejím léčení (gama nůţ, vyuţívá několika paprsků záření zaměřených na místo nádoru, aby zabil rakovinou zasaţené buňky; v ostatních místech prochází jen jeden paprsek a proto jsou zdravé buňky méně poškozené a přeţijí). 2.1.5.7 Elektromagnetický dipól, šíření elektromagnetických vln prostorem Elektromagnetický dipól  4

u

u i

i

  4 4  4

Obr. 2.90: Elektromagnetický dipól Rozevřeme konce dvouvodičového vedení o délce

 4

do směru kolmého k vedení.

Délka dipólu odpovídá polovině vlnové délky – půlvlnný dipól. V okolí dipólu vzniká elektromagnetické pole. Siločáry elektrické sloţky leţí v rovině dipólu, magnetické indukční čáry tvoří soustředné kruţnice v rovině kolmé k dipólu. Elektromagnetický dipól se pouţívá jako anténa. Největší část energie vyzařuje ve směru kolmém k dipólu, ve směru osy nevyzařuje. Anténa přijímače zachytí část energie a vznikne na ní nucené kmitání. Vlastnosti elektromagnetického vlnění Pokud se směr vektorů E a B v elektromagnetické vlně nemění, mluvíme o lineárně polarizované elektromagnetické vlně. Šíření elektromagnetických vln prostorem Odraz a ohyb vlnění

Vlnění neproniká plošným vodičem, ale odráţí se od něj. Při kolmém dopadu odraţené vlnění interferuje s postupujícím vlněním a vzniká stojaté vlnění. Je-li překáţka ve vhodné vzdálenosti, amplituda se zvětší a vlnění zesílí. Toho se vyuţívá při konstrukci anténních systémů. 123

Vlnění dopadající na vodivou překáţku pod určitým úhlem se odráţí podle zákona odrazu. Jsou-li rozměry překáţky mnohem větší neţ vlnová délka, vlnění za překáţku neproniká a vzniká stín vlnění. Jsou-li rozměry vzhledem k vlnové délce malé, vlnění za překáţku proniká – ohyb vlnění, ale část energie se odrazí. Interference vlnění Dospěje-li elektromagnetické vlnění k přijímači jednak přímo, jednak po odrazu, pak přímá a odraţená vlna spolu interferují. Je-li l  k    0 a amplituda je maximální, je-li l  2  k     a amplituda je minimální. Šíření vlnění Vliv prostředí: v 

1

 



c

 r  r

Protoţe frekvence je konstantní a rychlost šíření se v prostředí mění, mění se s prostředím i vlnová délka. Vlnové délky: Rozhlas dlouhé vlny – DV – 103 m

ohyb podél zemského povrchu

střední vlny – SV – 102 m

ohyb podél zemského povrchu

krátké vlny – KV – 10 m

vyuţit odraz od ionosféry

velmi krátké vlny – VKV – 100-10–1m

vyţaduje přímou viditelnost mezi vysílačem a přijímačem

Televize – 10–2 m Radiolokace: vyzařovány krátké impulsy, po odrazu od objektu se vrací k anténě. Přijímač radaru zjistí čas, který uplynul od vyslání impulsu k jeho návratu. Směr je určen podle polohy antény.

3 PROSTŘEDÍ BUDOV, LIDÉ A VLIV ELEKTROMAGNETICKÝCH A ELEKTRICKÝCH POLÍ Poznatků o vlivu elektromagnetických polí na prostředí, ve kterém ţijí lidé a jiné ţivé organismy, je dnes jiţ celá řada. Určitý problém spočívá v syntéze poznatků od vlivu elektromagnetických polí, které jsou neuspořádané, zejména pokud se jedná o jednotlivé úrovně sestavené do logického systému. Dnes je ještě mnoho nevyřešeného, více nebo méně publikováno málo podloţenými hypotézami. Prostřednictvím kapitoly 2 tohoto materiálu jsme snad získali dostatek vědomostí o elektromagnetickém poli, jehoţ hlubší teoretické základy a vývojové tendence lze rozšířit studiem dnes rozsáhlých publikovaných 124

materiálů. Pro potřebu získat základní orientaci v teorii elektromagnetického pole účelovým způsobem, je předloţený textový materiál dostačující k tomu, aby byly pochopeny na teoretické úrovni takové problémy, které by mohly za určitých okolností vzniknout při řešení jejich vlivu na prostředí a ţivot lidí v budovách. Řešení takových vlivů je nezastupitelné, ba dokonce jedinečné se jimi zabývat při projektování inteligentních budov. Prostředí, energie, technika, konstrukce a architektura budov je fenoménem současného a budoucího pohledu na koncepci, vývoj a výzkum v oblasti stavebního průmyslu. Jiţ od svého vzniku je ţivot na zemi pod vlivem elektrických a magnetických polí. Ţivot by nebyl bez jejich působení vůbec moţný. Siločáry zemského magnetického pole mají severojiţní směr. Zemský magnetismus má v současné době hodnotu přibliţně 0,047 mT. Jeho hodnota klesá od pólu směrem k rovníku a pulzuje denním i ročním rytmem. Magnetické pole země nás chrání před působeními kosmického záření. Výzkumy ukazují, ţe taţní ptáci, poštovní holubi a hmyz mají jemný navigační systém, který funguje pomocí zemského magnetického pole. Zemský magnetismus je velmi slabý v porovnání s magnetickými poli, která jsou v současné době pouţívána v technice. Například u elektromotorů se pouţívá magnetické pole o velikosti jednotek Tesla. Magnetické siločáry procházejí jakoukoliv látkou. Je nutno rozlišovat mezi tzv. diamagnetickými a paramagnetickými látkami. Pro diamagnetické látky je charakteristické, ţe způsobují zředění siločar magnetického pole. Relativní permeabilita je menší neţ 1. Relativní permeabilita vzduchu je právě 1. Paramagnetické látky způsobují zhuštění siločar magnetického pole. Relativní permeabilita je větší neţ 1. Tuto vlastnost mají feromagnetické látky, jako např. Fe, Co, Ni. Lidský organismus je mírně diamagnetický. Magnetická indukce a) elektrodynamická indukce Jak statická, tak i časově proměnná magnetická pole působí na pohybující se náboje (včetně iontů) Lorentzovými silami, vyvolávají tak elektrické pole a ve vodivém materiálu následně elektrické proudy. Tato interakce je základem změn vyvolaných magnetickým polem na proudění kapalin, včetně krve. b) Faradayovy proudy Časově proměnná (pulzní) magnetická pole budí ve vodivém materiálu (tkáni) elektrická napětí a v závislosti na vodivosti materiálu zde protékají elektrické proudy různé intenzity. Tento jev je zřejmě zodpovědný za pozorované magnetofosfény a je zřejmě rozhodujícím v léčebných aplikacích magnetických polí. Vypočtená napětí zdaleka nedosahují potenciálu buněčné membrány vzhledem k jejímu rozměru, ale dochází k ovlivnění receptorů na povrchu buněk indukovaným proudem a tím ke spuštění kaskády biochemických dějů. 125

3.1 Interakce elektromagnetického pole a lidského organismu Při rozboru účinků elektromagnetického pole v souvislosti s řešením jeho vlivu na lidský organismus a na prostředí kde člověk ţije, vţdy záleţí na indukci magnetického pole, tvaru pole, kmitočtu, individuální citlivosti a na řadě dalších fyziologických faktorech. Připomeňme si některé pojmy z oblasti biologie. Tělo všech ţivých bytostí se skládá z buňek. Buňky jsou nejmenší stavební kameny našeho těla, které ještě samy o sobě mohou ţít. Jsou tak malé, ţe je lze pozorovat pouze mikroskopem. Kaţdá buňka se skládá z buněčného jádra a z buněčné membrány (blány). Jen velmi málo buňek nemá jádro, např. zralé červené krvinky. Buňečné tělo se skládá z ţivé hmoty, kterou nazýváme protoplasma. Hlavní součástí ţivé hmoty je voda (asi tři čtvrtiny), zbytek tvoří převáţně bílkoviny a dále tuky, látky tukům blízké, uhlovodany a soli. Buňečné jádro je nenadřazeným centrem, které v buňce řídí přeměnu látkovou. Tento tzv. předpis je součástí dědičných vloh a je při dělení jádra dále předáván jádrům dceřiným. Kdyţ se buňka dělí, zaniká jádro a objeví se propletená klubíčka jaderných nitek – chromozóny. Buňky v lidském těle jsou specializované. Některé se mohou smršťovat a zase ochabovat – buňky svalové. Jiné mohou přijímat sloţky potravy, vstřebávat ji apod. Buňky vytváří tkáně (krycí tkáň, ţlázová tkáň, vazivová a tuková tkáň, podpůrná tkáň, svalová tkáň a nervová tkáň). Magnetické pole působí na ţivou tkáň třemi způsoby a tak uvádí do chodu spoušťový mechanizmus, který dále rozvíjí biologické reakce na všech úrovních. a) Elektronová interakce – vzniká na atomární a subatomární úrovni, včetně reakce magnetického pole na úrovni elektronů. Dochází k přenosu elektronů mezi jednotlivými molekulami a tento děj vede k urychlení nebo zpomalení některých chemických reakcí. V rámci těchto interakcí můţe docházet ke změně spinu elektronů, ale zřejmě jen v případě pouţití výrazně silných magnetických polí. b) Elektromechanický efekt – způsobuje změny orientace některých makromolekul, hlavně kyseliny ribonukleové a deoxyribonukleové, bipolárních molekul vody, změny aktivity některých enzymů a konečně dochází ke změnám propustnosti buněčných membrán c) Magnetoelektrický efekt – je zaloţen na indukci vířivých proudů a elektrických potenciálů na mikroanatomických, ale i větších strukturách ţivého organizmu. Velikost těchto potenciálů lze vyjádřit jako:

I  p  r  f   B I – intenzita proudu indukovaného v organizmu 126

(3-1)

r – poloměr induktivní tkáňové smyčky f – kmitočet magnetického pole

 - vodivost tkáně B – magnetická indukce Znamená to, ţe se bude v buňce při stálé magnetické indukci a kmitočtu indukovat tím větší elektrický potenciál, čím bude buňka větší, respektive delší. Odhadovaná elektrická pole v iontových kanálech buněčné membrány se pohybují kolem 10 nV/m. Indukované elektrické potenciály vyvolávají změny šíření vzruchů v nervových vláknech, změnu intenzity látkové výměny buňek a změny v činnosti nervových buňek centrálního nervového systému. Závislost mezi magnetickou indukcí, indukovanými elektrickými proudy a odpovídající biologickou odezvou organizmu je uveden v tabulce, tab. 1. Tab. 1: Biologické odpovědi na magn.pole a indukovaný proud Magn.indukce (mT)

Magn.indukce (mT)

Indukovaný proud

Na hlavu

Na trup

(mA/m)

250

60

1000

Moţné extrasystoly a ventikulární fibrilace, značné zdravotní nebezpečí

25 – 250

6 – 60

100 – 1000

Změny v dráţdivost centr.nervového systému, moţné zdrav.potíţe

2,5 – 25

0,6 – 60

10 – 100

Výrazný terapeutický efekt, příznivý vliv na nervový systém, snadnější hojení ran a zlomenin

0,25 – 2,5

0,06 – 0,6

1 – 10

Minimální biologický efekt

0,25

0,06

1

Ţádný efekt

127

Biologická odpověď

Z výše uvedené tabulky pozorujeme, ţe se na kvalitě změn podílí hlavně velikost magnetické indukce a expoziční doba. Při terapeutickém pouţívání slabých proměnných nebo stálých magnetických polí dochází v buňkách pouze k diskrétním změnám, ovšem ve většině případů reverzibilních. Při pouţití silných magnetických polí působících po delší dobu, můţe dojít k hrubým a iverzibilním (nevratným) změnám poškozujícím buňku. V ozářených tkáních dochází k výraznému zvýšení spotřeby kyslíku, která je kompenzována zvýšenou nabídkou krve do těchto oblastí. V ozářené oblasti stoupá i tkáňová teplota o 0,5 aţ 1,00C. Dochází ke spazmolýze hladkého a do určité míry i příčně pruhovaného svalstva, jako důsledek změněné permeability membrán svalových buňek a to hlavně pro ionty kalcia. Opakovaně byla prokázána změna ve funkci nadledvinek, kdy při hyperfunkci docházelo po ozáření pulzním (nestacionárním) magnetickým polem k útlumu a při hypofunkci ke stimulaci nadledvinek. Byla pozorována u citlivých jedinců zvýšené pocení, hypotenze, a zvýšení sekrece ţaludečních šťáv. Tyto změny jsou pouze krátkodobé a rychle se upravují, pokud tento projev není dlouhodobý aţ trvalý. Je známo, ţe nestacionární magnetické pole v opakovaných dávkách vyvolává aktivaci imunitního systému. Dochází k normalizaci bílkovinného spektra krevní plazmy. Reakce mozkové tkáně na aplikované magnetické pole se velmi rychle projevila charakteristickými změnami na EEG. Při opakovaném ozařování hlavy a krku, dochází ke zvýšení funkce štítné ţlázy na histologicky prokázaném podkladu. Opakovaně byl dokumentován hojivý efekt nestacionárních magnetických polí na otevřené povrchní rány a urychlené hojení čerstvých zlomenin a kloubů.

3.2 Podstata a vliv elektromagnetických polí ELF Podle mezinárodní úmluvy se jako nízké aţ extrémně nízké frekvence označují ELF (Extremaly Low Frequency –velmi nízké frekvence), které se vyjadřují od 30 Hz do 300 Hz. Toto pásmo zahrnuje, základní frekvenci a druhou i třetí harmonickou většiny výkonných zdrojů střídavého proudu, jako např. od 0 Hz do 1 THz seřazených obecně jak jsou uvedeny: -

Generátory ss proudu

-

Generátory střídavého proudu

-

Generátory proudu pro vojenské letectvo

-

Frekvence pro rozklad video-obrazu

-

AM rozhlas

-

Osobní počítače, televize, radiotelefony 128

-

Mikrovlnné trouby, mikrovlnný radar

-

Elektronky s postupnou vlnou

-

Lasery

-

Vakuové ultrafialové lasery

Vlnová délka patřící poli s frekvencí 50 Hz je ve vakuu rovna 6000 km. Většinu problémů z této oblasti je moţné řešit tak, ţe se najde odpovídající statické řešení, u kterého elektrické a magnetické pole vystupují odděleně. Úplné řešení pro časově proměnné pole s extrémně nízké frekvenci se pak získá tak, ţe se vypočítaná statická pole násobí sinusovou časovou změnou. Hlavní obtíţ při řešení problémů souvisejících např. se sporem vyvolávání rakoviny je určení vlastností a geometrií elektrických obvodů (elektrický rozvod v bytovém nebo nebytovém objektu uspořádaný dle současných norem a pravidel, včetně zvyklostí), proudů a napětí (svoji hodnotou, amplitudou a frekvencí), aby bylo moţné vypočítat elektrické a magnetické pole. Nicméně je moţné vypočítat pole pro reprezentativní podmínky. Aby elektrická a magnetická pole mohla vyvolat zdravotní účinky, musí nejprve vstoupit do interakce s biologickými molekulami nebo strukturami a vyvolat změnu přenosu energie. V důsledku této změny musí být vytvořen dostatečně silný signál, který buňky dokáţou vnímat, aby mohlo dojít k vyprovokování následné reakce organismu, ať s neutrálním nebo negativním zdravotním účinkem. Prostředí ţivých buňek je elektricky hlučné, neboť tam panuje náhodný neuspořádaný pohyb iontů a nabitých molekul. Jestliţe má buňka vnímat signál, který je indukován polem ELF, musí tento signál být silněji hlučnější, neţ je průměrná hladina šumu v prostředí buněk. Pracovní skupina Evropského centra pro ţivotní prostředí a zdraví Světové zdravotnické organizace zasedala v květnu 2000 v nizozemském Bilthovenu, kde byly formulovány Principy práva na zdravé vnitřní prostředí. Míra kvality vnitřního prostředí je většinou vyjádřena platnými zákony v dané zemi. Běţně se studuje v pracovním i obytném prostředí teplota, vlhkost, prašnost, osvětlení, hluk, toxicita, mikrobiální charakter prostředí apod. Na technizovaných a ve velké míře elektrifikovaných budovách, sem patří i domácnosti v obytných domech, hlavně budovy tzv. inteligentní domy, je a bude, středem velké pozornosti i studium elektromagnetických polí vyskytujících se v tomto inteligentním prostředí. Samozřejmě pak výsledky studia budou uplatňovány při konstrukci nových technologických postupů při realizaci elektrotechnických rozvodů – inteligentních elektrických rozvodů, ale i ostatních rozvodů TZB korespondujících na bázi zákonů elektrotechniky, které jsou dnes v převáţné většině. Pro studium je zajímavá oblast velmi nízkých frekvencí zahrnující frekvenci 50 Hz, pod zkratkou ELF ELM – Extremaly Low Frequency of Electromagnetic Field (elektromagnetické pole extrémně nízkých frekvencí). S ohledem na vlastnosti elektrické a magnetické sloţky ELF ELM pole se můţeme odvolat na vybudovanou teorii indukovaných proudů v elektricky vodivé tkáni jako 129

určitého dielektrika, na jehoţ základě můţeme detekovat jak magnetickou, tak i elektrickou sloţku tohoto typu elektromagnetického pole. Magnetická sloţka ELF ELM pole prochází lidským i jiným ţivým elektricky vodivým organizmem téměř nezměněná a reaguje s ním dvěma základními způsoby. Jednak indukuje přídavné elektrické proudy, které mohou narušit funkci ţivotně důleţitých orgánů v lidském těle, jednak můţe ovlivnit velikost výstupního potenciálu buněk ţivé tkáně a narušit rovnováţný tok iontů draslíku, sodíku, vápníku a jiných iontů buněčnou blanou a tím narušit celkovou rovnováhu v lidském těle. Elektrická sloţka ELF ELM nabíjí povrch lidského těla a většinou tělem neprostupuje. Od 1. 1. 2001 vstoupilo v platnost nařízení vlády „O ochraně zdraví před neionizujícím zařízenými“ zákon č. 480/2000 Sb, který jiţ limituje úrovně velikosti magnetické indukce a velikosti intenzity elektrického pole ELF ELM. Uvedeme v další kapitole 3.2.1 matematicko-fyzikální aparát, který teoreticky odvozuje velikost indukované proudové hustoty v lidském těle, které je exponované elektromagnetickým polem o určité frekvenci, kde na základě výše uvedeného zákona stanovujeme její limitní hodnoty. Základní dozimetrickou veličinou je hustota elektrických proudů indukovaných v těle člověka vnějším elektrickým a magnetickým polem. V intervalu frekvencí od 100 kHz do 10 MHz se vedle hustoty indukovaných elektrických proudů uplatňuje současně další dozimetrická veličina – měrný výkon absorbovaný v tkáni těla a přeměněno v teplo „SAR“ [W/kg tělesné váhy]. Jak je patrné z obr. 3.1 Od frekvence 1 kHz výše limitní hodnota pro hustotu indukovaného proudu v těle roste, coţ souvisí s niţší fyziologickou účinností proudu s vyšší frekvencí. U frekvencí vyšších neţ 10 MHz se pro ochranu zdraví omezuje jiţ jen tepelné působení elektromagnetického pole. Účinnost indukovaných proudů je poněkud slabší také u frekvencí niţších neţ 4 Hz – pro proud s frekvencí niţší neţ 1 Hz, tedy i pro proud v čase konstantní, má hustota indukovaného proudu limitní hodnotu čtyřikrát vyšší neţ v intervalu frekvencí od 4 Hz do 1 kHz.

Obr. 3.1: Nejvyšší přípustné hodnoty pro hustotu indukovaného proudu J, pro měrný absorbovaný výkon SAR a pro hustotu zářivého toku S 130

3.2.1 Působení statického a nízkofrekvenčního pole na člověka Indukování elektrického proudu v těle člověka není jediný mechanismus, kterým elektrické a magnetické pole na člověka působí. Dobře známe tzv. zjeţení chloupků na těle člověka nacházejícího se ve velmi silném statickém nebo nízkofrekvenčním elektrickém poli (ELF ELM), v tomto případě jde o přímé působení elektrického pole na receptory při povrchu kůţe. Nenulová elektrická vodivost biologické tkáně způsobuje, ţe elektrický náboj indukovaný statickým elektrickým polem na povrchu těla vytváří efekt Faradayovy klece a elektrické pole do těla nepronikne. Povrchový náboj vyvolaný proměnným (nízkofrekvenčním) elektrickým polem nekompenzuje jiţ vnější pole úplně, způsobuje však, ţe uvnitř těla je indukované elektrické pole o mnoho řádů slabší neţ vnější pole. Hustota elektrického proudu, který nízkofrekvenční elektrické pole v těle vyvolá, dosáhne proto hodnot blízkých limitu (při frekvenci energetické sítě 50 Hz je to 10 mA/m2) aţ při intenzitě vnějšího pole překračující 10 kV/m. Na rozdíl od elektrického pole proniká magnetické pole do těla bez překáţky a zachovává svůj původní prostorový průběh i uvnitř těla. Souvisí to s tím, ţe biologická tkáň je diamagnetická a při poměrně malé elektrické vodivosti (zhruba miliónkrát menší neţ je elektrická vodivost kovů) jsou elektrické proudy v těle indukované příliš slabé k tomu, aby vlastním magnetickým polem původní pole znatelně zeslábly. Mezinárodní agentura pro výzkum rakoviny (IARC) zařadila v roce 2002 nízkofrekvenční magnetické pole do seznamu moţných karcinogenů (klasifikace 2B). Jedním z mechanismů přímého působení navrţeným jiţ v roce 1985 je selektivní absorpce nízkofrekvenčního magnetického pole na frekvenci cyklotronové rezonance iontů vápníku v zemském magnetickém poli.(Pohyb iontu v magnetickém poli - iont s hmotností m a nábojem q, pohybující se s rychlostí v v homogenním magnetickém poli B se silou:

F = mv2/r; F = qv x B vápníku v zemském magnetickém poli. Iont pohybující se po cyklotronové orbitě s frekvencí danou vztahem: 2  c 

eB ) m

Příklad: Poloměr běţné cely (dráhy iontu): 1-3 cm. Počáteční poloměr pohybu iontu: 0.01 - 0.1 mm; Beţná síla magnetického pole: 1-12 Tesla; např. 7 T magnet, m/z 100, 1 sec  1000 000 cyklu (30 km)

Obr.: 3.2: 131

Koherentní cyklotronový pohyb indukuje „proudový obraz“, který je amplifikován a detekován. Přítomnost iontu s různými m/z se projeví jako superpozice sinusoidálních signálů na detektoru. Excelentní rozlišení ( ~106) a přesnost 1 aţ 0,1 ppm. Poznámka: Rozdíly mezi některými energetickými hladinami elektronů a molekul, ale i volných elektronů umístěných do statického magnetického pole, jsou na úrovni kvant vysokofrekvenčního elektromagnetického vlnění, takţe absorpce takových fotonů se mohou realizovat mezi nimi přeskoky. Jsou doprovázeny silnou absorpcí záření s potřebnou vlnovou délkou, jinými slovy, absorpce má tzv. rezonanční charakter. Tento jev je základem tzv. magnetických rezonančních metod zkoumání látek. Podle druhu absorpce rozeznáváme elektronovou cyklotronovou případně paramagnetickou (EPR) nebo i feromagnetickou rezonanci a jadernou (nukleární) magnetickou rezonanci (NMR). Do této skupiny experimentálních metod můţeme zařadit i tzv. jadernou gama spektroskopii zaloţenou na Mössbauerově jevu. Elektronová-cyklotronová rezonance vzniká při absorpci elektromagnetického záření volnými elektrony pohybujícími se ve stacionárním magnetickém poli. Umoţňuje měření efektivních hmotností podle vztahu

m 

eB  2c

(3-2)

Elektronová-cyklotronová rezonance vzniká tehdy, jakmile volné elektrony s dostatečně velkou střední volnou dráhou nacházející se v magnetickém poli začnou absorbovat elektromagnetické záření s úhlovým kmitočtem „, vyplývajícím z 2. Newtonova zákona

mv 2 ev B  ,e  v  r  B  m   r r

(3-3)

V pevných látkách je potřebné nahradit hmotnost elektronů „m“ jejich efektivní hmotností m*, proto rezonanční vlnová délka elektromagnetického záření pro elektrony je určená vztahem

2c 2cm     eB

(3-4)

z kterého přímo vyplývá vztah (3-2) vhodný k měření efektivní hmotnosti elektronů. Jednoduché dosazení do předchozího vztahu za B=1T poskytuje rezonanční vlnovou délku g_1 cm. To ovšem současně znamená, ţe střední volná dráha nosičů musí být minimálně s=2qr_3.10-4 cm. Při pokojových teplotách je střední volná dráha elektronů v pevných látkách kolem 10-6 cm, tj. podstatně menší. Proto chceme-li pozorovat cyklotronovou rezonanci v pevných látkách, musíme sníţit teplotu prakticky aţ do oblasti teplot kapalného helia. Je-li atom umístěn ve vnějším magnetickém poli o indukci B, změní se energie jeho elektronů o hodnotu vyplývající ze vztahu 132

W  m  B

(3-5)

ω – úhlový kmitočet m*- efektivní hmotnost elektronů B – magnetická indukce

 - rezonanční vlnová délka W - změna energie m – hmotnost elektronů e – náboj elektronu (iontu) v – vektor rychlost (střední volná dráha) r – poloměr dráhy elektronu c – frekvence elektronů (iontů) Podle některých autorů, měla tato cyklotronová rezonance překonat řádově větší spontánně generovaná elektrická šumová pole v organismu, měla pak vytvořit jakási vstupní „okna“, kterými velmi slabé proměnné magnetické pole se zcela určitou (rezonanční) frekvencí působí na biologické procesy v organismu. Kdyţ byla tato teorie některými autory v podmínkách biologické tkáně vyloučena, přesto byla publikována práce s experimentálně získanou rezonanční křivkou s maximem u „předpověděné“ frekvence a prezentována jako důkaz správnosti této teorie. Pro hlubší studium odkazujeme čtenáře na literaturu příslušnou k tomuto převzatému článku – kapitoly („Rizika z expozice nízkofrekvenčnímu magnetickému poli: Pekárek, L., Šístek, P., Jelínek, L.: Státní zdravotní ústav, Praha, časopisu: České pracovní lékařství, č. 1/2007. Přímým působením magnetického pole, konkrétně působením na tyčinky v sítnici, byly v některých starších publikacích vysvětlovány světelné vjemy (magneto-fosfeny) pozorované při působení nízkofrekvenčního magnetického pole na hlavu. Vjem je podobný světelným efektům pozorovaným při mechanickém tlaku na zavřené oko, přičemţ nejúčinnější k vyvolání magneto-fosfenů je proměnné pole s frekvencí v okolí 20 Hz, kdy stačí k jeho vyvolání magnetická indukce 10mT. Vjem po vypnutí pole postupně mizí a pokládá se za neškodný. Systematické experimenty prováděné s elektrickým proudem realizovaným galvanickým kontaktem však ukázaly, ţe ani v tomto případě nepůsobí magnetické pole přímo, nýbrţ prostřednictvím indukovaných elektrických proudů, které procházejí sítnicí oka. Přes mnoho publikovaných prací je tato otázka či problém nevyřešen. Stanovení hygienických limitů by zcela určitě přivedlo autory různých výzkumů ke stanovení popisu pouţité metodiky, která by umoţnila popsané experimenty nebo výpočty sjednotit a ověřit bez potřeby získat o nich další informace. 133

Můţeme konstatovat, ţe dnes neurčené nepříznivé působení nízkofrekvenčního magnetického pole na člověka neţ nepřímé, vyvolané prostřednictvím proudů indukovaných v těle, nebylo nalezeno. Riziko z expozice nízkofrekvenčnímu elektrickému a magnetickému poli má jiný charakter neţ riziko z expozice vysokofrekvenčnímu poli. U člověka vystavenému poli s nízkou frekvencí se daleko dříve neţ ohřev tkáně projeví působení indukovaných elektrických proudů na nervovou soustavu. Jde samozřejmě o stejný elektrický proud, jako je proud vznikající při styku alespoň dvou částí těla s vodiči, mezi kterými je elektrické napětí, i kdyţ místa v těle, kterými prochází proud indukovaný polem, se mohou lišit od místa, kudy prochází proud vznikající galvanickým kontaktem. Riziko je u indukovaného proudu stejné jako u proudu vzniklého galvanickým dotykem těla se zdrojem okamţitě, a u nízkofrekvenčního elektrického a magnetického pole se proto hodnotí i jednorázová (impulsní) expozice trvající velmi krátkou dobu. V tabulce č. 2, rovněţ převzaté z jiţ uvedeného článku, jsou uvedeny jevy pozorované při různých hustotách elektrického proudu s frekvencí blízkou frekvenci energetické sítě v v těle člověka. Je zřejmé, ţe proudová hustota 0,01 A/m2, kterou citované nařízení vlády (a směrnice komise ICNIRP) stanoví pro frekvenci mezi 4 Hz aţ 1000 Hz jako nevyšší přípustnou pro zaměstnance, leţí pod úrovní, při které se začíná objevovat pozorovatelné (pro ohroţení zdraví stále ještě nevýznamné) dráţdění nervů a svalové tkáně. Tab. 2: Tabulka projevů vlivu elektrického proudu indukovaného v těle člověka, viz. (http://195.250.138.169/prac/documents/04_Pekarek.pdfliter.) Proudová hustota (A/m2)

Projevy

<0,001

Nebyly zjištěny ţádné projevy

0,001 – 0,01

Nepatrné biologické projevy

0,01 – 0,1

Dobře zjištěné jevy, vizuální efekty (magnetofosfeny), moţnost ovlivnění nervové soustavy, publikovány zprávy o snazším hojení zlomen

0,1 - 1

Zjištěny změny v dráţdivosti nervového systému; práh stimulace, moţná zdravotní rizika

>1

Moţné extrasystoly a vertikální fibrilace; nesporná zdravotní rizika

Vypočítat z časového průběhu magnetického pole hustotu indukovaného proudu v těle exponované osoby s přesností dostatečnou pro srovnání s hygienickým limitem není příliš náročné, pokud je průběh pole sinusový nebo sinusovému blízký. Náročnější je zhodnocení expozice magnetickému poli, jehoţ časový průběh se od sinusového značně liší. Pouţití součtového pravidla uvedeného v nařízení vlády č. 480/2000 Sb. Pro hodnocení současného působení více polí dává příliš vysoké hodnoty, jestliţe jde o pole od koherentních zdrojů, coţ je právě případ vyšších harmonických nesinusového průběhu. 134

Zásady pro hodnocení expozice osob v polích s nesinusovým průběhem, do kterého patří i neperiodické průběhy jako jsou osamělé impulsy a skoky pole z jedné hodnoty na jinou, uveřejnil ICNIRP v březnu 2003. Hustota proudu indukovaného v těle je úměrná velikosti plochy, kterou smyčka uzavírající proud obepíná. Určí se ze vztahu

 r   dB(t )  J  G     2   dt 

(3-6)

J – hustota indukovaného proudu (A.m2) G – měrná elektrická vodivost (S.m-1) r – poloměr proudové smyčky (kruhové) (m) dB/dT – prostorově středovaná hodnota časové změny sloţky vektoru magnetické indukce (T.s-1), kolmé k plošce smyčky Průběh indukovaných proudů v těle člověka při dvou různých orientacích těla vzhledem ke směru časově proměnného magnetického pole je vyznačen na obr. 3.3.

Obr. 3.3: Schematické znázornění uzavřených proudových smyček v těle. a) Při svislém směru vektoru stř.magn.pole (vlevo) b) Při vodorovném vektoru stř.magn.pole směřujícím proti hrudníku (vpravo) Specifickým případem je problém expozice člověka v extrémně silném statickém magnetickém poli. Vzhledem k technickému pokroku ve výrobě supravodivých magnetů se začíná nyní i ve zdravotnictví pouţívat statické magnetická pole s indukcí 7 T i větší, a indukovaný proud v těle osoby, která se v takovém poli pohybuje, jiţ můţe při prudkém otočení hlavy a jiných pohybech překročit stanovený limit. V souvislosti s tím se uvaţuje o zvýšení „mezní“ hodnoty 2 T stanovené ve Směrnici ICNIRP z roku 1995 pro statické magnetické pole a zavedení přesných pravidel pro práci ve velmi silném statickém 135

magnetickém poli. Nyní platí omezení expozice zaměstnance statickému magnetickému poli na průměru 0,2 T v jednom dni.

3.2.2 Výpočet proudové hustoty v lidském těle indukované

elektromagnetickým polem nízkých frekvencí (ELF ELM) V uvedeném zákoně jsou uváděny limitní hodnoty indukované proudové hustoty v lidském těle, které je exponované nízkofrekvenčním elektromagnetickým polem. Jde o  výpočet indukované proudové hustoty vyvolané velikostí magnetické indukce B  . Střídavá magnetická sloţka ELF ELM proniká téměř neproměnnou lidskou vodivou tkání a indukuje proud o určité proudové hustotě. Elektrická sloţka téhoţ nízkofrekvenčního elektromagnetického pole nabíjí jen povrch lidského těla. Výpočet velikosti proudové hustoty vychází ze zjednodušeného předpokladu kulového tvaru lidského, elektricky vodivého těla o konstantní elektrické vodivosti  , relativní magnetické permitivitě  r  1 , poloměru zjednodušeného modelu lidského  intenzitě H vektoru magnetické sloţky elektromagnetického pole o frekvenci  mezi vektorem magnetické indukce B( ) a vektoru intenzity magnetického pole

těla r a f. Vztah  H ( ) je

dán rovnicí, viz. (2-153) a (2-166) po úpravě v závislosti na ω

  B( )  H ( ),

(3-7)

Indukční tok  ( ) jdoucí plochou S (kruhového průřezu kulového modelu) je vyjádřen rovnicí, viz. (2-167) a (2-168) v závislosti na ω



 ( )   B( )  dS .

(3-8)

S

Jestliţe rozměr kruhového průřezu je menší neţ vlnová délka působícího elektromagnetického pole (tento předpoklad je splněn pro ELF ELMF) lze předpokládat,  ţe B( ) je konstantní přes plochu S. V tomto případě indukované napětí Ui(ω) podél kruhového obvodu elektricky vodivého modelu lidského těla lze psát dle Lenzova zákona ve tvaru, viz. (2-194)

U i ( )   ( )      S  H ( ) .

(3-9)

 Průměrná hodnota velikosti intenzity indukovaného elektrického pole E podél velikosti obvodu l kruhového průřezu je dán rovnicí, viz. (2-100)

136

 U ( ) S E ( )  i      H ( ) . l l

(3-10)

Hodnota velikosti proudové hustoty J(ω) je dána Ohmovým zákonem ve tvaru, viz. (2-97)

S J ( )    E ( )        H ( )  , l

(3-11)

S    r 2 , l  2r a pro velikost indukované proudové

Pro kruhový průřez platí hustoty lze psát:

J ( )  K ( )

r and K ( )  H ( )  B( ). 2

(3-12)

Z rovnice (3-12) vyplývá, ţe velikost indukované proudové hustoty je úměrná elektrické vodivosti lidského těla  , frekvenci proměnného pole f, kde   2f , a velikost  magnetické indukce B( ) periodicky proměnného elektromagnetického pole. Rovnice (3-12) je základní vztah pouţívaný pro výpočet indukované proudové hustoty v lidském těle a v zákoně 480/2000 je limitována její hodnota a je odvozena od průměrné hodnoty elektrické vodivosti lidského těla. Je nutné poznamenat, ţe elektrická vodivost různých lidských tkání a orgánů (plíce, srdce apod.) je rozdílná. Liší se rovněţ elektrická vodivost těla novorozenců, dospělých jedinců i starých lidí. Tato skutečnost je brána v úvahu pouze v legislativě ve Velké Británii a limitní hodnoty „J“, „B“ a „E“ jsou rozdílné pro dospělé a pro děti. Naše zákony tuto skutečnost neberou v úvahu.

3.2.3 Legislativa pro ELF ELM pole v České republice Níţe uvádíme vybrané hodnoty, které se týkají problematiky ELF ELM pro frekvence od 0,1 Hz do 2 kHz. V tab. 2) jsou uvedeny limitní hodnoty indukované proudové hustoty v lidském těle vyvolané elektromagnetickým polem ELF ELM.

Tab. 2: Indukovaná proudová hustota (J/A.m-2) – nejvyšší přípustné hodnoty; a) špičková hodnota Zaměstnanci

Ostatní osoby

Frekvence „f“ (Hz)

J/A.m-2

J/A.m-2

<1

0,057a)

0,011a)

1–4

0,04/f

0,08/f

4 – 1000

0,01

0,002

137

Referenční úrovně velikosti intenzity elektrického pole a velikosti magnetické indukce pole typu ELF ELM jsou uveden v tab. 3. Tab. 3: Referenční úrovně E a B. Platí pro stálou expozici. *) průměr „B“ při expozici trup, hlava Frekvence (Hz)

Int.el.pole “(V/m), zaměstnanci

Int.el.pole„E“(V/m),ostatní osoby

Magn.indukce „B“ zaměstnanci

<1

Není zaveden

Není zavedeno

0,28a

)

0,056*

1–8

2.104

1.104

0,2/f2

0,04/f2

8 – 25

2.104

1.104

0,025/f

0,005/f

25 – 820

5.105/f

2,5.105/f (pro 25-800Hz)

25-10-3/f

0,005/f(pro 25 – 800Hz)

50

10 000

5000

500.10-6

100.10-6

Magn.indukce „B“ (T), ostatní osoby

Pro vyhodnocení expozice elektrickým, nebo magnetickým elektromagnetickým zářením se pouţívají tyto základní veličiny, viz tab. 4: a) b) c) d)

polem

a

Měrný absorbovaný výkon (SAR) Měrná absorbovaná energie (SA) Proudová hustota indukovaná v těle (J) Hustota zářivého toku elektromagnetické vlny dopadající na tělo nebo jeho část (S) tab. 5. a tab.6.

Tab. 4: Měrný absorbovaný výkon (SAR“ a měrná absorbovaná energie (SA) Měrný absorbovaný výkon (SAR) a měrná absorbovaná energie (SA) – nejvyšší přípustné hodnoty (pro libovolný 6ti minutový interval) Platí pro frekvence od 105Hz do 1010Hz

Měrný absorbovaný výkon – SAR; celé tělo

SAR 10g tkáně s výjimkou rukou, zápěstí, chodidel a kotníků

SAR 10g tkáně rukou, zápěstí, chodidel a kotníků

Špičková hodnota měrné absorbované energie SA pro kterékoli 10g tkáně

Zaměstnanci

0,4 W/kg

10 W/kg

20 W/kg

0,01 J/kg

Ostatní osoby

0,08 W/kg

2 W/kg

4 W/kg

0,002 J/kg

Tab. 5: Hustota zářivého toku (S) – nejvyšší přípustné hodnoty (na plochu 20 cm2)

138

Zaměstnanci

Ostatní osoby

Frekvence f (Hz)

S (W.m-2)

Frekvence f (Hz)

S (W.m-2)

>1010 – 3.1011

50

>1010 – 3.1011

10

Tab. 6: Referenční úrovně pro hustotu zářivého toku (S); nepřetrţitá expozice Zaměstnanci

Ostatní osoby

Frekvence f (Hz)

S (W.m-2)

Frekvence f (Hz)

S (W.m-2)

107 – 4.108

10

107 – 4.108

2

4.108 – 2.109

f/4.107

4.108 – 2.109

f/2.108

2.109 – 3.1011

50

2.109 – 3.1011

10

Pokud nejsou referenční úrovně překročeny, za ţádných okolností nedojde ani k překročení nejvyšší přípustné hodnoty. Při jejich stanovení se vycházelo z laboratorních experimentů, matematického modelování a byl uţit i tzv. bezpečnostní koeficient. Současný stav v oblasti výzkumu, hledá zjištění týkající se biologických účinků a potenciálně škodlivých zdravotních následků spojených s vystavením se elektromagnetickým polím. Můţeme věrohodně připustit, ţe určitá část výzkumných prací vztahujících se k biologickým účinkům a potenciálně škodlivým zdravotním následkům spojených s vystavením elektromagnetických polí (EMP) a extrémně nízkých frekvencí (ELF) je rozporuplná do jisté míry sporná a konzervativní. V současném a budoucím kontextu je elektřina komodita, která není hodnotově překonána a nebude, jen v malé části jinými surovinami. Jakékoli návrhy, nebo či domněnky, které by mohly způsobit limitování, regulaci nebo jinou změnu současného systému dodávky a přísunu elektřiny, by mohlo mít dalekosáhlé ekonomické, politické a sociální důsledky. Z těchto, ale i jiných důvodů širšího pohledu je směrováno zaměření výzkumu a realizace k energeticky úsporným budovám s maximálním vyuţitím obnovitelných zdrojů energie a vytvoření nezávislé autonomní energetické cirkulace. Vytvoření domácího network a systému umoţňující vizualizaci v celém domě s přispěním ke sniţování emisí CO2 a elektromagnetických polí (elektrosmogu). Ekovizualizace aţ po diagnostiku energetických úspor jsou důleţitými aspekty silového vědeckého zaměření do budoucna. Biologické účinky a potenciálně škodlivé zdravotní následky, které jsou spojené s EMP nebo ELF a ELM ve výzkumné oblasti, zahrnují: rakovinu, leukémii, růst nádorů, kožní výrostky, abnormální aktivitu buňek, poruchy spánku a denního rytmu, neurologické, paměťové a poznávací poruchy, genetické poruchy, neurologické poškození, regulace a tvorba hormonů, poškození endokrinního systému, mentální poruchy a poruchy chování, poškození imunitního systému, poruchy nervového systému, vývojové problémy plodu, 139

potraty, poškození při narození, hematologické a oběhové funkce a genetické poškození. Uvedený seznam biologických účinků byl převzat ( Zahm, Shelia Hoar, and Susan S.Devesa.“Childhood Caner“. Overview of Incidence Trends and Environmental Carcinogenes“,Environmental.;Feychting, Maria, Anders Ahlbom, and Leeke Kheifets. „EMF and Health“. Annual Review of Public Health 26.1.2005:165-89.; Akerstedt Torbjom, Bengt Arnetz, Gianluca Ficca, Lars-Erik Paulsson, and Anders Kallner; Beale, Ivan L.“The Effectc of Electromagnetic Fieldes on; Brain, Joseph D., Robert Kavet, David L. McCormick, Charles; Poole, Lewis B. Silverman, Thomas J. Smith, et al.“Childhood leukemia: Electric and Magnetic Fieldes as Possible Risk Factors.“ Environmental Health Perspectives 111.7 (June 2003(: 962-70; Gang, Chen, Brad Upham, Chia Wei Sun, Edward Rothwell, Kun-Mu Chen. Hiroshi Yamasaki, and James E. Trosko.“Effect of Electromagenetic Field Axposure on Chemically Induced Differentiation of Friend Erthroleukemie Cells.“ Environmental Health Perspectives 108.10 (October 2000(:967-72) Na základě přehledu publikované literatury a uvedené aktuální studie, byly vymezené dva hlavní body. První bod, široké spektrum prokazatelných biologických účinků je popravdě kauzálně spojeno s vystavením se EMP, ELF ELMF. Druhý bod, bylo prokazatelně prokázáno, dle uvedené literatury, ţe několik potenciálně škodlivých zdravotních následků je nevyvratitelně spojených s vystavením se EMP, ELF ELMF. Výzkum v této oblasti je nevyhnutelně nutný. Ale abychom zaručili zobecnění a validitu, měl by se výzkum zaměřit v první řadě na laboratorní experimenty a vyuţívat epidemiologické údaje, ovšem bez záruky. Dále by bylo vhodné sjednotit nejednotnost a roztříštěnost ve výzkumu, tedy sjednotit terminologii a metodologii výzkumu. V nezastupitelné míře vtáhnou do problematiky výzkumu vlivu EMP, ELF ELMF výzkumná a akademická centra zabývající se problematikou inteligentních domů, prostředí a energetiky ve spolupráci s výzkumem v oblasti zdravotních problematik.

3.2.4 Příznaky elektromagnetických polí velmi nízké frekvence -

Elektromagnetické pole (EMP) je přesně definováno fyzikálními veličinami: intenzita elektrického pole E [V/m], intenzita elektrického pole E udávaná v [dBμV/m] (např. v protokolech, které vystavuje ČTÚ), hustota zářivého toku S [W/m2] (např. v protokolech, které vystavuje hygiena), intenzita magnetického pole H [A/m], magnetická indukce B [T] nebo [μT] , vlnová délka λ [m] nebo kmitočet f [Hz], měrná absorbovaná energie SAR [W/kg]1) ve vztahu k mobilním telefonům.

Další odborný termín je elektromagnetická kompatibilita (EMC), kterou je nutno znát ve vazbě na rušení a kontrolu odolnosti elektronických přístrojů. Většina lidí se nezabývá tím, aby zkoumala jednotlivé zdroje záření, které mohou vytvářet elektrická či magnetická pole NF nebo VF elektromagnetická pole. 140

Celosvětově se pro stále zvyšující úroveň elektromagnetického pozadí ujal termín elektrosmog, který se stal obecným pojmem, pod nímţ se rozumí postupné enormní zatěžování člověka výše popsanými zdroji záření, na které nebyl po staletí zvyklý. Odborníci tento termín neradi slyší (raději pouţívají termín znečišťování prostředí elektromagnetickým polem, analogicky jako světelné znečišťování). Občané ale chtějí vědět, co na ně působí, o jakou energii jde, co je ohroţuje a jak. Jedná se prakticky o stejný problém EMP, je však vztahován ke konkrétnímu ţivotnímu prostředí. O vlivu EMP na lidský organizmus je popsána celá řada článků v různě zaměřených časopisech a literaturách. Omezíme se v další části tohoto textu pouze na rozbor elektrotechnických vlastností magnetického pole, z hlediska znalosti fyzikální a biologické podstaty člověka, na jeho zdraví. Magnetické pole Protoţe permeabilita ţivé tkáně se prakticky neliší od permeability vakua, procházející magnetická pole tělem bez překáţky. Bezprostřední interakce s magnetickým polem můţe nastat tehdy, kdyby v těle existovaly trvalé magnetické domény takových rozměrů, aby poskytly interakční energii, která by byla větší ve srovnání s násobkem (k . T) (pro teplotu těla). Příklad: Kaţdá jednofotonová disociace by vyţadovala frekvence pole vyšší neţ 6 terahertzů. Například frekvence střídavého proudu ve vedeních přenášejících velké výkony je nejméně desetimiliardkrát menší neţ frekvence potřebná k jednofotonové disociaci nebo ionizaci takových molekul. Poznámka: Rayleigh vycházel z ekvipartičního teorému statistické fyziky (osvědčená výpočetní metoda), kde Energie E=k.T; k – Boltzmannova konstanta; T – absolutní teplota. Ale dokonce i v tomto případě by interakce byla významná především u ss polí. Viskózní tlumení v kapalné sloţce plazmové tkáně omezuje při rozměrech charakteristických pro buňku podstatně energii vazby pole oscilujícího s frekvencí 50 Hz s takovým magnetickým dipólem. Domény z magnetitu s permanentním magnetickým dipólem byly nalezeny v ţivých organismech, počínaje bakteriemi aţ po mořské ţivočichy a člověka. Je moţné, ţe stáčení těchto magnetických domén vyvolané magnetickým polem Země slouţí některým ţivočichům k navigaci. Jedna magnetická doména je zhruba 50 nm široká a její magnetický moment m má kolem 6.10-17 Am2. Interakční energie jedné izolované domény, např. takové, jaká byla nalezena v lidské nadledvince s polem rovným pouhé 1μT vychází (0,01 . k . T). Přímá interakce magnetického pole vytvořeného proudem ve vodiči a vedením přenášející vysoké výkony, by byly překryty tepelnými efekty.

141

Elektrické pole Charles Polk si všiml, ţe poměrné hodnoty vodivosti a permitivity biologických tkání vzhledem ke vzduchu jsou při frekvencích vyskytujících se např. při přenosu elektrického výkonu ve vodičích venkovního nebo i vnitřního rozvodu v domech takové, ţe vnější elektrické pole je v místě, kde vstupuje do těla, vţdy kolmé k jeho povrchu, a pole uvnitř těla Eint je vţdy o mnoho řádů menší neţ vnější pole ve vzduchu Evzd. Tento výsledek vychází z Maxwelových rovnic při započítání okrajových podmínek pro kolmou sloţku elektrického pole na rozhraní mezi vzduchem a tkání. Poloţíme-li

 int    int

   0  vzd

je

Eint  0   0,7  10 8 Evzd  vzd

(3-13)

Kruhová frekvence je ω (pro frekvenci 50 Hz), pro vnitřní vodivost elektrolytu lidské tkáně  int (uvnitř těla) byla vzata hodnota 0,5 S/m. Řešení odpovídá časovým změnám ustáleného stavu rozloţení povrchového náboje mezi vzduchem a tělem při síťové frekvenci. Vodivost a permitivita biologických materiálů se mění jen zanedbatelně v pásmu extrémně nízkých frekvencí (ELF) a předpoklady, z nichţ rovnice (3-13) vychází, jsou lépe splněny neţ 1:1000.

3.2.5 Faradayův zákon a uplatnění Lorentzovy síly v lidském organismu

   Efektivní elektrická pole uvnitř těla vyvolaná magnetickou silou F  Q  v xB působící na pohybující se náboj dává dobrou představu o velikosti tohoto vlivu. Např. krev, která proudí aortou při systole rychlostí zhruba 0,6 m/s. Magnetické pole s indukcí 1μT vyvolané střídavým proudem silnoproudého vedení by vytvořilo v proudící krvi elektrické pole s intenzitou kolem 0,6 μV/m. To je moţné srovnat s elektrickým polem vznikajícím v aortě působením zemského statického magnetického pole, které vychází kolem 27μT/m, tedy asi 45-krát vyšší. V extrémním případě magnet s indukcí 2 T pouţívaný v magnetickém rezonančním tomografu vytvoří v krvi proudící aortou elektrické pole kolem 1,2 V/m.

Faradayův zákon říká, ţe v uzavřené smyčce vzniká při změně magnetického toku elektromotorické napětí. Toto napětí se rovná časové derivaci magnetického toku smyčkou a proud, který ve smyčce působením tohoto napětí vzniká, vytváří nové magnetické pole, které působí proti změně původního pole. Vezmeme-li pro magnetický tok hodnotu   r 2  B , kde B  B0  sin 2ft , vidíme, ţe pole kolem kruhové smyčky s poloměrem r metrů je dáno výrazem

  dB Eint  0,5  r     r  f  B0  cos 2f  t dt 142

[V/m]

(3-14)

f - frekvence v Hz t - čas „s“ B0- max. hodnota magnetické indukce (T) J    E [A/m2]

Velikost elektrického proudu závisí na velikosti smyčky, ale co do významu je tento vliv srovnatelný s přímým působením vnějších elektrických polí. Působení na buněčnou membránu Vnitřní elektrické pole představované rovnicí (3-14) je zesílené, pokud působí na buněčnou membránu. Máme-li kulovou buňku s poloměrem r = 10μm a tloušťku membrány rovnou 5 nm. Protoţe typické hodnoty elektrické vodivosti membrány leţí v rozmezích od 10-5 do 10-7 S/m, je moţné membránu pokládat ve srovnání s tekutinou tkáně za izolátor. Řešení Laplaceovy rovnice pro tento limitní případ ukazuje, ţe pole v membráně bude mít hodnotu zhruba

E min  1,5  Eint

r



 3000  Eint

(3-15)

V tomto vzorci je zanedbána úhlová závislost pole. Při přímém působení elektrických polí extrémně nízkých frekvencí leţí celý spád napětí procházející buňkou na membráně a membrána stíní vnitřek buňky před působícím polem. Naproti tomu mají pole na nevodivých buněčných membránách vznikající přirozenými procesy v těle intenzity 10-7 V/m. Spád napětí na Purkyňových buňkách ve vláknech srdečního svalu je zhruba 0,09 V a typický pokles potenciálu vyskytujícího se elektrického pole E se přibližně rovná 10-7 V/m, tedy o šest aţ sedm řádů větší neţ v našich krajinách v nejméně příznivých případech. Pole v tkáni vyvolané teplem Existují přirozené zdroje elektrického šumu, které jsou neodstranitelné, nejdůleţitější z nich je známý tepelný šum, který byl objeven v Bellových laboratořícj J. B. Johnsonem. Tento šum vzniká na rezistoru v důsledku brownovského pohybu elektronů a iontů. Kvantitativní teorie tepelného šumu formuloval Harry Nyquist, kdyţ ukázal, ţe střední kvadratická hodnota indukovaného napětí na rezistoru R je v intervalu frekvencí s šířkou ∆f určena vztahem

(U i2 )  4  R  k  T  f 143

(3-16)

Tento výsledek je obecný – experimentálně potvrzen počínaje frekvencí od O Hz do centimetrových a milimetrových vln. Nyquist pak vztah upravil z hlediska neodstranitelných polí (šumů) v buňce, kde vzniká tzv. tepelný šum. Elektrické pole tepelného šumu pak vypočteme, kdyţ za R=ρld dosadíme do (3-16) dostaneme vztah 1

E kT

U  2     k  T  f  2  i     d d d   

(3-17)

d - uvažuje, že jde o rezistor jako krychle tkáně délky d (tloušťka membrány) umístěné mezi deskami kapacitoru l - vzdálenost desek kapacitoru ρ - měrný odpor tkáně Ke vztahu (3-17) připomeňme poznámku: - šířka frekvenčního pásma není přesně známa (za takových okolností kdy frekvenční pásmo je hodně malé, brát v úvahu jen indukované pole uvnitř frekvenčního pásma) - je potřebné srovnat vypočtené šumové pole podle vztahu (3-17) s polem indukovaným Faradayovým efektem ve smyčce s obvodem r Budeme-li pokládat tvar buňky za kulový, je elektrický odpor buňky dán vztahem

Rmem  r – poloměr buňky (10mm)



1



(bývá přibliţně 105 aţ 107 Ωm)

  5nm Rmem  0až 40M d – tloušťka membrány 144

 4r 2

(3-18)

Pro šířku frekvenčního pásma 100 Hz uvnitř membrány vychází EkT  208V / m Poznámka: a) Největší nepřesnost tohoto výsledku je způsobena tím, že není přesně znám elektrický odpor membrány. Ale v každém případě je vypočtená hodnota šumového pole 300krát větší než indukovaná pole odhadnutá pro nejméně příznivý případ působení vnějších magnetických polí. b) Pokud máme buňky seskupeny ve velkých buňečných skupinách, pak šum na membráně může být výrazně snížen prostřednictvím spojů mezi buňkami. Takové seskupení se vyskytují u buňek velkých orgánů jako je srdce, játra a další, ovšem nejsou u destiček v bílých krvinkách. Velikosti odporů ve spojích a výpočet šumového odporu, tím se zabývat nebudeme a ponecháme tuto okolnost ke hlubšímu studiu čtenáře.

3.2.6 Fyziologické účinky elektrického proudu na lidský organismus Elektřina je nebezpečná pro toho, kdo nezná její účinky a kdo nepodřídí manipulaci s ní příslušným fyzikálním zákonům. Účinky elektrického proudu na organismus závisí především na intenzitě proudu procházejícího tělem, na čase působení, frekvenci, případně na tvaru vlny. Velikost proudu, který prochází tělem, závisí na velikosti napětí, na odporu, který klade „překáţku“ protékajícímu proudu zasaţené části těla a na přechodovém odporu místa vstupu a místa výstupu proudu. Povrch těla kryje kůţe, pod ní je různě tlustá vrstva tukového maziva. Tuk je poměrně špatným vodičem elektrického proudu. Kůţe se skládá z vrchní rohové a vnitřní šťavnaté vrstvy. Rohová vrstva je velmi špatný vodič elektrického proudu, pokud je suchá. Šťavnatá vrstva je mnohem vodivější, jednak proto, ţe její buňky obsahují více vody a elektrolytů, jednat také proto, ţe mezi buňkami jsou štěrbiny naplněné tkáňovou tekutinou. Buněčné blány této vrstvy jsou málo propustné pro záporně nabité ionty (anionty). Na povrchu buněk se proto tvoří tzv. elektrické dvojvrstvy se zápornými náboji na vnitřní a kladnými náboji na vnější straně rozhraní. Tyto dvojvrstvy se chovají do jisté míry jako kondenzátory s kapacitou asi 10 aţ 20.10-9 F. U střídavého proudu nízkého kmitočtu se tato malá kapacita neuplatní, avšak u vysokých kmitočtů podstatně přispívá ke zvětšení vodivosti. Pravděpodobně skutečný odpor kůţe není větší neţ 20 000 Ω/cm2. Obecně platí pravidlo, ţe proud neprochází třemi orgány lidského těla, které obsahují nejvíce vody nebo jsou nejvíce prokrveny. Elektrický proud postupuje hlavně podél svalů a krevních cest. Celkový odpor lidského těla, na které působí malé napětí, které pokoţku nepoškodí, můţe být značně velký (104 aţ 105 Ω) a je přibliţně nepřímo úměrný ploše dotyku. Mimo to má na stav kůţe vliv momentální tělesný a psychický stav člověka. Všeobecně se odpor zmenšuje se zvyšujícím se napětím. Odpor lidského těla závisí značně na stavu vegetativní soustavy nervové, je velký ve spánku, menší při bdění. 145

Odpor vnitřního těla (svaly, klouby, krevní cesty) je od 500 do 1000 Ω, odpor pokoţky v místě dotyku je velmi proměnlivý a závisí na stavu pokoţky a plochy dotyku. Průměr odporu těla v závislosti na dotykovém napětí v obvodu ruka-noha podle Freibergra je na obr. 3.4

Obr. 3.4: Odpor těla v závislosti na dotykovém napětí S rostoucím napětím odpor těla klesá. Z křivek na obr. 3.4, je zřejmé, ţe při napětí do 50 V v suchém prostředí a při lehkém dotyku je moţno počítat s odporem těla cca. kolem 5000 Ω. Za nepříznivých okolností můţe klesnout odpor těla při tomto napětí zhruba na 2000 Ω. Při napětí nad 50 V se začne vrstva pokoţky proráţet a při napětích vyšších neţ 200 V bývá uţ tak poškozená, ţe je třeba za nepříznivých okolností počítat s odporem asi kolem 1000 Ω. Jestliţe nastane dokonalý průraz pokoţky, přichází v úvahu jiţ jen vnitřní odpor těla, který je u všech osob přibliţně stejný. Impedance těla nemá čistě ohmický charakter, ale i určitou kapacitní sloţku. Odpor vnitřního těla je moţno rozdělit na části, jak je patrné na obr. 3.5. Model znázorňuje jen přibliţné rozdělení odporů, protoţe měření byla provedena proudem několik mA, nehledě k tomu, ţe značný význam zde má i rozdílná tělesná stavba kaţdého jedince. Velký vliv má zdravotní stav člověka.

Obr. 3.5: Rozdělení odporu těla v jeho částech mezi ruka-noha 146

Stejnosměrný proud má velký význam v elektrolytickém účinku. V elektrolytech je přenos elektrických nábojů uskutečněn pomocí iontů. V okolí kladného pólu se hromadí převáţně kyselé látky a dochází tu spíše k odvodňování, v blízkosti záporné elektrody se naopak soustřeďují zásadité látky a dochází k bobtnání tkání. Větší elektrochemické změny mohou podráţdit i pohybové nervy a způsobí křečovité staţení svalů. Při velkých proudech se zastavuje ţivotní činnost buňek. Stejnosměrné proudy do 3 mA nevyvolávají obvykle vůbec ţádný pocit. V rozmezí 5 aţ 10 mA dochází ke svědění a začíná se pociťovat teplo. Při 20 aţ 25 mA začíná stahování svalů na rukou. Mezí křečovitého proudu je u stejnosměrného proudu asi 60 mA (šestkrát větší proud neţ u střídavého 50 Hz). Při větším proudu dochází k bolestivým křečím ve svalech a prochází-li proud hrudníkem, nastává silný stah dýchacího svalstva. Při proudech 80 aţ 100 mA je dýchání téměř znemoţněno. Při průchodu proudu hlavou dojde k selhání k ţivotu nezbytných mozkových center pro regulaci srdeční činnosti, dechu, periferního krevního oběhu atd. a tím k úmrtí. Další účinek je tepelný. Nejvíce se zahřívají části, kde je největší hustota proudu, na př. v úzké dolní části bérce nad kotníkem apod. Předpokládáme-li odpor 500 aţ 1000 Ω, přemění se v teplo při průchodu stejnosměrného proudu 50 mA výkon 1,25 aţ 2,5 W, coţ způsobí jen nepatrné zahřátí. Střídavý sinusový proud má význam hlavně při jeho účinku na nervy a svaly: - Zvyšujeme-li kmitočet proudu, zvětšuje se i rychlost proudové změny a podle Du Boisova-Reymondova pravidla se zvětšuje i dráţdivý účinek - Zvyšujeme-li kmitočet dále, zmenšuje se elektrochemická práce připadající na dobu jedné poloviny kmitu (přemístí se méně iontů) aţ do té míry, ţe proud nemůţe vyvolat poškození tkáně. Při nejnovějších výzkumech fyziologických účinků se uplatňuje názor, ţe v okolí střídavého sinusového proudu 0,3 mA leţí práh vnímání, asi u 0,5% osob. Proudy 0,8 aţ 8 mA vyvolávají podráţdění v nervech. Při proudech 6 aţ 15 mA nastává stahování svalů paţe, které můţe dospět aţ ke stavu tetanické křeče. V tomto rozmezí proudů leţí pro převáţnou většinu lidí mezní proud, který ještě umoţňuje pustit se nebo odtrhnout se od částí pod napětím. Dalzier nazval tento proud „let-go“ a z pokusů při kmitočtu 60 Hz zjistil, ţe pro 99,5% muţů je menší neţ 9 mA, u ţen 6 mA. Podle Kelnara je při kmitočtu 50 Hz tento proud u muţů 7 mA, u ţen 5 mA. Proud „let-go“ je v podstatě prahový křečový proud. Ţeny a děti jsou citlivější neţ muţi. Označíme-li bezpečnost proudu pro muţe indexem 100, lze podle Dalziera uvaţovat pro ţeny index 66, pro děti index 55. Nebezpečné mohou být i sekundární účinky proudu, i kdyţ jde o proudy malé, protoţe zde hraje úloha momentu úleku. 147

Střídavý proud je zvláště nebezpečný v rozmezí kmitočtů 40 aţ 60 Hz. V odborné literatuře se uvádí, ţe jsou rovněţ nebezpečné proudy s kmitočtem 200 aţ 500 Hz. Zmenšení biologických vlivů se začíná projevovat teprve u proudů s kmitočty nad 100 Hz a k pronikavému zmenšení těchto vlivů dochází při kmitočtech nad 10 000 Hz, kdy riziko fibrilací je malé. Na obr.3.6 jsou křivky snesitelnosti elektrického proudu pro muţe, kde křivka 1 je snesitelnost pro 0,5 % muţů, křivka 2 snesitelnost pro 99,5 % muţů. Nebezpečí zcela přestává aţ u proudů s kmitočty 10 000 aţ 100 000 Hz.

Obr. 3.6:Křivky snesitelnosti el.proudu pro muţe Účinky střídavého proudu bývá ohroţeno srdce. Srdce je nejcitlivější na průchod elektrického proudu v poslední fázi systoly (končí vypuzování krve z levé srdeční komory). Je-li v této fázi srdce zasaţeno elektrickým proudem, můţe nastat jiţ zmíněná fibrilace srdečních komor. Fibrilace (fibrilace komor je smrtelně nebezpečná porucha srdečního rytmu, která vyţaduje neodkladné řešení) je srdeční stav, kdy jednotlivé úseky srdečního svalu se rozpínají a smršťují nezávisle na sobě, srdce však jako celek nepracuje, nepumpuje krev do cév, nastává hypoxie (stav, kdy je nedostatek kyslíku v tkáních). Většinou elektrický proud prochází déle neţ po dobu jednoho srdečního cyklu, musí se tedy vţdy setkat s citlivou fází srdeční činnosti. Tato citlivá fáze se na elektrokardiogramu označuje písmenem T a u člověka trvá asi 0,15 aţ 0,2 sec. Trvá-li však působení elektrického proudu déle neţ jednu srdeční periodu, u člověka po dobu 0,75 aţ 0,8 sec, zasáhne se fáze T ještě jednou. Při opětovném zasaţení fáze T srdeční činnosti, intenzita proudu, nutná k vyvolání fibrilace komor je podstatně menší. Chvění komor lze vyvolat jiţ při elektrických proudech kolem 100 mA. Z toho vyplývá, ţe dotyk trvající déle neţ 0,8 sec je nebezpečný i u nízkého napětí. Ch. F. Dalziel zhodnotil statisticky výsledky prováděných pokusů a došel k závěru, ţe pravděpodobnost vzniku srdečních fibrilací je při tzv. energetickém kriteriu

I 2  t  0,027

148

[A2.s]

(3-19)

Podle jiných pramenů se také uvádí, ţe na 99,5% nenastane ochrnutí srdeční činnosti, jestliţe proud procházející tělem splňuje rovnici

It 

0,165 t

[A; s]

(3-20)

I – efektivní hodnota proudu tělem t – čas působení proudu 0,165 – empirická konstanta Uvedená rovnice platí v časovém intervalu 0,03  t  3s , její grafické znázornění je na obr.3.7

Obr. 3.7: Grafické vyjádření rovnice (3-15) Z obrázku je patrné jak velký má význam rychle působících ochran z hlediska bezpečnosti před úrazem elektrickým proudem. Z hlediska působení proudu procházejícího tělem je nejnebezpečnější proud procházející přes srdce, mozek a míchu. Proud procházející mezi dvěma nohami je mnohem méně nebezpečný, neţ směrem ruka-noha nebo ruka-ruka. Zkušenosti potvrzují, ţe jestliţe vyšší proudy působí krátký čas, nemusí vţdy přivodit smrt, ale způsobí těţké popáleniny s trvalými následky. Proud procházející tělem můţeme vypočítat podle Ohmova zákona I=U/R. Jestliţe uvaţujeme odpor těla 2200Ω, dostaneme při 230 V proud procházející tělem 0,1 A, při němţ zpravidla nastává smrt, hlavně působí-li delší čas. Proto se v některých případech napětí sniţuje a v prostředích se zvýšeným nebezpečím úrazu elektřinou (vlhko, mokro, atd.) se vyuţívají zařízení na malá (bezpečná) napětí.

149

Neurovegetativní činnost zdravého člověka se řídí chemicko-elektrickými pochody. Nejdůleţitější orgán člověka – srdce a jeho činnost se řídí bioelektrickými pochody. Biopotenciály v ţivém organismu dosahují velmi malé hodnoty řádově kolem 1 mV. Příčinou smrti při úrazu elektřinou bývá nejčastěji: -

-

Křečovité staţení srdečního svalu nebo svalů hrudníku (plic) spojené se ztrátou vědomí, při němţ nastává zadušení, Fibrilace srdečních komor, kterou způsobuje jen střídavý proud průmyslové frekvence; místo pravidelného smršťování srdečního svalu nastane nepravidelné chvění s hmatatelným pulsem, které postupně slábne, aţ se úplně přeruší; někdy je moţná záchrana včasným poskytnutím vnější masáţe srdce se současným poskytováním umělého dýchání, defibrilaci a vnitřní masáţi srdce po chirurgickém zákroku, Popáleniny vysokého stupně a ve velkém rozsahu, které mohou být při stejnosměrném proudu spojené s elektrolytickými účinky (rozkladem krve).

3.2.7 Elektromagnetické záření v pásmu vf a vvf a jeho vliv na lidský organismus Rozvoj techniky způsobil, ţe v posledních dvou stoletích se objevily nejrůznější zdroje umělého záření a ty ve svém souhrnu převyšují hodnoty, které kaţdý člověk dostává od přírody. Jakmile si odborníci uvědomili existenci těchto nových moţných rizik, začali je zkoumat a na základě získaných výsledků určovali maximální přípustné dávky záření. Dnes jsou poměrně dobře známy přípustné dávky ionizujícího záření, tedy radioaktivity, umíme se chránit a umíme je měřit. Skupina vědců se pustila také do studia případných vlivů dlouhodobého působení malých dávek neionizujícího záření, jehoţ zdrojem jsou vysílače, radary, počítače, magnetogrily, infrazářiče, sušičky, lékařské přístroje a další elektronické stroje a zařízení. Podobná situace nastává od technického zařízení budov, které svým komplexním významem ovlivňuje celou řadu uţitných hodnot bydlení, o kterých budeme hovořit dále. Zejména se tato záleţitost objevuje při řešení a projektování inteligentních budov. Souhrn těchto zařízení produkuje tzv. „elektromagnetický smog“. Vliv různých zařízení na ţivé organismy není ještě příliš probádaný, proto se v tomto textu budeme zabývat zářením v pásmu vf a vvf, jehoţ vliv na člověka je jiţ více nebo méně prozkoumaný. Jako vf označujeme frekvence oblasti 30 kH aţ 300 MHz, čemuţ odpovídá délka vlny řádově „km“ aţ „m“. Jako vvf se označuje frekvenční oblast 300 MHz aţ 3000 GHz, čemuţ odpovídá délka vlny aţ desetiny „mm“. V důsledku nadměrné expozice elektromagnetickým zářením nastává v organismu celá řada změn, které mohou být přechodného nebo trvalého rázu. Podstatou biologických účinků elektromagnetických vln je absorpce podstatné části energie těchto vln ozářenými 150

tkanivy. Při těchto dějích se v závislosti na druhu ozářeného tkaniva mohou v ozářeném organismu uplatnit účinky v podstatě dvojího druhu: termické a atermické. Termické účinky vznikají v důsledku nadměrné produkce tepla v ozářené části organismu. Jestliţe se absorbovanou energií uvolní radikály z důleţitých sloučenin, přivodí to celou řadu závaţných biochemických změn atermického rázu, které mohou mít významnou úlohu v dalším rozvoji případných chorobných změn. Termický účinek elektromagnetického záření vf a vvf se dostaví, jestliţe výkonová hustota přesahuje 10 mW/cm2. Projeví se to přehřátím ozářené části organismu, tzv. hypertermií. Pokud dojde k jednorázovému rozsáhlejšímu ozáření výkonovou hustotou kolem 100 mW/cm 2, vznikne celková hypertemie, která můţe končit smrtí. Při jednorázovém ozáření hlavy výkonovou hustotou 10mW/cm2 a více vznikne hypertemie mozku s váţnými následky (otok cévní stěny a mnoho drobných krvácení do mozku). Kromě poškození mozku můţe vzniknout i poškození zrakového orgánu, coţ se projevuje kromě zánětu spojivek, který má jen přechodný ráz, i trvalým zákalem oční čočky. Obdobné cévní změny mohou nastat po ozáření uvedenou výkonovou hustotou v kterémkoliv orgánu, hlavně má-li bohaté cévní zásobování, jako je to např. v játrech a pohlavních orgánech. V profesionálních podmínkách jsou pracující exponovaní obvykle opakovanou malou intenzitou elektromagnetického záření. Za těchto podmínek se hypertemie organismu jiţ neobjevuje, vznikne však celá řada tzv. atermických účinků, které se dostaví tehdy, kdyţ se soustavně překročují maximální přípustné expozice. Projeví se obvykle aţ po několikaleté expozici. Nadměrná chronická expozice elektromagnetickým zářením se projevuje narušením funkcí nervového systému, poškozením zrakového orgánu, poruchami srdečně-cévního systému, narušením funkcí výměny látkové, narušením funkcí pohlavních orgánů, případně narušením funkcí dalších orgánů. Chronická profesionální expozice s výkonovou hustotou v desetinách mW/cm2 můţe jiţ vyvolat funkční změny nervového systému, projevující se především nervozitou, poruchami spánku apod. Aby pracovní prostředí nemělo charakter rizikového pracoviště ze stránky ozáření elektromagnetických vln, nesmí se překračovat průměrné denní, případně směnové hodnoty ozáření podle úprav hlavního hygienika. Výpočet ozáření  se provádí podle těchto vztahů: a) V oblasti vf:   E  t , kde E je intenzita pole [V/m], t – je čas působení pole [ h] b) V oblasti vvf:   N  t , kde N je výkonová hustota [μW/cm2], t – je čas působení pole [ h]. Maximální přípustné průměrné denní, případně směnové hodnoty ozáření pro obsluhující personál jsou: 151

a) b) c) d)

V pásmu vf 30 kHz aţ 30 MHz   400 V pásmu vf 30 MHz aţ 300 MHz   80 V pásmu vvf pro nepulsní provoz   200 V pásmu vvf pro pulsní provoz   80

3.2.7.1 Vliv mobilních telefonů na lidské zdraví Mobilní digitální telefony představují v posledním desetiletí rychlý rozvoj nových komunikačních technik, ovšem s jejich zaváděním bylo poukazováno na jejich nepříznivé ovlivňování lidského organismu. V souvislosti s tím vypracovala společnost Energy Biotechnology, patřící do skupiny Energy Group, a.s., jiţ v roce 2001 odbornou studii s cílem objektivně posoudit moţné vlivy mobilů a vytvořit moţnosti případné prevence. Pouţívání mobilních telefonů je spojeno s různými poruchami souvisejícími s činností mozku (bolesti hlavy, poruchy spánku, soustředění apod.), genotoxickými efekty a dokonce s moţností vzniku rakoviny. Rozhodně za prokázaný vliv lze povaţovat zjištění sníţení pozornosti řidičů automobilů při telefonování, které není dáno pouze odváděním pozornosti, ale určitými zcela konkrétními vlivy na mozek řidiče. Je nutné poznamenat, ţe výše uvedená rizika jsou velmi negativní, ovšem na druhou stranu konečné závěry výzkumu jednoznačně neobjasnily mechanismy moţných biologických účinků mobilních telefonů. Současné vědecké zkoumání volá po věrohodném posouzení rizik včetně studií mezinárodně koordinovaného výzkumu. Snahou tohoto článku – kapitoly není kritika pouţívání mobilních telefonů, neboť tento způsob komunikace je tak rozsáhlý, ţe snad ani není moţné jej omezit, dokonce zavádění nových mobilních telefonů má stoupající tendenci, kterou lze pouze podpořit. Přesto se domníváme, ţe určité preventivní kroky, vedoucí ke sníţení potenciálního nebezpečí při pouţívání mobilních telefonů, by sice nebylo marketinkově přínosné a efektivní, ale dokázaly by teoreticky předejít moţným budoucím komplikacím, jejichţ rozměry lze v současné době těţko definovat. Většina negativních účinků mobilních telefonů je spojena s vlivem jejich vysokofrekvenčního vyzařování. Sice konkrétní účinky na zdraví člověka prozatím nebyly prokázány, ovšem z fyzikální podstaty elektromagnetického záření plyne, ţe interakcí s tkáňovými tekutinami mohou vznikat látky, nazývané volné radikály. Takto vytvořené volné radikály mohou být pro organismus člověka nebezpečné, poškozují buněčné struktury jednotlivých orgánů, mohou rovněţ napadat a pozměňovat deoxyribonukleovou kyselinu v jádru buňek, která je nositelem dědičnosti. Jednou z doposud otevřených otázek je, zda amplitudově modulované vysokofrekvenční signály z digitálních telefonů vykazují specifické biologické účinky, odlišné od účinků nemodulovaného vysokofrekvenčního záření. Výsledky, které jsou v současné době k dispozici, nepotvrzují existenci dobře definovaných účinků, spojených s vystavením amplitudově modulovanému vysokofrekvenčnímu záření. Biologické účinky amplitudově modulovaných (AM) vysokofrekvenčních signálů jsou předmětem mnoha 152

diskusí, naznačujících, ţe slabé vysokofrekvenční záření, pokud je amplitudově modulováno nízkou frekvencí, můţe mít specifické účinky odlišné od termálních účinků, vyvolaných silnou vysokofrekvenční energií. Některé z nových osobních komunikačních systémů emituje AM vysokofrekvenční elektromagnetické pole. Protoţe modulační kmitočty jsou extrémně nízké (extremely lowfrequency, ELF) tj. 0 aţ 300 Hz, byla vyslovena domněnka, ţe tato modulovaná pole mohou mít účinky podobné údajným karcinogenním nebo jiným zdravotním účinkům ELF magnetických polí, jeţ jsou emitována například silnoproudým elektrickým vedením. Ačkoliv hladiny průměrné expozice celého těla, působené těmito přístroji, jsou velmi nízké, lokální maxima absorpce energie se mohou blíţit expozičním limitům. Jestliţe existují nějak specifické účinky modulovaného vysokofrekvenčního záření, je důleţité se pokusit identifikovat modulační kmitočty, nosné kmitočty a další expoziční parametry, mající biologický účinek, i ty, které jej nemají. Vysokofrekvenční záření: Vysokofrekvenční elektromagnetická pole jsou součástí elektromagnetického spektra viz. tab. 7. Tab.7: Elektromagnetické spektrum Kmitočet, f

Vlnová délka, λ

Ionizující záření

>3000 THz

<100nm

Ultrafialové záření

3000 – 750 THz

100 – 400 nm

Viditelné světlo

750 – 400 THz

400 – 700 nm

Infračervené záření

400 – 0,3 THz

700 nm – 1mm

Vysokofrekvenční záření

300 GHz – 100 kHz

1mm – 3 km

Mikrovlnné záření

300 – 0,3 GHz

1 – 1000 mm

Elektromagnetické pole s velmi nízkou frekvencí (VLF)

100 – 0,3 kHz

3 – 1000 km

Elektromagnetické pole s extrémně nízkou frekvencí (ELF)

<300 Hz

>1000 km

Mikrovlny jsou částí vysokofrekvenčního pásma. Hranice mezi vysokofrekvenčním a infračerveným zářením je normálně definována při 300 GHz, coţ odpovídá délce vlny 153

1 mm (vztah mezi kmitočtem a vlnovou délkou je: f  3 

180

; Hz,m). Některými  organizacemi je definována i niţší frekvenční mez. V tomto přehledu se za vysokofrekvenční kmitočty povaţují kmitočty nad 100 kHz. V přísně fyzikálním smyslu lze vysokofrekvenční elektromagnetické pole nazvat vysokofrekvenčním zářením pouze pro vzdálená pole (tj. dostatečně vzdálená od zdroje); normálně to znamená ve vzdálenosti rovné alespoň délce jedné vlny. V nefyzikálním jazyce, například v zákonodárství, jsou všechny formy elektromagnetického pole nazývány zářením, i kdyţ nesplňují fyzikální kriteria elektromagnetického záření. Vedle amplitudové a frekvenční modulace existuje určitý druh amplitudové modulace, která se nazývá pulsní modulace. Pulsně modulované (PM) záření s velmi vysokou intenzitou a krátkými pulsy je emitováno radarem. Pulsní modulace je rovněţ pouţívána v mobilních telefonech, jako je evropský GSM systém a severoamerický systém DAMPS. Frekvence pulsů je u GSM 217 Hz a u DANPS 50 Hz. Naproti tomu analogové mobilní telefony jsou zaloţeny na kmitočtově modulovaných (FM) signálech. Termální, atermální a netermální účinky Absorbovaná vysokofrekvenční energie je převáděna v tkáních na teplo. Pokud je tepelné zatíţení takové, ţe se vnitřní teplota organismu vzhledem k její normální hodnotě zvyšuje, dochází k „termálním“ účinkům. Jestliţe je termoregulační systém schopen udrţet teplotu organismu v normálních mezích, „atermální“ (nebo isotermální) účinky se mohou spojovat s chronickým stresem. Konečně je-li tepelné zatíţení natolik nízké, ţe nespustí termoregulaci, můţe docházet k „specifickým“ nebo „netermálním“ účinkům prostřednictvím jiných mechanismů, neţ je makroskopické zahřívání tkání. Některé z biologických účinků pulsního pole, které nezapříčiňují celkový ohřev nebo nespouštějí termoregulaci, mohou být nicméně způsobeny lokální tvorbou tepla. Dobrým příkladem je sluchové vnímání mikrovlnných pulsů. Tento obecně přijímaný a fyzikálně dobře prostudovaný jev je zaloţen na termoakustické expansi, zvukových vlnách tvořených absorpcí výkonových špiček mikrovlnných pulsů. Sluchové vnímání mikrovlnných pulsů můţe být rovněţ příčinou změn chování laboratorních zvířat. Dobře zjištěné specifické účinky AM vysokofrekvenčního záření tedy existují. Ovšem výsledky zaloţené na termoakustické expansi nejsou v tomto přehledu zahrnuty; namísto toho se přehled zaměřuje na popsané účinky, které mohou být „netermální“, zaloţené na jiných efektech neţ je ohřev tkáně. Mnoţství tepelné energie absorbované jednotkou hmoty (W/kg) je vyjádřeno veličinou nazývanou specifická absorpční rychlost (SAR). Doporučuje se, aby hodnota SAR pro celé tělo, vztahující se k exposici člověka vysokofrekvenčním zářením byla menší neţ 0,4 W/kg. Průměrná hodnota SAR u uţivatelů mobilních telefonů je řádově pod tímto limitem, ale lokální maximum v hlavě můţe být vyšší neţ 1 W/kg při přepočtu na velmi malý objem 154

tkáně. Tato hodnota není daleko od limitů 1,6 W/kg nebo 2 W/kg doporučovaných pro lokální exposici.

3.3 Baubiologie (stavební biologie) Je definována jako věda o komplexních vztazích mezi člověkem, jeho obydlím a okolím. Baubiologie = bau – stavba, dům; bios – tvořivá a životní síla; logos – slovo, myšlení, pojem, zákon. Patří do vědního oboru pozemního stavitelství, který zkoumá vnitřní ţivotní prostředí budov ve vazbě na člověka, který tam stráví 90% ţivota. V širším slova smyslu hoříme o oboru, který usiluje o poznání „organismu“stavby, respektive jeho přirozených zákonitostech a jeho zdraví, přičemţ se snaţí všechny ověřené závěry efektivně uplatňovat v praxi. Pokud však člověk není v centru zájmu a chybí-li správný přístup k uspokojování bytových potřeb, stává se výstavba nezodpovědnou a bezduchou. Je tedy nutné, aby architekt (projektant) zahrnul člověka do svého zorného úhlu, a to nejenom na fyzické úrovni, ale i duševní, respektive duchovní. Architektura má tedy za úkol přivést nás nejenom ke vnímání harmonie mezi námi a okolím, ale i k harmonii v nás samotných. Přirozené a zdravé stavění se aplikovalo u nás z materiálů (kámen, pálené a nepálené cihly, dřevo, sláma, přírodních barev atd.), to bylo zajímavé a chvályhodné, ale s rostoucí průmyslovou výrobou se začalo pouţívat stále více umělých materiálů. U mnoha z nich dosud nevíme, jaký je jejich vliv na zdraví člověka z dlouholetého hlediska. U některých to dokonce víme, ale stále nás nic neodrazuje je vyuţívat. Jsou to např. jedovaté plyny (formaldehyd, chlór, oxid dusíku aj.), rozpouštědla, těţké kovy (olovo, kadmium), biocidy (pesticidy, insekticidy) a další. Při výstavbě domů a sídlišť je důleţité nejenom stavět podle obecně platných kriterií, ale také brát v úvahu další faktory, které člověka a jeho okolí značně ovlivňují. Profesor Anton Schneider z Institutu pro baubiologii a ekologii stanovil 25 směrnic - principů pro zdravé bydlení: (stavební pozemek bez tektonických poruch a anomálií; umístění obytných domů mimo industriální centra a ulice hlavních dopravních tahů; decentralizace výstavby domů na prozelenaných sídlištích, individuální výstavba domů a sídlišť, podporující člověka, rodinu a vytváření společenství; pouţívání přírodních a ekologických stavebních materiálů (bez škodlivých přísad); prodyšnost vnitřních stěn domu (difúzně otevřené); regulace vlhkosti uvnitř domu (pomocí hydroskopických stavebních materiálů); filtrace a neutralizace škodlivých látek ve vzduchu pomocí sorpčních vlastností stavebních materiálů (schopných přijímat, ukládat a uvolňovat páru, plyny a prach); vhodná míra tepelné akumulace a izolace; optimální teplota vzduchu a stěn v místnostech; vytápění s vysokým podílem sálavé sloţky při maximálním vyuţití sluneční energie; nízká a rychle odcházející vlhkost v novostavbách; absence zápachu (resp. Příjemné vůně, bez vylučování toxických látek); přirozené denní a umělé osvětlení, kvalitní využívání barev; dostatečná ochrana proti hluku a vibracím; stavební materiály bez radioaktivního vyzařování; přirozený elektrický náboj a fyziologicky příznivá ionizace vzduchu v obytných prostorách; přirozené magnetické pole Země (geomagnetické pole); 155

omezení umělých elektromagnetických polí; zachování přirozených elektromagnetických polí; používání fyziologických poznatků k tvorbě interiérů a zařízení; vytváření harmonických poměrů, proporcí a forem; nepoškozování životního prostředí a nízké energetické náklady (při výrobě a likvidaci); vyvarování se nehospodárného rabování surovin; respektování přirozených sociálních struktur). Stavební biologie patří do oblasti zájmů zdravých nízkoenergetických domů. Sem patří také komplexní studie a projekty, projekty interiérů obytných a kancelářských prostor, výběr zdravotně nezávadných stavebních materiálů, geometrie a feng shui. Takové projekty musí být konzultovány interdisciplinárně, tzn. za účasti architekta, projektanta stavebních konstrukcí, technologa pro návrh vyuţívání nejvhodnějších stavebních materiálů, specialisty na jednotlivé oblasti TZB a specialisty na měření elektromagnetického záření včetně odborníků z oblasti stavební kybernetiky a elektrotechniky, lékaře a zástupce zákazníka.

3.3.1 Vliv elektromagnetických polí na prostředí domu – bytu V přírodě vznikají střídavá elektrická pole především působením blesků, to znamená zánikem elektrostatických polí v atmosféře. Na celém světě lze úhrnem pozorovat aţ 2000 blesků za minutu. Impulsní pole přicházející s kaţdým bleskem (sferics) – (radio chemické signály, širokopásmové připojení elektromagnetického impulsu, který se vyskytuje v důsledku přírodních atmosférických blesků. Sferics se mohou mnoţit od bleskového zdroje bez významnějšího útlumu k Zemi a mohou být přijímány tisíce kilometrů od zdroje) se spojují do střídavého elektrického pole obepínajícího celý svět. Toto pole má základní kmitočet od 7,5 do 10 Hz a intenzitu 3 mV/m (Schuhmannovy vlny). Všude, kde se přenáší střídavý proud (ELF) a jsou poloţeny dimenzované kabely, vznikají střídavá elektrická pole. V domech (bytech) lze střídavé elektrické pole naměřit v blízkosti elektrického rozvodu (elektroinstalace) a připojených přístrojů, nezávisle na tom, zda proud protéká nebo ne. Střídavá elektrická pole v domech jsou vytvářena výhradně elektroinstalacemi a elektrickými spotřebiči (230 V, 400 V; kmitočtu 50 Hz). Intenzita pole v okolí spotřebiče a rozvodu závisí na vzdálenosti od tělesa a na uspořádání částí přivádějících napětí. Například ve vzdálenosti 0,5 m od ţárovky 75 W naměříme intenzitu elektrického pole 4 V/m, v blízkosti zářivky 100 V/m a přímo na vyhřívané podloţce 7000 V/m. Malé spotřebiče s komutátorovým motorkem (fény, vrtačka, mixéry, pohon ţaluzií atd.) vytvářejí intenzitu mezi 10 aţ 20 V/m, ale s kmitočtem 10 aţ 20 kHz. Nachází-li se člověk ve střídavém elektrickém poli, je povrch těla nabíjen v rytmu pole. Vlivem stálého přítoku a odtoku náboje prochází tělem nepatrný, ale měřitelný střídavý proud, aniţ by docházelo ke kontaktu s vodičem pod napětím. To je účinek elektromagnetické indukce, která byla podrobně popisována v předchozích kapitolách. Výsledný indukovaný proud v těle člověka je tím větší, čím vyšší je kmitočet střídavého 156

pole. Střídavá magnetická pole mají stejné vlastnosti jako stejnosměrná magnetická pole – pronikají téměř všemi materiály s výjimkou speciálních kovových slitin nebo velmi silných ţelezobetonových stavebních částí. Intenzita střídavého magnetického pole kolem jednotlivého vodiče (kabel) je v podstatě menší neţ magnetické pole kolem přístrojů, které mají transformátor nebo motor s mnoha vinutími (cívkami), jak jsme popsali u toroidy. V bytě, ale i v kancelářích a dalších bytových či nebytových prostorách vznikají střídavá magnetická pole především v blízkosti elektrospotřebičů, kdyţ jsou momentálně pouţívány, nebo u elektrických rozvodů velmi hustě instalovaných ve ţlabech, lávkách, roštech apod. To znamená, ţe uspořádání silových rozvodů rozhodující mírou ovlivňují rozdělení a intenzitu střídavého magnetického pole v prostoru uţívání místností. Kabelový rozvod ve formě paralelně vedených ţil instalovaný v budově je obklopen soustředěným relativně rozsáhlým magnetickým polem (máme na mysli, ţe se jedná vţdy o soustavu rozvodu s fázovými a ochrannými vodiči ve svazku). Pak opačná střídavá magnetická pole obou ţil se navzájem ruší (samozřejmě musíme vţdy při instalaci brát v úvahu fyzikální systém průtoku elektrického proudu ve vodiči). Zkroucením ţil do sebe se tento jev můţe ještě stupňovat. Při volbě místa pro instalaci elektropřístrojů je potřebné si uvědomit, ţe magnetické pole se zdmi místnosti nezadrţí, nýbrţ jimi bez oslabení pronikají. Některé studie, jak byly v předcházejících kapitolách zmíněny, ukázaly, ţe moţnost rizika vzniku nádorového onemocnění jiţ u velmi malých střídavých magnetických polí, jaká mohou vzniknout v elektroinstalaci mnoha domů, je teoreticky prokázána. Ovšem je nutné tuto prokazatelnost metodologicky a vědecky podloţit, ne jen podávat nevyváţené různorodé výzkumné závěry. Například u jedné švédské studie bylo uvedeno, ţe u střídavého magnetického pole o velikosti 150 nT je riziko leukémie dvakrát vyšší neţ obvykle. 100 nT představuje tisícinu hodnoty, kterou pro střídavé magnetické pole připouští Světová zdravotnická organizace.

3.3.2 Účinky vysokofrekvenčního elektromagnetického pole (ELF, ELM) Radiové a televizní vysílače, směrové spoje, radarová zařízení a vysokofrekvenční (vf) průmyslové přístroje vytvářejí široké spektrum záření s mnohdy značnou intenzitou. Vysokofrekvenční zařízení proniká normálními stavebními materiály, kromě kovu a ţelezobetonu. Proto můţeme uvnitř domu přijímat radiové a televizní signály. Jestliţe vf zařízení pronikne do nějakého předmětu nebo do lidského těla, část energie záření je absorbována a přeměněna v teplo, zahřeje se tkáň obsahující vodu. Vf záření při určitých frekvencích můţe podnítit změnu ve struktuře molekul, coţ i bez zřejmého tepelného účinku má biologické následky. Například u vf záření při vlnové délce od 2 do 70 cm jsou biologické účinky zvláště účinné, mohou nastat změny vlastností a funkce biomolekul. Dále škodlivost mikrovlnných trub je dvojího druhu: na lidské tělo působí z vnějšku tzv. „únikové záření“ trouby a uvnitř zkonzumované ohřáté jídlo, jehoţ struktura je vlivem pohlcených kmitů přinejmenším po určitou dobu změněna. Provedené pokusy prokázaly, ţe při hustotě výkonu 10-7 mW/cm2 dochází ke změnám toku iontů vápníku 157

v mozkové buňce. Tyto ionty hrají klíčovou roli v řízení elektrických impulsů na membráně nervových buňek (buněčná membrána – filtrační funkce buněčných stěn) a rovněţ při tvorbě anorganické kostní hmoty. Změny metabolismu vápníku proto mohou být příčinou nejrůznějších poruch, například oslabení imunitního systému, změn hladiny melatoninu a tvorby tuku. Melatonin je důleţitý hormon, který je produkován epifýzou (návěskem mozkovým – část mezimozku). Hladiny melatoninu jsou silně závislé na střídání světla a tmy. Jeho produkce je největší právě během tmy (tedy jde o snahu co nejvíce spát). Melatonin se podílí na regulaci celoročního rytmu, tj. střídání období léta a zimy. Právě např. schopnost tvorby melatoninu se s narůstajícím věkem postupně zmenšuje. To má za následek zvýšenou nespavost. Právě sniţování hladiny melatoninu například u pracovníků na nočních směnách, nebo od vlivu vf záření, pravděpodobně dochází ke zvýšenému výskytu určitých druhů nádorů. Jeho dostatečná úroveň tvorby zpomaluje růst nádorů, jako v případě rakoviny prsu, prostaty nebo varlat. Bylo prokázáno, ţe pod vlivem elektromagnetických polí je normálně pozorovaný noční vzestup produkce melatoninu potlačen, respektive oslaben. Pro hodnocení biologické účinnosti vf polí je vedle výše zmíněné intenzity nebo hustoty toku výkonu důleţitá i další charakteristická fyzikální veličina, a to specifický absorpční koeficient (SAR), ale o tom uţ byla v předchozích částech zmínka, viz obr. 3.1. Hodnota SAR udává, kolik vf energie můţe být v organismu absorbováno a přeměněno v teplo. Při tom se nerozlišuje mezi dětmi a dospělými, takţe pro obě skupiny platí stejná zátěţ.

3.3.3 Ochrana před účinky vf magnetickými poli v budovách Vysokofrekvenční záření je moţné relativně dobře omezit, utlumit a odstínit pomocí elektricky vodivého opláštění (kovová tkanina, mříţka, plech). Se stoupající frekvencí musí být odstínění – vodivé opláštění, provedeno stále hustěji, zároveň se zmenší hloubka průniku záření do organismu. Nejefektivnějším opatřením na ochranu před zářením je dodrţení náleţitých vzdáleností. Je důleţité zváţit rozhodnutí o výstavbě vysílacích zařízení pro uţívání mobilních telefonů na místa, kde nelze zdůvodnit jejich negativní umístění z různých hledisek. Z nejbliţšího okolí míst dlouhodobého pobytu a spánku je potřebné odstranit transformátory, halogenové nízkonapěťové systémy a zářivky. Mikrovlnná trouba nemá být umístěna v kuchyni. V domě se nemají pouţívat bezdrátové telefony. Před instalací bezdrátového ovládání a řízení technických zařízení v budovách (EPS, EZS, osvětlení, ţaluzie, dveře, atd.), zejména inteligentních budovách (kde je velká většina elektrických zařízení) s vyuţíváním vf polí, je nutné zváţit jejich instalaci, co do míry vyuţívaní jejich výhod. Chceme-li shrnout uvedené skutečnosti, je dobré mít na paměti, ţe u vf vln vzniká elektrické a magnetické pole vţdy společně. Hustota toku výkonu se udává ve W/m 2. 158

Elektromagnetická vlna můţe být zacílena a anténou vyzářena do prostoru. Vodivé materiály absorbují energii.

3.3.4 Vliv EMP, ELF na živočichy Současné výsledky výzkumu zabývající se dopadem expozice celé frekvenční škály EMP ELF na ostatní součásti biosféry, byly doposud publikovány podstatně méně, neţ ty, které zkoumají vztah k člověku. Většina z nich jsou laboratorní experimenty na zvířatech slouţící právě k odvození nejpravděpodobnějších interakcí s EMP ELF u lidí. Před fyziologickými efekty způsobenými těmito interakcemi by měla být většina ţivočichů chráněna (stejně jako lidé) dodrţováním limitů expozice. Tyto limity bývají často překračovány v bezprostřední blízkosti mnohých zdrojů a nelze dostatečně účinně zabránit tomu, aby se do exponovaných oblastí nedostávali např. ptáci, hmyz, popřípadě dobytek či jiná fauna. Negativní dopad na faunu v blízkosti vedení vysokého napětí spočívají hlavně při kontaktu s uzemněným objektem. Tímto efektem bývá vysvětlován statisticky větší úhyn včel, jejichţ úly jsou pod vedením vysokého napětí. Některé druhy ryb mají receptory, které jim umoţňují vnímat slabé (řádově 1μV/m) elektrické pole indukované pohybem vody (mořské proudy nebo řeky) v geomagnetickém poli. Mohlo by tedy docházet ke změnám chování těchto ţivočichů, nachází-li se v dosahu elektrického pole indukovaného podmořskými kabely vedení stejnosměrného proudu, to však zatím ţádné studie doposud neprokázaly. Chování závislé především na vektoru geomagnetického pole vykazují některé bakterie, které obsahují biomagnetické částice. Ty se vyskytují i v buňkách některých vyšších ţivočichů (včetně lidského mozku), kde slouţí rovněţ k detekci magnetického pole Země. Míra této senzibility u jednotlivých druhů je předmětem zkoumání, stejně jako dopady antropogenní magnetické pole na chování těchto ţivočichů, zejména je diskutována otázka míry narušení orientačního smyslu taţných ptáků a včel. WHO k tomuto problému uvádí, ţe dosavadní vědecké studie nalezly málo důkazů o vlivu EMP na faunu, není-li překročen limit stanovený ICNIRP.

3.3.5 Vliv EMP, ELF na rostliny Výsledky některých laboratorních studií poukazují na moţnost zvýšení klíčivosti semen při působení jak magnetického tak pole elektrického o nízké frekvenci ELF. Nejsou však do dnešní doby prokázány moţné mechanismy takového působení, navíc tento výzkum není důsledný. Externí zahraniční studie zkoumající vliv EMP ELF (maximální expozice 3,9 kV/m, 4,5μT) na některé zemědělské plodiny rovněţ neprokázaly větší rozdíly v kvalitě růstu ani jiných kriterií, neţ ty, které by mohly být přičteny nuancím v lokálních klimatických a 159

půdních podmínkách. V elektrickém poli o intenzitě 20 kV/m se na listech tvoří korónové výboje, čímţ dochází k poškození a sníţení celkové asimilační plochy. To vede k pomalejšímu růstu hlavně u stromů (pozorováno u listnatých stromů rostoucích v bezprostřední blízkosti zkušebního napětí 1100 kV vedení i u jehličnanů v blízkosti extrémně výkonných radarů. Stejně reagují rostliny negativním vlivem EMP ELF, zejména vf polí na vegetaci, růst a ţivotnost v obydlí, pokud jsou zejména v blízkosti vysílače, antény GSM apod. Na této úrovni se v současné době provádí výzkumy a ty jsou prozatím nepublikovány.

4 Klasická elektroinstalace a její realizace s ohledem k ELF Návrh projektových dokumentací včetně realizace klasických elektroinstalací, jsou z hlediska metodologického a technologického postupu, v současné době, dobře propracované. Je zpracováno a vydáno mnoho publikací, vysokoškolských učebnic (skript), různých odborných textů, článků a norem. Soustředíme se především na specifické řešení inteligentních elektroinstalací z pohledu jejich projektování a realizace v kontextu jejich sounáleţitosti s ELF (elektromagnetickým zářením velmi nízkých frekvencí – v našem případě  50 Hz). Je nutno podotknout, ţe v současné době není publikován ucelený textový materiál, který by mohl být východiskem a návodem, jak řešit, projektovat a realizovat nové elektroinstalační obvody v domech. Jsou publikovány jen dílčí pojednání, krátké články apod., které problém naznačují a moţná nevýraznou formou navrhují řešení. V této kapitole nám půjde o shrnutí této problematiky, jejího zařazení do kontextu návrhu na opatření, návrhu na řešení a projektování elektroinstalací s ohledem na ELF. Současně je nutné poznamenat, ţe nové technologické postupy a projektování elektroinstalací v kontextu s ELF je třeba dát do souvislosti s řešením tzv. inteligentních elektroinstalací, které prozatím chápeme jako první vstup do jejich řešení s ohledem na automatizované systémy budov. Myslím si, ţe by bylo velmi uţitečné sjednotit odborný názor a stanovit jednoduché pojmenování zahrnující komplexní řešení elektrických rozvodů v budovách. Myslím si, ţe by nebylo daleko od věci, kdybychom se prozatím drţeli názvu, který by komplexně zahrnoval výše uvedené problémy: „Inteligentní elektroinstalace“ verzus „Klasická elektroinstalace“.

4.1 Inteligentní elektroinstalace Je to systémová elektroinstalace v domech, která slouţí k rozvodu elektrické energie na předem navrţená místa, zohledňující připojení elektrotechnických a automatizačních zařízení a spotřebičů, splňující funkčnost a bezpečnost zařízení a člověka, řeší energetické úspory a pohodlný udrţitelný ţivotní styl kaţdodenního ţivota a činností, vytváří zdravé prostředí, nabízí kontrolu, vizualizaci, pocit bezpečí a ochrany a architektonický vkus.

160

4.1.1 Elektroinstalace s nízkým polem (ELF) Pomocí elektroinstalace s nízkým polem má být zajištěno, ţe mezní hodnoty, pro střídavé elektrické a magnetické pole v pásmu nízkých frekvencí (nf) a pro vysokofrekvenční (vf) pole, nebudou v místnostech, kancelářích, bytech a jiných nebytových prostorách, překročeny existující limity. Hlavním záměrem při řešení problémů odvozených od vlivu elektromagnetických polí (EMP) je proces sniţování těchto polí. Naznačíme moţnosti jak toho docílit: - Omezit expozice elektromagnetického záření ze zdrojů uţ na počátku řešení spojených s projektováním elektroinstalací, především distribučních zařízení, umístění hlavních a podruţných rozvaděčů, které produkují silné elektromagnetické pole, - Redukovat vliv elektromagnetického záření prostřednictvím aplikace jen nejnutnějších elektrických přístrojů a elektroinstalací, efektivnost a úspora nákladů je záleţitostí související, - Dodrţovat vzdálenosti od přístrojů a elektrických rozvodů, tyto vzdálenosti maximalizovat, zejména v citlivých oblastech, - Instalace kabelových rozvodů do míst vzdálených osobám, např. podzemní komory atd. - Nepouţívat ve skupině stejné fáze, které jsou zahrnuty do paralelní skupiny jednotlivých kabelů, koordinovat relativní umístění vodičů stejného elektrického obvodu, - V obytných budovách instalovat kabeláţ vyšší proudové zatíţitelnosti jednotlivých obvodů do míst, které nejsou obyvatelné – chodby apod., - Sníţit velikost elektrického proudu pomocí energeticky účinnějších zařízení pro velké odběry jako jsou elektromotory výtahů, klimatizačních zařízení, atd. - Spojovat hlavní uzemňovací vodiče se Zemí, pomocí různých typů zemničů a tyto připojit na centrální přípojnici v domě a zajistit tak ochranu pospojováním se všemi kovovými rozvody a zařízením stavby a tím docílit sníţení potenciálu a jeho rozdílu - Při návrhu dimenze vodičů, citlivě navrhovat průřez pracovního a ochranného vodiče, sice při respektování příslušných norem, ale s přehodnocením dimenzování, výpočtem impedanční cesty v souvislosti s uzemňovací soustavou, - Zajistit odstínění instalací a přístrojů, - Vyuţívat smysluplně stavebních prostor – šachet, pro instalaci technických zařízení budov, - Instalovat odpojovače různých elektrických obvodů v kontextu s vyuţíváním jednotlivých prostor v domě. Odpojovat elektrický obvod je vţdy účinnější neţ provádět odstínění. Protoţe tam, kde není ţádné napětí a neprotéká elektrický proud, tam nevzniká ani elektrické a magnetické pole.

161

4.1.2 Technologie rekonstrukce a výstavba nových objektů podle kriterií ELF Současná kriteria platná pro realizaci elektroinstalací v bytech nebo jiných objektech jsou s dostatečnou podrobností rozpracována a definována normami ČSN a EN, jsou také podrobně popsána v různých publikacích atd. Ovšem co je zvláštní, není doposud brán zřetel na určitá dnes uţ známá kriteria elektrických instalací s nízkým elektromagnetickým polem. Elektromagnetické pole ELF se vyskytovalo a vyskytuje v současně provedených elektroinstalacích ovšem bez jejich respektování jak v projektových dokumentacích, tak i v jejich realizacích. Jsou známé náznaky řešení nových progresivních elektroinstalací, které jiţ respektují ELF, ale takovéto řešení není podloţeno předchozí analýzou a nemá jednotný metodologický postup. Přesto je moţné navrhnout základní postup jak provést pozitivní změny bez velkých investičních nákladů. Uvedeme postup, jak ve stávajících elektroinstalacích provedeme případné změny zohledňující ELF a který můţe být vodítkem i pro projektování nových elektroinstalací (inteligentních): - Nakreslíme si stavební půdorys bytu nebo půdorysy domu a do něj zakreslíme všechny elektrická zařízení – přístroje a spotřebiče v následujícím pořadí a) Vypínače světelných zdrojů, b) Zásuvky a vývody pro světelné zdroje, c) Vývody ostatních spotřebičů pro pevné připojení, d) Osazení hlavní domovní skříně – přípojková skříň, e) Umístění hlavních a podruţných rozvodnic, f) Připojovací kabeláţ, prodluţovací kabeláţ se zásuvkovým ukončením, g) Nízkonapěťovou kabeláţ (slaboproudé rozvody), h) Elektrické přístroje s jejich popisem (označením), i) Velké kovové předměty, ţelezobetonové panely armované podlahy atd., j) Uloţení kabeláţe od světelných, zásuvkových a spotřebičových rozvodů (vyhledat pomocí stávající projektové dokumentace, nebo realizační projektové dokumentace, nebo vyhledat pomocí detektoru kovu), k) Zakreslit hlavní domovní vedení a odbočky k elektroměrům, l) Osazení elektroměrového rozvaděče, m) V případě sousedních zdí s jinou místností jiného bytu, zakreslit na této zdi všechny přístroje a kabelové rozvody (označíme jinou barvou s poznámkou), Poznámka: Při zakreslování výše uvedeného vyuţijeme barevného označení kabeláţe, jednotlivých přístrojů, elektrických zařízení, rozvodnic a spotřebičů, podle kriteria vlivu ELF na lidský organismus.

162

Vyhledáme hodnoty maximálně moţných expozic od ELF na lidský organismus, případně vyuţijeme tohoto materiálu, kde jsou příslušné hodnoty zapsány tabulkovou a textovou formou. Aby bylo poté moţno stávající rušení ELF způsobené stávající elektroinstalací najít, provedeme příslušná měření velikosti elektromagnetických polí (záření) v hodnotách „T“, tedy magnetickou indukci a elektrické pole (EP) v hodnotách „V/m“ v jednotlivých místech objektu při plně zatíţeném výkonu v daném měřeném celku. Provedená měření zaznamenáme, metodika záznamu není nikde publikována, odkaz na odborníka je nejlepší řešení. Aby pak bylo moţné stávající naměřené hodnoty vyhodnotit, provedeme analýzu řešení a navrhneme konečné řešení vyhovující normativním hodnotám expozice. Za tímto účelem budeme dále postupovat: - Provedeme a zaznamenáme výsledky měření střídavého elektrického a magnetického pole a vf záření od různých vysílačů vnějšího prostředí, - Provedeme lokalizaci zdroje rušení a vyhodnotíme jeho význam na zdraví člověka, - Vypracujeme návrh na sanační opatření se všemi důsledky včetně ekonomických nákladů Pro odstranění rušení provedeme cílená opatření pro eliminaci negativního vlivu ELF na obyvatele bytu nebo domu. K tomu doporučujeme: a) Odstraníme elektropřístroje a kabeláţ z míst spánku a odpočinku, případně provedeme rekonstrukci elektroinstalace na podkladě aplikace „malého napětí“, 50 V, 24 V apod., přes oddělovací trafo umístěné na odůvodněném místě dle metodiky návrhu uvedeného výše v tomto textu, b) Místa odpočinku dislokovat do nerušených částí obydlí po poradě s architektem a zákazníkem (navrhnout několik variant), c) Odpojíme proudové obvody, které jsou prostředkem rušení a které nelze jinak přemístit a to za pouţití instalace odpojovačů sítě, d) Provedeme odstínění přístrojů, které jsou prostředkem rušení, stejně tak i příslušný rozvod elektrické energie, e) Zabezpečíme pospojování v celém objektu bytu, nebo domu a jednotlivé obvody připojit na hlavní ochrannou (uzemňovací) svorku (přípojnici) včetně rozvodů TZB, viz. obr.3.8 4.1.2.1 Pospojování

Inteligentní elektroinstalace, jak byla výše definována, zahrnuje i elektroinstalaci s nízkým elektromagnetickým polem ELF. U těchto elektroinstalací je pospojování jako 163

prostředek ochrany před úrazem elektrickým proudem, podle ČSN 33 2000-4-41 ji označujeme jako ochranné pospojování. Podle této normy musejí být v kaţdé budově do tzv. ochranného pospojování vzájemně spojeny: ochranný vodič, uzemňovací přívod a další vodivé části (kovová vodovodní potrubí, plynová a další potrubí a dosažitelné konstrukční kovové části), viz obr. 4.1. Pospojování slouţí k vyrovnání potenciálů, které se vyţaduje pro řadu účelů. Jedná se především o: - Ochranu před úrazem elektrickým proudem, - Ochrana před přepětími vznikajícími při úderu blesku, - Ochrana před rušivými vlivy jiných elektrických zařízení. Pospojování zajišťuje uvedení neţivých částí elektrických předmětů a zařízení i cizích vodivých částí na společný potenciál. Současně v bezporuchovém stavu, je tento potenciál velmi blízký potenciálu vzdálené, neboli neutrální země, který se obvykle povaţuje za nulový. Kromě toho ochranné pospojování zajišťuje i odvádění poruchového proudu z místa poruchy ke zdroji a tím uzavření smyčky poruchového proudu, který způsobí odpojení obvodu nebo jeho části, kde došlo k poruše. Pospojování však můţe být pro ochranu při poruše (tj. pro ochranu před dotykem neţivých částí) ochranným opatřením i samo o sobě. To je obvykle tehdy, jestliţe k automatickému odpojení nedojde v dostatečně krátkém čase. I kdyţ pro obvody napájecí velké spotřebiče, které odebírají proud větší neţ 32 A, ČSN 33 2000-4-41:2007 připouští pro sítě TN dobu odpojení aţ 5 s, nemusí být tato doba ještě dostatečně dlouhá, aby během ní jistící prvky na velké jmenovité proudy stihly poţadované vypnutí. Příklad: V případě obvodu chráněného pojistkou 63 A s charakteristikou gG je třeba, aby při porueš v síti TN, kterou je podle normy nutné odpojit do 5 s, protékal obvodem jednofázový zkratový proud rovný vybavovacímu proudu pojistky alespoň Ia=350 A (odečteno z charakteristiky čas-proud této pojistky). To představuje impedanci smyčky, kterou vypočítáme

2 U  2  230 Zs     0      0,438  3  I a  3  350

Ω

Pro napájení takového obvodu postačí při uložení vedení na stěně (způsob uložení C) kabel 4x16mm2 Cu. Počítáme-li rezistivitu mědi při 200C rovnou   0,018mm2 / m , zjistíme, že délka vedení k tomuto spotřebiči nesmí přesáhnout

164

I

 0,018   0,438 2    195m 16      2    Ia  Zs

To znamená, že kabel 4x16mm2 Cu prakticky od zdroje až k odběrnému místu se jmenovitým proudem 63 A v žádném případě nemůže být delší než 195 m. Samozřejmě, při odbočování od vedení distribuční sítě nebo od páteřního rozvodu v průmyslovém podniku může přívod vycházet podstatně kratší. Pro takové a obdobné případy nová ČSN 33 2000-4-41 předepisuje provést v místě takového spotřebiče doplňující pospojování. Podmínkou pro toto pospojování je, ţe odpor R mezi neţivými částmi současně přístupnými dotyku a cizími vodivými částmi musí ve střídavých sítích splňovat vztah:

R

50V Ia

[Ω]

(4-1)

Ia – vybavovací proud nejbližší předřazené pojistky V elektrické instalaci (i inteligentní elektroinstalaci), ve které je pouţito ochranné pospojování, musí být ochranná svorka nebo přípojnice, se kterou musí být spojeny, jak to stanoví ČSN 33 2000-4-41: -

Vodiče ochranného pospojování, Uzemňovací přívody, Ochranné vodiče, Popř. i uzemňovací přívody pracovního uzemnění, pokud je to třeba.

165

Obr. 4.1: Pospojování v budově 4.1.2.2 Ochranné pospojování u zařízení pro zpracování dat (např. řídící systémy KNX/EIB atd.) Některá zařízení pro zpracování dat (výpočetní technika, počítačové sítě a periferní vstupní zařízení) mají při svém normálním provozu velký unikající proud. Velikost unikajícího proudu, která nesmí být překročena, je určena třídou ochrany zařízení a také způsobem pouţití.: - Zařízení třídy ochrany II mají maximální unikající proud 0,25 mA - Zařízení třídy ochrany I mají různé maximální unikající proudy podle toho, zda se jedná: a) O zařízení drţená v ruce-jejich maximální unikající proud je 0,75 mA b) Zařízení přemístitelná (jiná neţ drţená v ruce), nepřenosná, ať uţ připojovaná zásuvkovým spojením průmyslovým nebo neprůmyslovým – mají maximální unikající proud 3,5 mA, pokud nesplňují speciální podmínky, c) Při splnění speciálních podmínek (z nichţ je podstatné dodrţení velkého průřezu vnitřního ochranného vodiče) můţe unikající proud dosahovat velikosti aţ 5% vstupního proudu (tzn., ţe poměrně malé zařízení o výkonu např. 0,5 kW můţe mít unikající proud o velikosti aţ téměř 0,1 A) Zařízení s velkým unikajícím proudem (aţ 5% vstupního proudu) je buď trvale připojeno k napájení, nebo je připojeno vidlicí průmyslového provedení, a musí být v blízkosti přívodu vybaveno nápisem: „Velký zpětný proud“, „Před zapojením přívodu napájení připojit ochranný vodič“. 166

Při instalaci elektrických zařízení pro zpracování dat, viz obr. 4.2; 4.3, je nutno splnit dva základní poţadavky: a) Na ochranu před úrazem elektrickým proudem, b) Na ochranu před šumy. Jestliţe unikající proud zařízení překračuje 10 mA, musí se pouţít některá další opatření: - Zesílení ochranných vodičů, - Monitorování stavu, kdy je ochranný vodič přerušen, - Pouţití transformátoru s oddělenými vinutími. Přenos signálů Aby se dodrţel dobrý přenos signálů v systému automatizace budov (např. s vyuţitím sběrnice KNX/EWIB, LONWORKS nebo komunikačního protokolu BACnet), je třeba klást důraz na řádné provedení pospojování jak sítě informační a komunikační techniky, tak elektrické rozvodné sítě. Přenos signálů pomocí zpětného vedení zemí je třeba vyloučit. Je-li však pouţit, musí být impedance uzemňovací sítě co nejmenší. Pokud se provádí tzv. komunikační instalace viz. obr. 4.2, poţaduje se, aby byl zaručen spolehlivý přenos signálů pomocí sítě vyrovnání potenciálů (SRPP) určených alespoň pro funkční jednotku nebo systémový blok (coţ je funkční supina zařízení závislých při své činnosti a provozu na svém připojení ke stejné referenční potenciálové rovině příslušející k propojené síti pospojování). Aby se vyloučilo nepřiměřené funkční zkreslení nebo nebezpečí poruch součástek, musí SRPP zajišťovat dostatečně nízkou impedanci aţ k nejvyšším uvaţovaným frekvencím v návrhu zařízení pouţitím kovové desky nebo sítě, jejíţ rozměr odpovídá rozměru desky, např. mříţ pospojování. Kmitočtový rozsah, který musí pokrýt, musí zahrnovat i spektrum kmitočtů vznikajících při spínání, zkratech a atmosférických výbojích. Přenos signálů k SRPP nevyvolává nutně jejich vracení přes SRPP.

167

Obr. 4.2: Příklad vylepšené sítě pospojování pro zařízení informační techniky v budově

168

Obr. 4.3: Příklad uspořádání společné sítě pospojování pro zařízení informační techniky v budově 4.1.2.3 Stínící účinek pospojování Stínící účinek má pozitivní vliv na paralelní vedení svodů hromosvodu. Tyto paralelně vedené svody mají téţ nezanedbatelný stínící účinek oproti vnějším elektromagnetickým vlnám indukovaným úderem blesku nebo i jiných zdrojů. Tento účinek se ještě zvýší, jestliţe se svody vzájemně propojí obvodovými vodiči. Tím dojde k rovnoměrnějšímu rozdělení proudů blesku a také to přispěje k vyrovnání elektromagnetických polí uvnitř stavby. Rovnoměrné rozmístění vnějších svodů kolem stavby sniţuje nebezpečí bočních úderů do objektu. Obdobný účinek má i vzájemné propojení a připojení na společné uzemnění pokud moţno všech kovových částí (kovových výstuţí, kovových obloţení 169

fasád, kovových nosných konstrukcí) na vnějších stěnách objektu. I tímto způsobem se můţe dosáhnout vysokého stupně elektromagnetického stínění. Obdobné účinky má i pospojování provedené uvnitř budovy. U vyšších kmitočtů proudu jiţ nezáleţí na materiálu, ale na průřezu, nebo lépe řečeno na průměru či šířce svodů a na jejich počtu. To jsou vlastnosti, které podmiňují kvalitu vyrovnání potenciálů vyšších kmitočtů v objektu i úroveň elektromagnetického stínění v objektu. Na obr. 4.4 je takové stínění znázorněno a na obr. 4.5 je grafické vyjádření závislosti účinnosti armování na velikosti ok v armování, průměru armovacího ţeleza a především na frekvenci záření rušivého elektromagnetického pole, kterému armování brání proniknout do ochranného prostoru. Proto lze z obr. 4.5 vyčíslit i tlumení elektromagnetického pole způsobeného prvním i následným atmosférickým výbojem. Pro převedení útlumu v decibelech na poměrné jednotky si stačí uvědomit, ţe 1 dB znamená zvýšení nebo sníţení v poměru 1:1,259, takţe útlum 20 dB znamená útlum na 1:1,259 20=1:100, tedy na jednu setinu původní hodnoty, útlum 30 dB znamená útlum na tisícinu původní hodnoty atd.

Obr.4.4:Příklad stínění vytvořeného ocelovým armováním

Obr. 4.5: Účinnost stínění provedeného armovacím ţelezem 170

4.1.2.4 Elektromagnetické stínění Máme: a) neomezeně rozlehlou stínicí přepáţku z dobře vodivého kovu b) kolmý dopad rovinné elektromagnetické vlny (nejhorší případ) Koeficient stínění

Ks 

Et Ei

nebo

Ks 

Ht Hi

(4-2)

Efektivnost (účinnost) stínění „SE“; (útlum stínění) – Shielding Effectiveness

SE  20  log

SE  20  log

Z 0  Z M 2 4Z 0 Z M

E 1  20  log i Ks Et

 Z Z M  e t  1   0   Z 0  Z M

(4-3)

2  2t    e   

(4-4)

SEdB  RdB  AdB  M dB

 



j  1  j  

2

(4-5)

   j

(4-6)

Útlum odrazem: „R“ Vzniká vlivem částečného odrazu energie vlny na impedančním rozhraní mezi vzduchem (dielektrikem) s impedancí Z0 a kovovou stěnou přepáţky s impedancí ZM a rovněţ na „výstupním“ rozhraní mezi kovovou stěnou ZM a dielektrikem (vzduchem) Z0:

R  20  log

Z 0  Z M 2 4Z 0 Z M

při Z 0 Z M

je

1  R  20  log   4  r  0

   

(4-7)

Útlum odrazem nezávisí na tloušťce t stínící kovové stěny  účinné stínění lze vytvořit z tenké, ale vysoce vodivé ( Z 0 Z M ) přepáţky. Viz. Obr. 4.6.

171

Obr. 4.6: Stínění kovovou přepáţkou proti elektromagnetickému záření Útlum absorpční: „A“ Vzniká pohlcením části energie elektromagnetické vlny při jejím průchodu stínící kovovou přepáţkou o tloušťce t vlivem tepelných ztrát, tj. vlivem konečné vodivosti kovu stínící přepáţky: t  t t  A    log e  20  log e  20 log e 

   

(4-8)

Hloubka vniku elektromagnetického pole do kovového materiálu

 

2





A  8,69 

t



 0,0069  t   r 

(4-9)

Absobční útlum roste s druhou odmocninou kmitočtu na dB stupnici. Vodivé feromagnetické materiály  r 1 mají přitom větší absorpční útlum neţ stejně vodivé magnetické materiály. Útlum vlivem mnohonásobných odrazů: „M“ Vzniká díky opakovaným odrazům na vstupu a výstupu stínící přepáţky, viz obr.: 4.7:

172

 Z  ZM M  20  log 1   0  Z0  ZM

2

2t 2t  j     e  e  

(4-10)

Obr. 4.7: Mnohonásobný odraz vlivem kovové přepáţky – stínění Je-li stínění z dobře vodivého kovu Z 0 Z M  a jeho tloušťka t je podstatně větší neţ

hloubka vniku t   , je M 0 dB a vliv mnohonásobných odrazů na celkové stínění lze zanedbat, pak

SEdB  RdB  AdB

(4-11)

Obr. 4.8: Kmitočtový průběh jednotlivých sloţek účinnosti stínění měděné desky tloušťky t=1mm 173

1 R  20  log  4

  r  0

 ;  

 Z0  ZM M  20  log 1   Z Z M  0

A  0,0069  t   r ; 2

2t 2t  j   e    e  

Celková účinnost je pak viz vztah (4-5): SEdB  RdB  AdB  M dB Závěr: K celkové účinnosti stínění - útlum odrazem R je funkcí poměru

 , zatímco absorpční útlum A je funkcí součinu r

veličin    r - útlum odrazem R tvoří dominantní sloţku stínícího účinku na nf pro magnetické i nemagnetické kovové materiály - Na vf roste absorpční útlum A a vysoce převyšuje klesající útlum odrazem. Tento růst na vf je přitom výraznější u magnetických kovových materiálů s  r 1. Na nf, kdy hloubka vniku  t , případně u velmi tenkých stínících přepáţek t   je hodnota útlumu mnohonásobným odrazem M záporná a sniţuje celkovou účinnost stínění SE. S rostoucím kmitočtem se velikost M  0 dB a mnohonásobné odrazy v kovové přepáţce nemají vliv na účinnost stínění. Přístrojové a počítačové stínicí „kryty“ vytvořené napařením či naprášením velmi tenkého kovového povlaku na vnitřní povrch nekovové (plastové) přístrojové skříně, viz tab. 1 Tab. 1: Tloušťka stínění

0,1μm

0,1μm

1,25μm

1,25μm

2,2μm

2,2μm

22μm

22μm

Kmitočet [MHz]

1

1000

1

1000

1

1000

1

1000

Útlum odrazem R[dB]

109

79

109

70

109

79

109

79

Absorpční útlum A[dB]

0,014

0,44

0,16

5,2

0,29

9,2

2,9

92

Mnohonásobné odrazy [dB]

-47

-17

-26

-0,6

-21

0,6

-3,5

0

Účinnost stínění SE[dB]

62

62

83

84

88

90

108

171

174

Příklad: Hliníková deska obr. 4.9 o tloušťce t=1mm má parametry  Al  3,5  10 7 S/m,

 Al   0  4  10 7 H/m,  Al   0  8,854  10 12 F/m. Výrazy pro jednotlivé složky účinnosti stínění dané hliníkové desky mají tvar A  0,1  f [dB]

R  166,1  10  log f [dB]



M  10  log 1  2  e 0,023

f



 cos 0,023 



f  e 0,046

f

[dB ]

Obr. 4.9: Příklad Al deska. Příklad: Vypočtěte v [dB] útlum odrazem, absorpční útlum a celkovou účinnost stínění 1mm tlusté ocelové desky na kmitočtu 10 kHz. Relativní permeabilita ocelového materiálu je 1000 a jeho specifická vodivost je 0,5.107S/m. Předpokládáme, že deska se nachází ve vzdálené zóně elektromagnetického pole a že můžeme zanedbat útlum mnohonásobnými odrazy. Řešení: 1  R  20 log   4  r  0

   87,5dB A  0,0069  t   r   122,0dB   175

SE  R  A  209,5dB

Vliv otvorů a technologických netěsností na účinnost elektromagnetického stínění - Otvory, štěrbiny a další otevření stínicí plochy (např. dveře, okna, větrací otvory, štěrbiny a netěsnosti mezi jednotlivými kovovými plochami stínění, vstupní otvory pro přípojné kabely, vedení, příp. vnější mechanické ovládací prvky stíněného zařízení). - Špatně vodivé (vysokoimpedanční) části stínění (vodivě nedokonalá spojení jednotlivých částí stínění, nedokonale vodivé průhledné plochy (skla) při poţadavku vizuální kontroly zařízení). - Vnější přívodní kabely a přípojná vedení (napájecí, signálové a datové kabely, jimiţ se mohou dostávat elektromagnetické rušivé signály do vnitřního prostoru stínicího krytu). Hodnocení elektromagnetického stínění dle orientačních hodnot SE, tab. 2 Tab. 2: Účinnost stínění [dB]

Kategorie – hodnocení

0 – 10

Nedostatečné stínění

10% - 30

Stínění pro minimální poţadavky

30 – 60

Stínění dostačující pro většinu běţných poţadavků

60 – 90

Velmi dobré stínění

90 - 120

Vysoce kvalitní stínění

Zkoušky odolnosti vůči magnetickým polím se provádějí dle harmonizovaných českých norem: ČSN EN 61000-4-8 pro magnetická pole síťového kmitočtu, ČSN EN 61000-4-9 pro pulzní magnetická pole a ČSN EN 61000-4-10 pro tlumená vysokofrekvenční magnetická pole. 4.1.2.5 Elektromagnetická kompatibilita Základní pojmy: Elektromagnetická kompatibilita (EMC) je vlastnost elektrického nebo magnetického přístroje nebo nástroje spočívající v tom, ţe neovlivňuje jiný objekt včetně sebe samotného a ţe odolává působení ostatních přístrojů. 176

Elektromagnetická kompatibilita je známa jako samostatný vědecký obor ze 70. let 20. století. Vznikla v tehdy technicky nejvyspělejší zemi - USA, a to v oblasti vojenské a kosmické techniky. Největší potíţe se projevily právě v těchto oblastech, protoţe armáda měla vţdy nejvyspělejší technologie, které byly umístěny v malých prostorech raket, letadel apod. Protoţe elektronika se stala běţnou součástí civilního ţivota, potíţe, které měli kdysi vojáci, mají i lidé, kteří dnes bydlí v bytech (relativně v malých prostorách) či domech s nahuštěnou elektronikou, výpočetní technikou včetně široké škály elektrických silových zařízení, které se ve svém komplexu a ve svých souvislostech mohou vzájemně ovlivňovat a tím i měnit svoje nepředvídatelné funkce s dopadem na lidské zdraví. Elektromagnetická kompatibilita je schopnost zařízení uspokojivě fungovat v elektromagnetickém prostředí, aniţ by samo způsobovalo nepřípustné elektromagnetické rušení jiného zařízení v tomto prostředí. Zařízení, přístroj, pevná instalace, sestava zařízení či přístrojů musí být před jejich uvedením na trh posouzena podle nařízení vlády č. 616/2006 Sb., O technických poţadavcích na výrobky z hlediska jejich elektromagnetické kompatibility. Shoda výrobku je osvědčována vydáním ES prohlášení o shodě a opatřením výrobku označením CE Z obecného pohledu, elektromagnetická kompatibilita vychází ze dvou základních důvodů: a) Zkoumá emise rušení b) Zajišťuje odolnost zkoušeného zařízení proti rušení Elektromagnetickou kompatibilitu můţeme rozdělit: a) EMC biologických systémů (cílem je posouzení vlivu elektromagnetických polí na ţivé organismy, zejména na člověka) b) EMC technických systémů (cílem je výzkum vzájemného působení a zajištění koexistence technických prostředků, přístrojů a zařízení) 4.1.2.6 EMC biologických systémů Rozeznáváme dva druhy účinků elektromagnetických polí na ţivé organismy: a) Tepelné účinky – ohřev biologických tkání vystavených účinkům elektromagnetického pole (velké intenzity) b) Netepelné účinky – déle trvající expozice polí s relativně nízkou výkonovou úrovní. Potenciální vliv na centrální nervový systém, imunitní systém, krevní oběh, případně genetické a karcinogenní účinky Zde můţeme poznamenat, jak bylo uvedeno dříve, jedná se o dlouhodobé výzkumy. Do dnešní doby existuje celá řada interpretací účinků na lidský organismus, které jsme uţ v tomto textu rozebírali. Můţeme konstatovat, ţe půjde v současné době, především ke tvorbě tzv. hygienických norem. 177

Nejvyšší přípustné hodnoty indukovaných proudů, absorbovaných výkonů a hustoty ozáření stanovuje vyhláška Ministerstva zdravotnictví ČR č. 1/2008 Sb, viz tab. 3 Tab. 3: Veličina

Indukovaná proudová hustota (A/m2)

Zaměstnanec

Ostatní osoby

Kmitočet f (Hz)

Kmitočet f (Hz)

300 - 107

0 - 107

2 - 0,01 Plošná hustota výkonu (W/kg)

Měrný absorbovaný zářivý tok (W/m2)

2 -0,002

105 - 1010

105 - 1010

0,4

0,08

1010 – 3.1011

1010 – 3.1011

50

10

Vyhláška 1/2008 určuje rovněţ způsoby, jimiţ se splnění uvedených podmínek zjišťuje a vyhodnocuje. EMC biologických systémů se zabývá celkovým elektromagnetickým pozadím okolního ţivotního prostředí a přístupnými úrovněmi uţitečných a rušivých elektromagnetických signálů s ohledem na vytváření vlivu na ţivé organismy. Podmínkou působení je vytvoření příslušné vazby na ovlivňovaný objekt. Takové vazby jsou: a) Induktivní vazba – vzniká v případě pohybu biologického objektu v těsné blízkosti silného zdroje elektromagnetického pole; b) Kapacitní vazba – lze ji pozorovat v případě pobytu daného objektu v elektrickém poli; c) Galvanická vazba – nastává při přímém kontaktu s proudovým okruhem; d) Vazba vyzařováním – vzniká mezi vzdáleným rušivým zdrojem a daným biologickým objektem. 4.1.2.7 EMC technických systémů

Uvedeme směr postupu EMC (řetězec) a příklady jednotlivých oblastí: Zdroj elmag.rušení  Přenosové prostředí, elmag.rušení  Rušený objekt, přijímač rušení 178

Zdroj elektromagnetického rušení - zde zahrnujeme: -

EM procesy v atmosféře Elektrostatické výboje Motory, spínače, relé Energetické rozvody Polovodičové měniče Zářivky, pece, svářečky Domácí spotřebiče Rozhlasové a TV vysílače Počítače, číslicové systémy

Přenosové prostředí, elektromagnetická vazba – zde zahrnujeme: -

Vzdušný prostor Zemnění Energetické kabely Napájecí vedení Stínění Signálové vodiče Datové vodiče Společná napájecí síť

Rušený objekt, přijímač rušení – zde zahrnujeme: -

Číslicová technika Počítače Měřicí přístroje Automatizační prostředky Telekomunikační systémy Systémy přenosu dat Rozhlasové přijímače Televizní přijímače Biologické objekty (člověk, zvířata, rostliny)

EMC její základní členění 1. Elektromagnetická interference (rušení) EMI → příčiny rušení (vznik a šíření rušivých signálů) 2. Elektromagnetická susceptibilita (odolnost, imunita) EMS → důsledky rušení (ochrana zařízení před rušením)

179

4.1.2.8 Stavební objekt a řešení EMC Základní podmínkou pro řešení bezproblémové EMC v budově je: - Kvalitní projekt stavby a jejich jednotlivých součástí, zejména technických zařízení v budově a provedení elektrických rozvodů, - Odborné provedení projektu stavby a projektu TZB a inteligentní elektroinstalace s ohledem na priority a účel budovy, - Konstruktivní interdisciplinární spolupráce odborníků různých zainteresovaných profesí podílejících se na projektu a realizaci stavby, ale také provozu budovy. Jednotlivé budovy musíme od sebe odlišit z důvodů různých technických vybaveností z hlediska významu budovy (armádní budovy, nemocnice, banky, budovy státní správy, soudy, budovy pro vědu a výzkum, energetické a další strategicky významné objekty). Zejména zohledňujeme níţe uvedená hlediska, která pak začleňujeme do typu budovy a poté jejího řešení: -

Poţadavky na ochranu a zabezpečení citlivých dat, Ochrana citlivých zařízení proti elektromagnetickým pulsům, Ochrana potenciálně nezabezpečených zařízení (munice, záření, atd.) Vyšší poţadavky z hlediska krizového řízení

Z hlediska provedení budovy, jsou důleţitou součástí řešení EMC, kabelové rozvody. Kabelové rozvody pak zohledňujeme z níţe uvedených hledisek: Mají zásadní vliv na EMC zejména objektové instalace, Vyuţíváme normy + praktických zkušeností (EN 50174-2, EN 61000-5-2, a další) Rozeznáváme šest kabelových tříd podle úrovně rušení a odolnosti vůči signálu, Respektujeme pravidla pro seskupování kabelových tříd do tras a úloţišť, Dodrţujeme, striktně prostorové oddělení jednotlivých obvodů a předepsaných minimálních vzdáleností, - Vyuţíváme správnou strukturovanou kabeláţ, - Zohledňujeme vliv konstrukčního stavebního řešení a poté i technologie (UTP, STP, koax, výkonové kabely, optika apod.). -

4.1.2.9 Opatření ke zlepšení EMC ve stavebních objektech Hlavní sloţkou pro takové řešení je pouţívání přepěťových ochran, jejichţ účelem je odvést přepětí do zemnícího systému, neţ pronikne do elektroinstalace. Součástky pro přepěťovou ochranu jsou: - Jiskřiště, výbojkové bleskojistky, varistory, diaky, triaky, Zenerovy diody, lavinové a supresorové diody, speciální rychlé polovodičové součástky typu Trisil, Transil, Transguard..

180

- Tyto součástky mají různé vlastnosti, zejména se vyznačují maximálním výkonem, reagující na jakékoli přepětí, nadproud a mají velkou dobu odezvy. - Přepěťové ochrany máme rozděleny do tříd: A aţ D (tedy od svodičů přepětí pro venkovní vedení, hrubou ochranu proti bleskovému proudu aţ po jemnou ochranu citlivých zařízení. Mezi hlavní opatření proti zlepšení EMC v budově je řešení stínění. Jeho účelem je sníţit vyzařované a absorbované intenzity elektromagnetického pole. Účinnost stínění pak závisí na typu elektromagnetického pole (frekvenci), na pouţitém materiálu pro stínění, na geometrickém uspořádání a hustotě stínící mříţky a na správném inţenýrském provedení. Zvláště citlivá a důleţitá zařízení musí být chráněna pouţitím těsnění kolem přístupových a větracích otvorů, stíněných průchodek pro I/O kabeláţ a celistvou a řádně uzemněnou a pospojovanou plochu ze stínícího materiálu (i zdvojenou) kolem stíněných zařízení. Interní interferenční zdroje a objekty 1. Sítě – rozdělujeme je na: a) Energetické (projevují se impulsním rušením, kvaziimpulsním rušením, vyššími harmonickými, PLC, BPL, nízkofrekvenčním magnetickým polem a bludnými proudy) b) Speciální (jako jsou bleskové, teplovodní, zemnící, vodovodní a plynovodní) c) Slaboproudé (telefonní, WAN, LAN, TV a R kabelové, TV a R satelitní, mobilní telefonní sítě, bezšňůrové telefonní sítě, WLAM, radioamatérské stanice, občanské stanice, zabezpečovací sítě) 2. Konstrukční prvky budovy: a) Zde se projevují tzv elektrostatické výboje 3. Přístroje a zařízení: a) Silnoproudé (výtahy, klimatizace, elektrické svářečky, tyristorová regulace, termostaty, tepelné domácí spotřebiče, motorové domácí spotřebiče, mikrovlnné pece) b) Slaboproudé (audiopřístroje, videopřístroje, osobní počítače, kancelářské přístroje, KZ pevných sítí a mobilních sítí, zabezpečovací zařízení, ADSL, VDSL, BlueToth, UWB, RFID) Externí interferenční zdroje a) Elektrická přepětí a bleskové výboje – koróna, přímé a nepřímé bleskové výboje, b) Radiové vysílače – rozhlasové, televizní, základnové, jiných služeb c) Rušení v energetické síti – spínací pochody, vyšší harmonické, HDO, PLC, neošetřené spotřebiče a tyristorové regulátory d) Rušení v telekomunikačních sítích – venkovní vedení jako antény, přeslechy, širokopásmové přenosy po metalických vedeních e) Elektromagnetický terorismus – technické a programové prostředky. 181

Rušivé působení nf magnetického pole v moderní administrativní budově Dochází především k mnoha závadám, zejména deformaci obrazu, narušení barevné skladby obrazu a chvění obrazu ve vertikálním směru. Proto je nutné provádět měření pomocí osobního indikátoru, tj. indukční cívka s osciloskopem. Dále je moţné pouţívat analyzátor EFA 1 W&G pro trojrozměrné snímání magnetické indukce B. Dále je to ČMI – etalonový převodník ČM EP 02/95+altimetr Keithey 4.1.2.10 Legislativa EMC Rada Evropy vydala „Směrnici o elektromagnetické kompatibilitě č. 89/336/EHS“, která je závazná v EU od 1. ledna 1996 s pozdějšími malými úpravami. - DEF1: „Pevná instalace je kombinace několika zařízení (systémů, výrobků, součástek) postavených instalačním technikem na daném místě, aby byly společně provozovány v předpokládaném prostředí za účelem vykonávání určité funkce, které ale nejsou uvedeny na trh jako samostatná funkční či obchodní jednotka“ - DEF2: „Kaţdé zařízení nebo systém tvořící instalaci musí vyhovovat poţadavkům „Směrnice“ a odpovídat podmínkám kladeným na instalaci výrobcem zařízení tak, aby byla zajištěna správná funkce instalace“. Jak se vše projeví v praxi: Osoba odpovědná za návrh, techniku a konstrukci pevné instalace se tedy ve smyslu „Směrnice“ stává „výrobcem a ručí i za její funkční uvedení do provozu! Protoţe se jedná o různorodost typů instalací, byly vyjmenovány některé významné instalace, jako jsou: rozsáhlá strojní zařízení, vn zařízení a systémy distribuce energie, telekomunikační sítě. Problematika dodrţení přiměřeného stupně EMC v kancelářských a obytných budovách je nutná zejména pro zajištění spolehlivosti souběţně nasazovaných výpočeních, telekomunikačních a bezpečnostních systémů, a také pro odstranění zdravotního ohroţení osob. 31. 12. 2004 byla vydána nová EMC směrnice s označením 2004/108/ES, která zahrnuje mimo jiné změny ve vymezení Směrnice k ostatním směrnicím EU, pojednává o zjednodušení procesu posuzování shody pro výrobce, definuje omezení pouţití některých zařízení např. v obytných oblastech a zabývá se implementací problému EMC pevných instalací. 20. 7. 2007 byla zrušena stará a byla zahájena platnost nové Směrnice EU. Česká republika vydala nařízení vlády č. 18/2003 Sb (prováděcí předpis zákona č. 22/1997 o technických poţadavcích na výrobky), od 20. 7. 2007 platí nové nařízení vlády č. 616/2006 Sb. O technických poţadavcích na výrobky z hlediska jejich EMC. Bylo vše vypracováno Úřadem pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví (ÚNMZ). Normalizační komise EU připravuje k nové EMC Směrnici 2004/108/ES. 182

Základní pojmy EMC, viz obr.: 4.10

Obr. 4.10: Základní pojmy EMC 4.1.2.11 Odolnost budov – prevence kriminality od EMC (EMP) Samostatnou oblastí v problematice objektů EMC je celkové zvyšování odolnosti budov proti vnějším elektromagnetickým vlivům, jako jsou údery blesku, vnější elektromagnetické pole vytvářené okolními systémy (vysílače, trakční vedení, rozvodná síť apod.) a v neposlední řadě úmyslně generované pole s cílem narušit činnost citlivých přístrojů uvnitř budovy, popřípadě chod budovy úplně ochromit. Ve výzbroji vyspělých armád jsou jiţ v současné době generátory (elektrické zbraně hromadného ničení), které dokáţou na vzdálenost stovek metrů vyřadit z činnosti elektronikou řízený automobil nebo ochromit činnost počítačového centra. Vzhledem k tomu, ţe tyto zbraně lze převáţet v malém kufříku či běţném dodávkovém automobilu a návody na jejich výrobu se dají stáhnout na síti Internetu, vzniká reálná moţnost nenápadně paralyzovat chod vybrané instituce či podniku. Výhoda těchto elektrických zbraní spočívá v tom, ţe jsou technicky uspořádány tak, ţe při útocích krátkodobého charakteru významně nepoškozují lidské zdraví. Protoţe je v elektrických zbraních spatřován vysoký potenciál, můţe být tento její charakter prozíravě upraven a vyuţit pro ochranu důleţitých strategických budov, jako jsou banky, nemocnice, armádní objekty, státní instituce, telekomunikační budovy a jejich i dílčí části zvláštním opatřením, které sniţují hladinu externího a interního rušení o desítky decibelů, a minimalizují tak riziko vzniku škod. Tato opatření je nutné provést rozumně, pokud moţno pod odborným dohledem.

183

Za další časovou bombu lze označit omezenou ţivotnost přepěťových ochran (respektive funkčních součástek v nich), coţ přiznávají i sami výrobci. Trvanlivost součástek (transily, varistory, bleskojistky) je kolem deseti let. Vzhledem k tomu, ţe většina těchto zařízení začala být instalována ve větší míře začátkem 90 let, nastal s největší pravděpodobností čas na jejich generační obměnu. Ţivotnost součástek je však značně závislá na počtu a velikosti přepětí. Tyto parametry se liší místo od místa, coţ je třeba zohlednit při výchozích a periodických revizích elektrických instalací. Nabízí se otázka, zda není pro provozovatele objektů výhodnější upřednostňovat koncepční řešení elektromagnetické kompatibility na rozdíl od doporučení některých výrobců a distributorů „zaplatit“ prázdné místo v budově přepěťovými ochranami. Problematika elektromagnetické kompatibility zářivek s klasickým magnetickým předřadníkem nebo s elektromagnetickým předřadníkem. Znečištění napájecí sítě harmonickými proudovými a napěťovými vlivy, činitelé THD (Total Harmonic Distortion), CF (Crash Factor) proudové a napěťové sloţky, moţnosti vzniku rezonancí v sítích nízkého napětí. Problematika je řešena jak pro klasické lineární zářivky, tak pro kompaktní zářivky. Dbát na instalaci takových zářivek, jejich umísťování v prostoru budovy a řešit v projektové dokumentaci jejich paralyzaci.

4.1.3 Opatření a praktická realizace inteligentní elektroinstalace v prostředí ELF V počátečním stádiu, při projektování domu, je nutná konzultace s architektem, odborníky na TZB a elektrotechniky, lékaři, specialisty na psychologii bydlení a v neposlední řadě se zástupci investora a zákazníky. Bude sestaven plán zařízení bytu, budou stanoveny polohy místností s definováním jejich orientace z hlediska oslunění a osvětlení prostor, stanovení odpočinkových zón v kontextu s urbanistickým řešením zástavby. Specialisté na definování a hodnocení prostředí bytu, domu, vyhodnotí výpočtem i měřením hodnoty různých znečištění a expozic elektromagnetického záření a navrhnou zásadní hlediska a hranice pohybu, odpočinku, práce a ţivota lidí v bytě, obydlí, domě a zástavbě. Podstatnou částí při zahájení projektové studie je nezbytné posouzení energetické náročnosti budovy s ohledem na vyuţívání alternativních zdrojů, pasivní a nízkoenergetické domy s moţnostmi vyuţití obnovitelných zdrojů. Úspora energií, návrh na její vyuţívání, diagnostiku a řízení musí být řešena samostatnou a koordinovanou záleţitostí. Posouzení ekologických funkcí při návrhu zástavby a pruţných funkcí manipulace s odpady v souvislosti s ţivotním prostředím, je při návrhu studie a projektu výstavby objektů nezastupitelnou záleţitostí. Všechny uvedené okolnosti a další souvislosti s respektováním stavebního zákona budou zaznamenány zápisem z různých jednání a schváleny, případně posouzeny vybranými experty na specifické odborné a vědecké úrovni zainteresovaných oblastí zájmu výstavby objektu.

184

Cesta k harmonii začíná uvědomováním si vlastních potřeb ve vztahu k druhému člověku a přírodě. Postupně by měla vést k poznání, ţe lidé jsou součástí celku, jehoţ zákonitosti a principy není moţné přehlíţet. Tento přístup je při návrhu projektu bydlení a práce v obydlí součástí celostního vztahu mezi člověkem, jeho obydlím a okolím. Opatření a návrh řešení projektu elektroinstalace Prvním opatřením je návrh na omezení počtu elektrospotřebičů, kde se posoudí jejich vyuţitelnost v podmínkách daného objektu s představou o případném jejím budoucím instalování. Poté se posoudí systém odpojování přívodů a částí elektrických rozvodů, protoţe právě tímto lze elektrické a magnetické pole ELF v jednotlivých místnostech zmenšit ba dokonce zcela eliminovat. Taková situace nepomůţe, kdyţ vytáhneme zástrčku (vidlici) ze zásuvky: odpojí se sice elektrické zařízení včetně kabelu od sítě s napětím, a nebude se vytvářet ţádné elektrické a magnetické pole. Elektrické vedení je nadále pod napětím a tato skutečnost je nebezpečná při vzniku atmosférické elektřiny, jestliţe tato není řádným a důsledným způsobem zabezpečena, aby nepronikla do objektu. Vyndání pojistkových vloţek, případně vypnutí jističe je sice levný způsob řešení, ale ne pohodlný. K tomu slouţí odpojovače sítě. Zapojení odpojovačů sítě je dislokováno vţdy na elektrický obvod, proto je nutné zváţit, jaké spotřebiče, elektrické zařízení je připojeno na daný elektrický obvod. Počet přístrojů v obvodu a jejich přidělení k místnostem je další záleţitost, kterou je třeba promyslet a konzultovat se zákazníkem, protoţe nemůţeme vnutit naši představu do systému uţívání bytu, objektu. Jestliţe nebudou například odpojeny všechny místnosti, je třeba dbát na to, aby na druhé straně stěn odpočinkových prostor nebyly ţádné elektroinstalace a přístroje. Upozorňujeme, ţe masivní stěny odstíňují elektrické pole, ale ne magnetické pole. Chod odpojovačů sítě lze kontrolovat světelným znamením, které je připojeno do zásuvky ve sledované místnosti, která svítí do té doby, dokud není vypnut poslední spotřebič. Při úvaze, která elektrická zařízení budou odpojena ze sítě prostřednictvím odpojovačů sítě, je potřebné se zaměřit na jednotlivé transformátory pouţívané v domech. Nesmíme zapomenout, ţe při odpojení sekundární strany je sice elektrické zařízení odpojeno, ale transformátor je připojen na primární straně, čímţ je povaţován za spotřebič, který odebírá elektrický proud (peníze). Transformátory nízkonapěťových halogenových zářičů náleţí rovněţ k dlouhodobě zapnutým spotřebičům, jestliţe zapínání a vypínání, respektive stmívání světla je zabudováo za transformátorem. Řešení představuje síťový vypínač na primární straně. Nezbytné dlouhodobě zapnuté spotřebiče je třeba mít připojené trvale. Jsou to například ledničky, mrazničky, oběhová čerpadla topení, anténní zesilovače, telefonní zařízení atd. Protoţe podél takových elektrických vedení se trvale vyskytují elektrická a magnetická pole, je třeba zajistit, aby tyto přístroje i s přívody byly umístěny nejméně 2 m od odpočinkových zón. Jinak by bylo nutné tyto přívody odstínit. Zda by bylo nutné do 185

odstínění zahrnout nějaké přístroje, to je potřebné předem rozhodnout s ohledem k ceně zařízení. Zkouška proudu po připojení odpojovačů Je-li do elektroinstalace zabudován na předem stanovených místech obvodů odpojovač sítě, je nutné respektovat zvláštní případ, který nastane, jestliţe odpojovač určitou část obvodu odpojí: Takové odpojení od sítě můţe být elektrický obvod pod napětím. Zkoušečky s doutnavkou mohou ukazovat, ţe je obvod bez napětí, ale dotkne-li se člověk takového vedení, můţe proud uzavírající se přes lidské tělo být natolik velký, aby odpojovač zareagoval a do rozvodné sítě pustil nebezpečné síťové napětí. Z toho důvodu je nutné opatřit proudové rozvody výrazným upozorněním na instalovaný odpojovač sítě. Jsou-li odpojené kabely, tedy rozvod bez napětí, uloţeny vedle rozvodů, které jsou pod napětím, můţe se na takové odpojení vedení prostřednictvím kapacitní vazby přenést střídavé napětí. Tím i v odpojených vedeních vznikne elektrické pole. Jednopólový odpojovač pak nemůţe tomuto nepříznivému jevu zabránit. Taková situace můţe nastat u rozvodů stoupacích vedení. Pokud měřením zjistíme, ţe takováto situace můţe nastat, musíme přistoupit k řešení odstíněním. Dodrţovat vzdálenost od elektrických a elektromagnetických polí je velmi praktické a logické. Délku elektrického rozvodu a jejich počet vedle sebe je nutné omezit na minimum. Podle praktických zkušeností, potvrzené výpočtem, je postačující, aby od elektrického rozvodu 230 V pod omítkou byla vzdálenost minimálně 2 m. Elektrický sporák umístěný v kuchyni, by měl být na takovém místě, které vyhovuje elektromagnetické expozici, nebo jej nahradit alespoň z části plynovým řešením (kombinovaný sporák). Jak uţ jsme uvedli, do klidových zón nepatří ţádná elektroinstalace, ani ţádný elektrický spotřebič. Je nutné se také vyhýbat pouţívání prodluţovacích kabelů. Pokud takové prodluţovací kabely jsou potřebné, pak je aplikovat se stíněným provedení. Pokud uţ nelze zajistit technicko-biologické hodnoty pomocí opatření: omezení počtu spotřebičů, pouţití odpojovačů a dodrţování vzdáleností, pak nezbývá neţ aplikovat odstínění. Pro instalaci se pouţívají stíněné kabely, jejichţ ţíly, kterými prochází elektrický proud, obklopuje síť z měděného drátu nebo kovová fólie. Pro krabicové odbočnice, přístrojové krabice se pouţijí ve zvláštním provedení s venkovním stíněním. Stíněné vedení a krabice jsou vzájemně paralelně připojeny k ochrannému vodiči a je nutné je v elektroměrovém rozvaděči, případně podruţném rozvaděči připojit k síťovému ochrannému vodiči nebo k ochraně pospojováním. Horizontální rozvody ve stropech a pod podlahou jsou často příčinou mnoha problémů, zejména v tom, ţe z těchto kabelů vychází elektrické a elektromagnetické pole a

186

působí na prostory leţící pod nimi a nad nimi. Proto, pokud není jiná moţnost, neţ provést elektrický rozvod ve stropě nebo pod podlahou, je nutné aplikovat stíněné kabely. Rovněţ umístění instalace světelných spotřebičů na stropě má za následek pronikání elektrického a elektromagnetického pole do místnosti leţící nad nimi, případně zásuvky nebo rozvodnice v podlaze vyzařují elektrické a elektromagnetické pole do místnosti pod nimi. Jako řešení se nabízí omezení jmenovaného záření připojením přístrojů pruţným stíněným kabelem, aby se elektrické a elektromagnetické záření omezilo co nejméně. Jestliţe příčinou zatíţení elektrickým a elektromagnetickým polem je sousední byt, je moţné opatřit stěny, strop, popřípadě podlahu stínícím nátěrem nebo omítkou. Účinek stínící barvy spočívá v tom, ţe do pojiva se přimísí elektricky vodivý grafitový prach. Tento šedý nebo černý nátěr lze překrýt obvyklou malířskou barvou. Odstínění je účinné jen tehdy, kdyţ všechny uvedené materiály jsou spojeny s potenciálem země, neboť teprve uzemnění vede k vyrovnání potenciálů. Proto je nutné všechny stínící prostředky bez přerušení vzájemně spojit souběţným vodičem vloţeným do stíněných vedení a ve skříni rozvodnice připojit k uzemňovací přípojnici. Střídavé elektrické a elektromagnetické pole v domě pochází nejen od elektroinstalace, ale jsou vyzařovány také z vnějšího prostoru. Moţnou příčinou takovýchto polí je například střešní přívod, vysokonapěťové vedení nebo poblíţ je umístěna trafostanice VN. Elektrické pole je moţné v takovém případě sníţit grafitovým nátěrem nebo stínící látkou, avšak na elektromagnetické pole nemá tato opatření vliv.

5 Automatizované systémy budov Automatizace budov V nových budovách nebo při rekonstrukci stávajících budov jsou objevovány nové vlastnosti, které není moţné přehlédnout a které mají svůj význam v souvislosti s technologiemi budov stavěných zhruba v osmdesátých letech dvacátého století. Ve své podstatě můţeme toto období zařadit do etapy automatizace budov. Automatizace budov je vlastně digitální měřící, kontrolní, regulační a řídicí technika pro jejich technické vybavení. Současné a budoucí období je a bude po obsahové stránce charakterizované snahou o vzájemné propojení všech hlavních technologií pouţívaných v infrastruktuře budov. Toto období bude mít svoje opodstatnění v tzv. systémové technice budov. Systémová technika budov popisuje propojení sítí sestavených ze systémových komponent a účastnických stanic pomocí instalační sběrnice do jednoho systému. Inteligence systému je distribuována na jednotlivé komponenty. Smyslem je vyuţití centrálních distribučních systémů s uzly reagujícími na individuálního uţivatele.

187

Kvalita prostředí můţe ovlivnit kvalitu práce, coţ je třeba brát v úvahu při tvorbě nových technologií, které mají za cíl zlepšit například produktivitu firem. Pro názornost si můţeme uvést příklad základních infrastruktur, které kvalitativně zajišťují potřeby a poţadavky na pracovišti, v bytech a nebytových objektech: -

ovládání větrání a teploty,

-

ovládání osvětlení,

-

denní světlo a výhled včetně omezení slunečního světla,

-

ovládání a řízení energetiky a spotřeby energií,

-

soukromí a práce v tichém prostředí,

-

přístup k sítím,

-

kombinované datové, energetické a hlasové komunikační systémy,

-

ergonomický nábytek s povrchovou úpravou šetrnou vůči ţivotnímu prostředí,

-

architektonická kompozice a její variabilita, design prostředí domu.

Automatizace budov se vyvinula v samostatný a významný aplikační obor automatizační techniky, která poskytuje zákaznicky orientovaná řešení jak provozovatelům, tak uţivatelům všech druhů budov. Automatizační prvky, jakými jsou senzory, akční členy a regulátory, řídící mikropočítače a vizualizace procesů, zpravidla fungují v reţimu distribuované inteligence. Tato zařízení musí být vybavena komunikačním systémem pro vzájemnou výměnu dat. Za systémový přístup v procesu automatizace budov, povaţujeme takový způsob myšlení, způsob řešení problémů či způsob jednání, při němţ jsou jevy chápány komplexně ve svých vnitřních a vnějších souvislostech. Do procesu návrhu a realizace zasahují lidé – specialisté z různých oborů lidského poznání a vědění (interdisciplinární proces), při kterém je nutno řešit současně celou řadu prolínajících se dílčích problémů. Nevyhnutelným východiskem pro skutečně správné řízení (ovládání + regulace) nějakého objektu je pochopení jeho činnosti jako vztahu mezi působícími příčinami (vstupy) a jejich důsledky (výstupy). Někdy se hovoří o tzv. kauzální (orientované) relaci či o příčinném vztahu (jde vlastně o transformaci informace). Směr této závislosti je předem daný a neměnný (proto orientovaný) a je jednoznačně určen šipkou (příčina a důsledek). Ovládání je takový způsob řízení, který má otevřenou strukturu neboli tzv. otevřenou smyčku, zatímco regulace je způsob řízení v uzavřené smyčce, která je vytvořena zpětnou vazbou. V našem zájmu řešení problematiky automatizace budov povaţujeme systém jako mnoţinu prvků (zařízení, komponenty, prvky, snímače, akční členy atd. technických zařízení budov - TZB) vzájemně na sebe působících, která vykazuje cílové chování (uzamknutí dveří, uzavření ventilu, vypnutí osvětlení, stáhnutí ţaluzií, uzavření VZT klapek, atd.) 188

Kaţdý systém se můţe skládat z jednotlivých podsystémů, nebo můţe být sám podsystémem svého nadsystému. U kaţdého systému rozeznáváme dvě základní vlastnosti, a to chování systému a strukturu systému. Struktura systému je mnoţina relací, jimiţ jsou spjaty prvky určitého systému a nejlépe ji znázorňujeme orientovaným grafem, nejčastěji tzv. blokovým schématem. Sestavení blokového schématu tedy není nic jiného neţ nalezení cesty přenosu informace systémem a nalezení míst její transformace. Na začátku zkoumání dokonce ani nemusíme znát způsob transformace informace uvnitř bloku. Podle chování výstupu, na základě známých vstupů můţeme usuzovat na transformace uvnitř bloku, aniţ bychom znali jeho uspořádání. Této metodě zkoumání se říká „metoda černé skříňky“ (black box). Je to metoda kybernetická a patří mezi významné metody zkoumání systému.

5.1 Logické systémy Řízení technologických procesů, coţ mohou být libovolné procesy od ryze technických přes výrobní aţ po společenské, představují zpětnovazební systém, který můţeme vyjádřit jako systém vyjádřený blokovým schématem (v kaţdém bloku jsou určité prvky systému) jehoţ strukturu znázorňujeme orientovaným grafem. Viz. Obr. 5.1. Vlastní technologický proces, v našem případě např. technické zařízení bytu, má na svém vstupu vstupní zdroje (poţadavky, funkce, úkoly a pod) a generuje výstupní produkty na výstupu (uzavření ventilu, uzavření klapek, atd.). Na proces samozřejmě působí poruchy dané jak rozdílnou kvalitou vstupních zdrojů, tak i rozdílnými podmínkami funkce vlastního procesu způsobených vnějším působením prostředí v našem pomyslném bytě.

Obr. 5.1: Problém řízení 189

Technologický proces ve spojení s řízením tvoří jistý druh fyzikálního systému, který je určen mnoţinou fyzikálních veličin a vztahů mezi nimi. Našim okruhem zájmu budou takové technologické procesy (nebo jejich části), jejichţ veličiny mají nespojitý charakter a jejichţ řízení lze realizovat logickým řídicím systémem sběrnicového charakteru. Tyto procesy můţeme všeobecně popsat jako dynamické systémy s diskrétním parametrem. Výslednou snahou proto bude realizovat algoritmy logického řízení (řízení s diskrétním parametrem 0,1: otevřeno/zavřeno; svítí/nesvítí; stmívá/nestmívá; houká/nehouká; měří/neměří; teče/neteče; proudí/neproudí; atd. Samozřejmě zde mají význam ještě podmínky, za jakých okolností se stane to nebo ono (průnik, sloučení, součet, součin, atd.). Řídící automat (systém) a algoritmus logického řízení můţe být realizován obvodově (algoritmus je tz. zašit v propojení obvodů) nebo programově jako řídící program volně programovatelného automatu. Postup návrhu: a) Identifikace technologického systému (analýza technických zařízení bytu se stanovenými poţadavky), b) Vytvoření matematického modelu technologického procesu (sestavení funkcí a podmínek vyhodnocení se zápisem ve formě vektorové a mnoţinové matematiky), c) Návrh algoritmu logického řízení (sestavení modelu řízení), d) Dekompozice řízení, dekompozice řídícího automatu (ověření správnosti návrhu), e) Syntéza automatu, realizace obvodově nebo programově.

5.1.1 Logický řídicí systém Logický řídicí systém tvoří řídící automat. Řídicí automat tvoří zpětnovazební systém, na jehoţ vstupu jsou vstupní informace o procesu a na výstupu výstupní informace, které tvoří mnoţinu akčních signálů pro řízení procesu. Vlastní algoritmus řízení produkuje řadič, který na základě stavu sekvence řídícího bloku (zpracované stavové signály z procesu) a externích řídících signálů (programu řízení) generuje řídící signály, které po úpravě řídícím blokem tvoří mnoţinu akčních signálů pro řízení procesu. Viz..

Obr. 5.2: Řídicí automat 190

Funkce jednotlivých částí řídícího automatu: Řídící blok-

příjem (vstupy, převodníky) - informace (stav procesu) zpracování (předzpracování dat, paměti) - informace výstup (akční členy, výstupní převod) - informace (akční veličiny)

Řadič

-

ústřední část pro realizaci algoritmu, řízení řídícího bloku na základě stavu sekvence, vstupních informací a externích řídících signálech podle funkce, kterou řídící blok realizuje je řídící automat realizován ve dvou variantách: 1. Řadič + řídící blok - vlastní řadič tvoří opět zpětnovazební systém. Řídící blok realizuje předzpracování signálů nebo části algoritmu řízení. 2. Řadič + uživatelský blok - jediný systém. Řídící blok degeneruje na uţivatelský a realizuje pouze přizpůsobení signálů k procesu.

Celý teoretický problém návrhu logického řízení a realizace řídícího automatu řeší teorie automatů. Dělíme ji na: a) Abstraktní (matematická disciplína popisu chování systémů) b) Aplikovanou (návrh logických systémů) – uplatněno u automatizovaných systémů budov (ASB)

5.1.2 Teorie automatů – základní hledisko Teorie automatů se zabývá studiem chování dynamických systémů s diskretním parametrem tj. chováním systémů, u nichţ jsou proměnné v diskrétní formě (např. 0, 1, a, b, c). Objektem zájmu jsou: -

Číslicové počítače, Nervové (neuronové) systémy, Jazyky, Analýza přenosových systémů, Reakce člověk – prostředí ( ASB) Řada dalších. 191

Cílem teorie automatů: JE vytvořit model (z idealizovaných součástí), jehoţ matematické chování aproximuje chování pozorovaného systému (proces i automat). Popis a rozbor chování se provádí matematickou formou, matematickým aparátem je abstraktní algebra. Modelem v daném případě rozumíme matematický popis (soustava matematických výrazů popisujících chování) Tento matematický model nazýváme systémem. Uvedeme některé definice pouţívaných pojmů: - Chování systému: - Vstupní proměnné: - Výstupní proměnné:

- Stavové proměnné: - Odezva systému:

popisuje soustava matematických výrazů sloţených ze 3 mnoţin proměnných: vstup, výstup, stav systému reprezentují vnější působení na systém – způsobují chování systému reprezentují pozorovatelnou změnu chování systému jako odezvu na určitý vstup. Výstup je funkcí vstupu a historie (posloupnosti předešlých kroků) – z toho vyplývá, ţe systém musí mít paměť reprezentují mnoţství informace uchované systémem (historie) – paměť historie systému (nejsou vně pozorovatelné) dána mnoţinou rovnic, které popisují funkční vztah mezi závislými a nezávislými proměnnými. V mnoha systémech to jsou integrálně-diferenciální rovnice. U teorie automatů jsou proměnné v diskrétní formě (0,1, a, b, c apod.) a soustavy rovnic popisují chování systémů s diskrétním parametrem.

5.1.3 Logické systémy – logické obvody Základní definice pojmů z oboru logických systémů Logická proměnná- proměnná logického systému, která nabývá pouze dvou hodnot 0a1 Logický signál

- druh fyzikálního signálu, který nabývá pouze hodnot patřících do vzájemně se nepřekrývajících mnoţin

Logická funkce

- vztah závislých a nezávislých logických proměnných

Logický člen

- zařízení realizující logické funkce

Logický systém

- model logického obvodu, který matematickým popisem charakterizuje chování logického obvodu 192

Logický obvod

- druh fyzikálního sytému, u něhoţ kaţdá veličina nabývá v ustáleném stavu pouze dvou hodnot z dvou vzájemně se nepřekrývajících mnoţin

Logický soubor

- soubor logických členů a pomocných zařízení pro realizaci logických obvodů. Kaţdý ucelený soubor se skládá z členů umoţňujících informaci: a) b) c) d)

Získat Zpracovat Přenést Vyuţít

- snímače, převodníky, ovládací prvky - funkční část realizující funkční předpis - kodéry, dekodéry, přenosové kanály - akční členy, výkonové prvky

Logické systémy (obvody) s pevnou funkcí – navrţená struktura je pevná pro řešení určité úlohy. Funkci obvodu jednoznačně určuje jeho struktura (zapojení). Změna funkce znamená změnu struktury. Logické systémy (obvody) s programovou funkcí – funkce je určena programem uloţeným v paměti. Změna funkce obvodu podmiňuje změnu programu. Jednotlivé operace (funkční předpis) odpovídají jednotlivým instrukcím. Logický obvod je diskrétní elektronický obvod, ze kterého se skládají číslicové systémy. Elektronické obvody dělíme na: číslicové (informace je reprezentována a zpracovávána v diskrétní a ne kontinuální podobě; např. hodiny, které zobrazují čas jako čísla) b) analogové (jsou zaloţené na kontinuální formě informace; např. ručičkové hodiny s mechanickými převody) a)

Analogovou podstatou diskrétních obvodů je, ţe jsou postaveny ze součástek (např. tranzistorů), které z principu pracují analogově. Součástky jsou v číslicových obvodech pouţívány ve spínacím reţimu. To umoţňuje abstrahovat od jejich analogové povahy a pracovat s nimi jako by byly diskrétní a zpracovávaly pouze číslicovou informaci. Analogová elektronika není pro řešení některých problémů vhodná či dokonce selhává. 193

Na pomezí analogového a číslicového elektronického obvodu je komparátor, který jako výsledek porovnání dvou analogových napětí vrátí logickou hodnotu. Logické obvody lze realizovat nejen elektronicky, ale téţ na elektromechanickém, čistě mechanickém, optickém nebo jiném principu. Proti převaţující elektronice mají ale dnes tyto realizace zanedbatelný význam. 5.1.3.1 Rozdělení logických systémů

Podle vnějšího dynamického chování: 1. Kombinační obvody - jsou takové obvody, u kterých jsou hodnoty výstupních proměnných pouze funkcí hodnot vstupních proměnných. Výstupní hodnoty tedy závisejí pouze na kombinaci vstupních hodnot. Jedné kombinaci vstupních proměnných odpovídá jediná výstupní kombinace funkčních hodnot. Kombinační logické obvody nemají ţádnou paměť předchozích stavů, viz obr. 5.3. Rozdělujeme je na: - kodéry, dekodéry, rekodéry - multiplexory, demultiplexory - generátory parity - digitální komparátory - obvody pro aritmetické operace

Obr. 5.3: Kombinační logický obvod Logické funkce a formy jejich popisu: a) Logická funkce - Funkce definované na n-ticích vytvořených z prvků mnoţiny z mnoţiny {0,1} zobrazených do mnoţiny {0,1} se nazývají Booleovy funkce n argumentů, téţ logické funkce. b) Formy popisu: - Slovní popis, algebraický výraz, tabulkou, mapou, jednotkovou krychlí

194

2. Sekvenční obvody - jsou obvody, které se vyznačují tím, ţe hodnota výstupu sekvenčního obvodu záleţí nejenom na kombinaci hodnot vstupu, ale i na posloupnosti (sekvencí) vnitřních stavech obvodu, ve kterých jsou zachyceny informace o předešlých stavech sekvenčního obvodu. Proto je potřeba identifikovat a synchronizovat jednotlivé stavy v čase. Čas vystupuje nejčastěji ve formě speciálního periodického impulsního signálu - „hodin“ (clock), který diskrétně určuje okamţik pro synchronizaci obvodů. Viz. Obr. 5.2

Obr. 5.4: Sekvenční logický obvod Popis obrázku 5.4: Sekvenční log. Obvod obsahuje kombinační část, která generuje hodnoty na výstupu ( y1 , y2…) a dále budící signály klopných obvodů. Poté má sekvenční část tvořenou klopnými obvody. Na základě budících signálů generují klopné obvody vnitřní proměnné sekvenčního obvodu. Vstupní signály kombinační části jsou X1, X2 … a vnitřní proměnné q1, q2. z výstupů paměťové části. Základním stavebním prvkem sekvenční logiky je klopný obvod. Klopných obvodů je několik druhů. Sekvenční logické obvody dělíme: a) Asynchronní (změna vstupní proměnné se promítne ihned do stavu sekvenčního obvodu). b) Synchronní (je zde zaveden řídicí synchronizační signál - hodinový signál, hodiny; Změna vstupní proměnné se promítne do stavu sekvenčního obvodu aţ při příchodu hodinového signálu). Parametry logických obvodů - zpoždění obvodu - spínací rychlost (frekvence) - větvení - úrovně signálních napětí - náběh a doběh impulsů - odolnost proti rušení - přípustný rozptyl napájecího napětí 195

5.1.3.2 Boolská algebra Je definována jako konečná mnoţina prvků obsahující: a) Logické proměnné a, b, c, … b) Dvě binární operace  (),() c) Unární operace ( ) d) Dva logické stavy 0, 1 (logické konstanty) Axiomy: 1 . 1 =1 1 . 0 =0 . 1=0 0 . 0 =0 10 Zákona: a + a = a a+b=b+a (a+b)+c = a+(b+c) a+(a . b) = a 0.a=0 0+a=a a . (b + c) = ab + ac aa  0

0+0=0 0+1=1+0=1 1+1=1 0 1 a . a =a tautologie a . b = b . a komutativní (a . b) . c = a . (b . c) asociativní a .(a + b) = a absorpce 1+ a = 1 agresivnost 1 . a = a neutrálnost a + (b . c) = (a + b) . (a + c) distributivní a  a  1 vyloučeného třetího a  a zákon dvojí negace a  a b  a  b absorpce negace

Další zákony:

a  b  a b

a b  a  b

De Morganovy zákony

Aritmetické operace ve dvojkové soustavě (v digitální technologii) Aritmetické operace v soustavě o základu z se provádí stejným způsobem jako v soustavě desítkové. Je však nutné mít na paměti, ţe v soustavě se základem „z“ dochází k přenosu, jakmile výsledek převýší z – 1. Příklad: 00  0 0  0  0 0  0  0 0 : 0  nedefinováno

0 1  1 1  0  1 0 1  0 1 : 0  nedefinováno 1 0  1 1  1  0 1 0  0 0:0  0 1  1  10 10  1  1 1 0  1 1:1  1 Přenos do vyššího řádu nebo výpůjčka z vyššího řádu; Násobení se prakticky převádí na sčítání a posun.

196

5.1.3.3 Hradla – schematické značky logických členů Logický člen neboli hradlo je základní stavební prvek logických obvodů, který vyčísluje logickou funkci. Typicky má jeden či více vstupů a jediný výstup. Hodnota na výstupu logického členu je funkcí hodnot vstupních:

Buffer (sledovač) - nejjednodušším logickým členem je buffer neboli zpoţďovací člen, který realizuje funkci identity (důleţitým operátorem je tzv. operátor identity jednotkový operátor) , pro který platí Iˆf  f Y=A A 0 1

Y 0 1

Značky Norma DIN

Norma EU

Norma USA Norma Tesla (CS)

Negace (NOT)

YA A 0 1

Y 1 0

Značky Norma DIN

Norma EU

Norma USA Norma Tesla (CS)

197

AND - Konjunkce Logický součin Y=A.B A BB 0 0 0 1 1 0 1 1

Y 0 0 0 1

Platí: „0“ krát cokoli je vţdy „0“. Značky Norma DIN

Norma EU

Norma USA Norma Tesla (CS)

OR – Disjunkce Logický součet Platí: „1“ plus cokoli je vţdy „1“.

Y=A+B

A 0 0 1 1

B 0 1 0 1

Y 0 1 1 1

198

Značky Norma DIN

Norma EU

Norma USA Norma Tesla (CS)

NAND (Shefferova funkce)- Negace konjunkce Negovaný logický součin

Y  A  B

A 0 0 1 1

B 0 1 0 1

Y 1 1 1 0

Značky Norma DIN

Norma EU

Norma USA Norma Tesla (CS)

NOR (Pierceova funkce) - Negace disjunkce Negovaný logický součet



Y  A B



199

A

B

Y

0 0 1 1

0 1 0 1

1 0 0 0

Značky Norma DIN

Norma EU

Norma USA Norma Tesla (CS)

XOR Exkluzivní disjunkce (někdy téţ vylučovací nebo, exkluzivní OR či zkratkou XOR) je logická operace, jejíţ hodnota je pravda, právě kdyţ kaţdá vstupní hodnota nabývá, v porovnání s ostatními vstupy, unikátní hodnotu) Výhradní logický součet (Exkluzivní logický součet) Y=A⊕B

A 0 0 1 1

B 0 1 0 1

Y 0 1 1 0

Značky Norma DIN

Norma EU

Norma USA Norma Tesla (CS)

200

5.1.3.4 Metody popisu logických funkcí (obvodů) Návrhový proces - Specifikace - Určení vstupů a výstupů - Pravdivostní tabulky - Boolovské rovnice - Návrh realizace na úrovni hradel - Simulace na úrovni hradel - Realizace číslicového obvodu - Ověření návrhu Způsoby zápisu a zobrazení kombinačních logických funkcí Abychom mohli s kombinačními logickými funkcemi pracovat, musíme je nejprve zapsat či zobrazit. Nejčastěji se pouţívají tyto způsoby zápisu, popř. zobrazení kombinačních logických funkcí: Základní pojmy logické syntézy 1. Logické funkce a jejich reprezentace, formy popisu a jejich vzájemný převod - pravdivostní tabulka - algebraický výraz (logický výraz) - mapy - n-rozměrné krychle 2. Dvouúrovňová logická minimalizace - terminologie - Karnaughova mapa - metoda Quine-McCluskey 3. Realizace na úrovni hradel a) Pravdivostní tabulka Je to nejpřirozenější forma zápisu logické funkce. Obsahuje soupis všech vstupních vektorů (proměnných) a jim odpovídajících výstupů (výstupních proměnných). Je to tedy 2n řádků a n sloupců pro n-vstupních proměnné a m sloupců pro m-výstupních proměnné. Pravdivostní tabulka tvoří model chování. Uvedeme příklad, tab. 1. Tab.1: A

B

c

f

0

0

0

0

0

0

1

0

0

1

0

1

201

0

1

1

1

1

0

0

0

1

0

1

1

1

1

0

0

1

1

1

1

Logický výraz Boolovské formule (Boolean formulas) mohou být reprezentovány formulemi definovanými jako zřetězení: • závorek ( , ) • literálů x, y, z, x , y, z • Boolovských operátorů + (OR),  (AND) • komplementace, např. x  y B-algebra je nevhodná pro technickou realizaci - příliš velký počet vstupních proměnných (mnoho operací: ·, +, )

; Příklady: f  x1  x2  x1  x2  x1  x2   x1  x2 

h  a  b  c  a  b  c 

Obvykle nahrazujeme, jen zřetězením, a  b  ab c) Minimalizace výrazů Pojmy: -

Term – člen logického výrazu (boolský výraz), rozeznáváme: a) Součinový – boolský výraz, neobsahující operátor součtu (+); př.: x1 x2 x3 b) Součtový – boolský výraz, neobsahující operátor součinu (  ); př.: x1  x2  x3 ; pro

-

n proměnných 3n-1 termů Minterm - součinový term x1 x2 x3 x4 x5 ...xn  který obsahuje všechny vstupní proměnné

-

(v přímé nebo negované formě) Maxterm - součtový term x1  x2  x3  x 4 ....  xn  , který obsahuje všechny vstupní

-

proměnné (v přímě nebo negované formě) Kaţdý minterm/maxterm nabývá logické hodnoty 1/0 právě pro jediné vstupní písmeno - konstrukce booleovského výrazu pro logickou funkci f. Disjunktní forma (DF) - výraz ve tvaru součtu součinů termů (abc + abc + abc) 202

Konjunktivní forma (KF) - výraz ve tvaru součinu ((a+b+c)(a+b+c)(a+b+c)) - Úplná normální DF - výraz ve tvaru součtu mintermů. - Úplná normální KF - výraz ve tvaru součinu maxtermů. Poznámka: součet všech mintermů = 1 -

součtových

termů

součet všech maxtermů=0 Úplný soubor logických funkcí je takový soubor, pomocí něhoţ můţeme realizovat libovolnou logickou funkci Př.: soubor obsahuje všechny logické funkce Minimální a úplný soubor logických funkcí je takový soubor, z něhoţ ţádnou logickou funkci nelze vypustit nebo nahradit kombinací ostatních. Př.: NAND, NOR, implikace a negace, inhibice a negace aj. d) Mapa logických funkcí KARNAUGHOVA MAPA - upravený způsob zápisu pravdivostní tabulky. BUŇKY MAPY = řádky tabulky STAVOVÉ INDEXY sousedních buněk se v binární soustavě liší vždy v hodnotě jedné vstupní proměnné. Tab.:2: Karnaughova mapa pro 4 vstupní proměnné (r, s, t, u) t

u 0 0000

1 0001

3 0011

2 0010

s 4 0100

5 0101

7 0111

6 0110

r C 1100

D 1101

8 1000

F 1111

9 1001

E 1110

B 1011

A 1010

Jiná forma zápisu Karnaughovy mapy (KM) pro 2 a 3 proměnné:

203

Tab. 3: KP pro 2 vst.proměnné

Tab. 4: KP pro 3 vstupní proměnné

Příklad: Karnaughova mapa pro pravdivostní tabulku (stavovou tabulku) tab. 5. Tab. 5: Karnaughova mapa

e) n-rozměrná krychle Další variantou popisu logické funkce je vícerozměrná krychle. Pro 1 aţ 4 proměnné je uvedena na obr.: 5.5. Pro n proměnných je to n-rozměrná krychle, která vznikne vytvořením 2n vektorů (vrcholů), přičemţ souřadnice jsou dány hodnotami vstupních proměnných. Koncové body leţí na vrcholech jednotkové n-rozměrné krychle. Vyplněný vrchol

-

funkce je jednotková

Prázdný vrchol

-

funkce je nulová

204

Obr. 5.5: Boolovská n-krychle (cube) Bn Kódová vzdálenost d = počet bitů, v nichţ se liší dvě sousední platné kódové kombinace. Znázorníme si záznam krychle: - Trojrozměrnou (x, y, z) - Dvourozměrnou (x, y) - Jednorozměrnou x)

Jednorozměrná krychle Dvourozměrná krychle Trojrozměrná krychle

n

n

Existuje 2 vrcholů v prostoru B . Existuje uvádíme příklad: n = 3; Tedy krychle má 8 vrcholů;

205

22

n

různých logických funkcí. Níţe

Obr. 5.6: Třírozměrná krychle d=3; nebo n=3 5.1.3.5 Minimalizace logických výrazů Účelem minimalizace je minimalizovat logický výraz jako model struktury s cílem získat co nejjednodušší výraz pro původní logickou funkci a tím i tvar logické funkce pro minimální realizační strukturu. Minimalizační metody: a) b) c) d) e)

Minimalizace s vyuţitím Booleovy algebry Minimalizace pomocí map (Svobodova, Karnaughova) Minimalizace systematickou metodou Quine-McCluskey Minimalizace výrazů s vyuţitím smíšené formy – TANT Další metody minimalizace, viz lit.[2]

Ukáţeme si příklad minimalizace pomocí Karnaughovy mapy: Postup: - Jedno políčko v mapě představuje MINTERM - Vzájemná poloha jedniček v mapě nese informaci o moţném výskytu sousedních implikantů - Snaţíme se sestavit mnoţinu implikantů, které představují přímý implikant - Disjunktivní tvar těchto přímých implikantů tvoří minimalizovaný výraz logické funkce - Hledáme minimalizační smyčku, tj. takovou oblast mapy, která obsahuje 2K políček, přičemţ ke kaţdému políčku přísluší v této smyčce K sousedních políček (sousední mintermy) - Snaţíme se získat co nejmenší počet co největších minimalizačních smyček, které zahrnují všechny jedničky v mapě - Smyčka pak závisí na n-K proměnných - Smyčky se mohou překrývat, tj. mohou zahrnovat jedničky (mintermy) vícekrát do různých termů 206

Máme logickou funkci, kterou chceme minimalizovat: f  xyz  xyz  x yz  xz Minimalizace:

f  xz  xz 5.1.3.6 Realizace kombinační logické funkce základními kombinačními hradly

Při realizaci kombinační logické funkce (logického obvody) vycházíme z principu, ţe se vţdy snaţíme zapsat funkci v součtovém nebo součinovém tvaru (ekonomické důvody), tedy je výhodné pouţívat logické členy (hradla) téhoţ typu. Buď součinové, nebo součtové. Vycházíme z návrhového procesu: Specifikace; Určení vstupů a výstupů; Pravdivostní tabulky; Boolovské rovnice; Návrh realizace na úrovni hradel; Simulace na úrovni hradel; Realizace číslicového obvodu a Ověření návrhu. Máme zadanou specifikaci a určeny vstupy a výstupy: y  ab c  abc  a bc z pravdivostní tabulky: C b a y 0 0 0 0 207

0 0 0 1 1 1 1

0 1 1 0 0 1 1

1 0 1 0 1 0 1

1 0 1 0 0 1 0

Provedeme minimalizaci Karnaugovou mapou: b

a 0

1

1 4

Z KM zapíšeme:

3

2

y  ac  a bc

1 5

7

6

1

c

Provedeme převod s vyuţitím de Morganových pravidel:





y  a  c  a  b  c  a

&

c

a b c

y  a  c   a  b  c  a &

1

c

1

y

&

a b c

1

y

1

Obecnější závěr: 1. vycházíme-li při realizaci ze součtového tvaru zápisu, je funkce realizována strukturou NAND-NAND nebo NOR-OR, 2. vyjdeme-li ze součinového tvaru, dostaneme strukturu NOR-NOR nebo NAND-AND, 3. obě zapojení vycházející z téhoţ tvaru jsou topologicky stejná, tj. obsahují stejný počet logických členů, které mají stejný počet vstupů (de Morgan) 4. minimalizace počtu součástek, 5. sloţitější funkce například pomocí programovatelných logických obvodů nebo pamětí PROM, EPROM a EEPROM. 208

V předcházející úvaze jsme předpokládali, ţe máme k dispozici přímé i invertované hodnoty vstupních proměnných v praxi musíme invertované vstupní signály vytvořit z přímých signálů pomocí invertorů – zvýšení počtu součástek.

5.1.4 Sekvenční logické systémy - automaty

Sekvenční logický obvod viz. obr.5.4 je elektronický obvod sloţený z logických členů. Sekvenční obvod se skládá ze dvou částí – kombinační a paměťové. Abychom mohli určit hodnotu výstupní proměnné, je potřeba u sekvenčních obvodů sledovat kromě vstupních proměnných ještě i jeho vnitřní proměnné – vnitřní stav. Jsou to proměnné, které jsou uchovány v paměťových členech. Existence vnitřních proměnných způsobuje, ţe stejné hodnoty vstupních proměnných přivedené na vstup obvodu, nevyvolávají vţdy stejnou odezvu na výstupu obvodu. Mezi nejčastější sekvenční obvody pouţívané v praxi jsou: a) b) c) d) e)

klopné obvody registry čítače paměti mikroprocesory

Existují dva přístupy k návrhu sekvenčních obvodů: -

Mealyho typ – hodnota výstupní proměnné je závislá jak na hodnotách vstupních proměnných, tak na vnitřních proměnných.

-

Moorův typ – hodnota výstupní proměnné je přímým obrazem stavu vnitřních proměnných.

K výše uvedeným přístupům návrhu sekvenčních obvodů si připomeneme na obr. 5.7 diagram sekvenčního obvodu:

209

Obr. 5.7: Diagram sekvenčního obvodu Přechodová funkce -

je realizována kombinačním obvodem, který generuje budící vnitřní stav na základě vstupu a současném vnitřním stavu

Výstupní funkce-

je realizována kombinačním obvodem, který se stará o správnou hodnotu na výstupu, a to buď v závislosti na vnitřním stavu (typ Moore), nebo na vnitřním stavu a vstupu zároveň (typ Mealy)

Paměťová část-

je realizována klopnými obvody (KO), nejčastěji asynchronními KO typu RS. V paměťové části je uložen zakódovaný vnitřní stav

Sekvenční logický obvod má i svůj matematický model, který se nazývá konečný automat (pouţívá se při studiu vyčíslitelnosti a zpracování formálních jazyků). Jeho formální definice je lehce upravena, aby byla vhodnější pro popis sekvenčních obvodů. Existují dva hlavní druhy sekvenčních automatů: typ Moore; typ Mealy Funkce konečného automatu: Automat se nachází v počátečním stavu, Automatu je předložen konečný vstupní řetězec postavený nad jeho vstupní abecedou, Automat přečte a odebere symbol ze vstupního řetězce, Automat provede přechod na základě tohoto symbolu a aktuálního vnitřního stavu (je-li definován), e) Body 2-4 se opakují tak dlouho, dokud není celý vstupní řetězec přečten. a) b) c) d)

Formální definice deterministického konečného automatu: je charakteristický tím, ţe se vţdy nachází právě v jednom ze svých vnitřních stavů. Deterministický konečný automat A je uspořádaná pětice těchto prvků: Q

- konečná množina vnitřních stavů, 210

Q0

- počáteční stav,

F

- množina koncových stavů,

X

- konečná vstupní abeceda (množina vstupních symbolů)



- přechodová funkce

P(Q)- potenční množina (množina všech podmnožin) Q

A  Q, Q0 , F , X ,   , Q , X  , Q0  Q , F  Q ,  : Q  X  Q Formální definice nedeterministického konečného automatu: je charakteristický tím, ţe se můţe v jednom okamţiku nacházet v celé mnoţině svých vnitřních stavů (tedy i více neţ v jednom). Nedeterministické konečné automaty lze převést na deterministické, avšak počet stavů se zvýší.

A  Q, Q0 , F , X ,   , Q , X  , Q0  Q , Q0  0 , F  Q ,  : Q  X  P(Q) Pokud se automat po přečtení celého vstupního řetězce nachází v jednom z konečných stavů, byl vstupní řetězec přijat. V ostatních případech přijat nebyl. Mnoţina všech řetězců, které automat přijme, tvoří regulární jazyk nad jeho vstupní abecedou. Konfigurace automatu se skládá z aktuálního stavu automatu a zbylé části vstupního řetězce, kterou automat dosud nepřečetl. Konfigurace nám umoţňuje předvídat budoucí chování deterministického konečného automatu. Podle reakce na hodinový signál ještě synchronní sekvenční obvody dělíme na úrovňové a hranové: Úrovňové – sekvenční obvod sleduje hodnoty vstupních proměnných a tím i jejich změny po celou dobu trvání hodinového signálu a průběţně na ně reaguje b) Hranové – sekvenční obvod reaguje na hodnoty vstupních proměnných jen při příchodu hrany hodinového signálu (náběţná nebo sestupná hrana). a)

Paměťová část Paměťová část sekvenčního obvodu je tvořena kombinačním obvodem, ve kterém byla zavedena zpětná vazba. Tomuto zapojení říkáme bistabilní klopný obvod. Jeho úkolem je převzít informaci přivedenou na vstup obvodu a uchovat tuto hodnotu, i kdyţ vstupní informace jiţ zmizí.

211

Bistabilní klopné obvody, označované jako BKO, mají oba dva stavy stabilní. Mezi těmito stavy lze libovolně přepínat, pomocí vstupních impulzů. Tyto obvody se proto pouţívají jako paměťové prvky. BKO mají mnoho variant a provedení. Nejznámější jsou: RS, JK, D a T. RS je jedním z nejzákladnějších a nejjednodušších BKO. Lze ho realizovat pomocí dvou dvouvstupových hradel typu NAND. Výstup prvního NANDu vede do jednoho ze vstupů druhého NANDu, výstupu druhého NANDu vede do jednoho ze vstupů prvního NANDu. Vstup R se označuje jako Reset. Přivedení hodnoty logická 1 na tento vstup vynuluje hodnotu Q (neboli nastaví výstup na hodnotu logická nula). Vstup S se označuje jako Set, přivedení hodnoty logická 1 na tento vstup nastaví hodnotu Q na logickou 1. Viz. obr.5.8.

Obr. 5.8: RS klopný obvod Pokud je na R a S zároveň logická 1, mluvíme o zakázaném nebo také hazardním stavu. Znamená to, ţe tento stav není definován a pokud nastane tato vstupní kombinace, není moţné předem určit, v jakém stavu se bude nacházet výstup obvodu. Aby se tomuto stavu zabránilo, konstruují se tzv. RS obvody s prioritou. A to buď set, nebo reset. V případě, ţe by u normálního obvodu mělo dojít k hazardnímu stavu, obvod s prioritou se přepne buď do 1 (priorita set) nebo do 0 (priorita reset). Pojem zakázaný stav pochází z doby, kdy byl tento obvod realizován dvěma invertory, u kterých nebyl eliminován zpětný přenos přes jednotlivé tranzistory. Současné buzení obou vstupů vedlo k tomu, ţe se výstupní veličiny dostávaly do zakázaného pásma a tranzistory přecházely ze saturace do aktivní zóny svých charakteristik. Přidáním dalších dvou členů NAND zapojených jako blokování vstupů lze realizovat synchronní variantu tohoto klopného obvodu. Obvod tak bude reagovat na vstupy pouze s příchodem hodinového signálu C. Tento typ obvodu se často vyuţívá pro ošetření signálu z mechanických přepínačů, u nichţ obvykle dochází k zákmitům kontaktů a tím i k neţádoucímu vyslání několika impulsů. Připojením přepínače na vstupy RS obvodu lze vzniku neţádoucích impulsů zabránit. 212

Pravdivostní tabulka asynchronního KO RS tvořeného obvody NOR: R 0 0 1 1

S 0 1 0 1

Qn+1 Qn 1 0 X

Pravdivostní tabulka asynchronních KO RS tvořeného obvody NAND: R 0 0 1 1

S 0 1 0 1

Qn+1 X 0 1 Qn

Poznámka: Qn je současný stav, Qn+1 je stav následující

5.1.5 Programovatelné logické automaty (PLC) Dříve bylo řešení systémů sekvenčního logického řízení zajišťováno velíny s přidruţenými skříněmi, které byly plné reléových obvodů, později s rošty se zásuvnými deskami s diskrétními obvody s tranzistory a ještě později s integrovanými obvody. Rozvoj počítačů přinesl inovace i do tohoto odvětví průmyslové elektroniky. Po prvních pokusech řešit problém sálovými počítači se dospělo do stavu kdy počítač třídy programovatelný logický automat - PLC (anglicky Programable Logic Controller) se stal univerzálním nástrojem k řešení řídicích systémů na úrovni blízké technologickému procesu. Kromě úloh logického řízení tyto PLC řeší také jednoduchou úlohu tzv. spojitého řízení, které bude popisováno v další důleţité kapitole těchto skript. PLC je univerzální zařízení vhodné pro řízení dynamických systémů v reálném čase: - ve strojní automatizaci - řízení strojů, balicích, technologických a výrobních linek, - v procesní automatizaci - řízení v energetice – kotelny a výměníkové stanice, větrné či malé vodní elektrárny, - řízení v dopravě – světelné křiţovatky, tunely, výtahy, metro, vlakové soupravy, - automatizaci budov – obsluha osvětlení, vytápění a větrání, bezpečnostní funkce, - řízení v chemickém a potravinářském průmyslu - atd. Musí být schopné řešit úlohy kombinační i sekvenční. Původně byla PLC autonomní systémy, kterým chyběla schopnost komunikace s dalšími řídicími systémy. S rozvojem automatizace i moţností řídicí techniky jsou komunikační rozhraní stále běţnější v těch nejmenších PLC. Komunikaci PLC s okolím můţeme rozdělit na: 213

- komunikaci servisní – programování, diagnostika, atd., - komunikaci s nadřazenými prvky – SCADA, řízení výroby atd., - komunikace s ostatními řídicími systémy - po průmyslových sběrnicích (ProfiBus, CAN Bus, Modbus, AS Interface, Ethernet, …), - komunikace s moduly vzdálených V/V, inteligentními čidly a akčními prvky, - komunikace s prvky HMI - operátorské panely ap. Blokové schéma PLC, obr. 5.9

Obr. 5.9: Blokové schéma PLC CPU

-

centrální jednotka – zpracování informací podle programu

ROM

-

paměť pouze pro čtení – systémové programy

RAM

-

paměť pro čtení i zápis – řídící program, mezivýsledky operací

IO

-

řídící jednotka vstupů a výstupů:

DI

-

logické vstupy

DO

-

logické výstupy

COM

-

jednotka pro komunikaci s dalšími částmi řídicího systému

Schematicky je připojení PLC na řízený systém nebo technologický proces (TZB budovy) znázorněno na obrázku 5.10. Vstupy tohoto řídicího systému představují kontakty, tlačítka a také elektrické dvouhodnotové impulsní nebo statické signály. Připojení spínačů a tlačítek k napájecímu napětí symbolizuje přivedení signálu o logické hodnotě jednička. Výstupní funkcí PLC je spojovat akční prvky jako jsou relé, stykače, elektrické ventily nebo jen signalizační osvětlení nebo zvukové signály na napájecí napětí atd, tímto způsobem je spustit. 214

Obr. 5.10: Vazba PLC na řízený proces Funkce sběrnice, rozhraní Obecným úkolem sběrnice je zajistit přenos dat a řídicích povelů mezi dvěma a více elektronickými zařízeními. Přenos dat na sběrnici se řídí stanoveným protokolem, coţ je souhrn pravidel, podle kterých se předávání informací řídí. V případě modulární architektury elektronického zařízení nebo počítače je sběrnice po mechanické stránce vybavena konektory, které jsou uzpůsobeny pro připojení modulů. Jednotlivé sběrnice se také liší hodnotami elektrického napětí pro úrovně H a L. Sběrnice se dělí na sériové a paralelní. V případě tzv. paralelní sběrnice přenášejí některé vodiče současně řídicí povely, další vodiče přenášejí adresu a data. U sériové sběrnice jsou tyto povely sdíleny na společném vodiči nebo vodičích a přenášejí se postupně. Vnitřní jednotky počítače (paměti, procesor, atd.) třídy PC komunikují vzájemně prostřednictvím sběrnic. Propojení PC s vnějškem, tj. jednotkami, které jsou mimo skříňku počítače, je prostřednictvím rozhraní (anglicky interface), z nichţ některé se také nazývají sběrnice. Příkladem paralelního rozhraní je třeba Centronics pro připojení tiskáren anebo sběrnice IEE 488 pro připojení měřicích přístrojů. U sériového rozhraní (sběrnice) jsou bity zpráv přenášeny postupně. V obecném případě lze u sériového rozhraní rozlišit signály řídicí a datové. Datový přenos je zprostředkován jedním vodičem. Příkladem sériového rozhraní je proudová smyčka a sběrnice RS 232C, RS 422, RS 423 a RS 485. Proudovou smyčkou se v minulosti připojovaly k počítači dálnopisy. Sběrnice RS 232C patřila také k velmi rozšířeným typům rozhraní, které přenášelo data asynchronně po zprávách v řetězcích znaků. Toto rozhraní slouţilo k propojení jednoho vysílače s jedním přijímačem nebo v případě RS 422 s více přijímači. Sběrnice RS 485 umoţňuje obousměrný přenos informací s více vysílači, které jsou připojeny k jedné sběrnici. V případě nejnovějších počítačů začíná dominovat rozhraní USB (Universal Serial Bus), coţ je sériová polyfunkční sběrnice se 2 diferenciálními datovými vodiči a 2 napájecími vodiči (5 V/500 mA). Ve verzi 1.1 je přenosová rychlost 12 Mbit/s a ve verzi 2.0 je tato rychlost 480 Mbit/s. USB rozhraní pouţívá dva typy konektorů a to plochý konektor „typ A“, který lze dnes připojit 215

k prakticky kaţdému novému PC aspoň do dvou přípojek, a „typ B“, který je určen pro periferní zařízení. Maximální délka kabelu mezi dvěma zařízeními je 5 metrů. USB dovoluje připojit až 127 zařízení pomocí jednoho konektoru. Připojeným zařízením poskytuje USB zároveň i napájecí napětí 5V s omezeným proudovým odběrem do 500 mA.

5.2 Automatizované systémy řízení budov (ASŘB) Automatizace budov se vyvinula v samostatný a významný aplikační obor automatizační techniky, který poskytuje zákaznicky orientovaná řešení jak provozovatelům, tak uţivatelům všech druhů budov. Automatizační prvky, jakými jsou senzory, akční členy a regulátory, řídící mikropočítače a vizualizace procesů zpravidla fungují v reţimu distribuované inteligence. Tato zařízení musí být vybavena komunikačním systémem pro vzájemnou výměnu dat. Moderní budovy kladou stále vyšší poţadavky na instalovaná technická zařízení v celém svém aplikačním komplexu. Při moderních způsobech projektování a instalace technických zařízení budov, energie a vytváření prostředí (TZEPB), dnes stále častěji zjišťujeme, ţe na zařízení jednotlivých profesí uţ nelze pohlíţet izolovaně, ale abychom byli schopni splnit poţadavky na energetickou účinnost, resp. úspornost (obnovitelné zdroje i neobnovitelné zdroje jako je biomasa, fosilní paliva), bezpečnost technologií staveb a jejich zařízení a poţadovanou míru komfortu, je nutno je vzájemně propojit. Současný vývoj v oblasti technologie budov vede k uţšímu propojování slaboproudu a silnoproudu. Typickým příkladem je problematika úsporné regulace teploty v místnostech. V tzv. inteligentních budovách výpočetní technika řídí teplotu, osvětlení a výměnu vzduchu v místnostech. Vypíná topení v prázdných místnostech, automaticky zhasíná zapomenutá světla, odhalí v zimě zbytečně otevřená nebo rozbitá okna, upozorní na závady v otopném systému, hlásí vznik poţáru, prasknutí potrubí, vniknutí nepovolaných osob, zařízení pro likvidace odpadů, zařízení pro kanalizaci a odpadní vody, výtahy, zdviţe apod. Inteligentní řídící obvody ovládají prvky silového rozvodu elektrické energie. Spínají čerpadla, ventilátory, ventily v topení, osvětlení, apod. Proto je nutné, aby kaţdý odborník z oblasti projektování a realizace inteligentních budov, z oblasti TZB a silnoproudých elektroinstalací, inteligentních rozvodných sítí aţ po myslící rozvodnou síť (jako zprostředkovanou oblast budovy), znal základy slaboproudu a automatizační a výpočetní techniky, zejména logického řízení.

216

5.2.1 Základní pojmy z ASŘB ASŘB je chápán jako soubor zařízení, systémů a subsystémů, jejichţ úkolem je řídit chod budovy. Tato zařízení mají schopnost pracovat samostatně a zároveň navzájem spolupracovat. To umoţňuje automaticky řídit téměř jakékoliv zařízení nebo systém v budově individuálně nebo komplexně. Uvedeme některé funkce ASŘB: - Ovládání soustav vytápění, větrání a klimatizace - Ovládání osvětlení, vytváření scén - Optimalizace spotřeby energií v celém objektu - Ovládání spotřebičů a různých automatických systémů - Ovládání ţaluzií, markýz, rolet, oken, dveří nebo vrat - Dálková signalizace - Činnost soustavy střeţení objektu a samočinného hlášení o vniku nepovolaných osob - Činnost soustavy elektrické poţární signalizace - Protokolování událostí - Vizualizace - Centrální ovládání vybraných funkcí - Operativní ovládání pomocí telefonu - Další funkce poţadované uţivatelem. Nejčastější způsoby řízení budovy a) Automaticky b) Ručně – tlačítkové ovladače c) Ručně – dálkové ovladače a panely d) Z vizualizace místně e) Z vizualizace vzdáleně – PDA, WWW, terminálový klient (RDP) Vizualizace umoţňuje jednoduše a přehledně zpřístupnit údaje z libovolného řízeného procesu v budově. Nejčastěji se jedná o ovládání světel, vytápění či aplikace bezpečnostních prvků. Vizualizace zároveň přebírá řídící funkci systémů a přejímá tak funkce logických členů. Komfortní ovládání celého systému je samozřejmostí. Pomocí vizualizačního počítače, dotykových panelů či webové aplikace lze místně i vzdáleně řídit, ovládat a sledovat libovolné parametry, veličiny či hodnoty. Můţeme si vyjmenovat některé moţnosti vizualizace pro řízení budovy: Ovládání světel, řízení světelných scén; Regulace vytápění, sledování teplot; Sledování oken, ovládání ţaluzií; Ovládání elektrických spotřebičů; Provázání na zabezpečovací ústřednu, čidla snímající stav počasí; Sledování jednotlivých místností, podlaţí, částí objektu; Hlídání hraničních stavů, reakce na překročení mezí; Archivace hodnot, sledování historie jednotlivých funkcí; Grafická reprezentace pomocí ikon, tabulek, grafů; Webové rozhraní – ovládání a sledování přes internetový prohlíţeč, zesílení informací e-mailem.

217

5.2.2 Technické zařízení budov a její systémová technika „Systémová technika budov popisuje propojení sítí, sestavených ze systémových komponent a účastnických stanic pomocí instalační sběrnice (Installation Bus) do jednoho systému, sladěného s elektroinstalací tak, ţe zajistí funkce, provozní fungování a spojení v příslušné budově. Inteligence systému je distribuována na jednotlivé komponenty. Informační toky probíhají přímo mezi jednotlivými účastníky“ [6]. Systémová technika budov představuje jen malý úsek automatizace budov (byt, kancelář, pokoj, atd.). Mluvíme pak o automatizaci místností. V konkrétním případě se vţdy jedná o místní (lokální) omezenou aplikaci, přičemţ jednotlivé aplikace jsou soustředěny do jedné místnosti. Jednotlivé poţadované funkce jsou implementovány do jednotlivých komponent systémové techniky budov, pro takové aplikace nejsou nutné ţádné centrální řídící moduly jako např. DDC (Direct Digital Control), které navíc by byly propojeny na centrální počítač. Kaţdé takové komponenty (např. 4násobný ţaluziový akční člen) jsou přímo od výrobce naprogramovány, tak například příkaz pro osvětlení se vydává prostřednictvím inteligentního ovladače, vybaveného vlastním procesorem i připojením na lokální sběrnici místnost. Pro vlastní provedení příkazu se vyuţívá dalších komponent, jako je inteligentní tlačítkový ovladač, který je vybaven vlastním procesorem. Jejich umístění je vhodné v blízkosti osvětlovacích těles, nebo ve skříni rozvodnice. Rovněţ tak nastavení topných těles v místnosti se provede tak, ţe se pouţije systémových komponent. Na topná tělesa se namontují elektronicky řízené servopohony a ty jsou prostřednictvím sběrnice místnosti propojeny na snímač teploty, který je umístěn v blízkosti vchodových dveří. Zde se pak vyuţívá jednoduchých logických operací, které v tomto případě přesahují rámec funkce TZB. V případě instalace snímače přítomnosti osob v dané místnosti se pak při odchodu posledního uţivatele místnosti vypne osvětlení a zároveň se automaticky nastaví vytápění na niţší pokojovou teploty místnosti. Rovněţ i tato funkcionalita se neprovádí prostřednictvím centrálního řídícího modulu DDC, ale přímo prostřednictvím daných komponent, tedy prostředky techniky systému budov. Různé společnosti produkují různé komponenty, např. uvedeme funkci pětinásobného snímače s tlačítkovým ovládáním a integrovaným termostatem – snímač se nachází přímo v přístroji a naměřené hodnoty teploty předává k bezprostřednímu zpracování v procesoru, umístěném v tomtéţ prostoru – místnosti. Dodatečně ja také moţné poţadovanou hodnotu teploty místnosti nastavit a upravit programem. V našem případě pětinásobným snímačem s tlačítkovým ovládáním lze vyslat řídící povely k akčním členům, ovládajícím lokální operace (osvětlení, stmívání, spouštění ţaluzií, větrání). Horní tři tlačítka se mohou pouţít k ovládání osvětlení a ţaluzií. Spodní dvě tlačítka mohou slouţit k řízení světelných scén. Na druhé úrovni je moţno ovládat vytápění a chlazení. Na integrovaném displeji můţeme spatřit informace: aktuální teplota, nastavená hodnota a provozní režim. Přístroje (komponenty), které v rámci např. systému KNX/EIB vzájemně komunikují, se souhrnně nazývají účastníci a rozdělují se na dvě skupiny – senzory (vysílače) a aktory (přijímače).

218

Senzory snímají fyzikální veličinu nebo děj, převádějí ji na informaci, kterou je moţno přenést po sběrnici (digitálně), a na sběrnici vysílají odpovídající telegram. Nejjednodušším dějem je stisk tlačítka na určitém tlačítkovém senzoru. Ale senzory jsou dnes schopny snímat nejrůznější veličiny, např. intenzitu osvětlení, teplotu nebo přijímat rádiové signály. Aktory vyhodnocují telegramy, které senzory vysílají, a mění je v (mechanickou) činnost. Podle těchto činností se aktory označují jako spínací, stmívací, ţaluziové, aktory topení atd. I kdyţ v zásadě jsou jednotliví účastníci buď senzory, anebo aktory, mohou v sobě sdruţovat oba druhy. Proto většina účastníků disponuje řadou navzájem nezávislých komunikačních kanálů.

5.2.3 Řízení pro inteligentní budovy Decentralizované inteligentní budovy nemusejí vţdy vyuţívat výkonné systémy řízení pro zpracování a vyhodnocování signálů v mnoţstvích od jednotek aţ po několik tisíc vstupů (účastníků). Komunikace mezi jednotlivými funkčními celky budovy (místnosti, byty, kanceláře atd.) tvořící vlastní strukturu systému umoţňuje například bezbariérová komunikační síť podloţená standardem LON (Local Operating Network). Problematika řízení většího mnoţství malých technologií, které jsou roztroušeny např. po budově (distribuovaná inteligence) není nová. Tato zařízení byla schopná uspokojivě řešit danou problematiku, např. řízení vytápění, chlazení a osvětlení jednotlivých místností v budově. Jakmile se investor jednou rozhodl pro dané zařízení, nebylo moţné rozšiřovat či nahrazovat ničím jiným, neţ zařízením od stejného výrobce a moţnosti byly omezené jen na poţadavky investora předem předpokládané při vývoji zařízení. S rozvojem výroby mikroprocesorů bylo moţné vyvinout a realizovat výrobu dostatečně levných čipů s dostatečně rozsáhlými moţnostmi zobecnění veškerých poţadavků na komunikaci obdobných systémů. Tím se problematika komunikace mohla oddělit od konkrétního výrobce řídící technologie. Výhoda spočívá v tom, ţe po zvolení komunikačního prostředí má investor moţnost volit výrobce řídící technologie od levných tuzemských výrobců s několika zaměstnanci aţ po zavedené velmi solidní a rozsáhlé mezinárodní společnosti v jednom systému a navzájem podle důleţitosti a poţadované spolehlivosti kombinovat a mezi sebou i dodatečně nahrazovat. Podmínkou je pouze, aby v kaţdém zařízení byl osazen neuronový čip (tříprocesorový mikropočítač s firmware, který zajišťuje síťovou komunikaci komunikačním protokolem LonTalk® a základní běh aplikačního programu). Tím vzniká konkurenční prostředí a moţnost sníţení nákladů. Jednou z nejvýznamnějších světových firem v oblasti komunikací je Echelon Corporation. Echelon, LON, LONWORKS, Neuron, LonTalk jsou některé z registrovaných známek firmy Echelon Corporation. LonTalk protokol - protokol je norma, která určuje techniku komunikace jednak z hlediska elektrického, jednak z hlediska softwarového. Neuronový čip - tříprocesorový počítač v jediném pouzdře plně zajišťující komunikaci protokolem LonTalk. Kaţdý čip má přímo z výroby svoje číslo, které je zcela unikátní a nikdy se nebude opakovat. Kaţdý neuron je 219

tedy v síti jednoznačně identifikován svým číslem. Jako nosič po kterém probíhá komunikace je moţné pouţít prakticky veškeré známé techniky, především kroucená dvoulinka, NN vedení, koaxiální kabel, optika, přenos vzduchem atp. Struktura celé sítě distribuované inteligence je prakticky neomezeně velká - 32 385 zařízení v kaţdé doméně a 248 domén v síti, celkem tedy je moţno propojit 9x1018 zařízení. Návaznost na LAN, internet, TPC/IP protokol, a ostatní způsoby komunikace jsou samozřejmě k dispozici. Neuronové čipy jsou vyráběny ve velkých sériích a jsou proto poměrně velmi levné. Při snahách o sníţení investičních nákladů dochází ke snahám pouţít tuto levnější technologii i v případech, kdy je to nevhodné, například pro řízení ucelených technologií jako jsou kotelny, vzduchotechnické strojovny, strojovny chlazení, výměníkové stanice atp. To je bez nebezpečí moţné jen v některých případech. Další chybné pouţití by bylo pro nouzové funkce budovy, především pro poţární zabezpečení. V těchto případech, pokud se technologie pouţije, je nutné dbát na přísné oddělení na dílčí sítě, které nejsou vzájemně přímo propojeny. To platí samozřejmě obecně nejen pro LON technologii, ale i pro ostatní. Programovatelné automaty modulární koncepce např. PLC se dají podle potřeby přizpůsobit poţadovanému počtu signálů (účastníků) na vstupní i na výstupní straně. PLC řady ICS (Inline Control Server) – automatizovaný modul. Produktová řada programovatelných automatů ICS odpovídá LON protokolu podle standardů i podle normy LON/IP (EN 14908) jako LonMark kompatibilní zařízení pro komunikaci s ostatními účastníky v rámci všech pouţívaných síťových LON řešení. PLC řady ICS tak otevírá zcela novou výkonnostní třídu v automatizaci pomocí LON a nachází nové uplatnění především v managementu sluţeb moderních průmyslových staveb. K propojení s řídicím systémem lze pro unifikovaný přenos dat z ICS jako zdroje informací ze snímačů a akčních členů pouţít OPC server bez nutnosti dodatečných rozhraní pro převod z proprietálního řešení na všeobecně uznávaný komunikační standard LON. ICS a Inline modulární řešení umoţňuje sjednocené projektování pro automatizaci budov, stejně jako v průmyslové oblasti s vyuţitím prvků, které jsou v dnešní době dostatečně známé. Rovněţ výrazně zkracuje potřebné časy nejen při výstavbě ale i uvádění do provozu. Také v oboru řízení a optimalizace provozu budov včetně efektivní a výhodné řízení v sítích LON je přínosem pro konstruktéry a uţivatele. Převzato včetně obrázku: obr.5.11. [7]

220

Obr. 5.11: ICS výkonnostní třídy PLC firmy PhoenixContact

5.2.4 Sběrnice a sítě v automatizaci budov Jedním z důvodů, proč pouţívat komunikační sběrnice v automatizaci budov, je hospodárnost. Klasickou elektroinstalací by bylo moţné zajistit většinu poţadavků, kladených na elektrické vybavení budov. Při rozsáhlejších instalacích, zajišťujících velké mnoţství poţadovaných úkolů, stoupají však neúměrně náklady na elektroinstalaci a od jisté výkonnosti se vyplatí přejít na sběrnicový systém viz. obr. 5.12.

Obr. 5.12: Porovnání nákladů provedených elektroinstalací bez sběrnice a se sběrnicí 221

Automatizaci budov lze rozčlenit na tři úrovně, které se pouţívají v průmyslové automatizaci. Nejvyšší, operátorská úroveň dává celkový přehled o stavu budovy, poskytuje dokumentaci a vyhodnocování dat, dovoluje manuální zásahy a podporuje údrţbu. Prostřední, řídicí úroveň slouţí ke zpracování informací ze senzorů a vydávání povelů příslušným akčním členům. Provádí výpočty, regulaci, načítá a hlídá minimální a maximální hodnoty, určuje čas, registruje provozní dobu a generuje poplašné signály. Nejniţší úroveň senzorů a akčních členů slouţí k měření, indikaci stavů, spínání a nastavování. Základním předpokladem pro integraci všech technických zařízení do celého systému budovy je přenos informací, které jsou realizovány komunikačním propojením. Jednotlivá technická zařízení jsou určitým způsobem propojena s centrálním nadřazeným počítačem, toto propojení je řešeno systémem sběrnic (Bus Systém). Původně jednotliví výrobci automatizačních a řídicích systémů budov vyvíjeli sběrnice pro přenos dat autonomě, nebo vyuţívali jiţ známých řešení ze systémů automatizace výrobních procesů. Hlavním úkolem bylo propojení jednotlivých provozních instalací ovládaných vlastními, individuálně zkonstruovanými DDC moduly. V průběhu posledního období se zvýšila poptávka po systémech automatizace budov. Vyvstal poţadavek, aby se mohly integrovat systémy, kde různá zařízení jsou vybavena řídícími jednotkami od různých výrobců. Například při zapojení poplachového zařízení proti vloupání, musela se zajistit komunikace mezi dvěma různými sběrnicemi. Bylo proto nutné, aby alespoň mezi dvěma rozdílnými výrobci sběrnicových systémů existoval společný a zveřejněný komunikační protokol. S přibývající sloţitostí celých systémů se na trhu sběrnic prosadila myšlenka otevřených systémů a jednotných komunikačních protokolů. Dalším aspektem poptávky po otevřených systémech bylo zjištění, ţe provozovatelé jsou finančně závislí na dodavatelích a tato skutečnost se v případě otevřených systémů vylučuje.

5.2.5 Komunikační standardy Zatímco v průmyslové automatizaci byla jiţ dříve vytvořena řada standardů, došlo v automatizaci budov teprve v druhé polovině 80. let k formování prvních komunikačních standardů, jako byl např. německý protokol pro přenos dat nezávislý na firmách FND a Profibus GA s profily pro automatizaci budov. V roce 1990 byl pak na evropské úrovni ustanoven technický výbor, který pro automatizaci budov vybíral sběrnice ze stávajících standardů. Pro operátorskou úroveň byly zvoleny sběrnicové standardy BACnet a FND, pro řídicí úroveň BACnet s LonTalk, Profibus FMS a WorldFIP, pro nejniţší úroveň BatiBus, EHS, EIB a LON [8], zakotvené od roku 1996 v evropské normě EN 50170 [9 a 10]. Standard WorldFIP je pojmenován podle organizace výrobců a uţivatelů FIP. Protoţe nemá specifické profily pro automatizaci budov, je právě tak jako Profibus FMS v dnešní době vytlačován specializovanými standardy. BatiBus je rovněţ francouzský standard pro 222

komunikaci v nejniţší úrovni automatizace budov, orientovaný na vytápění, větrání a klimatizaci, uţívaný převáţně ve Francii (firmy Merlin Gerin a Schneider). Standard EHS byl vyvinut v rámci evropských projektů v letech 1989 aţ 1993 (pod vedením firem SGS-Thomson a Philips). Má dva kanály: control channel pro řízení a regulaci a information channel pro přenos řeči a hudby, takţe je vhodný jak pro automatizaci obytných budov, tak i pro automatizaci domácností. Rozšíření a další vývoj standardu zajišťuje společnost EHSA zaloţená v roce 1991.

5.2.6 Sběrnice EIB Evropská instalační sběrnice EIB (European Installation Bus) vznikla z elektroinstalační sběrnice instabus firmy Siemens (vývoj od roku 1986) a stala se v roce 1992 německou, později i evropskou normou (EN 50090). Sběrnice EIB je v Evropě nejrozšířenější a je podporována společností Siemens i jinými významnými výrobci, jako jsou Bosch a Busch-Jäger (dceřiná společnost koncernu ABB) a další stovkou firem, sdruţených v organizaci EIBA (www.eiba.org), zaloţené v roce 1990. Popis technického řešení sběrnice EIB je uveden v [11]. Programování účastníků a celého systému EIB se provádí počítačem programem ETS (EIB Tool Software), který existuje jiţ v několika verzích. Pro vizualizaci stavů a provádění ručních změn v méně rozsáhlých systémech existuje televizní manaţer [13] (www. TV-Manager.com) nebo domácí asistent HES firmy Siemens [13 a 14]. Vedle základního přenosového média, krouceného páru vodičů EIB-TP je moţné vyuţít ještě přenos po síťovém vedení EIB-PL (Power Line) a přenos signálů rádiem EIB-RF (Radio Frequency) [12 a 13]. Systém EIB je otevřený pro všechna další zařízení, avšak primárně je určen pro elektroinstalaci. Sběrnicí EIB mohou být bez problémů spojeny výrobky různých firem (více neţ sto firem nabízí přes čtyři tisíce různých výrobků). Příkladem přístroje pro sběrnici EIB je modul teplotního senzoru firmy Moeller. Zařízení kompatibilní se sběrnicí EIB včetně příslušných programů pro programování a uvedení do provozu jsou koncipována tak, ţe vyškolený elektroinstalatér je schopen samostatně zvládnout i větší projekty a případně provést různé změny podle přání zákazníka. To je téměř vyloučeno u jiných sběrnic (např. LON), které však zase mají mnohem širší spektrum pouţití a jsou pruţnější. Sběrnice EIB není vhodná pro některé elektroinstalační úlohy, jako je např. časově kritické řízení pohybu jeviště v divadle [11].

5.2.7 Sběrnice EIBA a KNXA V roce 1999 byl zaloţen sdruţení KNXA (Konnex-Association), které si dalo za úkol vytvoření otevřeného světového standardu pro automatizaci budov a automatizaci domácích spotřebičů včetně jejich síťového spojení. Tato zastřešující organizace sdruţuje 223

mezinárodní organizace a firmy, vyrábějící zařízení pro automatizaci budov (zčásti pro různé sběrnice) a spotřebiče pro domácnost. Mezi zakládajícími členy je jak EIBA, tak i firmy se silným postavením na trhu (Siemens, Merten, Hager a další). Jako základ pro mezinárodní standard KNX byla zvolena sběrnice EIB pro její technický charakter i úspěch na trhu (bylo jiţ realizováno přes sedmdesát tisíc projektů), je téţ označována KNX/EIB. Jedná se o standardizovanou sběrnici, která zajišťuje výměnu dat mezi různými zařízeními a systémy nezávisle na výrobci [22]. Hovořily pro ni v zásadě tři výhody EIB: kompatibilita výrobků různých firem, jasná certifikace a jednotné uvádění do provozu (EIB-Tools). Veškeré výrobky a zařízení určené pro sběrnici EIB vyhovují automaticky standardu KNX (a často bývají současně označovány oběma ochrannými známkami EIB a KNX). Standard KNX má oproti EIB mnohem větší objem funkcí, odpovídající poţadovanému cíli spojení nejrůznějších přístrojů. Moţnost vyuţití dalších přenosových médií, integrace různých zařízení (pro otop, větrání, klimatizaci a dále domácích spotřebičů), jakoţ i nové druhy uvádění do provozu (odpovídající rozšířenému spektru pouţití) umoţňují propojení automatizace budov s automatizací domácností do skutečného „inteligentního“ domu. Vytvořením mezinárodního standardu KNX se dostalo evropské sběrnici EIB mezinárodního zhodnocení, které přesahuje hranice Evropy. Ovšem evropská instalační sběrnice se dostala na hranici svých moţností, kdyţ bylo třeba přenášet současně se spínacími povely téţ velké mnoţství analogových signálů.

5.2.8 Sběrnice LON Standard LON (Local Operating Network) byl vyvinut počátkem 90. let americkou firmou Echelon jako univerzální a levné komunikační spojení pro všechna moţná technická pouţití na nejniţší automatizační úrovni. Cílem byla výroba čipu s názvem neuron, obsahujícího všechny potřebné funkce. Pouţitý protokol se nazývá LonTalk a celá technika se označuje souborně jako LonWorks. Topologie je odvozena z počítačových sítí. LON je decentralizovaný sběrnicový systém řízený událostmi a napodobující nervový systém. Sestává z uzlů, které si mohou vyměňovat mezi sebou informace. K tomu potřebné mikrokontroléry jsou nazývány „neurony“. Kaţdý uzel se skládá z elektronického zařízení (senzoru nebo akčního členu), univerzálního čipu – neuronu a připojení na sběrnici. Neuronový čip obsahuje tři osmibitové procesory, paměti, časovací jednotku, vstupní/výstupní část a komunikační sběrnici. Vyrábí je firmy Toshiba a Cypress Semiconductors (dceřiná společnost Motoroly). Digitální signál sběrnice LON je přenášen sériově ve tvaru zpráv (telegramů) na různých přenosových mediích: kroucené páry vodičů, elektrorozvodná síť, vysokofrekvenční rádiové vlny, infračervené spojení, koaxiální kabel a skleněná vlákna. Přenosová rychlost se pohybuje mezi 600 b/s a 1,25 Mb/s podle pouţitého média a délky spojení. U kroucených párů vodičů se na vzdálenost 2 700 m dosahuje rychlosti 10 kb/s, zatímco na vzdálenost1 500 m aţ 78 kb/s a na 130 m jiţ 1 250 kb/s. Nejvyšším stupněm hierarchie LON je doména, sloţená z 255 podsítí po 127 uzlech, takţe celkový maximální počet uzlů v doméně je 32 385. Účastníci mají modifikovaný 224

(předvídací) náhodný přístup ke sběrnici p-CSMA/CA, kde p značí predictive. K připojení na sběrnici slouţí kombinovaný vysílač a přijímač (transceiver), jehoţ typ závisí na přenosovém médiu. Pouţitý transceiver ovlivňuje i topologii vytvořených sítí. Transceiver s volně volitelnou topologií FTT-10 (Free Topology Transceiver) dovoluje u kroucených vodičů jak liniové zapojení s jediným zakončovacím odporem T (Terminator), tak i hvězdicové nebo kruhové spojení účastníků obr. 5.13. Stejnosměrné napájecí napětí je přiváděno k uzlům buď zvláštním vedením, v němţ mají kabely čtyři obsazené vodiče, nebo současně s informacemi dvouvodičovým vedením (LinkPower) jako u EIB. Přenos informací po silnoproudé síti dovoluje transceiver typu PLT-22 (PowerLine Transceiver) rychlostí 9,6 kb/s. Signál je namodulován na nosný kmitočet v oblasti pod dlouhými vlnami, aby nebyl rušen rozhlasový příjem. Vysílá se na dvou kmitočtech v pásmu C [16]. V systému LON pouţitý protokol LonTalk je částí firemního programu (firmware) a je dnes jiţ otevřený (standardizován v EIA-709), takţe jej lze implementovat i mikroprocesory nezávislými na čipu Neuron. Jako jediný protokol ze sběrnic pouţívaných v automatizaci budov na nejniţší úrovni vyuţívá LON všech sedmi vrstev referenčního modelu OSI (Open System Interconnection), coţ mu umoţňuje proniknout aţ do nejvyšší operátorské úrovně automatizace, zejména jsou-li nové prvky vybaveny 32bitovými mikroprocesory. Naskýtá se oprávněná otázka, zda jsou pro celou automatizaci budov potřebné další protokoly [17], kdyţ lze část automatizační úrovně a celou operátorskou úroveň simulovat a zobrazit programem na dnešních výkonných počítačích. V rozsáhlých sítích je nutné stále indikovat případné poruchy, a proto byly vyvinuty speciální testery, dohlíţející na provozuschopnost celé instalace. Pravidla pro vývoj kompatibilních zařízení techniky LonWorks se nazývají LonMark a na jejich dodrţování dohlíţí v roce 1994 zaloţená organizace LonMark Interoperability Association (www.lonmark.org). Byla zaloţena také organizace uţivatelů LON – Lon Nutzer Organisation (www.lno.de) a evropský portál uţivatelských organizací (European Lon Users Web Portal – www.lonusers.info). Základní informace lze získat na www.echelon.com. K velkým projektům LON z poslední doby patří frankfurtský Westhafen Tower (www.westhafentower.de) a budova bratislavské Národné banky Slovenska. Pro menší instalace jsou vyráběny různými firmami jednoduché obsluţné displeje.

Obr. 5.13: Smíšená topologie LON: linie, hvězda a kruh 225

Při práci s touto sběrnicí je nutné zaškolení, protoţe poţadované aplikace softwaru vykazují vyšší nároky jak na procesor, tak i na programátory.

5.2.9 Protokol BACnet BACnet je komunikační protokol pro automatizační a operátorskou úroveň automatizace budov. Základní myšlenkou protokolu BACnet je formulace univerzálního popisu všech moţných funkcí zařízení. K tomu slouţí popisy funkcí a rozsahu objektů jednotlivých zařízení v protokolech PICS a BIBB, rozdělených do kategorií. Systém BACnet je celosvětovou normou, výkonným standardem automatizace budov. Pouţívá se bez licenčních poplatků. Dosud bylo realizováno jiţ více neţ 10 000 projektů. Evropské a americké skupiny pracují na moţnosti certifikace zařízení BACnet, aby byla zaručena zaměnitelnost produktů různých výrobců. Mimo organizaci BACnet (www.bacnet.org), existuje v roce 1998 zaloţené evropské zájmové sdruţení BIG – BACnet Interest Group – European Union (www.big-eu.org), severoamerické sdruţení BIG (www.big-na.org) a sdruţení výrobců BMA – BACnet Manufacturers Association (www.bacnetassociation.org).

5.2.10 Další sběrnice pro automatizaci budov Pouţití standardizovaných sběrnic se prodraţuje placením licenčních poplatků, a proto se snaţí některé firmy řešit automatizaci zejména menších objektů vlastními, proprietárními a nestandardizovanými sběrnicemi. Příkladem firemního řešení je sběrnice PHC, která je pouţívána v centralizovaném instalačním systému firmy PEHA, zaloţeném na programovatelných automatech. Síť má vţdy jednu aţ čtyři jednotky, na něţ lze napojit maximálně 640 informačních bodů (maximálně 2 560 bodů). Sběrnice dosahuje přenosové rychlosti 19,2 kb/s na vzdálenost aţ 1 km a pouţívají se šestivodičový kabel a rozhraní RS-485. Programování je prováděno počítačem se speciálním programem PHC. Sběrnice umoţňuje komfortní ovládání světel a ţaluzií, bezpečnostní zajištění a jednoduché řízení vytápění a větrání. Mezi další funkce patří otevírání garáţových vrat a domovních dveří, regulace získávání teplé vody elektrickým ohřevem nebo v kombinaci se solárními kolektory, lze připojit kameru s centrální obsluhou pro školy a hotely. Firma Moeller pouţívá sběrnici Nikobus, která vytváří inteligentní, částečně decentralizované instalační systémy pro rodinné domy, menší administrativní budovy, hotely apod. [19]. Sběrnicí jsou spojeny zejména senzory, předávající signál do funkčních jednotek (spínací, stmívací a ţaluziová). K jedné řídicí jednotce lze na vzdálenost aţ 350 m připojit aţ 256 senzorů, např. spínače osvětlení, soumrakové spínače, dveřní a okenní spínače, detektory pohybu, spínací hodiny, spínače centrálního dálkového ovládání, snímače teploty, apod. Maximální délka sběrnice je 1 km.

226

V síti liniové, hvězdicové nebo stromové topologie jsou pro rozvod pouţívány kroucené páry vodičů. Přenosový protokol nebyl zveřejněn. Sběrnice s napájením 9 V DC umoţňuje ovládání jak infračerveným světlem, tak i rádiovým signálem. Jednoduchá instalační sběrnice LCN firmy Issendorff pouţívá pro datový přenos čtvrtý vodič silnoproudého kabelu. Sběrnice dosahuje přenosové rychlosti 19,2 kb/s při maximální vzdálenosti 1 km (při pouţití skleněného vlákna aţ 2 aţ 5 km a u vlákna z umělé hmoty 100 m). Přenosový protokol není uveden [20]. Síť dvouúrovňové liniové topologie se skládá z maximálně 120 segmentů po 250 modulech. To znamená, ţe síť můţe mít celkem 30 000 modulů s více neţ 60 000 přípoji na senzory nebo akční členy, přičemţ moduly jsou napájeny přímo ze sítě. Programování se provádí speciálním programem LCN-P (pro DOS i Windows). Sběrnice umoţňuje bezdrátové ovládání [21] a uplatní se pro domovní osvětlení ovládané podle venkovního světla. V systému můţe být zahrnuto automatické ovládání schodišťových spínačů a ţaluzií nebo postupné zapínání a vypínání světel apod.

5.2.11 Hodnotící pohled na současné sběrnicové systémy V automatizaci budov se v současné době prosazují u větších projektů většinou poměrně nákladné sběrnice EIB a LON, v případě potřeby koordinované se systémem BACnet. U menších objektů se pouţívají levnější firemní řešení. Sběrnice EIB je typicky evropská, důsledně německy uspořádaná, s přehlednou topologií pochopitelnou i pro zaškoleného elektroinstalatéra; sběrnice LON naproti tomu americky počítačově hravá, neučesaná a zkomolená, v níţ se stěţí vyzná i specialista. V současné době je patrná snaha různých organizací důslednou normalizací zabránit „válce“ sběrnic a systémů, která v minulých letech propukla mezi průmyslovými komunikačními sběrnicemi. V Evropě se o to snaţí společnost EUBAC (www.eubac.org), zaloţená v roce 2003, a v Severní Americe CABA (www.caba.org).

5.3 Základní pojmy z oblasti výpočetní techniky Tato kapitola vysvětluje základní pojmy, jejichţ zvládnutí je nutné pro pochopení dalších informací v tomto skriptu. Počítač: Stroj na zpracování informací Procesor (CPU – Central Processing Unit – Hlavní jednotka zpracování dat). Můţeme si říci, ţe procesor je „mozkem“ počítače. Jeho nejdůleţitější částí. Jeho výkon (nebo také rychlost) se udává v Megahertzích (Mhz) nebo Gigahertzích (GHz) (1 GHz = 1000 Mhz). Procesor slouţí k řízení výpočtů, operací, přistupování do paměti počítače. Informace: 227

1. data, která se strojově zpracovávají 2. vše co nám nebo něčemu podává (popř. předává) zprávu o věcech nebo událostech, které se staly nebo které nastanou Data: údaje, hodnoty, čísla, znaky, symboly, grafy,… Program: Algoritmus zapsaný v programovacím jazyce, který řeší nějaký konkrétní úkol. Jedná se o posloupnost instrukcí. Instrukce: Předpis k provedení nějaké (většinou jednoduché) činnosti realizovatelný přímo technickým vybavením počítače (např. přičtení jedničky, uloţení hodnoty do paměti apod.) Hardware: Technické vybavení počítače - souhrnný název pro veškerá fyzická zařízení, kterými je počítač vybaven. Software: Programové vybavení počítače - souhrnný název pro veškeré programy, které mohou na počítači pracovat. Software je moţné rozdělit do dvou skupin: systémový software: operační systémy, pomocné programy pro správu systému (utility), překladače programovacích jazyků b) aplikační software: programy umoţňující řešení specfických problémů uţivatele: - textové editory - grafické editory - tabulkové procesory - databázové systémy - CAD programy (Computer Aided Design) - DTP programy (Desktop Publishing) - počítačové hry a)

Operační systém je hlavním ovládacím programem (souborem programů), které spravují počítač. Umoţňují mu zpracovávat data, zobrazovat výsledky práce (na monitoru, na tiskárně), přijímat příkazy, komunikovat Firmware: Programové vybavení, které tvoří součást technického vybavení. Toto programové vybavení aţ na naprosté výjimky nemůţe být uţivatelem modifikováno. bit: 1 bit (binary digit - dvojková číslice, označuje se b) je základní jednotka informace. Poskytuje mnoţství informace potřebné k rozhodnutí mezi dvěma moţnostmi. Jednotka bit se označuje b a můţe nabývat pouze dvou hodnot - 0, 1. Byte: Jednotka informace, která se označuje B a platí 1 B = 8 b. Slovo: obvykle 2 nebo i více slabik tvoří slovo 228

Word: Jednotka informace. Platí 1 W = 2 B = 16 b. Kromě této jednotky se také někdy uţívá ještě 1 doubleword (DW), pro který platí 1 DW = 2 W = 4 B = 32 b. Paměť: Zařízení, které slouţí pro uchování informací (konkrétně binárně kódovaných dat). Mnoţství informací, které je moţné do paměti uloţit, se nazývá kapacita paměti a udává se v bytech. Protoţe byte je poměrně malá jednotka, pouţívá se často následujících předpon: Předpona Značka Zápis Mocnina (B) Převod (B) kilo

k, K

1 kB 210 B

1024 B

mega

M

1 MB 220 B

1048576 B

giga

G

1 GB 230 B

1073741824 B

tera

T

1 TB 240 B

1099511627776 B

Hlavní paměť bývá rozdělena na buňky (paměťová místa) určité velikosti (kterým jsou přiřazena nezáporná čísla nazývaná adresy paměti). Z nichţ kaţdá je tedy jednoznačně identifikována svým číslem. Toto číslo se nazývá adresa paměti a velikost takovéto buňky, která má svou vlastní adresu, se označuje jako nejmenší adresovatelná jednotka. Obsah paměťového místa je SLOVO: -

slovo (word) – velikost závisí na procesoru (např.16b, 37b, 50b) slabika B – byte – 8b=1B, obvykle 2 nebo i více slabik tvoří slovo, např. u procesoru Intel 80x86 – 1 slovo=2B

Slabiková organizace paměti Př.:

1 slabika = 1B 1 slovo = 2B 1 dvojité slovo = 4B [DW-DoubleWord] – tedy 32b

Od adresy 5678 má být uloţeno dvojité slovo 1234ABCD

5678 5679 567A 567B

1. způsob

2. způsob

12 34 AB CD

CD AB 34 12 229

Paměti je moţné rozdělit do následujících základních skupin: -

-

Vnitřní (operační): paměť slouţící pro uchování momentálně zpracovávaných dat a programů. Realizovaná většinou pomocí polovodičových součástek. Vnější (periferní): paměť slouţící k dlouhodobějšímu uchování dat. Realizovaná většinou na principu magnetického (popř. optického) záznamu dat. Ve srovnání s operační pamětí bývá přístup k jejím datům pomalejší. RAM: paměť určená ke čtení i zápisu dat ROM: paměť určená pouze ke čtení dat Paměť s přímým přístupem: paměť, která dovoluje přistoupit okamţitě k místu s libovolnou adresou Paměť se sekvenčním přístupem: paměť, u které je nutné při přístupu k místu s adresou n nejdříve postupně přečíst všechna předcházející místa (0 aţ n-1)

Registr: Velmi rychlé paměťové místo malé kapacity (jednotky bytů) umístěné většinou uvnitř procesoru počítače. Řadič (Controller): Zařízení převádějící příkazy v symbolické formě (instrukce) na posloupnost signálů ovládajících připojené zařízení. Jedná se tedy o zařízení, které řídí činnost jiného zařízení. Diskrétní režim práce počítače: Způsob práce počítače, kdy je do paměti počítače zaveden program, data a pak probíhá výpočet. V průběhu výpočtu jiţ není moţné s počítačem dále interaktivně komunikovat. Tento způsob práce byl charakteristický pro počítače první generace. Integrovaný obvod: Elektronická součástka realizující určité mnoţství obvodových prvků neoddělitelně spojených na povrchu nebo uvnitř určitého spojitého tělesa, aby se dosáhlo ucelené funkce elektronického obvodu Multitasking: Současný provoz více úloh na jednom počítači, kdy jedna úloha probíhá na popředí, a ostatní probíhají na pozadí. Dovoluje lepší vyuţití CPU. V případě, ţe uţivatel pracuje interaktivně s nějakým programem, který většinu času čeká na zadání jeho poţadavků, je moţné, aby procesor prováděl např. nějaký náročný matematický výpočet. Je-li na počítači s jedním procesorem provozováno více programů, je procesor přidělován postupně vţdy na určitou dobu, tzv. časové kvantum (asi 0.1 s), všem provozovaným programům. Podle způsobu práce rozlišujeme dva druhy multitaskingu: -

kooperativní multitasking: procesor je operačním systémem přidělen jednomu programu, který jej má v drţení tak dlouho, dokud jej sám nevrátí zpět operačnímu systému. Ten jej pak přidělí jinému programu. Nevýhodou je, ţe program nemusí procesor navrátit v dostatečně krátkém časovém úseku, coţ způsobí dojem, ţe ostatní programy nepracují. Ještě horší případ nastane ve chvíli, kdy program procesor nevrátí vůbec (např. zhavaruje). Tato situace vede ve většině případů k havárii celého systému. 230

-

preemtivní multitasking: procesor je přidělen programu pouze na určitou dobu a po jejím uplynutí jej sám operační systém programu odebere a přidělí jinému programu. Z toho vyplývá, ţe nemohou nastat stavy uvedené u kooperativního multitaskingu. Nevýhodou tohoto řešení je vyšší náročnost na hardwarové vybavení počítače.

Vstupní / výstupní zařízení (I/O devices - Input / Output): Zařízení určená pro vstup i výstup dat. Např.: 1. disky (pevné, pruţné) 2. páskové mechaniky BIOS (ROM BIOS) (Basic Input Output System): Programové vybavení uloţené v paměti ROM (EPROM, EEPROM, Flash) zajišťující nejzákladnější funkce (např. zavedení OS). Pomocí jednoho bitu můţeme zapsat jen čísla nula a jedna. Pomocí 2 bitů uţ nula aţ tři, pomocí 8 bitů 0 aţ 255 atd. Podívejte se na následující tabulku: Desítková soustava 0 (nula) 1 (jedna) 2 (dva) 3 (tři) … 255 (dvěstě padesát pět)

Binární (1 bit) 0 1 … -

Binární (2 bity) 00 01 10 11 … -

… … … … … …

Binární (8 bitů) 0000 0000 0000 0001 0000 0010 0000 0011 … 1111 1111

Zobrazení čísel v počítači – číselné soustavy a) desítková Tvar se kterým pracujeme - např. číslo 782,5 je vlastně zkrácenou formou úplného zápisu: 7· 102 + 8· 102 + 2· 100 + 5· 10-1 = 782,5 Vidíme, ţe kaţdá číslice v rámci čísla má svou váhu - a to směrem doleva i doprava od des.čárky. Úplně stejně vyjadřujeme i čísla v dalších číselných soustavách. b) dvojková Např. dvojkové číslo (1101,11)2 představuje číslo 1· 23 + 1· 22 + 0· 21 + 1· 20 + 1· 2-1 + 1· 2-2 = 8 + 4 + 0 + 1 + 0,5 + 0,25 = 13,75 tedy (1011,11)2 = (13,75)10 Tento úplný zápis také představuje nejčastější způsob převodu dvojkového čísla na desítkové. Obráceně - pro převod z desítkové do dvojkové existuje více algoritmů, velmi často je pouţíván tento: desítkové číslo rozdělíme na celou a desetinnou část a kaţdou část převádíme zvlášť celá část - dělíme ji postupně dvěma tak dlouho, aţ podíl je nulový a zbytky pak zapíšeme v obráceném pořadí - např. 13:2 = 6:2 = 3:2 = 1:2 = 0 231

1

0

1

1

 zbytky

tedy: (13)10 = (1101)2 desetinná část - násobíme dvěma postupně původní zlomkovou část a zlomkové části získaných součinů. Celé části těchto součinů jsou hledané číslice. např. 0,75. 2 = 1,5 0,5. 2 = 1,0 tedy: (0,75)10 = (0,11)2 1 1  Postup se ukončí po získání dostatečného počtu číslic Nakonec obě části sečteme: 1101 + 0,11 = 1101,11 (13,75)10 = (1101,11)2 Dvojková soustava pouţívá jen dvou číslic - 0 a 1 , coţ ji předurčuje k pouţívání na počítačích. K fyzikální realizaci těchto dvou číslic je třeba fyz. prvku se dvěma různými stabilními stavy. Takových prvků existuje celá řada, např. dioda, tranzistor, relé, zmagnetování magnetické vrstvy, náboj na kondenzátoru atd. Zápis čísla ve dvojkové soustavě je však podstatně delší a práce s nimi (programování, zobrazování aj.) je zdlouhavá a náročná. Proto se hledal způsob, jak tento zápis zkrátit. Umoţňuje to soustava osmičková a šestnáctková. Pro obě platí stejné zásady, které byly zdůrazněny u soustav předchozích. Šestnáctková soustava Při programování se také setkáte s šestnáctkovou (hexadecimální) soustavou. Ta, jak uţ název napovídá, vyuţívá k zápisu 16 znaků. Postupně 0, 1, 2… 9, A, B, C, D, E a F. (Jestli píšete znaky malými nebo velkými písmeny je jedno). Tj. A odpovídá 10d . f je 15d atd. 1 byte pak můţe nabývat hodnot 00 aţ ff. Nebo: (10 - A, 11 - B, 12 - C,13 - D,14 E,15 – F); Např. číslo (1FD)16 = 1·162 + 15·161 + 13·160 = 256 + 240 + 13 = (509)10. Často je potřeba převádět z osmičkové resp. šestnáctkové soustavy do binární a také naopak. Je to poměrně jednoduché, např. číslo: (524) 10 = (001 000 001 100)2 = (1 0 1 4)8 1 0 1 4 Dvojkové číslo oběma směry od desetinné čárky rozdělíme na trojice. Kaţdá trojice vyjadřuje pak osmičkovou číslici. Z dvojkové do šestnáctkové zcela obdobně (524) 10 = (0010 0000 1100)2 = (2 0 C)16 2 0 C V jazyce C lze pouţívat k zápisu čísel desítkovou nebo hexadecimální soustavu. Dvojkovou nikoliv. Pokud budeme pracovat s bity, je dobré umět převést dvojkovou soustavu na hexadecimální. Převod se dá zjednodušit tím, ţe budete převádět vţdy jen 4 bity do hexadecimální soustavy: binárně 1011 1100 1011 1100 1100 1011

Desítkově 11 12 188 203 232

hexadecimálně B C BC CB

Při převod bajtu (8 bitů) do šestnáctkové soustavy lze převést horní a dolní 4 bity zvlášť. Ještě se na závěr zmíním, ţe se v jazyce C pouţívá i osmičková soustava. Osmičková soustava se z dvojkové snadno převádí po 3 bitech (obdobně jako šestnáctková po 4 bitech). Čísla v osmičkové soustavě se v jazyce C určují pomocí nuly na začátku. Šestnáctková soustava se určuje pomocí nuly a písmena x na začátku. Ukázka zápisu čísel v různých číselných soustavách v jazyce C/C++. desítkově 255

dvojkově 11 111 111

osmičkově 0377

Šestnáctkově 0xxff

5.4 Základní funkce a princip systému KNX/EIB Velmi podstatnou roli, kterou KNX/EIB hraje v oblasti automatizace budov nejen v Evropě, ale i v celém světě je samo o sobě váţným důvodem, pro který bychom se měli intenzivně zabývat právě tímto systémem. Dalším důvodem je, ţe je na ČVUT fakultě stavební, katedře TZB je vybavena laboratoř Inteligentních budov pro výuku systému KNX/EIB. Dále KNX/EIB se velmi dobře hodí pro úvod do techniky sběrnic, kde se vyskytují znaky, parametry a pojmy běţně pouţívané u všech dalších systémů sběrnic automatizační techniky budov. V neposlední řadě je systém KNX/EIB jednoduchý, přehledný, dobře se projektuje, programuje a implementuje do provozních podmínek, včetně toho aspektu, ţe je na území ČR nejvíce rozšířen.

5.4.1 Princip činnosti systému KNX/EIB Základním principem systémové elektrické instalace KNX/EIB je komunikace mezi snímači na jedné straně a akčními členy na straně druhé. Přitom systémové prvky zabezpečují a podporují provoz na sběrnici, samostatné logické prvky a vizualizační prostředky zabezpečují vazby mezi řízením jednotlivých funkcí. A různá komunikační rozhraní zprostředkují spolupráci s jinými systémy a vzdálený přístup. Komunikace probíhá nezávisle na silovém propojení jednotlivých přístrojů. Tato komunikace je zajišťována provozem po sběrnici vytvořené předepsaným sdělovacím kabelem, po silovém vedení anebo prostřednictvím bezdrátového spojení. Nejrozšířenější a současně nejspolehlivější je komunikace po samostatném sdělovacím vedení – po sběrnici KNX/EIB, proto se budeme nejdříve zabývat právě touto variantou systémové instalace. Zjednodušeně si můţeme takovouto instalaci představit podle blokového schématu., obr. 5.14.

233

Obr. 5.14:Blokové schéma komunikace v KNX/EIB instalaci Jak je vidět, některé prvky jsou připojeny pouze ke sběrnici, jiné ke sběrnici i k silovému obvodu. Znamená to, ţe některé prvky, především snímače, ale i mnohé systémové a logické prvky nevyţadují silové napájení, postačí napájení malým napětím po sběrnici. Ke dvouţilové instalační sběrnici jsou snímače (senzory) i akční členy (aktory) připojeny bez ohledu na nějaké pořadí či příslušnost k určitým silovým obvodům. V systémech s instalační sběrnicí tak lze spolehlivě řídit jednotlivé funkce vyuţívané při provozu budovy podle předem nastaveného časového nebo jiného programu, ale i v závislosti na aktuálních údajích snímačů různých fyzikálních veličin. Samozřejmostí je i operativní ruční ovládání. Systém dovoluje: -

ovládání soustav vytápění, větrání a klimatizace, ovládání osvětlení, optimalizaci spotřeby v celém objektu, ovládání různých domácích spotřebičů, ovládání ţaluzií, markýz, rolet, oken, dveří nebo vrat, ovládání automatických systémů v budovách, dálkovou signalizaci, činnost soustavy střeţení objektu a samočinného hlášení o vniku nepovolaných osob, operativní ovládání i pomocí telefonu, případně další funkce poţadované uţivatelem, měření různých veličin, jako spotřeby energie, odebíraná mnoţství plynu nebo vody apod., spolupráci s jinými řídicími systémy, protokolování událostí, 234

-

vizualizaci, centrální ovládání vybraných funkcí, vytváření scén (např. světelných), vzdálené přístupy.

Výčet moţných funkcí v ţádném případě není zcela úplný. Není však podstatné, které funkce umí systém řídit. A stěţí bychom hledali funkci, kterou by systém KNX/EIB řídit nedokázal. Podstatné je, ţe všechny funkce lze softwarově vzájemně svázat tak, aby se při svých činnostech plně podporovaly a bylo tak moţné skutečně optimalizovat spotřebu energie zabráněním její zbytečné spotřeby. Takto vzniknou vysoké přídavné úspory energie nejen při nesníţené, ale dokonce i při vyšší úrovni komfortu. V systémové elektrické instalaci se sběrnicí EIB/KNX příslušnost jednotlivých ovládacích prvků (tlačítkových snímačů) k jim odpovídajícím světelným okruhům není dána přímým silovým propojením, ale softwarovým přiřazením těchto snímačů k akčním členům, které budou vykonávat předem naprogramované příkazy. Veškerá vzájemná komunikace tedy neprobíhá silovým spínáním, ale předáváním telegramů s potřebnými informacemi. K přenosu těchto informací slouţí sběrnice, v tomto případě sdělovací kabel se dvěma pracovními vodiči. Pak je ovšem snadné nejen ovládat jednotlivé světelné okruhy, ale vytvářet i centrální funkce, viz obr. 5.15.

Obr. 5.15: Vytvoření několika centrálních funkcí v systémové instalaci EIB/KNX

235

V příkladu na obr. 5.15 jsou trojnásobné tlačítkové snímače určeny pro samostatné ovládání vţdy dvou světelných okruhů a pro centrální spínání těchto dvou okruhů. Jednonásobný tlačítkový snímač můţe být určen pro centrální spínání všech světelných okruhů. Základní kroky v ETS (Engineering Tool Software – inţenýrský programovací nástroj) Vyjdeme z obr. 5.16:

Obr. 5.16: Základní princip činnosti Nejmenší instalace TP1.KNX sestává z těchto dílů: a) b) c) d) e)

Z napájecího zdroje (29V DC) Tlumivka (obvykle je součástí napájecího zdroje) Snímače (na obr. 5.16 je znázorněn jednonásobný tlačítkový snímač) Akčního členu (na obr. 5.16 je znázorněn jednonásobný spínací akční člen) Sběrnicové vedení (poţadováno je dvouţilové vedení)

Po instalaci přístrojů kompatibilních s reţimem S (systémový reţim), instalace KNX ještě není připravena ke spuštění do provozu. Funkčními se stanou teprve po naprogramování aplikačních softwarů do snímačů a akčních členů vyuţitím programového prostředku ETSTM. Veškerý přenos dat mezi jednotlivými účastníky provozu na sběrnici probíhá formou telegramů, které musí obsahovat celou řadu údajů, jako: -

prioritu telegramu, skupinovou adresu (kód příkazu), 236

-

parametry příkazu (příkaz k zapnutí nebo vypnutí, k nastavení hodnoty apod.), individuální adresu odesílatele (je potřebná pouze pro zobrazení telegramu pro diagnostické účely – pro vlastní komunikaci nemá význam), přenosové pole (obsahuje počet liniových spojek, jimiţ má telegram projít), kontrolní pole.

Data jsou přenášena po témţe páru vodičů, který je určen i pro napájení sběrnicových spojek. Data jsou v digitalizované podobě, namodulovaná na napájecí napětí. Projektant tedy musí uskutečnit následující konfigurační projekční kroky v ETS: a) Zadání individuálních adres (fyzická adresa) jednotlivým přístrojům (pro jednoznačnou identifikaci snímače nebo akčního členu v instalaci KNX) b) Výběr a nastavení (parametrizace) vhodného aplikačního softwaru snímačům a akčním členům c) Zadání skupinových adres (pro provozování funkcí snímačů a akčních členů). Při pouţití přístrojů kompatibilních s reţimem E se musí dbát na stejné kroky, jak je uvedeno u reţimu S, přičemţ: a) Individuální adresy, b) Parametrizace příslušného aplikačního softwaru snímačů a akčních členů c) Zadání skupinových adres (pro spojení funkcí snímačů a akčních členů) se nastavují lokálně na přístroji nebo automaticky s centrálního řadiče (kontroléru). Po konfiguraci má instalace fungovat následovně: a) Dojde-li ke stisknutí horní části kolébky jednonásobného tlačítkového snímače s individuální adresou (1.1.1), snímač vyšle telegram, který obsahuje skupinovou adresu (5/2/66) a hodnotu („1“), kromě dalších informací. b) Tento telegram přijmou a vyhodnotí všechny připojené snímače a akční členy. c) Pouze ty přístroje, které jsou vybaveny stejnou skupinovou adresou: - Vyšlou potvrzovací telegram - Přečtou hodnotu a zachovají se podle toho. V našem příkladu sepne spínací akční člen s individuální adresou (1.1.2) své výstupní relé. Při stisknutí dolní kolébky se odehrává tentýţ děj, pouze hodnota se tentokrát nastaví na „0“, výstupní relé akčního členu rozpojí obvod. Při propojování přístrojů v systémové instalaci EIB/KNX je moţné vést kabel sběrnice téměř libovolně, bez ohledu na příslušnost pouţitých prvků k jednotlivým funkcím – vţdy co nejkratším směrem. Sběrnice se můţe podle potřeby větvit. Je tedy moţná liniová, paprsková nebo stromová struktura anebo jejich kombinace. Zakázanou strukturou je 237

kruhové uspořádání – nikde se nesmí na sběrnici uzavřít smyčka. Příklady moţných struktur sběrnice jsou na obr. 5.17.

Obr. 5.17: Příklad uspořádání sběrnice v systémové instalaci KNX/EIB

5.4.2 Připojení decentralizovaných prvků ke sběrnici KNX/EIB mezi jednotlivými systémovými prvky probíhá adresně a nezávisle na silovém propojení jednotlivých přístrojů po sběrnici. K instalační sběrnici jsou snímače, akční členy a další komponenty připojeny bez ohledu na nějaké pořadí či příslušnost k určitým silovým obvodům. Po těchto dvou ţilách sběrnice, formou telegramů, jsou předávány veškeré příkazy a hlášení a současně jsou napájeny vstupní elektronické obvody těchto přístrojů – tzv. sběrnicové spojky (BCU – bus coupler unit). Sběrnice je polarizovaná, proto při jejím vedení mezi jednotlivými přístroji musí být vţdy dodrţena správná polarita. Mezi sběrnicovou spojkou a aplikačním modulem je aplikační rozhraní, obr. 5.18 u některých přístrojů tvořené desetipólovým konektorem, u jiných pouze propojením na plošném spoji. Komunikace

238

Obr. 5.18: Připojení přístroje (snímač nebo akční člen) systému KNX/EIB ke sběrnici Úkolem sběrnicové spojky je stále odposlouchávat provoz na sběrnici a současně být připravená k odeslání informací ze svého aplikačního modulu. Musí tedy zprostředkovávat oboustrannou komunikaci, příjem i odesílání telegramů týkajících se činnosti aplikačního modulu, s nímţ je tato spojka svázána. Aby mohla plnit všechny poţadované úkoly, sběrnicová spojka je kromě vstupních a výstupních obvodů vybavena řídicím mikroprocesorem s pamětmi (např. EPROM, RAM, ROM), v nichž jsou uloženy všechny potřebné informace o způsobech činnosti k ní připojeného aplikačního modulu, o nastavených parametrech aplikačního modulu, o skupinových adresách, k nimž se vztahuje příjem nebo odesílání telegramů. Je v ní také uloţena individuální adresa přístroje. Součástí kaţdé sběrnicové spojky je také programovací LED a programovací tlačítko. Pro naprogramování individuální adresy po sběrnici je nutné krátce stisknout programovací tlačítko, přičemţ se rozsvítí programovací LED. Po uloţení této adresy do paměti sběrnicové spojky LED automaticky zhasne. Stiskem tlačítka a následným rozsvícením diody se také snadno prověří správná polarita připojení sběrnice. Pro identifikaci přístroje s jiţ naprogramovanou individuální adresou slouţí příkaz odeslaný z PC po sběrnici, po němţ se dioda rozsvítí. V normálním provozním stavu systémové instalace jsou všechny programovací diody vypnuté. Kaţdý z přístrojů je vybaven programovacím tlačítkem pro prvotní programování – pro uloţení individuální (fyzické) adresy. Správný průběh nastavení je potvrzován samočinným vypnutím programovacích LED diod. Aplikační modul můţe být zcela nebo jen částečně napájen ze sběrnicové spojky, bez ohledu na konstrukční řešení. Závisí to na účelu daného přístroje. Aplikační moduly pro konektorové připojení ke sběrnicové spojce nejsou vybaveny moţností přídavného napájení. Avšak přístroje tvořící společný konstrukční celek aplikačního modulu se sběrnicovou spojkou, často musí být vybaveny moţností přídavného silového napájení.

239

Bez přídavného napájení to budou především prvky nahrazující běţné domovní elektroinstalační přístroje v široké škále designů. Jsou to nejčastěji tlačítkové snímače jednonásobné i vícenásobné, termostaty, snímače pohybu nebo přítomnosti, malé displeje, infračervená rozhraní pro dálkové ovládání, případně různé kombinace takovýchto snímačů. Aplikační moduly pro sběrnicové spojky integrované do kompletních přístrojů Takovéto aplikační moduly mají funkce některých jiných přístrojů, jako jsou logické členy, liniové spojky, tlačítková rozhraní apod., přičemţ zpravidla ani tyto přístroje nevyţadují přídavné napájení. Dokonce mnohdy ani aplikační moduly spínacích, stmívacích, ţaluziových i analogových akčních členů, některých komunikačních rozhraní, ale i analogových a binárních vstupů nemusí vyţadovat přídavné napájení. Mnohé, především rozváděčové přístroje jsou však koncipovány tak, aby je bylo moţné pouţívat náhradním způsobem ihned po instalaci, ještě před jejich naprogramováním (spínací a ţaluziové akční členy, apod.). Pokud zabudované manuální ovládání nemá přímou mechanickou vazbu na kontakty spínacích relé, pro jejich ovládání je potom potřebný pomocný napájecí zdroj. Obdobně jsou často potřebné pomocné zdroje pro napájení některých binárních a analogových vstupů, velkých displejů apod. Obecně řečeno: Aplikační modul je výkonnou částí kompletního přístroje KNX/EIB.

5.4.3 Topologické uspořádání KNX/EIB S ohledem na omezené počty prvků, které mohou být napájeny z jednoho společného napájecího zdroje, je potřebné sběrnici rozdělit na samostatně napájené úseky obsahující vždy nejvýše 64 přístrojů (tedy 64 připojení ke sběrnici). Celková délka sběrnice v kaţdém z těchto samostatně napájených úseků smí být nejvýše 1000m, avšak největší vzdálenost mezi dvěma přístroji na sběrnici je maximálně 700m. Tyto dva údaje nejsou v rozporu, protoţe sběrnici lze větvit. Největší vzdálenost přístroje od napájecího zdroje je 350m. Pokud je nezbytné pouţití dvou napájecích zdrojů na jednom úseku sběrnice bez vřazených liniových spojek, jejich minimální vzdálenost po sběrnicovém vedení je 200m – pro minimalizaci vyrovnávacích proudů, ale především pro omezení indukovaných špiček při přenosech telegramů. Jednotlivé linie jsou propojeny liniovými spojkami (LS), galvanicky oddělujícími jimi svázané větve a současně zabezpečujícími moţnosti oboustranného přenosu telegramů (nepřenáší ty telegramy, které jsou určeny pouze pro komunikaci uvnitř dané linie – liniová spojka má vloţenu filtrační tabulku vymezující rozsah komunikace). Úplná linie může obsahovat až 256 přístrojů (64x4=256). Je však zcela nezbytné rozdělit ji na 4 samostatně napájené větve (liniové segmenty), vzájemně oddělené liniovými spojkami LS. Kaţdý segment (napájecí větev) musí být vybaven vhodným napájecím zdrojem. Tyto liniové spojky (každého segmentu) zde mají funkcí liniových opakovačů (zesilovačů), tedy přístrojů, které jsou hardwarově shodné s liniovými spojkami, avšak jsou vybaveny 240

jiným aplikačním softwarem. Neobsahují totiţ filtrační tabulku a obousměrně propouští všechny telegramy. Viz. Obr. 5.19.

Obr. 5.19: Topologie LINIE Projektant jednotlivým připojeným přístrojům přiřazuje v libovolném pořadí čísla od 1 do 255 (0 je vyhrazena pro liniovou spojku propojující linii s hlavní linií). Ţádné z čísel nesmí být pouţito více neţ jedenkrát, všechna čísla přitom nemusí být vyuţita. Takto přidělená čísla jsou součástí tzv. individuální (fyzické, přístrojové) adresy přístroje, připojeného ke sběrnici. Individuální adresa je odvozena od topologického uspořádání systémové instalace a stejně jako popisné číslo domu ve městě, individuální adresa v systémové instalaci je neopakovatelná. Aby bylo moţné splnit všechny poţadavky uţivatelů na řízení funkcí budov nejen v malých, ale i ve velmi rozsáhlých objektech, bylo nutné vytvořit takové topologické uspořádání, které vyhoví všem poţadavkům. Takţe pro velmi malou instalaci vyhoví jediná (a navíc neúplná) linie o jediné větvi, pro větší stavbu bude zapotřebí propojit i několik linií do oblasti prostřednictvím hlavní linie. Plně osazená oblast obsahuje 15 linií, to znamená 15 linií x 256 přístrojů = celkem aţ 3840 přístrojů. Také na hlavní linii lze umístit celkem aţ 64 přístrojů, do tohoto počtu se započítávají rovněţ všechny připojené liniové spojky. K hlavní linii, stejně jako k ostatním liniím, musí být připojen příslušný napájecí zdroj s tlumivkou. Hlavní linii ale nelze rozšiřovat o další samostatně napájené úseky (segmenty). To znamená, ţe nepřekročitelným počtem přístrojů na hlavních liniích je 64 připojených prvků. Takto vytvořených aţ 15 oblastí lze vzájemně propojit oblastními spojkami k páteřní linii:viz obr. 5.20 241

Obr. 5.20: Znázornění: linie, hlavní linie, páteřní linie a oblasti Oblastními spojkami mohou být tytéţ přístroje, které byly pouţity pro navázání jednotlivých linií k hlavním liniím – tedy liniové spojky. A přitom se nejedná pouze o hardwarově shodné přístroje, ale také o přístroje vybavené shodným aplikačním softwarem. Takto lze tedy pouţít aţ 57600 přístrojů KNX/EIB v jedné instalaci. V praxi zatím nebyla vyuţita celá teoretická kapacita systémové instalace. Také k páteřní linii, vybavené vlastním napájecím zdrojem, můţe být připojeno celkem aţ 64 přístrojů (bez moţnosti rozšíření o další segmenty).

5.4.4 Konstrukci individuální adresy Jednoznačné určení přístroje v systémové instalaci si snadno představíme při pohledu na kompletní topologické uspořádání systémové instalace KNX/EIB. Je důleţitá při programování přístrojů a během diagnostických postupů. V běţném provozu nemá ţádný význam. V běţném provozu je důleţitá skupinová adresa. Individuální adresa sestává ze tří částí, vzájemně oddělených tečkami. První částí je pořadové číslo oblasti 0 aţ 15 (0 je vyhrazena pro páteřní linii). Druhá část (0 aţ 15) odpovídá číslu linie v dané oblasti, přičemţ 0 je zde přiřazována hlavní linii. Třetí částí individuální adresy je pořadové číslo prvku připojeného k linii, jak je naznačeno na obr. 5.21. To můţe být v rozmezí od 0 do 255. Takţe například:

242

1.1.5 znamená 5. přístroj na 1. linii v 1. oblasti, 14.15.255 znamená 255. přístroj na 15. linii ve 14. oblasti 0.0.22 znamená 22. přístroj na páteřní linii. V rámci instalace KNX musí být individuální adresa jednoznačná. Má následující formát obr. 5.21: O = oblast O O O O 4 bity

U = účastník na linii U U U U U U U U

L = linie L L L L 4 bity

1 byte

Obr. 5.21: Individuální adresa V nenaprogramovaném stavu je v paměti kaţdého přístroje uloţena adresa 15.15.255. V normálním případě se účastník na sběrnici připraví k přijetí své individuální adresy stisknutím programovacího tlačítka na přístroji. Během tohoto úkonu svítí programovací LED-dioda. Individuální adresa se po uvedení do provozu ještě pouţívá k těmto účelům: - diagnostika, opravy chyb, změna aplikace novým naprogramováním - adresování interfejsových objektů při pouţití nástrojů pro uvádění do provozu nebo pomocí jiných přístrojů

5.4.5 Skupinová adresa v instalacích KNX/EIB Skupinová adresa je číselný kód, který značí určitou konkrétní činnost. Skupinová adresa je součástí každého provozního telegramu, který je předáván po sběrnici. Má-li být po sběrnici předána konkrétní informace (příkaz, měřená hodnota apod.), je potřebné zadat shodnou skupinovou adresu všem prvkům, které mají zpracovávat tato data. Pro zabezpečení komunikace je tedy nezbytné, aby shodnou skupinovou adresou byly vybaveny alespoň dva různé přístroje. V případě potřeby je shodná skupinová adresa pouţita i u celé široké škály přístrojů (např. pro centrální funkce). Zpočátku se pouţívaly tzv. dvouúrovňové skupinové adresy (hlavní skupina/podskupina). Pro vytvoření určitého logického pořádku při tvorbě těchto adres jsou vhodnější tříúrovňové skupinové adresy (hlavní skupina/střední skupina/ podskupina), v závislosti na nastavení v ETS (software KNX/EIB (v Extras\Options\ Presentation). Skupiny číslic jednotlivých úrovní jsou vzájemně odděleny lomítky. V obou variantách se můţe číslo první úrovně (hlavní skupina) pohybovat od 0 do 15. Při vytváření elektronického projektu projektant přiřazuje k těmto číslům určitý skupinový význam. Např. 0 = centrální funkce, 1 = řízení osvětlení, 2 = řízení vytápění, 3 = řízení 243

ţaluzií, atd., anebo 0 = nadřazené funkce, 1 = 1. podlaţí, 2 = 2. podlaţí, ....15 = 15. podlaţí. Konkrétní přiřazení závisí vţdy pouze na projektantovi. Čísla ve druhé úrovni (0 aţ 2047) ve dvouúrovňových skupinových adresách jiţ mají přiřazen jednoznačný význam. Například: 3/37 znamená spínání nástěnného svítidla v místnosti č. 3 ve 3. patře, 3/38 znamená průběh stmívání nástěnného svítidla v místnosti č. 3 ve 3. patře, 3/39 znamená nastavení stmívače nástěnného svítidla v místnosti č.3 ve 3. patře. Ve tříúrovňových adresách (jakým způsobem budou úrovně pouţívány se přenechává na projektantovi ETS) přistupuje tzv. střední skupina adresy (0 aţ 7), která projektantovi opticky i logicky zpřehledňuje celý systém vytváření adres a tím mu výrazně usnadňuje především kontrolu projektu. Bude-li 3 ve hlavní skupině značit řízení osvětlení, projektant můţe stanovit význam čísel střední skupiny jako např.: 0 - centrální funkce, 1 - spínání osvětlení, 2 - průběh stmívání osvětlení, 3 - nastavení stmívačů, 4 - světelné scény, atd. Ve třetí úrovni (podskupina) se moţné číselné označení pohybuje od 0 do 255. Pro ovládání téhoţ nástěnného svítidla v místnosti č. 3 ve 3. patře pak příslušné skupinové adresy mohou být ve tvaru: 3/1/7 - spínání svítidla, 3/2/7 - stmívání svítidla, 3/3/7 - nastavení stmívače. Na první pohled je zřejmé, ţe tyto skupinové adresy se mohou vztahovat k jednomu svítidlu. Celkový počet skupinových adres je shodný pro dvou i tříúrovňové varianty. Činí celkem 32768 moţných skupinových adres. Poznámka:!! Jedno zvolené schéma skupinových adres by mělo zůstat v celém projektu stejné. Kaţdou skupinovou adresu lze účastníkům na sběrnici přidělit libovolně, bez ohledu na to, ve kterém bodě KNX instalace je daný účastník k systému připojen. Akčním členům lze přidělit několik skupinových adres. Snímače však odesílají pouze jednu skupinovou adresu v jednom telegramu. Skupinová adresa 0/0/0 je rezervována pro tzv. celoplošná hlášení (Broadcast), telegramy určené všem účastníkům.

244

5.4.6 Komunikační objekt Aby se přiřazení skupinové adresy k určitému prvku stalo skutečností, je nutné přiřadit konkrétní skupinové adresy konkrétním komunikačním objektům (skupinovým objektům), tyto objekty mohou mít rozměr 1 bitu aţ 14 bytů v programovém prostředku ETS (EIBA Tool Software). Teprve poté adresy dostávají tento význam a současně je jim přidělen fyzikální rozměr: 1 bit pro spínání 4 bity pro stmívání 1 byte pro nastavení stmívače 2 byty pro měřené a nastavované hodnoty některých fyzikálních veličin, 3 byty pro datum nebo čas 4 byty pro čítače, datum i čas nebo pro některé další fyzikální veličiny, 14 bytů pro textovou zprávu. Rozměry jednotlivých komunikačních objektů závisí na jejich funkci. Ke spínání stačí pouze dva stavy (0 a 1), proto se zde pouţívají komunikační objekty o rozměru 1 bit. Pro přenos textu je informace obsáhlejší, proto se zde pouţívají komunikační objekty s maximální moţnou velikostí 14 bytů. V ETS lze propojovat pouze komunikační objekty se stejnými rozměry skupinových adres. Komunikačnímu objektu lze přiřadit i několik skupinových adres, přičemţ ale jen jedna (první z nich) je vysílanou skupinovou adresou. Uvedeme si příklad, který je znázorněn na obr. 5.22.

Obr. 5.22: Komunikační (skupinové) objekty Hodnota objektu se na sběrnici odešle tímto způsobem: 245

a) Bude-li stisknuta např. levá kolébka nahoře, zapíše dvojnásobný tlačítkový snímač „1“ i do svého skupinového objektu s číslem „0“. Protoţe jsou u tohoto objektu nastaveny vlajky komunikace a přenosu (kaţdý skupinový objekt je také vybaven vlajkami, s nimţ lze nastavit vlastnosti; např. pro READ (čtení) je □ – hodnotu objektu nelze číst po sběrnici;  - hodnotu objektu lze číst po sběrnici; další jsou uvedeny na webu KNX), vyšle tento přístroj telegram na sběrnici, s informací: „skupinová adresa 1/1/1, zapsat hodnotu „1“. b) Potom všichni účastníci na sběrnici v celé instalaci KNX, jejichţ skupinové objekty mají také skupinovou adresu 1/1/1, zapíší „1“ do svých vlastních skupinových objektů. c) V našem příkladu bude do skupinového objektu č. 0 akčního členu zapsána „1“. d) Aplikační software akčního členu zjistí, ţe se hodnota v tomto skupinovém objektu změnila a proto sepne výstupní relé. Příklad: Kaţdý přístroj pro systémové elektrické instalace KNX/EIB je ve svém aplikačním programu vybaven komunikačními objekty, které znamenají určitou dílčí činnost. Pro ilustraci si můţeme znázornit komunikační objekty pro nejjednodušší aplikační program spínacího a stmívacího akčního členu. Kaţdý spínací a stmívací akční člen musí být vybaven minimálně těmito třemi komunikačními objekty. V našem příkladě jsou komunikační objekty očíslovány od 0 do 2 a mají následující význam, viz obr. 5.23.

Obr. 5.23: Vyjádření číslování komunikačního objektu 0 – objekt pro spínání (rozměr 1 bit), na prvním místě je skupinová adresa značící, ţe akční člen ovládá svítidlo, jemuţ je příslušná adresa 1/0/7 a můţe být centrálně vypínáno skupinovou adresou 0/0/1. Skupinová adresa uvedená na prvním místě u komunikačního objektu je tzv. vysílanou skupinovou adresou. Akční člen spíná po příchodu příslušného telegramu odeslaného např. tlačítkovým snímačem s adresou 1/0/7 po jeho krátkém stisku (při dlouhém stisku téhoţ tlačítka je odesílán telegram se skupinovou adresou 1/1/11, který značí průběh stmívání a u akčního členu má vazbu na komunikační objekt č. 1). Komunikační objekt č. 2 (8 bitů) je určen pro odečtení velikosti otevření polovodičového ventilu stmívače tohoto akčního členu v rozmezí od 0 do 100% anebo pro příjem příkazu k nastavení poţadované konkrétní hodnoty nastavení stmívače, např. z vizualizačního prostředku.

246

5.4.7 Blokové schéma malé konfigurace systému KNX/EIB Pro grafické zobrazení konfigurace systému KNX/EIB se pouţívá blokových schémat s normalizovanými symboly přístrojů (účastníků). Na obr. 5.24 je znázorněno blokové schéma zapojení příkladu malé konfigurace. Sériové rozhraní RS 232 nebo USB je nutné vzhledem k tomu, ţe vyuţívá k programování (individuálních adres, aplikačních programů) instalace jazykem ETS 3. Poté však můţe být odpojeno, neboť pro vlastní provozování této konfigurace není nezbytné.

Obr. 5.24: Blokové schéma zapojení malé konfigurace systému KNX/EIB s jednou oblastí a dvěma liniemi

5.4.8 Stavba telegramu v instalacích KNX/EIB Nastavení a průběh spojení mezi účastníky na sběrnici, přenos a ochrana dat se zakládají na referenčním modelu OSI (Open System Interconnection) podle mezinárodní normy ISO 7498. Tato mezinárodní norma je do souboru norem ČSN zavedena od 1. 1. 1994 jako ČSN ISO 7498-2: Systémy na spracovanie informácií. Prepojenie otvorených systémov (OSI). Základný referenčný model. Časť 2: Bezpečnostná architektúra. 247

Telegram je odvysílán v osmibitových přenosových znacích, přitom sestává z několika významových polí, obr. 5.25.

Obr. 5.25: Standardizované typy datových bodů Úvodní částí telegramu je osmibitové kontrolní pole, v němţ jednotlivé bity mají hodnoty podle následující tabulky: tab. 5. Tab.5: Čtecí pořadí datových bitů D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

Priorita přenosu

1 0 W 1 P P 0 0

Systémové Poplachové funkce funkce (nejvyšší (poplachová priorita) priorita)

Vysoká priorita (ruční ovládání)

Nízká Opakování priorita (automatické ovládání)

0 0 0

1 0

0 1

1 1

Stane-li se, ţe některý z přístrojů, kterému je určen přenášený obsah telegramu, odešle zpětné hlášení o nesprávném přenosu, v bitu D5 pro opakování přenosu se nastaví „0“. Tak 248

se zajistí, ţe ty přístroje, které jiţ vykonaly odesílaný příkaz, nebudou znovu reagovat. Údaj o prioritě přenosu zabezpečí, aby se současně jiné přístroje na sběrnici nepokoušely o vysílání jiných telegramů. Kromě systémové priority lze poţadovanou prioritu nastavit individuálně pro kaţdý komunikační objekt v programovacím softwaru ETS (Engineering Tool Software). Pokud neurčíme jinak, automatickým přiřazením v ETS je nastavena nízká priorita přenosu. Pole s adresou odesilatele 16 bitové pole s adresou odesilatele (zdroje) obsahuje individuální adresu toho přístroje, který odesílá daný telegram. První 4 bity (D15 aţ D12) tohoto pole tedy značí číslo oblasti, druhé 4 bity (D11 aţ D8) vyjadřují pořadové číslo linie v dané oblasti a zbylých 8 bitů (D7 aţ D0) je určeno pro vyjádření pořadového čísla přístroje na linii, viz obr. 5.26

Obr. 5.26: Pole s adresami odesilatele Pole s adresou příjemce, tab. 6. Tab. 6 Čtecí pořadí datových bitů D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5

Skupinová adresa dvouúrovňová 0 Hlavní skupina Hlavní skupina Hlavní skupina Hlavní skupina podskupina podskupina podskupina podskupina podskupina podskupina 249

Skupinová adresa tříúrovňová 0 Hlavní skupina Hlavní skupina Hlavní skupina Hlavní skupina Střední skupina Střední skupina Střední skupina Střední skupina podskupina podskupina

Individuální adresa O O O O L L L L P P P

D4 D3 D2 D1 D0 Přidaný D3

podskupina podskupina podskupina podskupina podskupina 1

podskupina podskupina podskupina podskupina podskupina 1

P P P P P 0

Toto 16 bitové pole s přídavným 17. bitem obsahuje adresu příjemce. Znamená to, ţe na přijatý telegram reagují pouze ty přístroje, jimţ je odesílaná zpráva určena. V běţném provozu je adresou příjemce skupinová adresa. Touto adresou můţe být vybaveno i několik účastníků na sběrnici. Jedná-li se o systémové telegramy, tedy telegramy odesílané během programování systémové instalace, adresou příjemce je individuální adresa. V takovémto případě je telegram vţdy určen pouze jedinému účastníkovi na sběrnici. Pokud je adresou příjemce skupinová adresa, první bit má hodnotu „0“ a v dalších bitech se zobrazí čísla hlavní skupiny a podskupiny (u dvouúrovňových adres) anebo hlavní skupiny, střední skupiny a podskupiny (v případě tříúrovňových adres). Přídavný 17. bit má hodnotu rovnou 0, jedná-li se o individuální adresu, anebo je rovna 1, pokud se jedná o skupinovou adresu. Zmíněný přídavný bit (D3) je součástí přenosového znaku, který dále obsahuje tříbitové přepravní pole a čtyřbitové pole pro vymezení délky telegramu. Přepravní pole udává, kolika liniovými spojkami má telegram procházet. Po kaţdém průchodu liniovou spojkou se toto číslo zmenší o 1. Pokud je příjemce vyznačen fyzickou adresou, přepravní pole ztrácí svůj význam a telegram potom prochází bez omezení všemi liniovými spojkami, které jsou na přenosové trase mezi odesilatelem a příjemcem. Pole pro vymezení délky telegramu (4 bity) má hodnoty jednotlivých bitů podle typu příkazu (podle typu datového bodu DPT=date point type, dříve EIS=EIBA Interworking Standard). Přitom pro různé typy příkazů mohou být údaje v poli pro vymezené délky telegramu D shodné – viz obr. 5.27.

250

Obr. 5.27: Tvar telegramu pro různé typy příkazů První 2 bity v datovém poli mají vţdy hodnotu 0, hodnota dalších 4 bitů, označených X, není určena (mohou to být opět hodnoty rovné 0). Následující 4 bity, uvedené s písmenem P, udávají kód příkazu. Některé příklady těchto kódů příkazů jsou v tab. 7. Následující bity, s proměnnou délkou (v závislosti na typu DPT), mají hodnoty podle obsahu přenášených dat. Má-li být například vykonán příkaz k sepnutí, jímţ je jednobitový příkaz, příkazová část telegramu P musí mít význam „psát“ – tedy poţadavek na vykonání příkazu. Je-li tento jednobitový spínací telegram v části A, označující typ objektu, vyjádřen logickou „1“, je telegram u příjemce (ve sběrnicové spojce akčního členu) vyhodnocen jako příkaz k zapnutí. Při hodnotě tohoto bitu „0“ značí příkaz vypnutí. Pokud příkazová část značí „číst“, adresát obdrţí informaci o stavu sledované funkce. Tab. 7: Příklady kódů příkazů P v datovém poli Binární kód 0000 0001 0010 1010

Příkaz Číst hodnotu Odezva na hodnotu Psát hodnotu Zápis do paměti

251

5.4.9 Liniové a oblastní spojky, liniové zesilovače v instalacích, tlumivka Liniová spojka spojuje podruţnou linii s linií hlavní, popř. je vloţena mezi hlavní linii oblasti a páteřní linii v rozsáhlých instalacích. Brání přenosu telegramů, které nejsou určeny pro jiné linie, avšak propouští telegramy určené pro přístroje umístěné v jiných liniích. Tentýţ typ přístroje zastává ale také funkci spojky mezi jednotlivými částmi jedné linie při rozšíření ze 64 prvků aţ na 256 přístrojů. Tlumivka umožňuje zabezpečit napájení dvou linií nebo dvou úseků linie z jednoho napájecího zdroje. Starší typy tlumivek se připojují k nefiltrovanému pomocnému výstupu napájecího zdroje prostřednictvím zadních přítlačných kontaktů, nové typy vodiči zasunutými do ţluté a bílé bezšroubové svorkovnice. Tlumivka není vybavena aplikačním programem a nezapočítává se tedy do počtu přístrojů na sběrnici (nemá určenu konkrétní individuální adresu). Jednotný způsob programování s vyuţíváním typů DPT umoţňuje zaměnitelnost podobných přístrojů různých výrobců. Při takovéto záměně je však pro nastavení pracovních podmínek a parametrů nutné vţdy pouţít aplikační program toho výrobce, jehoţ výrobek byl pouţit. Podrobnosti o vyuţívání typů DPT odkazujeme na firemní literaturu, nebo na odkaz [23], www.knx.org.

5.4.10 KNX/EIB Nejmenší možná systémová instalace Jiţ jsme hovořili o tom, ţe systémová instalace s 15 oblastmi a všemi plně obsazenými liniemi můţe obsahovat více neţ 57600 přístrojů. Jak ale bude vybavena zcela nejmenší systémová instalace? Jedná se o pouhou teorii, protoţe v praxi by takováto instalace přicházela v úvahu jen ve zcela výjimečném případě (např. jako počátek postupně budovaného programovatelného systému). Jako kaţdá systémová instalace musí být i ta nejmenší vybavena napájecím zdrojem (a samozřejmě i ochranou proti přepětí) a rozhraním např. RS232 nebo USB, jejímţ prostřednictvím budou naprogramovány pouţité přístroje. Nejmenší instalace bude určena pro ovládání jedné funkce, např. pro spínání jednoho svítidla. V tomto případě musí obsahovat jednonásobný tlačítkový snímač a jednonásobný spínací akční člen, napájecí zdroj s tlumivkou a sběrnici – obr. 5.28.

252

Obr. 5.28: Příklad nejmenší systémové instalace Tlačítkový snímač bude sestaven ze sběrnicové spojky pro montáţ do zapuštěné elektroinstalační krabice a aplikačního modulu tvořeného jednonásobným tlačítkovým snímačem. Spínací akční člen můţe být např. konstruován pro vestavnou montáţ do svítidla nebo do stropního podhledu. Namísto dvou samostatně programovatelných přístrojů lze pouţít jeden přístroj kombinovaný – zapuštěnou sběrnicovou spojku tvořící konstrukční celek s jednonásobným spínacím akčním členem. Pro ruční ovládání můţe být pouţit tentýţ jednonásobný tlačítkový snímač. Tento kombinovaný přístroj je opatřen bezšroubovou svorkovnicí pro připojení sběrnice KNX/EIB a desetipólovým konektorem – aplikačním rozhraním – pro připojení aplikačního modulu (v tom případě jednonásobného tlačítkového snímače), stejně jako sběrnicová spojka. Navíc obsahuje i řídicí elektronické obvody a spínací relé se svorkami pro připojení zátěţe. Namísto dvou přístrojů připojených ke sběrnici tak lze vytvořit tuto jedinou funkci jedním přístrojem – s jediným připojením ke sběrnici. V obou naznačených případech bude moţné naprogramovat spínání svítidla jednou z následujících moţností: -

stiskem jedné strany tlačítkového snímače se zapíná, na opačné straně se vypíná, stiskem libovolné strany snímače se zapíná, následujícím stiskem vypíná, svítidlo se pouze zapíná, samočinně vypíná po nastaveném časovém zpoţdění, svítidlo svítí (nesvítí) jen po dobu stisku tlačítkového snímače.

253

Dvoubarevná dioda LED na tlačítkovém snímači můţe být nastavena jako signální (jednou barvou svítí v zapnutém stavu ovládaného spotřebiče, druhou barvou ve vypnutém stavu) nebo jako orientační (trvale svítí jednou barvou). V kaţdé systémové instalaci KNX/EIB je nutné pouţití odpovídajícího počtu napájecích zdrojů (zpravidla jeden zdroj pro linii nebo větev linie s aţ 64 aktivními prvky). Postačí však jedno komunikační rozhraní RS232 nebo USB pro celou instalaci. V moderních instalacích, s vysokými nároky na počty řízených funkcí, s komunikací napříč celou instalací, se pro komunikaci mezi jednotlivými oblastmi nebo dokonce i liniemi nepouţívají liniové spojky, ale IP rozhraní (routery). Páteřní linie je v takovém případě tvořena linií IP (s vyuţitím protokolu TCP-IP) s komunikační rychlostí 10 Mbit.s-1 nebo 100 Mbit.s-1, na rozdíl od komunikační rychlosti 9600 bit.s-1 na sběrnici KNX/EIB.

6 Inteligentní budovy, stavební a architektonická koncepce, prostředí a energie Architektonické a prosperující vysoce výkonné budovy jsou úsporné z hlediska energie a jiných zdrojů, netvořící odpady a neznečišťující prostředí, jsou velmi flexibilní, zdravé a přizpůsobitelné pro dlouhodobou funkčnost; jsou lehce ovladatelné a udrţovatelné, podporující produktivitu a pohodu svých obyvatel – to jsou inteligentní budovy. Architektura je víc neţ jen umění stavět jednotlivé budovy. Je to také tvorba prostředí. Budovy neexistují izolovaně. Nejenom, ţe otiskují svůj charakter v okolním prostředí, ale mají také nevypočitatelný vliv na ţivot lidí, kteří v nich bydlí, tedy na jejich inteligentním prostředí s nízkoenergetickou náročností. Je velmi podstatné, ţe budovy budou konstruovány s ohledem na uchování hodnoty, ochranu vod, blaho, zdraví a produktivitu svých uţivatelů, obnovitelné zdroje a efektivitu vyuţívané energie. Z nespočetného mnoţství definic je nejvhodnější definice, která má společného jmenovatele v citaci definice Inteligentní budovy, převzaté ze zprávy Pracovní skupiny CIB W098 z roku 1995: „Inteligentní budova je dynamická a citlivá architektura, jež poskytuje každému obyvateli produktivní, úsporné a ekologicky přijatelné podmínky, pomocí soustavné interakce mezi svými čtyřmi základními prvky: místem (materiál, struktura, prostor), procesy (automatizace, kontrola, systémy), správou (údržba, provoz) a vzájemnými vztahy mezi nimi“. V důsledku výše uvedené definice inteligentní budovy, můţe být taková budova vybavena buď minimem technologií, anebo můţe zahrnovat sloţitou soustavu mnoha integrovaných systémů. Z hlediska uţivatelů budovy existují čtyři nezastupitelné oblasti: estetika, smysly, pohodlí a trvalá hodnota. Inteligentní budovy musí splňovat všechna tato kritéria. Obvykle se estetika vztahuje k budovám a jejich interiérům z hlediska toho, co lahodí oku. Jinými slovy, je to subjektivní vizuální rozměr. Existuje však téţ neviditelná estetika, která je vnímána různými způsoby. Člověk ţije prostřednictvím svých smyslů, coţ znamená, ţe tyto smysly musí být aktivně pouţívány. Aby k tomu došlo, musí okolí vykazovat změny v čase a prostoru. Lidské tělo samotné není v průběhu dne konstantní co do teploty, hladiny energie, nálad a citů. Prostředí 254

vyţaduje pestrost často označovanou jako rozlišování kontrastních vzorů nebo smyslová variabilita (Heerwagen 1998), coţ kromě potřeb lidí uvnitř budovy navíc odpovídá vnějšímu prostředí. Je tedy moţné zmínit mnoţství environmentálních aspektů, jeţ lze navrhnout tak, aby propojovaly pět základních smyslů člověka (zrak, sluch, chuť, čich, hmat) s budovou lahodící oku a stimulující k obývání a práci. Denní světlo, barvy, výhledy z oken, kvalita ovzduší, textura povrchu, vůně a kvalita prostoru jsou jen některé z rysů obsaţených v navrhování zdravého a stimulujícího prostředí. Architektura se nezabývá jen funkcí materiálů a tvarů, ale také lidmi, city, prostorem a vztahy mezi nimi. Inteligentní budova není jen technická dispozice, ale je téţ souhrnem vnitřních funkčních souvislostí stavby, rozvrţení vnitřních prostor, tedy jde o důsledné dodrţování a tvorby architektonické dispozice v souvislosti harmonické skladby všech sloţek stavebního díla s přiměřenými vztahy její uţitné funkce, estetických a ideových aspektů. Vystupuje moţná do popředí i tzv. architektonická kompozice, jejíţ výchozím předpokladem je lidská fyziognomie, ţivotní styl, politické a filosofické ideje. Metodickým postupem tvorby architektonické kompozice při tvorbě inteligentní budovy je modulace (vytváření souhrnu pravidel pro stanovení základních rozměrů ve vazbě na intelekt člověka). Budovy by měly odráţet zkušenosti všech smyslů. Smysly nejenom zprostředkovávají našemu intelektu informace, jsou to také kanály podmiňující představivost. Budovy musí mít vztah k řeči a vědomí člověka. Nebude-li tomu tak, octnou se izolované v chladné a odtaţité sféře vidění. Inteligence architektury je vnímána téţ jako prodlouţením přírody do světa vytvořeného člověkem a poskytuje půdu pro vnímání, na jehoţ základě se člověk můţe naučit chápat svět a uţívat si ho. Budovy filtrují pronikání světla, vzduchu, zvuku a energie mezi vnitřním a vnějším prostředím. Inteligentní budova a s tím související inteligentní prostředí je projektem významného výzkumu, kde se kloubí technika a umění. Proto si můţeme ocitovat myšlenku: Obdivuji jej (Goetha) za to, že vyjádřil myšlenku, že bychom omezeneckým newtonovským přístupem mohli zcela ztratit duši. Přemýšlím o nádherné rudosti rudé barvy a jak je úchvatná, ale když ji proměníte v číslo, ztrácí svoji krásu. A právě toto děláme – oklešťujeme krásné představy tím, že je proměňujeme do čísel a teorií a ztrácíme svoji duši. Musíme kombinovat účinky racionalismu a vnímání a to je právě to, co zákazník ideálně vyţaduje od budovy jako takové. Inteligentní budovy by měly být trvalé, zdravé, technologicky na výši, měly by splňovat potřeby svých obyvatelů i podnikání a měly by být flexibilní a přizpůsobivé poţadovaným změnám. To znamená, ţe návrh, konstrukce i správa budov by měly být rovny co do důleţitosti. Budovy obsahují mnoho systémů sestrojených mnoha lidmi a přesto vztah mezi budovami a lidmi můţe uspokojivě fungovat pouze tehdy, jestliţe existuje integrace mezi všemi těmito systémy a mozky, jeţ je navrhovaly. Budovy v sobě tvoří prostředí, coţ má několik důsledků. Spotřeba materiálu, energií a vody vedle emisí do ovzduší a produkce odpadu znamenají, ţe je nezbytné maximálně zvaţovat jejich účinnost a efektivitu provozu. Neméně důleţitá je skutečnost, ţe narůstá mnoţství jasných důkazů o 255

tom, ţe fyzické prostředí má vliv na náladu člověka a na jeho schopnost práce, potaţmo pracovní výkon. Změny ve společnosti i v technologiích utvářejí naší budoucnost. Inteligence se můţe stát přeceňovaným slovem, pokud si nejsme jisti ani tím, co to je lidská inteligence v souvislosti s popisem moderní budovy. Technologie musí zlepšovat, nikoli moţnost objevovat, nikoli uzurpovat lidskou tvořivost. V širším kontextu je pro kaţdou civilizaci nebo kulturu důleţité nikoli kopírovat takzvaný pokrok v jiných zemích, nýbrţ mapovat vlastní tvůrčí budoucnost poučením se z minulosti a z kritického posouzení priorit jiných společenství. Nicméně výraz inteligentní budovy nás nutí myslet kriticky o architektuře a o důleţité úloze, jiţ budovy hrají v našem ţivotě. Inteligentní budova však vyţaduje ve fázi konceptu, výstavby i provozu projektu pouţití inteligence na straně uţivatelů, návrhářů, dodavatelů, zpracovatelů i vedení provozu. Z hlediska uţivatelů budovy, existují čtyři nezastupitelné oblasti: estetika, smysly, pohodlí a trvalá hodnota. Inteligentní budovy musí splňovat všechna tato kritéria. Obvykle se estetika vztahuje k budovám a jejich interiérům z hlediska toho, co lahodí oku. Jinými slovy, je to subjektivní vizuální rozměr. Existuje však téţ neviditelná estetika, která je vnímána různými způsoby. Člověk ţije prostřednictvím svých smyslů, coţ znamená, ţe tyto smysly musí být aktivně pouţívány. Prostředí vyţaduje pestrost často označovanou jako rozlišování kontrastních vzorů nebo smyslovou variabilita (Heerwagen 1998), coţ kromě potřeb lidí uvnitř budovy navíc odpovídá vnějšímu prostředí. Můţeme zmínit i takový návrh budovy, aby propojoval všech pět smyslů lahodící oku a stimulující k obývání a práci. Denní světlo, barvy, výhledy z oken, kvalita ovzduší, textura povrchu, vůně a kvalita prostoru jsou jen některé z rysů obsaţených v navrhování zdravého a stimulujícího prostředí. Budova musí mít systémy, jeţ budou plnit funkční potřeby a zároveň aby skýtaly prostor k uspokojování osobních, kolektivních a veřejných potřeb. Hodně se diskutuje o celoživotních nákladech a tento termín je čím dál častěji pouţíván ve stavebním oboru. Mnohem výstiţnější je však termín doživotní hodnota nebo užívání, coţ zahrnuje společenskou odpovědnost plynoucí z vlastnictví a provozu budov a klade důraz na omezování spotřeby vody, energie a omezování produkce odpadů, či alespoň jejich recyklaci, nebo uplatnění způsobů podporujících trvale udrţitelný rozvoj. Uţivatelé téţ potřebují, aby budova splňovala jejich komunikační potřeby. Ang a Prins (2002) definují architektonickou hodnotu. Kombinují estetiku a smysly a pouţívají termín krása. Vhodnost vidí jako předěl mezi užitnou hodnotu (flexibilita a kvalita prostoru) a proveditelností (integrace systémů, technické provedení a výstavba). Doţivotní hodnotu označují jako trvale udržitelnou hodnotu. Budova, její obsluţné systémy a řízení pracovního procesu dohromady přispívají k pohodě lidí v rámci organizace. Pracoviště mají být vytvářena pro potřeby jednotlivce, týmové práce, jakoţ i pro firemní kulturu. Produktivita závisí na obecně uznávané vysoké morálce a na spokojenosti s pracovním prostředím. Zdraví, pohoda a komfort jsou stejně důleţité. Inteligentní budovy hrají ţivotně důleţitou úlohu při jejich dosahování pomocí tvorby environmentálních systémů, které podporují produktivní, tvůrčí, intelektuální a duševní schopnosti lidí. Včerejší 256

prostředí podporovalo mechanizaci a zvětšovalo naši schopnost vyrábět zboţí a výrobky; nadcházející prostředí by mělo rozšiřovat lidskou schopnost tvořit myšlenky, vize a invenci.

6.1 Funkčně zaměřené stavebnictví Jak uţ jsme uvedli, na proces navrhování a realizaci výstavby budovy, mohou mít různí účastníci, různé názory, především na to, jaké funkční poţadavky jsou pro danou budovu nezbytné. S konečnou platností to bývá většinou konečný uţivatel, kdo posoudí úspěšnost provedení stavby. Dnes se pozornost zaměřuje na celoţivotní hodnotu. To znamená, ţe funkčně zaměřené stavebnictví by mělo stanovit kritéria, jeţ jsou platná od počáteční navrţené koncepce aţ po uvedení do provozu. Funkčně zaměřené stavebnictví by mělo rovněţ určovat trvalé a zdravé budovy. Výběr některých kritérií je zásadním problémem, protoţe zde hrají roli jak objektivní, tak subjektivní faktory. Aby byl takový přístup účinný, je nezbytné vytvořit spolupracující mezidisciplinární pracovní tým, který zajistí, ţe budou vzaty v úvahu všechny faktory jiţ na začátku projektu a ţe cílové hodnoty budou přijatelné pro všechny zúčastněné. To znamená, ţe například bude prováděna plánovaná údrţba a správa budovy, ţe bude neustále prováděno monitorování provozu budovy v průběhu jejího vyuţívání. Je velmi pravděpodobné, taková je budoucí vize, ţe budovy budou konstruovány s ohledem na uchování hodnoty, ochranu vod, blaho, zdraví a produktivitu svých uţivatelů, obnovitelné zdroje a efektivitu vyuţívané energie. Budoucí hnací silou pro inteligentní budovy budou zřejmě informační a komunikační technologie, robotika, chytré materiály, technologie související s trvale udrţitelným rozvojem a změny ve společnosti. Kromě technického vývoje, mnoho dalších technických, společenských a zdravotních tlaků, bude ovlivňovat vybudované prostředí. Významný dopad budou mít změny klimatu a vývoj v jiných odvětvích; měnící se touhy zákazníka ovlivní jeho poţadavky; změny v právní úpravě a snad nejvíc ze všeho vlivem změn ve společnosti na to, jakým způsobem budou budovy pojímány, navrhovány a řízeny. Inteligentní materiály přinášejí něco jako revoluci v architektuře. Biometrika (aplikace statistiky na biologické systémy vyuţívající charakteristických biologických znaků fyzikálních, morfologických, fyziologických, genetických, etologických k identifikaci) dokazuje, ţe se máme ještě mnoho učit od přírody. Vliv nových materiálů je patrný všude. Mohou být zabudovány v mikročipech tak, aby reagovaly na časté změny v poţadavcích. Inteligentní odívání spojuje elektroniku s novými textilními materiály a očekává se, ţe to bude mít velký vliv na všechny ţivotní pochody, protoţe integrované vláknové senzory budou moci monitorovat a ukazovat krevní tlak a tělesnou teplotu, jakoţ i vzájemně působit se soustavou mikročipů v materiálech okolní budovy. Senzorové technologie, supravodivost při nízkých pokojových teplotách a technologie prefabrikátů ovlivňují způsob, jakým jsou pouţity materiály při navrhování, výstavbě, jakoţ i v provozu. Na budovy můţeme pak nahlíţet jako na produkt zrozený z kreativního sestavování výrobků 257

do interaktivních systémů. Lze se poučit z inovace, produktového designu, výroby a vyuţití v jiných oblastech. Nejdůleţitějším aspektem zachování zdrojů je spotřeba energie. Emise oxidu uhličitého z elektráren spalujících fosilní paliva jsou vysoké, zatímco emise z obnovitelných zdrojů jako sluneční, větrná energie a biomasa jsou velmi nízké. Nukleární energie rovněţ nabízí nízkou úroveň emisí, avšak veřejnost zůstává opatrná, zejména pokud jde o nakládání s jaderným odpadem. Do roku 2011 se předpokládá, ţe bude pocházet jenom zhruba 10% energie z obnovitelných zdrojů. Ekonomika solárních fotovoltaických systémů je stále přitaţlivější a očekává se, ţe kolem roku 2011 to bude v mnoha ohledech přijatelná alternativa.

6.2 Projev inteligence v inteligentních budovách Pro praktické vyuţití ve výzkumu, vzdělání a stavebním průmyslu se pouţívá různých definic či popisů jejich konceptu. V tomto skriptu, na začátku této kapitoly, jsme vybrali jednu z definic inteligentní budovy, která se jeví jako korespondující se všemi ostatními definicemi v různých materiálech publikovaných. Tyto definice kladou důraz na (a) potřeby majitelů budov a jejich koncových uživatelů, (b) integraci systémů v budovách, (c) integraci sofistikovaného pracovního prostředí se stavební architekturou, konstrukcemi a systémy, (d) důležitost moderních technologií a ekonomiky, (e) starost o životní cyklus budov a potřebu pružnosti v měnícím se hospodářství a jako důsledek globalizace a (f) důležitost zahrnutí udržitelnosti a trvalosti, a to lidské i ekologické, do těchto konceptů. Přes důleţitost informačních a komunikačních technologií při realizaci moderních inteligentních budov je ve stavebním průmyslu obecně bráno, ţe koncept inteligentní budovy by měl být oddělen on integrovaných nebo automatizovaných budov. V těchto budovách totiţ výrazně dominuje implementace a integrace automatizace budov, jakoţ i jiné informační a komunikační systémy. Inteligentní budovy představují zastřešující koncept pro automatizované budovy. Budovy byly stavěny inteligentně jiţ po staletí, avšak teprve informační věk vloţil koncept inteligentních budov do nového kontextu spolu s inteligentní výrobou a inteligentními výrobky. Porozumění povahy znalostní práce a lidských nároků na prostor a další vlastnosti budov je klíčovým faktorem úspěchu ve stavebním průmyslu. Vyuţitelnost budovy je toho důsledkem. V této kapitole se zaměříme na inteligentní budovy z lidského hlediska. Jeho základem je metafora mezi vlastnostmi budovy vytvořené člověkem a lidskými vlastnostmi jako takovými. Člověk pouţívá svoji inteligenci stejně, jako pouţívá výrobky navrţené pro jeho kaţdodenní osobní nebo pracovní vyuţití. Uživatelské propojení je dobře známý koncept u všech technologií včetně stavebního odvětví. Rozvoj použitelnosti se zrychlil s nástupem řešení, jeţ skýtají informační a komunikační technologie. Jak dokládá průzkum interaktivních databází, propojení koncového uţivatele se strojem či budovou je sloţitý 258

fenomén. Výraz uživatelské propojení se v interaktivních databázích pouţívá k označení spojení mezi člověkem a strojem. Dnes znamená uţivatelské propojení minimálně kombinaci vyuţitelnosti s uţivatelským rozhraním viz.obr. 6.1. Uživatelské rozhraní je totéţ, co spojení lidské fyziologie a smyslů se strojem s pákou, vypínačem, myší nebo monitorem. Toto spojení mezi uţivatelem a budovou však můţe kromě samotného vědomí obsahovat téţ lidské smysly a emoce. Toto propojení je předmětem vědeckého studia vyuţitelnosti, které uţ nezkoumá pouze vztah člověka a počítače, ale téţ vztah lidí a všech druhů výrobků včetně budov.

Obr. 6.1: Pracovník v kanceláři čelí pracovnímu prostředí. Příklad uţivatelského propojení s počítačem, osvětlením a oknem Uživatelské propojení můţe být dále rozšířeno o fyziologii, psychologii a společenské vědy zabývající se intelektuálními, mentálními a duševními schopnostmi člověka. Sociální aspekt je skutečně v tomto kontextu uţivatelského propojení zajímavý, protoţe uţivatelské propojení je spojení mezi člověkem s jeho sociálními dovednostmi a strojem, jenţ je nemá – alespoň v případě, ţe vyloučíme nejnovější vývoj „sociálních dovedností“ počítače. Spojení zvané uţivatelské propojení je „sociálním“ propojením těchto dvou stran. Informační a komunikační technologie pomáhají lidem spojovat se 259

navzájem a komunikovat, ale uživatelské propojení znamená propojení mezi člověkem a strojem, nikoli spojení mezi lidmi pomocí technologií. Aplikace uţivatelského propojení jako celku je klíčovým faktorem rozvoje inteligentních budov. Spojení mezi lidmi a budovami zahrnuje několik faktorů například v kanceláři, viz obr. 6.2. Pro zkoumání tohoto spojení bylo do určité míry vyuţito studií zkoumajících uţívání budov.

Obr. 6.2: Uţivatelské propojení mezi pracovníky v kanceláři a budovou.

6.2.1 Rámcový koncept inteligentních budov Kaţdý z charakteristických rysů inteligentní budovy můţe mít parametry z různých uţitých věd, jak ukazuje obr. 6.3, kde je toto znázorněno pomocí rysů inteligentní budovy přecházejících přes okénka znázorňující tyto vědy. Naopak zase lze vidět rysy 260

inteligentních budov jako společné faktory celého systému stavebnictví. Jsou to parametry vzájemného působení mezi systémem budovy a jinými systémy. K vzájemnému propojení mezi studiemi konstrukce, provozem budov a různými vědami jako psychologie a chování člověka dochází často, jak dokládá obr. 6.4. Koncept trvalého rozvoje zahrnuje jak blahobyt člověka, tak ekologii a na tyto dva aspekty je brán zřetel současně. Mikroklimatem mezi budovou a lidmi se zabývá jak vnitřní klima, tak psychologie odívání. Předmětem zkoumání těchto věd jsou tepelné podmínky a fyziologické a psychologické odpovědi na ně.

Obr. 6.3: Multidisciplinární přístup k hodnotícím kriteriím koncového uţivatele vůči konceptu inteligentní budovy, vyuţívající systémové myšlení

261

Obr. 6.4: Uţivatelsky orientovaný stavební průmysl jako výsledek mnoha vědních disciplin Tvůrčí práce závisí na schopnosti tvořivého myšlení pracovníka. Úlohou stavebního průmyslu je nalézat nápady pro prostorový design. Na druhé straně pak společnosti v kancelářských budovách potřebují prostor pro nové druhy pracovních metod, podporující soustředění v komunikativním prostředí. Lze si poloţit otázku, zdali jednou vyvstane potřeba vlastního prostředí pro meditaci pracovníka, podobně jako je tomu u východních učenců. Meditace probíhá v izolaci stejně často jako u hromadných meditací, jichţ se můţe účastnit mnoho osob. Jinými slovy řečeno sdílení prostoru probíhá jak v soukromí, tak po chvíli tiché komunikace s jinými lidmi. Mohl by tento přístup vyřešit paradox paralelní potřeby soukromí i spolupráce v moderní kanceláři?

262

Vědomí, pohoda a smysly jsou klíčovými prvky produktivní kanceláře nebo pracoviště. Důleţitými stimuly pro tvůrčí pracovníky mohou být nejenom komunikace pomocí informačních sítí a uvolňující prostorové řešení, ale i barvy, pohled z kanceláře, osvětlení a zvukové prostředí (ticho i hudba v pozadí), velikost místnosti, mnoţství a velikost oken, jakoţ i design budovy atd. Některé japonské koncepty inteligentních budov kladou do jejich středu člověka. Uvádějí, ţe inteligence budovy je totéţ, co je - na osobní úrovni - spojení kancelářského prostředí s automatizací budov a technologií chytrého domu a duševními vlastnostmi člověka. Duševní pohoda, dobré bydlení a osobní duševní růst (osobní rozvoj) mají v konečném důsledku vliv na globální prostředí. Jedna společnost zabývající se automatizací budov přidala ke své definici inteligentní budovy metaforu lidských smyslů. Dlouhý seznam poloţek technického vybavení a systémů ještě nezaručuje inteligenci. Koncept inteligentní budovy lze lépe popsat tím, ţe jsou uvedena kritéria vlastností budovy neţ jen seznamem high-tech instalací. Vyuţití lidských smyslů, inteligence a pocitů, jakoţ i duševních nebo moţná i duchovních dovedností, ve stavebnictví i v technologiích mohou vést ke vzniku nových psychologických, sociálních a duševních kritérií designu budov. Nejdříve se zdálo, ţe koncept inteligentní budovy je kombinací lidské inteligence a umělé inteligence. Definice inteligentních budov byly zaloţeny na myšlence, ţe inteligentní budova uspokojuje potřeby obyvatele/uţivatele. Vloţíme-li koncept inteligentní budovy do paradigmatu informační společnosti, dospějeme k následující výstiţné definici: Koncept inteligentní budovy je holistickou kombinací stavebních řešení, která uspokojuje potřeby obyvatel a přizpůsobuje se a roste s moudrostí. Duševní růst člověka je předmětem zájmu lidí v informační společnosti. Poznání a porozumění jsou podle Maslowa body osobního naplnění jednotlivce. Maslowa psychologie, sem patří hierarchie lidských potřeb, kterou obvykle zobrazoval jako pyramidu: 1. potřeba seberealizace (naplnit své moţnosti růstu a rozvoje) 2. potřeba uznání, úcty (být váţený, mít úspěch v očích jiných lidí a na tomto základě být sám sebou kladně hodnocen) 3. potřeba lásky, sounáleţitosti (vedou k touze někam a k někomu patřit, být přijímán a milován) 4. potřeba bezpečí, jistoty (projevuje se především vyhýbáním se všemu neznámému, neobvyklému či hrozivému) 5. fyziologické potřeby (potřeba potravy, tepla, vyměšování) Informační společnost toto povyšuje s jednoduchostí a transparentností informačních toků a vyhledávání informací. Na druhé straně jsou informace cennou „surovinou“ pro 263

znalostní produkty poté, co byly pochopeny a zpracovány, coţ v případě čilé výměny informací vyţaduje lidské zdroje. Lidé v informační společnosti by měli usilovat také o duševní růst, jelikoţ chtějí umět vyrovnat se se stresem a proměnlivostí práce s vědomostmi. Vyuţívání skleněných fasád u kancelářských budov je příkladem toho, jak prostředí skýtá záplavu světla, coţ stimuluje lidské vědomí a tak vyjasňuje myšlení. Prostředí můţe mnoha způsoby pomáhat a dodávat sílu pracovníkům. Při sestavování poţadavků na pracovní prostor a jeho potřeb je důleţité znát svoje vlastní potřeby. Je to také uţitečné při navrhování řešení pro jiné lidi. Návrháři nebo jiní stavební odborníci by neměli podvědomě opakovat řešení svých vlastních potřeb či prostě potřeb jiných lidí, ale měli by v kaţdé situaci kriticky posuzovat jejich přiměřenost. Toto umoţňuje otevřeně naslouchat potřebám zákazníků a dokonce je dovést k tomu, ţe sami určí své podvědomé potřeby. Harmonie uvnitř sebe sama nepřímo pomáhá druhým. Dávat druhému je snazší, je-li člověk v souladu se svými vlastními potřebami. Probíhá vědecká debata o pořadí, v jakém by měly být potřeby uspokojovány a o úloze fyziologických, bezpečnostních potřeb, příslušnosti, lásky a uznání při uspokojování dalších potřeb. Měly by být uspokojeny dříve, neţ bude moţné uspokojit další potřeby, či nikoli? Někdo se dokonce domnívá, ţe uspokojování těchto „niţších“ potřeb by mohlo být překáţkou duševního růstu. Je třeba vzít v úvahu myšlenku konstantních změn v konceptu inteligentních budov viz. obr. 6.5. Toto zahrnuje změnu z tacitního [ znalost neuvědomělá, nevědomá, ,,skrytá“, neverbalizovaná; projev vůle (souhlasu), která je provedena mlčky, tím, ţe nic neprovedu, nečiním] v explicitní (výslovný, přímý, jasný, zřetelný), anebo z vědomého a podvědomého poznání. Myšlenka změny vzešla ze studií budoucnosti a později se objevila ve vědecké podobě odvozené od dříve zmíněného konceptu ba podle Nonaky a Konna a v roce 1995 vnikl cyklus učení podle Nonaky-Takeuchiho (Tuomi 1999, str. 69, 325-326).

0br. 6.5: Vlastnosti inteligence budov. Budoucí poznání inteligence můţe přinést nové formy inteligence budov 264

Integrace je konečným klíčovým výrazem konceptu inteligentní budovy. Klade se důraz na transdisciplinárnost a interakci: Jakékoli úvahy o inteligentních budovách, ať při jejich studiu, navrhování či řízení, vyţaduje svobodu myšlení, které můţe zahrnout transdisciplinární myšlenky a systémy. Slovo transdisciplinárnost je skutečně holistický a interaktivní koncept. Strategie inteligentních budov zahrnují mnoho kritérií a snaţí se integrovat myšlenky napříč širokého spektra problémů. Výzkumnící v CABA (Continental Automated Buildings Association – Kontinentální sdruţení pro automatizované budovy), jakoţ i vedení Skupiny inteligentních budov ve Velké Británii, Francii a Číně a Nadace pro chytré domy zakládají své myšlení na západních tradicích a domnívají se, ţe zájmy podílníků jsou rovněţ důleţité, kdeţto Japonci kladou důraz na lidské potřeby. Avšak zdá se, ţe pochopení propojitelnosti komplexního technologického fenoménu s proměnlivostí lidského ţivota se v západní filozofii liší od evropské tradice, tedy pokud vůbec byl pochopen interdisciplinární aspekt v kontextu inteligentních budov. Podle toho předseda Rady Asijského institutu inteligetních budov (2001) vyvozuje, ţe stávající definice inteligentních budov v Evropě má blíţe k poţadavkům uţivatelů neţ k technologiím. Těţiště singapurské i čínské definice spočívá na řízení a komunikacích vyuţívajících pokročilých technologií, zatímco Japonci navíc kladou ještě větší důraz na samotné obyvatele. V definicích pouţívaných v západních zemích nebyl brán zřetel na zábavu osazenstva. Toto jsou obecné faktory konceptů inteligentních budov: -

-

-

Z hlediska provozu budovy převládají buď zájmy podílníků, nebo koncových uţivatelů (tzn. potřeby osazenstva), coţ klade důraz na účinnost. Inteligentní budovy poskytují podílníkům účinné a produktivní prostředí tím, ţe jim nabízejí moţnost maximalizovat výkonnost (z hlediska jejich obchodních cílů a produktivity osazenstva). Výkonnosti bude dosaţeno úsporným způsobem s minimem celoţivotních nákladů. I přes niţší náklady musí být budovy pohodlné a funkční, řízení zdrojů musí být efektivní a je třeba přihlíţet k jejich udrţitelnosti. Poţadavky výkonu budou splněny integrací nejlepších moţných konceptů, materiálů, systémů a technologií, architektury a struktur, jeţ budou v souladu se zájmy a potřebami podílníků. Výkon lze uskutečňovat při současném uplatnění šetrnosti k prostředí, pruţnosti a vyuţití prostoru, pohyblivých prostorových prvků a vybavení, kalkulace celoţivotních nákladů, komfortu, vhodnosti, bezpečnosti a ochrany, produktivity práce, image špičkových technologií, kultury, stavebního procesu a struktury, dlouhodobé pruţnosti a moţnosti uplatnění na trhu, informační intenzitou, interakcí, uţitnosti, schopnosti podporovat zdraví (terapeutických), přizpůsobitelnosti, spolehlivosti (stálost a přesnost) a produktivity (ziskovosti). 265

6.2.2 Pochopení inteligence inteligentních budov Jak bylo řečeno dříve, proces objasňování konceptu inteligentní budovy přináší jak poznatky o potřebách uţivatelů budov, tak moţnosti kombinace high tech (nejpokrokovější dostupnou technologii) řešení v budovách. V éře informací je slovo inteligentní široce pouţíváno ve strojírenství a ve výrobě obecně, nejenom v souvislosti s budovami. Zdá se, ţe inteligentní je také simultánním klíčovým slovem v zavádění informačních a komunikačních technologií, pouţívaným k uspokojení lidských společenských potřeb. V průmyslové éře nahradily stroje mnoho manuální práce. Souvislost mezi rukou a produktivitou se objevila například v ekonomii Adama Smithe. Smithova teorie neviditelné ruky říká, ţe bude-li úsilí kaţdého jedince o své vlastní blaho, přinese blaho celé společnosti jako takové. Metafora nebo souvislost mezi rukou a mozkem vznikla zároveň se zaváděním inteligence do výroby. Mozek a ruka spolu umoţňují člověku vyuţívat její nebo jeho inteligenci, jak uvedl Bergson (v Tuomi 1999): …umožňuje inteligentnímu tvorovi činit ve svém prostředí podle svých schopností a potřeb. Budovy jsou obálky pro činnost. Poskytují zastřešený prostor, působí na zmírnění klimatu. Myšlenka neviditelné ruky je ve stavebním odvětví vyjádřena uvědoměním si, ţe na budovy by mělo být pohlíţeno jako na aktiva ve výrobním procesu. Tato skutečnost byla vyslovena teprve docela nedávno, avšak existovala jiţ od nástupu funkcionalismu jako základního axiomu v průmyslu a obchodu, ovlivňujícího zejména architekturu. Inteligence budovy je důsledkem trendu napodobování. Budeme-li následovat Bergsonovu představu, můţeme tvrdit, ţe základní úlohou inteligence budovy je vytvářet odchylky, jeţ umoţní inteligentním budovám fungovat podle jejich schopností a potřeb. Tudíţ se budovy stávají pruţnými, přizpůsobitelnými a dynamickými organismy. Definice lidské inteligence můţe vysvětlit současný rozvoj inteligentních budov, zejména vezmeme-li jako počátečný bod Gardnerovu definici lidské inteligence (emoční inteligence: příklad: „mnoho lidí s IQ 160 s nízkou emoční inteligencí pracuje pro lidi s IQ 100, kteří jsou však v oblasti mezilidských vztahů neobyčejně nadaní. A v každodenním životě není žádná inteligence důležitější než právě inteligence mezilidských vztahů. Pokud ji nemáte, budete se chybně rozhodovat, s kým vstoupit do manželství, jaké zaměstnání si vybrat a tak dále. Potřebujeme, aby si naše děti osvojovaly tyto schopnosti už ve škole."), viz obr. 6.6. Logicko-matematicky nadaní inţenýři instalují v souladu s technologickými poznatky počítače a kontrolní jednotky v budovách jako „mozek“ a lokální sítě jako „nervy“, coţ imituje přírodu [technologie je definována jako činnost (manuální nebo průmyslová), která je zaloţena na poznání přírody a zákonů přírodních věd]. K interakci dochází prostřednictvím uzlů a vedení vnitřních informačních sítí a budova můţe vyhodnocovat situaci nikoli jen podle hierarchického uspořádání, nýbrţ 266

také objekt za objektem (nejasná logika zaloţená na designu orientovaném na objekt). Umělá představa slyšení kromě technických senzorů vychází i z lidských smyslů.

Obr. 6.6: Příklady uplatnění prvků inteligentní budovy a jejich propojení s lidskou inteligencí Budova má smysly pro to, aby poznala kvalitu vnitřního ovzduší (vliv elektromagnetického záření, CO2, atd), stav konstrukcí, potřebu údrţby, kvalitu vnějšího ovzduší a dílčí změny, jakoţ i spotřebu energií a vody. Inteligentní dům navíc zná mnoţství uţivatelů a jejich potřeby a podmínky. Člověk můţe nebo nemusí přijímat hovory od návštěvníků, kteří znají přístupové kódy pro nájemce, pravidelné návštěvníky, lidí zvenku či nově příchozí. Budova identifikuje ty, kteří nejsou vůbec zvaní. Konstrukce a nábytek mohou monitorovat uţivatele a pomáhat při komunikaci; např. zdravotní toaletní sedátko pošle informaci o zdravotním stavu uţivatele přímo jeho lékaři. Znaky, rozlišování hlasu a sémiotika budov se označuje jako lingvistická inteligence. Charakteristické vlastnosti budovy jako např. zvuk tekoucí vody uvnitř, hudba v pozadí nebo ticho, ukazují na lidskou hudební inteligenci. Budovy vnímá prostřednictvím stimulů přes zabudované senzory. Budovy mohou uměle mluvit pomocí opakování pásku nebo s vyuţitím technologie umoţňující syntézu řeči. Je těţké si představit, ţe by mohla budova komunikovat sama pro sebe, např. pro vlastní pobavení nebo intelektuální zábavu. 267

Vlastnosti budovy ve vztahu k lidským smyslům jsou spíše o schopnosti interakce budovy, coţ odpovídá mezilidským vztahům. Aktivní konstrukce jako např. automatické dveře a okna nebo fasádní prvky jako sluneční clony lze ovládat podle povětrnostních podmínek a připomínají kinetickou vlastnost lidského těla. Na druhou stranu, kinetickou inteligenci lidského těla by měla zlepšovat prostorová pruţnost nebo prázdný prostor a mobilní technologie, coţ umoţňuje, aby pro tvorbu nových nápadů byl potřebný fyzický pohyb. Cvičení spolu s kvalitním ovzduším uvnitř dodávají mozku a trávicímu systému potřebnou energii a kyslík. Ergonomika kancelářské práce má nové dimenze. Mít všechno na dosah ruky jiţ není jediným kritériem pro design kancelářských prostor. Plány podlaţí a návrh vnitřního ovzduší musí mít rovněţ nová kritéria pro navrhování. Mobilní telefony a atria s prosklenou střechou představují prostředky nového zdravého kancelářského designu, umoţňující kinetickému systému lidského těla fungovat. Krása prostoru můţe podporovat lidskou inteligenci pomocí vizuálně-prostorového poznání. Člověk má prostorové vnímání. Toto je klíčovým prvkem architektonického designu, jenţ je obvykle vyjádřen vizuálně kresbou nebo počítačovými obrázky. Lidská schopnost integrovat poznatky je logická. Integraci můţeme chápat jako logickou činnost, která kombinuje různé druhy inteligence. Design transformuje lidskou inteligenci do inteligence budovy. Inteligenci nelze integrovat do budovy jako samostatný systém, stejně jako nelze dovnitř lidského těla implantovat orgán navíc. Úloha inteligence v kontextu budov je relevantní tam, kde se kombinace vztahuje k spíše zabudování neţ k integraci koncepčních poznatků. Slovo „kombinace“ je doporučováno pouţívat pro zabudování poznatků nebo know-how (je to souhrn znalostí, poznatků a zkušeností při výrobě) do inteligence budov. Gardnerovo psychologické paradigma lidské inteligence lze pouţít jednak jako určitý rámec pro pochopení metafory mezi koncovým uţivatelem a prvky inteligentní budovy, jednak pro odvození podstaty konceptů inteligentních budov – inteligence budov – od forem lidské inteligence s takovými sloţkami jako je obr. 6.5: Propojení budovy (řeč a rozeznávání řeči, včetně hudby a lingvistiky; uţivatelské propojení a osobní, firemní nebo automatická kontrola) - Sebepoznání budovy (budova pozná stav, v jakém se nachází; druh vědomí) - Prostorové vnímání (určité vědomé poznání prostorového výrazu architektury, konstrukcí, designu interiéru) - Kinetika budovy (smysl pro změnu, aktivní konstrukce, pohyblivé konstrukce, nábytek a zařízení, upravitelné technologie nebo sluţby v budově) - Logika budovy (zabudovaná čidla monitorující denní činnost uţivatelů, kombinovatelnost). Prostorové vnímání by mohlo existovat i doslova, protoţe architektonické vědění je převáţně v tacitní (tiché) podobě. Explicitní (výslovný, přímý, jasný, zřetelný) architektonické vědění můţe přispět k vyuţitelnosti vybudovaného prostředí. -

268

6.2.3 Rámec inteligence budov Souhra mezi vybudovaným prostředím v inteligentních budovách a lidskou inteligencí agentů objektu (koncových uţivatelů) a agentů subjektu (profesionální účastníci výstavby – podílníci) vytváří rámec inteligence budov, který objasňuje, jak je inteligence budov vytvářena na základě lidské inteligence a jak ji vyuţívají podílníci inteligentních budov Inteligence budov není dosud explicitní poznatek. Dosud nebyla vědecky popsána. Inteligence budov je důsledek sklonu lidské inteligence vymýšlet a je popsána jako forma konstrukce inteligentních budov podle konceptů inteligentních budov viz obr. 6.6.

Obr. 6.6: Popis konceptů inteligentních budov a definice inteligence budovy umoţňují poznat inteligentní budovy Lidská inteligence vytvořila koncepty inteligentních budov, jeţ jsou přesným odrazem různých druhů inteligentních budov pro praktické vyuţití ve stavebnictví, i kdyţ nerozlišují inteligentní budovu od jiných druhů budov, protoţe koncepty inteligentních budov zahrnují parametry, jeţ jsou vlastní všem jiným stavebním konceptům. Pro oddělení inteligentní budovy jako samostatného konceptu by napodobování přírody, která je stejná jako technologie, bylo chápáno tak, ţe stavební developeři a návrháři půjčí budově svoji inteligenci. Inteligentní budovy existují z důvodu jejich schopnosti porozumět, interpretovat a dekódovat informace o koncovém uţivateli do kritérií návrhu a vytvořit technologie a konstrukce propojitelné s uţivatelem. Tyto poznatky jsou transformovány do inteligentních budov. Odborníci berou při své práci v úvahu dostupné technické moţnosti pro uspokojování potřeb jak koncových uţivatelů, tak obchodu. Jejich práce je relevantní v kontextu výzkumu a vývoje orientovaného jak ve směru tlaku technologického rozvoje, tak poptávky trhu. Himanenův Průzkum o inteligentních budovách (2003) dokládá, ţe tato schopnost developerů a návrhářů porozumět, interpretovat a dekódovat informace od koncového uţivatele do kritérií designu uspěla ve vybraných inteligentních budovách.

269

6.2.4 Přenos nevyjádřeného technického know-how do inteligentních budov O inteligenci lze uvaţovat jako o vnitřní zásobě vědomostí a know-how a návrh inteligentní budovy má také takovouto vlastní zásobu. Tak jako se systém skládá z dílčích podsystémů, i kaţdá vlastnost budovy obsahuje vnitřní zásobu vědění a znalosti budovy jsou souhrnem předmětů poznání všech těchto dílčích vlastností. Jednotlivé kroky transformace lidské inteligence do inteligence budov korespondují s jednotlivými úrovněmi formulace poznání: tacitní – fokální (ohnisková) – artikulovaná (formulovaná) – verbální – společensky legitimizovaná (odůvodněná, uzákoněná). Kroky transformace lidské inteligence do inteligence budov lze přiřadit k jednotlivým úrovním artikulace poznání.

6.2.5 Dvojí role inteligence koncového uživatele Vlastnosti inteligentní budovy umoţňují inteligentnímu člověku ovlivňovat své okolí podle svých schopností a potřeb. Role uţivatelů na inteligentním fungování budovy je z větší části neznámá, protoţe vliv jiných faktorů, kromě faktorů jako kvalita vzduchu uvnitř budovy, nebyl dosud příliš zkoumán. Koncoví uţivatelé (agenti objektu) a jejich inteligence jsou pomocí uţivatelské propojitelnosti spojeni s inteligentními budovami pomocí takových vlastností inteligentních budov jako zabudované technologie nebo aktivní konstrukce, jeţ agenti subjektu dané budovy vytvořili jako formu propojitelnosti budovy. Potřeby nutí inteligenci uţivatele konat podle svých zkušeností. Koncoví uţivatelé vyuţívají inteligence budovy pro uspokojování svých potřeb. Řízení budovy slouţí podobnému účelu. Řízení budovy je novou oblastí ve stavebnictví a čerpá poznatky z jiných příbuzných výzkumných oborů, ale téţ, podobně jako u konceptů inteligentní budovy, má řízení budov různé definice. Začala integrace inteligentních budov a řízení budov. V tomto skriptu jsme se jiţ zabývali vlastnostmi a řízením budov, proto je inteligentní budova povaţována za nástroj řízení budov, coţ je uskutečňováno instalací logické automatizace budov a kanceláří a komunikačních sítí uvnitř budovy. Kombinace řízení budovy s inteligentní budovou byla označena jako ASŘB. Je zjevný nedostatek jediného dodavatele automatizovaného systému řízení budov, jelikoţ jich existuje jen několik. Koncepty inteligentních budov i automatizovaného systému řízení budov se rozšiřují k integraci lidských funkcí správce a uţivatele budovy do celkových konceptů. Koncoví uţivatelé potřebují znalost o způsobu, jakým jim inteligentní budovy slouţí. Transformace znalostí z tacitních na explicitní je potřebná nejenom pro profesionální správce nebo podílníky ve stavebním odvětví, nýbrţ by poznatky o inteligentních budovách měly být sdíleny s koncovými uţivateli a organizacemi. Prostředky jako vzdělávání, uţivatelské příručky nebo přítomnost stavitele a správce by mohly umoţnit plné vyuţití nových technologií a prostorových řešení. Dobrá propojitelnost mezi budovou

270

a koncovým uţivatelem a efektivní řízení budovy budou pro kancelářské pracovní prostředí výhodné. Inteligence budovy můţe také zahrnovat znalosti koncových uţivatelů zahrnuté do inteligentních budov pomocí zpětné vazby z jiţ existující budovy nebo pomocí účasti uţivatelů na návrhu budovy obr. 6.7. Jinými slovy, koncoví uţivatelé jsou agenty objektu, ale svojí aktivní účastí na stavebním procesu přebírají roli primárního propůjčovatele inteligence vůči budově. Tím tedy přebírají také roli agentů subjektu.

Obr. 6.7: Agenti objektu a pasivní indikátory mohou v procesu navrhování převzít úlohu agentů subjektu pomocí zpětné vazby. Zároveň se úloha agentů subjektu stává dvoustrannou: rolí návrháře/designera a rolí tvůrce nových kriterií. Podobně také katalyzátory a pasivní indikátory obr. 6.7 mají za cíl dosaţení stejného postavení jako noví agenti subjektu v budově. Sponzoři, investoři a úřady se vţdy vyjadřují ke studii proveditelnosti u stavebních projektů, i kdyţ ne k detailnímu projektu. V současné době se více neţ v minulosti pokoušejí ovlivňovat stavební sektor politici, ekologové a jiné skupiny občanů. Je znám nepřímý vliv kvality okolní zástavby na kvalitu 271

společenského ţivota. Byl také zjištěn pozitivní vliv kvality městských budov nebo okolních staveb na moţnosti podnikání. Toto z velké části vychází od kvalifikovaných zaměstnanců, kteří chtějí bydlet v této oblasti a pracovat pro společnosti zde sídlící z důvodu hustého osídlení a kvalitního společenství. Není divu, ţe například koncept zeleného bydlení se stal nedílnou součástí konceptu inteligentní budovy nebo řízení budovy, protoţe vytíţení podnikatelé potřebují dostupnost sluţeb. Potřeby společnosti dodávají inteligentním budovám další rozměr. Avšak takové faktory jako udrţitelný rozvoj nebo integrované řízení budov neodlišují inteligentní budovy od jiných budov, nýbrţ tak činí inteligence stojící za těmito fenomény, coţ je v tomto kontextu inteligence jedinců aktivních ve prospěch společnosti, propůjčená budovám. Metody získávání zpětné vazby od koncových uţivatelů nejsou příliš rozvinuté a systematické. Sotva existují způsoby vytváření nových kritérií designu pro nové stavební projekty na základě zpětné vazby od koncových uţivatelů obr. 6.7. Metody účasti koncových uţivatelů na navrhování je důleţitou součástí komplexního návrhu, ale v dnešní době uţ nepostačující; výzkum a vývoj by se měl zaměřit na budovy orientované na koncové uţivatele a jejich poptávku, dále na spolupráci s dalšími odborníky, coţ znamená, ţe se objevují další druhy vnitřního vědění. Průzkumy o inteligentních budovách (v zahraničí) ukázaly, ţe inteligentní budovy berou v úvahu poţadavky koncových uţivatelů na produktivitu a efektivnost jejich práce víc neţli standardní budovy. Z důvodu nedostatku zpětné vazby od koncových uţivatelů, role koncového uţivatele jako subjektu je u prvních zkoumaných inteligentních budov sporná. Je pravděpodobnější, ţe realizace konceptu inteligentní budovy byla z hlediska koncového uţivatele úspěšná kvůli dobrému návrhu. Průzkumy o inteligentních budovách – studie osídlení tohoto druhu – ukázaly, ţe účast koncových uţivatelů na návrhu dělá uţívání budovy – vytvořeného inteligentního nástroje – praktičtějším a více vyhovujícím, s menší mírou rizika selhání. Uţivatelé potřebují ovlivňovat a ovládat fyzické pracovní prostředí. Systém zpětné vazby od koncového uţivatele ve stavebnictví by mohl být zdrojem nových kritérií designu. Úspěchu lze dosáhnout pomocí takových řešení, která prokázala svoji proveditelnost v praxi, ale uspět lze také nápravou chyb, k nimţ musí nezbytně docházet obzvlášť u nových technologií. Sběr dat pomocí zpětné vazby od koncových uţivatelů lze snadno chápat jako sběr chyb, nikoli jako sběr nejlepších řešení. Obojí ovlivňuje kvalitu výstavby a stojí za provádění, dokumentování a zohlednění v designu a řízení budov. Je potřeba mít odvahu čelit kritice jak před zahájením stavby, tak i co nejdříve poté, co byla budova navrţena, či v době jejího prodeje nebo dokonce uţívání. Nikdy v historii stavebnictví dosud nebyla garantována spokojenost zákazníků, jejichţ názory byly respektovány a případné nedostatky a chyby včas napraveny. Je to částečně i z důvodů povahy tohoto podnikání, jeţ musí být zaloţeno na bezpečných a udrţitelných konstrukcích, avšak existuje zde mnoho příčin, které se mohou snadno měnit.

272

Další budoucí výzvou pro stavebnictví bude brát v úvahu rozdílné potřeby podle pohlaví, coţ je zvlášť relevantní v případě vědomostní práce a jejího prostředí.

6.3 Prostředí budov, architektura a lidé Derek Clemens-Croome Architektura je víc než jen umění stavět jednotlivé budovy. Je to také tvorba prostředí. Budovy neexistují izolovaně. Nejenom že otiskují svůj charakter v okolním prostředí, ale mají také nevypočitatelný vliv na život lidí, kteří v nich bydlí. Conti (1978) Budovy jsou ikony kultury, coţ je dostatečně doloţeno egyptskými pyramidami, Crystal Palace z roku 1851 v Anglii, mnoţstvím katedrál po celé Evropě a například také budovou Chrysleru na Manhattanu, Karlův most v Praze atd. Myslíme - li na nějakou zemi, vybaví se nám v mysli obrazy budov. Domovy, pracoviště a infrastruktura jsou základními komponenty vybudovaného prostředí. Slouţí základním lidským potřebám mít přístřeší, teplo a komunikovat, jakoţ i mít přístup k vodě a odvoz odpadu. Na budovy se příliš často pohlíţí spíše jako na drahé statické kontejnery, neţ jako na investici, která, je-li zdravá a trvalá, můţe přinášet hodnotu. Boyden (1971) rozlišuje mezi potřebami pro přežití a potřebami blahobytu. Lidé mají fyziologické, psychologické a společenské potřeby. Heerwagen (1998) po Boydenovi zdůrazňuje zejména takové potřeby blahobytu vztahující se k budovám, jako jsou: -

společenské prostředí svoboda pracovat samostatně nebo ve skupině moţnost seberealizace zajímavá vizuální scéna přijatelné akustické podmínky kontrast a nahodilé změny nutící smysly reagovat moţnost cvičení nebo přerušení práce jinou stimulující aktivitou, k nimţ lze dodat potřebu čistého a čerstvého vzduchu.

Fyzické, emocionální a sociální podmínky jsou dohromady nezbytností pro zachování zdraví. Budovy a lidé spolu navzájem dynamicky působí a toto je podstatnou myšlenkou této kapitoly. Tlak na trvalost nás bude dále nutit uvaţovat o budovách ve vztahu k celým městům a posuzování vybudovaného prostředí bude zahrnovat kvalitu vnitřního prostředí, mikroprostředí v okolí budovy a makroklima v urbanistickém celku. Jelikoţ na budovy připadá zhruba polovina celkové spotřeby energií a to je zase asi poloviční podíl na vytváření skleníkového efektu kvůli emisím oxidu dusíku, jsou projekt, výstavba a provoz budov pro lidi ţivotně důleţité v současnosti i v budoucnosti. Toto samozřejmě platí pro všechny staré i nové budovy. Jedním z nejdůleţitějších prvků při posuzování vztahu mezi vnitřním prostředím, mikroklimatem kolem budovy a makroklimatem je fasáda budovy. Fasády vidíme, jsou 273

tedy důleţitou součástí našeho vizuálního prostředí. Za fasádou ţijí a pracují lidé a fasáda jim poskytuje ochranu proti nepřízni počasí (sněhu, větru a dešti). Mnohem důvtipnější vyuţití fasády neţ jenom ochrany proti špatnému počasí spočívá v její funkci kontroly hladiny hluku, slunečního svitu a vzduchu, jeţ pronikají do budovy, s cílem udrţení zdravého a příjemného prostředí. Fasády kombinují materiály jako kámen, cihla, beton a sklo. Význam pochopení role fasády v posledních letech vzrostl a navrhování a tvorba fasád se stalo významným předmětem studia oboru inteligentních budov na některých univerzitách v Evropě i ve světě. Inteligentní materiály a vývoj v biometrice a nanotechnologiích spolu s technologií zabudovaných senzorů budou znamenat revoluci v navrhování fasád a komplexních konstrukčních řešení staveb a jejich technického vybavení, úspor energií a zdravého ţivotního prostředí. Primárním spojením mezi vnitřním a vnějším prostředím je evoluční vazba mezi člověkem a přírodou – biophilia (pozitivní vztah člověka k ţivotu) coţ je termín vytvořený harvardským sociálním biologem E. O. Wilsonem (Wilson 1984, Kellert a Wilson 1993). Wilson zkoumal přirozený vztah člověka k přírodě. Okna na fasádě poskytují toto spojení pomocí denního světla, čerstvého vzduchu a výhledu ven. Kontakt s vnějším světem skýtají také krátké, pomíjivé stimuly vycházející z měnících se podmínek meteorologických a časových. Obecně řečeno, lidé dávají přednost přírodnímu prostředí před vybudovaným a cení si propojení vybudovaného prostředí s krajinou (Kaplan 1989, Ulrich 1991). Také Parsons (1991) přináší důkaz o kladném vlivu přírody na imunitní systém. Další zajímavou skutečností je přirozený vztah člověka k základním fraktálním vzorcům v přírodě v mikroskopickém měřítku. Heerwagen (1998) se odvolává na výsledky výzkumu Humphreyho (1980), Platta (1961) a Scotta (1999), jenţ dokládá, ţe fraktální vzorce mohou být hlavním faktorem naší emocionální odpovědi vůči prostředí a mohou dokonce přispívat k lepší kognitivní funkci. Zdá se, ţe systém lidských smyslů reaguje pozitivně na různorodost, určitý stupeň nahodilosti, který budeme označovat jako rozeznávání kontrastních vzorů, nebo slovy Heerwagena jako senzorickou variabilitu. Neměnné prostředí je nudné. Člověk proţívá fyziologický a emocionální denní cyklus. Ţijeme s pomocí našich smyslů a potřebujeme k jejich aktivaci měnící se stimuly (Platt 1961, Cooper 1968, Humphrey 1980, Schooler 1984). Dalším důleţitým prvkem při posuzování vztahu mezi vnitřkem a vnějškem budovy je délka života (ţivotnost) různých vrstev budovy. Doporučujeme si přečíst – nastudovat práce Stewarta Branda (1995) a jeho knihu Jak se učí budovy, kde popisuje tyto vrstvy jako šest S – pozemek (site), konstrukce (structure), omítka (skin), sluţby (services), prostor (space) a materiál (stuff) (nábytek a zařízení). Ve skutečnosti existuje ještě jedno S, smysly uţivatele budovy. Ţivotnost těchto vrstev se velmi liší, coţ činí z vybudovaného prostředí dynamický organismus. Konstrukce a pozemek budou existovat 60 a více let, zatímco omítka budovy bude potřebovat renovaci kaţdých 20 – 30 let; podobně i rozvody TZB mají mnohem 274

kratší ţivotnost, 15 – 25 let. Zařízení a vybavení včetně počítačů mají velmi krátkou ţivotnost, zhruba jenom 3 roky, nebo dokonce ještě méně. Je snadno pochopitelné, ţe máli přetrvat původní design a stavba, je potřebná efektivní správa budovy. Budovy musí mít dlouhou ţivotnost, tak se musí přizpůsobovat v průběhu kratších nebo delších časových úseků v závislosti na proměnlivosti priorit a potřeb uţivatelů. Také musí skýtat stimuly, na něţ musí reagovat lidské smysly.

6.3.1 Integrované obslužné struktury V nových budovách nebo při rekonstrukci stávajících budov jsou objevovány nové vlastnosti členění do mikrozón a systémů osobní kontroly. Smyslem či cílem je vyuţití centrálních distribučních systémů s uzly reagujícími na individuálního uţivatele. Kvalita prostředí můţe ovlivnit kvalitu práce a toto je třeba brát v úvahu při tvorbě nových technologií, které mají za cíl zlepšit produktivitu firem. Loftness a spol. (1997) uvádějí seznam sedmi základních infrastruktur pro zajištění potřeb na pracovišti: - ovládání větrání a teploty - ovládání osvětlení - denní světlo a výhled včetně omezení slunečního světla - soukromí a práce v tichém prostředí - přístup k sítím - kombinované datové, energetické a hlasové komunikační systémy - ergonomický nábytek s povrchovou úpravou šetrnou vůči ţivotnímu prostředí. Síťové rozvody distribučního systému umoţňují ovlivňovat rozvod vzduchu (nebo vody či energie) a obsahují přípojky pro potřebné vybavení, koncovky nebo uzly pak nabízejí pruţnost co do umístění, hustoty a typu rozvodů. Systémy rozvodů v budovách jsou navrhovány tak, aby umoţňovaly kontrolu prostředí, mobilitu, komunikaci, vybavení, protipoţární ochranu a bezpečnost. Rovnováha mezi obsahem budovy, organizací a rozvody určuje dosaţení stanovených hodnotových cílů. V konečném důsledku jsou to lidé, nikoli stroje, kdo je ţivotně důleţitou sloţkou systému a toto platí nejenom pro interakci mezi člověkem a celým jeho prostředím, ale i pro řízení a organizaci. Různé klimatické podmínky ve světě ovlivnily naše myšlení, pokud jde o design zdí budov. Oblečení je první ochranná vrstva člověka a mezi nimi a zdmi budovy je obvykle velké mnoţství vzduchu. Na druhou stranu právě zdi budovy zachycují první dopady nevlídného počasí, takţe má smysl zkoumat moţnosti vyuţití konstrukcí domů jako formu klimatického moderátoru. Dokonalá inteligentní budova má obal reagující na prostředí, 275

jenţ můţe ovládat prostupnost tepla, světla a zvuků podle potřeb uţivatelů. Příklady jiţ lze nalézt např. ve Švédsku, kde v poslední části převládla okna s odvětrávacími systémy a podlahy z dutých tvárnic, atd. Objevuje se skupina dynamických stavebních materiálů, kde se spojují materiály a rozvody v chytrých nebo inteligentních omítkách a tím pak vznikají energeticky inteligentní budovy schopné kontroly sebe samých. Toto otvírá moţnosti vyuţití alternativních zdrojů energie jako je slunce nebo vítr. Foto- a elektrochemická variabilita povrchových vlastností také nabízí druh kontroly energie a spolu s moderními informačními senzory a ovládacími prvky činí obal budovy seberegulačním. Tyto horizonty představují pro architekturu a stavebnictví fantastickou budoucnost. Neměli bychom se omlouvat za pouţívání instalací v budovách, kde je to vhodné. Existuje však vize, kde rozvody, jak je známe, např. radiátory, konvektory a jiná topná zařízení nebo klimatizační jednotky, nebudou jiţ na pracovišti potřebné. Řešením pak budou jiné technické přístupy v technickém zařízení budov. Je snadné měřit průběh vývoje teplot ve zdi, na střeše nebo v podlaze s přechodem z noční fáze do dne. V tomto stádiu by mělo být moţné pulzovat do konstrukce malé mnoţství energie a tím zpomalit vliv počasí na vnitřní povrch budovy. Techniky pulzování energie se stanou mnohem přitaţlivějšími při lepší izolaci budov, protoţe sníţí spotřebu energie. Jsou navrhovány kineticky vnímavé budovy s takovým obalem, jehoţ povrch lze měnit: -

zaváděním pohyblivých sloţek jako rolety nebo izolační pásky změnou umístění různých vrstev pomocí rotačních prvků pouţitím povrchových nátěrů nebo vrstev pouţitím materiálů, které mění své vlastnosti se změnami počasí.

Tady je několik příkladů: a) Kontrola slunečního světla se stává pořád důleţitější s tím, jak v atmosféře narůstá úroveň ultrafialového záření v souvislosti s narušením vrstvy ozónu. Metalické povlaky oken jako např. polyesterový film, odráţejí sluneční světlo, ale omezují přenos světla. Dnes jiţ existují takové povlaky, jeţ jsou čiré jako sklo, ale zároveň blokují přenos dlouhovlnného infračerveného záření, čímţ sniţují tepelné ztráty. Světelné štíty odráţejí přímé sluneční světlo na strop a odtud k uţivatelům. b) Nízkozářivé prosklení má dvě tabule skla oddělené vzduchovou vrstvou o šíři 12 mm; vnitřní povrchová vrstva tabulí je potaţena tenkým filmem z kovu nebo z oxidu kovu silným několik atomů (aplikovaným pyrolýzou nebo vakuovým nástřikem), coţ propouští sluneční světlo (70 – 80%), avšak dlouhovlnné ultra červené záření odráţí zpět do prostoru. U-číslo (?) tohoto skla je asi 1,9 W/m 2 ˚C.

276

c)

d) e)

f)

g)

h)

Sklo zrcadlící teplo má nízko zářivý povlak na tenké polyesterové membráně mezi dvěma tabulemi skla. Lze také pouţít trojího prosklení. Dutina mezi skleněnými tabulemi naplněná plynem (kryptonem nebo argonem) dává v posledních letech zasklení hodnotu U-čísla zhruba 1,5 W/m2 ˚C, došlo k rychlému rozvoji v pouţívání transparentních izolačních materiálů jako např. křemičitý aero gel. Jde o mikroporézní izolaci prováděnou pomocí nadkritické extrakce tekutého CO2 z koloidního křemičitého gelu. Propouští sluneční záření a má U-číslo v řádu zhruba 0,5 W/m2 ˚C. Fotochromové sklo mění propustnost světla podle okamţité síly sluneční radiace. Dielektrické nebo elektrochromatické sklo vyuţívá pro změnu propustnosti slunečního záření změnou napětí za pomocí technologie tekutých krystalů. Vícevrstvé materiály tvoří elektrody, které obalují vodivý elektrolyt. Při protékání proudu ionty pronikají do sítě krystalů a sniţují propustnost záření. Holografické skleněné stěny vyuţívají miniaturních benátských zrcadel uvnitř skla, coţ odblokovává velmi silné sluneční záření, avšak slabé paprsky zimního slunce jsou propouštěny dovnitř budovy. Na Univerzitě v Kyušu v Japonsku byly vyvinuty materiály s proměnlivou vodivostí, které mají nízkou tepelnou vodivost, jsou-li suché, zatímco za vlhka mají vysokou tepelnou vodivost. Jiná látka, „oblačný“ gel (cloud gel) se vyvíjí v USA; můţe změnit světelnou propustnost z 20 na 92%, je-li vystavena působení tepla. Sklo, velmi lehké membrány (Croome 1985) a konstrukce s pulzní energií jsou příkladem „laditelnosti“ schránky inteligentní budovy, anebo hovorově řečeno, chytré pokožky budov, které se více uzpůsobují klimatu a spotřebovávají méně energie neţ statické obvodové vrstvy. Není těţké předvídat v budoucnu individuální ovládání vybraných částí celulárních diodových struktur s vyuţitím dálkových ovládačů komunikujících se zabudovanými senzory ve zdivu.

Je nezbytné propouštět denní světlo, ale zároveň redukovat ze slunečního světla teplo a záření. Larr a Grimme (2002) shrnují systémy vodivosti denního světla včetně různých benátských clon, ovladatelné ţaluziové systémy, holografické optické prvky, prismatické systémy, mikrobrány, plexisklo odklánějící paprsky slunečního záření, transparentní izolace, světelné konstrukce jako např. kupola berlínského Reichstagu, která propouští denní světlo do místnosti, ale průniku sluneční radiace brání pohyblivý štít.

6.3.2 Architektura a smysly Myšlenka brát u úvahu smyslové vnímání uţivatele budovy vedla k tomu, ţe se náš pohled zájmu zaměřil na to jak čicháme, dotýkáme se a vidíme věci v budově, jakoţ i na naše fyziologické interakce s nimi. Architektura se nezabývá pouze materiálem a různými tvary, ale také lidmi, city, prostorem a vztahy mezi nimi. Budovy by měly odráţet zkušenost všech smyslů. Pallasmaa (1996) tento názor pěkně popisuje ve své knize Oči na pokoţce a v návaznosti na Holla a Perez-Gomeze (1994) také v knize Otázky smyslového vnímání, stejně tak jako Scuriová (1995) ve své knize Design uzavřených prostorů. 277

V období renesance lidé věřili, ţe pět lidských smyslů tvoří hiearchický systém, kde nejvyšším smyslem je zrak a na nejniţší příčce se nachází hmat. Většinu informací získáváme od okolního světa zrakem a sluchem. Ale neměli bychom podceňovat význam ostatních smyslů. Naše prastaré potěšení z jídla nebo vůně květin a reakce na různé teploty představují banku senzorických poznatků, která nám pomáhá formovat náš přístup a očekávání vůči prostředí. Smysly nejenom zprostředkovávají našemu intelektu informace, jsou to také kanály podněcující představivost. Tento aspekt myšlenek a poznatků prostřednictvím smyslů nestimuluje pouze prostředí a lidé kolem nás, nýbrţ, jsme-li uvnitř budovy, také architektura daného prostoru, který formuje naše reakce. Merleau-Ponty (1964) tvrdí, ţe úkolem architektury je udělat viditelným to, jak se nás svět dotýká. Allwright (1998) popisuje 9 úrovní poznání, které určují různé úrovně senzorických poznatků: -

pět lidských smyslů, jeţ jsou vnímány očima, ušima, nosem, ústy a pokoţkou; integrace smyslů za pouţití rozumu a logiky; racionální myšlenka vyjádřená prostřednictvím vlastního vědomí a intuice; uloţení poznatků v krátkodobé a dlouhodobé paměti; čisté uvědomění v rámci vlastního já; toto také zahrnuje city.

Budovy lidem mohou a měly by poskytovat vícesmyslové podněty a tak pozvedat ducha. Procházka lesem povzbuzuje a uzdravuje díky působení všech smyslových orgánů; toto bylo označeno jako polyfonie smyslů (Pallasmaa 1996). Architektura je prodlouţením přírody do světa vytvořeného člověkem a poskytuje půdu pro vnímání, na jehoţ základě se člověk můţe naučit chápat svět a uţívat si ho. Budovy filtrují pronikání světla, vzduchu, zvuku a energie mezi vnitřním a vnějším prostředím; také zaznamenávají tok času pomocí výhledů a stínů, jeţ nabízejí svým uţivatelům. Pallasmaa (1996) na dokreslení uvádí příklad. Je přesvědčen, ţe místnost Městské rady na radnici Alvara Aalta obnovuje mystický a mytologický význam společenství, kdyţ tma posiluje sílu mluveného slova. Toto dokládá jemnou souhru mezi smysly a tím, jak design prostředí povyšuje vyjádření lidských potřeb v určitém kontextu. Scuri (1995) pojednává o vlivu uzavřeného a izolovaného prostředí na celkový stav člověka; jde např. o prostředí vesmírné stanice nebo podzemní budovy. Přestoţe je pět základních smyslů člověka často zkoumáno jako jednotlivé systémy umoţňující vizuální, zvukové, chuťové, čichové, orientační a hmatové vjemy, existuje mezi všemi těmito smysly souhra. Na všechny smysly lze pohlíţet jako na jakési rozšířené vnímání doteku, protoţe smysly jako celek definují styčnou plochu mezi pokoţkou a okolním světem. Kombinace pohledu a doteku umoţňuje člověku získat představu o rozměru prostoru, vzdálenosti nebo pevnosti. Kvalitativní vlastnosti jsou však v přípravných návrzích staveb často uvaţovány jenom povrchně. Například v případě světla se obvykle bere do úvahy míra osvětlení, index záření a faktor denního světla. Barva je povaţována za příliš subjektivní, a tak se na ni 278

často nehledí. Ve velkých architektonických prostorách je stálé „dýchání“ světla a stínu; stín vdechuje světlo, kdeţto osvětlení jej vylučuje (vydechuje). Například Le Corbusierův Kaple v Ronchamps dýchá atmosférou posvátnosti a míru. Jak bychom měli například posuzovat vzhled, sytost a zabarvení v designu osvětlení? (Scuri 1995). Budovy poskytují kontrast mezi interiérem a exteriérem. Propojení obou probíhá pomocí oken. Scuri (1995) zkoumá design prostředí bez oken. Kromě zvláštních situací (kina, studia, diskotéky, atd.) lidé vítají denní světlo. Potřeba oken je sloţitá. Zahrnuje potřebu přírodního světla, zajímavého výhledu a kontaktu s vnějším světem; na elementární úrovni nabízí lidem pracujícím v budovách kontrast. Rovněţ dává člověku představu o čase. Dnes se mnoho práce dělá pomocí počítačů v těsné blízkosti a nutí oční svaly ke stahování, aby zrak dosáhl příslušnou vzdálenost, zatímco kdyţ koukáme ven k horizontu, oči jsou zaměřeny do dáli a svaly se uvolní. Do úvahy je třeba brát všechny další jemnůstky jako např. potřebu vytvořit u umělých zdrojů osvětlení profil vlnové délky přírodního světla. Světlo ovlivňuje náladu. Jak lze toto zohlednit v designu? Srovnejte například procházku mezi stromy v lese, kde je světlo skvrnité, se světlem na otevřeném prostranství. Kontrast světla a stínu ovlivňuje náladu člověka. Z praktického ţivota uvádí Building Service Journal (2003) význam denního světla pro průmysl, nemocnice a kanceláře, kde se jeho vliv na zdraví a produktivitu ukázal jako velmi důleţitý. Povrch budov staví hranice zvuku. To, jak zní budova, je stejně důleţité jako její vzhled (Shields 2003). Tvar interiérových prostorů a textura povrchu určují charakter zvukových vln šířících se prostorem. Kaţdá budova má svůj charakteristický zvuk soukromí a monumentality, pozvání nebo odmítnutí, pohostinnosti nebo nepřátelství. Prostor je vnímán a posuzován prostřednictvím svojí ozvěny stejně tak jako prostřednictvím vizuální podoby, ale akustický koncept obvykle zůstává pouze na úrovni podvědomého proţitku. Libeskind (2002) věří, ţe dobrá budova je jako zmraţená hudba; zdi budovy ţijí. Jak říká: Budovy poskytují prostor pro život, ale de facto jsou i nástrojem. Dávají podobu zvuku světa. Hudba a architektura mají k sobě blízko nejenom metaforicky, ale také pomocí konkrétního prostoru. Říká se, ţe budovy jsou architekturou prostoru, zatímco hudba představuje architekturu času. Sluchový smysl v budovách kombinuje niti těchto představ. Budovy jsou tiché bez lidí a strojů. Budovy mohou poskytovat útočiště a mír a izolují lidi od hlučného světa v rychlém pohybu. Stále se zrychlující změny lze dočasně zpomalit pomocí atmosféry vytvořené v budově. Architektura nás osvobozuje ze zajetí současnosti a umoţňuje nám vnímat pomalý, léčivý tok času. Budovy poskytují kontrast mezi plynutím historie a tempem současného ţivota. Proţitky člověka získané pomocí smyslů mohou vyvolávat vzpomínky. Jestliţe například člověk poprvé uslyšel hudbu Brucknera v katedrále, při jeho další návštěvě této katedrály po letech anebo při poslechu Brucknerovy hudby se mu v paměti vyrojí ony 279

vzácné okamţiky před léty. Kombinace vnímání architektonického prostoru a zvuku hudby v něm je mocná. Nejneodbytnější vzpomínku však vyvolává pach (Engen 1991). Kaţdá budova má svoji zvláštní vůni. Náš smysl čichu je silný a tento prastarý smysl probouzejí silné emocionální vjemy. Kohler (2002) popisuje, jak vůně a chuť koláče Marcelu Proustovi navodila vzpomínky na dětství, kdy si připomněl neděle u své tety, která mu dávala koláč namočený v čaji (Proust 1929). Pachy mohou také ovlivnit kognitivní procesy, jeţ mají dopad na plnění úkolů a vlastní vzpomínky. Kreativní plnění úkolu můţe být ovlivněno náladou a tato můţe být ovlivněna vůní (Halbwachs 1980; Baron 1986, 1990; Erlichman a Bastone 1991; Warren a Warrenburg 1993; Freeman 1994). Různé části lidského těla jsou zvlášť citlivé na dotek. Ruce nejsou obvykle oblečené a fungují jako naše senzory doteku. Pokoţka čte texturu, váhu, hustotu a teplotu našeho okolí. Mezi dotekovými, chuťovými a teplotními vjemy je jemný přenos. Zrakový vjem můţe být přenesen chuťovému nebo teplotnímu smyslu; například určitá vůně můţe evokovat orální nebo teplotní vjem. Významná, světoznámá hráčka na bicí nástroje Evelyn Glennie je hluchá, ale vnímá pomocí svých rukou a nohou a dalších částí svého těla. Architektonické proţitky přivádějí svět do úzkého kontaktu s tělem. Tělo ví a pamatuje si. Pradávné znalosti a dovednosti lovce, rybáře a zemědělce se například lze naučit v jakékoli době, ale, co je důleţitější, zabudované tradice těchto řemesel jsou uchovány ve svalových a dotekových smyslech. Původní obyvatelé nejzápadnějšího skotského ostrova St Kilda a jejich potomci si vyvinuli velké ruce a nohy umoţňující jim volně slézat útesy. Architektura musí odráţet chování, jeţ bylo předáváno prostřednictvím genů. Vnímání pohodlí, bezpečí a domova je zakořeněno v pravěké zkušenosti nesčetných generací. Slovo zvyk je příliš neurčité, nepřesné a opomíjí minulost zakódovanou v nás. Vzájemné působení lidí a budov je mnohem sloţitější, neţ si dovedeme představit. Vedle jednoduchých reakcí, které můţeme měřit, existuje mnoho smyslových a psychologických reakcí, jeţ je velmi těţké pochopit a kvantifikovat.

280

7 PŘÍLOHY 7.1 Tabulky

Elektrické, odvozené SI (Systém International) jednotky Název

Symbol (jednotka)

Dimenze (rozměr)

Veličina (název)

Označení

ampér

A

A

elektrický proud

I

volt

V

J/C= kg  m 2  s 3  A

Potenciální diference (el.potenciál);Napětí; elektromotorické napětí

U

ohm

Ω

V  kg  m 2  s 3  A 2 A

Odpor; Impedance;

R;Z;X

„kvantita“

Reaktance

wat

W

m 2  kg  s 3

Výkon

P; W

ohm metr

Ω.m

kg  m 3  s 3  A2

Resistivita



vodivost

S

 1  kg 1  m 2  s 3  A2 Konduktance;Admitance ;

G

Susceptance joule

J

m 2  kg  s 2

Práce; Energie

A;W;E

hertz

Hz

s 1

Kmitočet

f

farad

F

C  kg 1  m 2  A 2  s 4 V

Kapacitance; elektrická kapacita

C

henry

H

Induktance; Indukčnost; V s  kg  m 2  s 2  A 2 Vzájemná indukčnost A

L

coulomb

C

A s

Elektrický náboj

Q

Simens/metr

S/m

kg 1  m 3  s 3  A2

Konduktivita; měrná vodivost



281

Farad/metr

F/m

kg 1  m 3  A2  s 4

Permitivita

μ

Henry/metr

H/m

kg  m  s 2  A2

Permeabilita

ε

weber

Wb

V  s  kg  m 2  s 2  A1

Magnetický tok

Φ

Ampér/metr; tesla

A/m; T

kg  s 2  A 1

Magnetická indukce

B

Ampér/weber

A/Wb

kg 1  m 2  s 2  A2

Reluktance

Ampér/metr

A/m

A  m 1

Intenzita magnetického pole

H

tesla

T

Wb  kg  s 2  A 1 m

Hustota magnetického pole

B

Volt/metr

V/m

V  m 1

Intenzita elektrického pole

E

Ampér/metr čtverečný

A/m2

A/m2

Proudová hustota; proudová hustota prostorového proudu

J

Coulomb/metr čverečný

C/m2

A  s  m 2

Elektrická indukce

D

Coulomb/metr krychlový

C/m3

As m3

Objemová hustota náboje

ρ

Coulomb/metr čtverečný

C/m2

As m2

Plošná hustota náboje



Coulomb/metr

C/m

As m

Liniová (čárová)hustota náboje



Coulomb metr/Farad

(Cm)/F

m 3  kg  s 3  A1

Intenzita elektrostatického pole

Φe

282

7.2 Základy elektrotechniky - odkazy Pro opakování základů elektrotechniky, magnetismu a náhledu do přehledu vzorců a definic na Webu nahlédněte do: http://www.technictest.com/test_elmag_pole.php http://www.technictest.com/test_zaklady_elektrotechniky.php http://webfyzika.fsv.cvut.cz/PDF/webFyzika_vztahy_elektro.pdf

7.3 Měření elektromagnetického pole Elektromagnetická kompatibilita, intenzita elektrického pole a intenzita elektrického pole jsou parametry sledované nejen z technologického, ale i hygienického a zdravotního hlediska. Přístroj ESM 100 je ideálním řešení pro sledování těchto parametrů v rozsahu 5Hz - 400 kHz. Hledání poruchových stavů V současnosti proţívá období rozmachu doprovázené novými výrobky v oblasti výkonové elektroniky a mikroprocesorů. To umoţňuje rychlejší zpracování dat, zvýšení efektivnosti procesů a průnik do nových oborů. Současně s tím však narůstá rušení v nejrůznějších podobách. Měřicí přístroj ESM-100 nabízí moţnost detekovat tato rušení rychlým a efektivním způsobem. Jedná se o výkonný přístroj pro oblasti EMC kompatibility a měření v terénu. Aplikace v oblasti osobní ochrany Vědecké studie v celosvětovém rozsahu popisují nebezpečí způsobovaná elektrickými poli. Jejich výsledky jsou provázeny zvyšujícím se tlakem na sniţování přípustných hodnot. Bezpečnostní předpisy jiţ vyţadují měření elektrických a magnetických polí. Měření s EMS-100 je v souladu s předpisy platnými v EU. -

-

Měření v souladu s normami jako EN V 50166, DIN VDE 0848, BGV 13, 26.BlmSchV, DIN 57107 A1 a ostatními. Vymezuje zátěţ na osobu, umoţňuje vyhodnotit vlivy elektrických a magnetických polí, stejně jako tok proudu lidským tělem. Přístroj umoţňuje nejen okamţitá, ale i dlouhodobá měření. Díky tomu je moţno získat přehled i o časově proměnných polích a údaje o expozici v průběhu dané doby (např.24 hodinová měření). Díky přenosnosti přístroje je moţno efektivně zmapovat pole i v rozlehlých prostorech. 283

-

-

Unikátní metoda měření umoţňuje měřit současně elektrické a magnetické pole, coţ umoţňuje sledovat vzájemnou závislost či nezávislost obou polí, která mohou být ovlivňována dalšími vlivy. Analogový výstup odděluje a zesiluje signál z antény, umoţňuje snadné připojení spektrálních analyzátorů, osciloskopů, zapisovačů poruch a dalších zařízení. Frekvenční rozsah od 5 Hz do 400 kHz pokrývá většinu elektrických a magnetických polí, jejichţ zdrojem je výkonová elektronika.

Software Software Graph ESM-100 umoţňuje komunikaci mezi PC a měřícím přístrojem ESM100 stejně jako jeho dálkové ovládání. Po stisku tlačítka je moţno zobrazit informativní grafy a tabulky, jeţ mohou být exportovány a vytištěny. Toto je ideální pro dokumentaci měření a případnou integraci do automatizovaných systémů. Přednosti: -

Zobrazení grafů v reálném čase Zobrazení v grafické i tabulkové podobě Místo na poznámku ke kaţdé hodnotě (a další, viz. technická dokumentace)

8 Literatura Literatura ke kapitole 2: [1] Novotný, K.: Teorie elektromagnetického pole I [2] Pankrác,V.,Hazdra,P.,Novotný,K.: Teorie elektromagnetického pole - příklady [4] Mayer,D.,Polák,J.: Metody řešení elektrických a magnetických polí, Praha, SNTL [5] Feynman,R.,Leighton,R.,Sands,M.: Feynmanovy přednášky z fyziky díl 2,Praha,Fragment,2001 [6] Pankrác, V.: Soubory s pomocnými texty „teorie elektromagnetického pole: soubor.pdf [7] Bartuška, K.: Sbírka řešených úloh z fyziky IV. 1. Vyd. Praha: Prometheus 2000 [8] Horák, Z., Krupka, F.: Fyzika. 2. Vyd. Praha: SNTL 1976 [9] Javorskij, B. M., Selezněv, J. A.: Přehled elementární fyziky. 1. Vyd.,Praha SNTL 1989 [10] Lepil, O.: Fyzika pro gymnasia – Optika. 3.vyd. Praha: Prometheus, 2002 [11] Von Laufe, M.: Dějiny fyziky. 1. Vyd. Praha: Orbis, 1958 284

[12] Garlík, B.: Základy elektrotechniky. ČVUT Praha, 2010; interní skriptum katedry TZB http://fyzika.jreichl.com/index.php?sekce=browse&page=225 http://fyzika.jreichl.com/index.php?sekce=browse&page=219 http://webfyzika.fsv.cvut.cz/1elmg.htm http://cs.wikipedia.org/wiki/Elektrostatick%C3%A9_pole http://wood.mendelu.cz/cz/sections/Props/files/verejny/FVD/Skripta_Fyzika/19.pdf http://cs.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetick%C3%A9_pole http://radek.jandora.sweb.cz/f25.htm http://wiki.matfyz.cz/wiki/8._Maxwellovy_rovnice_a_jejich_z%C3%A1kladn%C3%AD_ d%C5%AFsledky http://apfyz.upol.cz/ucebnice/down/elmagbak.pdf http://apfyz.upol.cz/ucebnice/down/elmag.pdf http://www.elmag.org/doku.php/wiki:user:pankrac:x17tep_ls_2008 Literatura ke kapitole 3: [1] Pekárek, L.,Šístek, P.,Jelínek, L.: Státní zdravotní ústav, Praha, časopisu: České pracovní lékařství, č. 1/2007 [2] Sbírka zákonů 480/2000. (Nařízení vlády zed ne 22. 11. 2000 O ochraně před neionizujícím zářením [3] Polk,Ch. – Postow, E.: Biological Effects of Electromagnetic Fields, CRC, Press New York, 1995. [4] Čermáková, E.: Magnetické pole nízkých kmitočtů s netepelnými účinky – factor ovlivňující vnitřní klima budov. TZB – Haustechnik, (vydavatelství ALFA Conti s.r.o., Bratislava&Strobel Verlag, Arnsberg, SRN) III, 1995, 6, pp. 11 – 14. ISBN – 1210-356. Další zdroje: [5] Benda,O.: Analytické vyjdrenie a počítačová simulacia magnet.charakteristik pre potreby numerického riešenia polí vo feromagnetikách, skriptum 1. Letní školy teoretické elektrotechniky, Plzeň 1992. 285

[6] Dědek,L., Dědková, J.: Elektromagnetismus, učební text VUT Brno, VULTIUM, Brno 1998. [7] Haňka,L: Teorie elektromagnetického pole, SNTL Praha, 1975 [8]

Jerhotová,E., Macháč, J., Škovor,Z.: Počítačové a laboratorní úlohy v

elektromagnetickém poli, vydavatelství ČVUT Praha, 2002, ISBN 80-01-02590-X. [9] http://www.uhkt.cz/files/proteomika/Druhy_den-Principy_MS.pdf [10] www.kf.elf.stuba.sk/KrempaskyFyzika/42.pdf [11] http://www.chemicke-listy.cz/docs/full/2005_12_943-951.pdf

[12] http://195.250.138.169/prac/documents/04_Pekarek.pdf [13] http://www.elearn.vsb.cz/archivcd/FEI/EMag/Elektromagnetismus.pdf [14] http://www.cdrail.cz/VTS/CLANKY/1408.pdf http://www.tzb-info.cz/4530-elektromagneticke-pole-a-zdravotni-rizikaivhttp://www.planettachyon.com/CS/TACHYONKNIHOVNA/Tachyon%C5%99e%C5%A1%C3%ADprobl% C3%A9myEMP/Po%C4%8D%C3%ADta%C4%8Deazdrav%C3%AD/tabid/355/language/ cs-CZ/Default.aspx http://www.zupu.cz/index.php?pid=216 http://www.tzb-info.cz/2590-elektromagneticke-pole-a-zdravotni-rizika-iii Literatura ke kapitole 4: [1] Vondrák, M,: Vybrané stati z elektromagnetické kompatibility. Nakl. ČVUT 2006 [2] Svoboda,J.: Elektromagnetická kompatibilita budov. Konference „Inteligentní budovy“, Brno, duben 2009 [3] König, H.,Erlacher,P.: Neviditelná hrozba? Elektromagnetické pole kolem nás. ISBN 80-86167-15-1,HEL 2001 [4] ČSN EN 55022: Zařízení informační techniky – Charakteristiky radiového rušenímeze a metody měření. Praha, ČNI 1998. [5] ČSN EN 55014-1: Elektromagnetická kompatibilita – Poţadavky na spotřebiče pro 286

domácnost, elektrické nářadí a podobné přístroje – Část 1: Vyzařování. Praha, ČNI 2001 [6] ČSN EN 55014-2: Elektromagnetická kompatibilita – Poţadavky na spotřebiče pro domácnost, elektrické nářadí a podobné přístroje – Cást 2: Odolnost – Norma skupiny výrobků, Praha , ČNI 1998.

[7] ČSN EN 61000-4-2: Elektromagnetická kompatibilita – Část 4-2: Zkušební a měřící technika – Elektrostatický výboj – Zkouška odolnosti. Praha, ČNI 1995. [8 ] http://www.tzb-info.cz/t.py?t=2&i=6540; Garlík, B.: Uzemnění rozvodů a pospojování u technických zařízení v budovách [9] www.urel.feec.vutbr.cz/~drinovsky/?...kompatibilita...kompatibilita [10] http://www.in-el.cz/index.php?t=201&p=101283 [11] http://www.urel.feec.vutbr.cz/~drinovsky/?V%26yacute%3Buka:Elektromagnetick%2 6aacute%3B_kompatibilita:BEMC_Elektromagnetick%26aacute%3B_kompatibilita [12] http://www.etm.cz/rubriky/praxe/188-elektromagneticka-kompatibilita Literatura ke kapitole 5: [1] Bayer,J.,Hanzálek,Z.,Šusta,R.: Logické systémy pro řízení, vydavatel ČVUT, Praha 2000 [2] Bayer,J.,Šimek,T.: Elektronické systémy II – přednášky, skripta ČVUT, Praha 1996 [3] Zítek, P. – Hofreiter, M. – Hlava, J. Automatické řízení, Skripta Vydavatelství ČVUT, 2000 [4] Formánek, I. Základy automatizace, logické řízení. Skripta VŠB Ostrava, 2006 [5] Merz,H., Hansemann, T., Hubner, Ch.: Automatizované systémy budov. Vyd.Grada Publishing, a.s., ISBN 978-80-247-2367-9, Praha 2009 [6] Handbuch Gebaudesystemtechnik. Frankfurt a.M. Zentralverband Elektrotechnik-und Elektronikindustrie e. V.Fachverband [7] http://www.stavebnictvi3000.cz/clanky/rizeni-pro-inteligentni-budovy-na-bazi-lonprotoko/ [8] Fischer, P.: Kommunikation in der Gebäudeautomation. atp – 287

Automatisierungstechnische Praxis, 39 (1997), č. 3, s. 16–26. [9] Böttcher, J.: EN 50170 – Die europäische Feldbusnorm. Elektronik, 1995, č. 12, s. 70– 78; č. 14, s. 63–67; č. 16, s. 48–51 a č. 17, s. 54–57. [10] Zezulka, F.: Mezinárodní standardizace v oblasti průmyslových komunikačních sběrnic. Automatizace, 41 (1998), č. 7, s. 393–396. [11] Toman, K.: EIB – velký standard pro malou domovní automatizaci. Automatizace, 46 (2003), č. 6, s. 403. [12] Digitale Gebäudeautomation. Springer. Berlin, 2004. ISBN 3-540-00469-6. [13] Hájek, J.: EIB – evropská instalační sběrnice. Automatizace, 41 (1998), č. 7, s. 443. [14] Toman, K. – Kunc, J.: Systémová technika budov. Praha, FCC Public 1998. ISBN 80901985-4-6. [15] Müller, R.: LON – das universelle Netzwerk. Elektronik, 1991 č. 22, s. 59–69; č. 23, s. 75–82. [16] Stock, G. – Meyer, W.: Praktische Gebäudeautomation mit LON. Hüthig & Pflaum. München, 2003. ISBN 3-8101-0142-7. [17] Vack, G. U.: Wie viele Protokolle braucht die Gebäudeautomation? TGAFachplaner.de, 2004, č. 6, s. 46–51. [18] Sauer, P. – Cantignon, J.: Lonworks-Technologie auf dem Vormarsch. Building & automation, 2001, č. 4, s. 10–11. [19] Pávek, J.: „Inteligentní“ elektroinstalace se systémem Nikobus. Elektro, 2002, č. 4, s. 28–29. [20] Lau, O.: Intelligente Immobilien. c´t 2004, č. 5, s. 110–112. [21] Möbus, G.: Gebäudesystemtechnik mit LCN. Berlin, Verlag Technik 2002. ISBN 3341-01289-3. [22] Merz,H.(HRSG) Kommunikationssysteme fur die Gebaudeautomation – Theoretische Grundlagen und Praxisbeispiel. Achen: Shaker, 2001 [23] http://elektrika.cz/data/clanky/abb-instalace-knx-eib-komunikacni-telegramy-a-jejichstavba/view Literatura ke kapitole 6: 288

[1] Bucceri,R.: How to Automate Both New & Existing Homes, Silent Servant, 2006 [2] Garlík, B.: Přednášky předmětu: Elektrotechnika a inteligentní budovy, ČVUT, 2009 Praha

289