Elektrický náboj a elektrování telies

Elektrické pole

(Pole = priestor, kde pôsobí určité sily: gravitačné sily => gravitačné pole, magnetickej sily => magnetické pole ...)

Elektrické pole je priestor, v ktorom pôsobia elektrické sily.

K vzniku elektrického poľa je nutná prítomnosť elektrického náboja.

elektrický náboj

Elektrický náboj je

1. Vlastnosť častice alebo telesa, ktorá udáva jeho elektrické vlastnosti. To, že náboj je vlastnosť častice, znamená, že náboj sa nemôže vyskytovať samostatne, vždy je viazaný na časticu, prípadne viac častíc, ktoré tvoria teleso.

2. Fyzikálne veličina, ktorá popisuje veľkosť náboja. Značí sa Q alebo q. [C (coulomb) = A × s]. Náboj jedného Coulomb prejde prierezom vodiča pri prúde 1 A za 1 s.

Dve telesá s el. nábojom sú schopné medzi sebou vyvolať silové pôsobenie a to pomocou magnetického poľa (elektromagnetická interakcia).

O časticiach (telesách), ktoré nesú el. náboj, hovoríme, že sú elektricky nabité.

Vlastnosti silového poľa medzi nabitými časticami závisí na ich pohybovom stave:

Náboje je v pokoji - obklopuje ho elektrické (elektrostatické) pole.

Náboj je v pohybe, vytvorí sa okolo neho podľa spôsobu pohybu buď magnetické alebo elektromagnetické pole. Elektrické a magnetické pole sú neoddeliteľnými zložkami elektromagnetického poľa. Samostatne o nich hovoríme len, keď sa za určitých podmienok prejavuje len jedna zložka a druhá je potlačená.

** **

Zákon zachovania elektrického náboja

Najmenším, ďalej nedeliteľným nábojom je elementárny náboj e, čo je náboj jedného protónu alebo elektrónu. Všetky elektrické náboje (kladné i záporné) sú celistvými násobkami elementárneho elektrického náboja.

e = 1,602 × 10 ^-19 C ... .. tab. vzadu

Náboj môže byť kladný (+) alebo záporný (-). Kladný elementárny náboj e má protón, záporný elementárny náboj - e má elektrón.

Protóny a elektróny sú v atóme v rovnováhe, preto sa atóm navonok javí ako elektricky neutrálny.

Elektrický náboj vznikne, keď sa poruší rovnováha protónov a elektrónov v atóme:

{Tzn. keď chceme dodržať zákon zachovania náboja, musíme zdôrazniť, že náboj v skutočnosti nevznikne, ale nahromadia sa častice s rovnakým nábojom}

• u plynov vzniká ionizáciou, keď na molekuly plynu pôsobí rádioaktívne žiarenie (rádioaktívne častice sa pohybujú veľkou rýchlosťou, narazí do molekuly plynu a molekula sa roztrhne)

• kvapaliny sú elektricky neutrálne, ale pridaním soli dôjde k jej disociácii na kladne a záporne nabité ióny. Napr. NaCl → Na ⁺ + Cl ^-.

• u pevných látok vzniká teplom alebo trením, napr. Ebonitové tyč o líščí chvost, sklenená tyč o vlnenú látku

Elektrický náboj sa prejavuje preskokom elektrickej iskry, silovým pôsobením (priťahuje ľahké častice ako kúsky papiera, vlasy, ...) alebo svalovú kŕčov.

Elektrické siločiary

Elektrické pole je popísané elektrickými siločiary = myslené čiary, ktoré graficky znázorňujú situáciu v okolí elektrického náboja. Navzájom sa nepretínajú, sú kolmé k povrchu telesa a sú vždy orientované od kladného náboja k zápornému (dané dohodou).

• podľa tvaru (kvality) siločiar rozlišujeme tri základné druhy polí:

Radiálne pole (pole bodového náboja)

kladného náboja záporného náboja

Pole dvoch nábojov

opačných súhlasných

homogénne pole (medzi dvomi rovnobežnými doskami), E = konšt.

• podľa hustoty (kvantity) siločiar možno určiť, ako je pole silné. Čím väčšia je hustota siločiar, tým silnejší je pole.

** **

coulombov zákon

Veľkosť el. sily pôsobiace medzi dvoma bodovými nábojmi je priamo úmerná súčinu ich veľkostí a nepriamo úmerná druhej mocnine ich vzdialenosti:

1 / (4 Pí Epsilon) = konštanta úmernosti k, je závislá na tvare poľa a na prostredie, v ktorom el. pole pôsobí Þ prostredie charakterizuje permitivita e - pre každé prostredie je iná:

e = e 0 ** ** × ** ** e r.... nie je v tab. ****

* *

e ₀ - permitivita vákua = 8,854.10 ^-12 C ² × N ^-1 × m ^-2

e _r - relatívna permitivita (=> pomer permitivity daného prostredia k permitivitě vákua, nemá jednotku (je bezrozmerná), tab. str. 163, 164

Coulombov zákon pre dva bodové náboje:

Smer elektrickej sily určuje polarita bodových nábojov. Súhlasné náboje sa odpudzujú, opačné náboje sa priťahujú.

---

Intenzita elektrického poľa

Intenzita el. poľa E je sila, ktorá pôsobí na jednotkový náboj. Jednotkou je N x C ^-1 (newton na coulomb). Intenzita je vektorová veličina, ktorej veľkosť určíme:

Veľkosť intenzity el. poľa vo vzdialenosti r od osamoteného bodového náboja Q určíme na základe Coulombovho zákona:

Smer určíme ako dotyčnicu k siločiary v danom mieste el. poľa, orientácia je od + k -.

V homogénnom poli má intenzita vo všetkých miestach rovnakú veľkosť i smer.

Každý bodový el. náboj vyvoláva el. poľa nezávisle na prítomnosti ďalších bodových nábojov.

Princíp superpozície el. polí - intenzita poľa tvoreného sústavou N nábojov je rovná vektorovému súčtu intenzít polí, vytváraných každým z nich jednotlivo:

E = E 1 + E 2 + ... + E N

Práca v el. Poli - W = F _e × d × cos α (otázka 6), závisí iba od polohy bodov A, B, nezávisí na trajektóriu.

elektrický potenciál

podiel potenciálna energia E _p bodového náboja v určitom mieste el. polia a tohto náboja:

Potenciálna energia bodového náboja závisí na jeho polohe v elektrickom poli.

φ ** ** = E P / Q = W / Q

Miesta s rovnakou potenciálnou energiou (rovnakým potenciálom) nazývame ekvipotenciálne hladiny. Za miesto s nulovou potenciálnou energiou (tzv. Nulová hladina) volíme zem. Telesá vodivo spojená so zemou majú tiež nulový potenciál → uzemnená telesa.

Rozdiel potenciálov dvoch bodov potom nazývame napätie U: U = φ ₂ - φ ₁ [V (volt) = J × C ^-1]

Napätie medzi dvoma hladinami el. poľa môžeme definovať aj ako podiel práce vykonanej el. silou pri prenesení bodového náboja z jednej hladiny na druhú a tohto náboja:

- v tab nie je sin alfa

Rozloženie náboja na vodiči

Náboj privedený na izolované vodivé teleso sa rozloží iba na jeho povrchu. Na telese guľového tvaru je rozložený rovnomerne, kdežto na nepravidelnom telese je plošná hustota náboja s (malé sigma) v rôznych miestach povrchu rôzna (malá v dutinách, najväčší na hranách a hrotoch - tam tiež dochádza k viditeľnému Sršeň).

Veľkosť plošné hustoty náboja na určitom mieste povrchu telesa určíme vzťahom:

[C * m ^-2]

ΔQ je náboj rozložený na veľmi malej ploche ΔS, pre rovnomerne rozložený bez delta.

Rozloženie náboja spôsobuje, že intenzita poľa vnútri vodivého telesa je nulová, pretože intenzity jednotlivých bodov sa navzájom zrušia. Potenciál vnútri vodivého telesa je rovnaký ako na jeho povrchu.

Plošná hustota náboja je priamo úmerná veľkosti intenzity el. pole (pre guľu: S = 4PíR ²⁾ | σ | = ε *** E**

• nie je v tab.

Vodiče a nevodiče v elektrickom poli

Vodiče = látky, ktoré obsahujú voľné nosiče el. náboja (elektróny) a vedú el. prúd.

Nevodiče (izolanty / dielektrika) = nemajú voľné nosiče el. náboje a nevedú el. prúd

Kvapaliny a plyny sú za normálnych podmienok nevodivé.

Elektrování vodiče: Vložíme Ak do el. poľa vodič, vznikne dočasne el. polia i vnútri vodiče a spôsobí pohyb voľných elektrónov, ktoré sa nahromadia na povrchu vodiče v miestach, kde siločiary vstupujú do vodiča. Táto strana vodiče sa nabije záporne a na opačnej strane, kde siločiary z vodiča vystupujú, vznikne rovnako veľký náboj kladný. Tento jav sa nazýva elektrostatická indukcia. Pokračuje, kým pole indukovaných nábojov vo vodiči nezruší v celom objeme telesa pôvodnej el. poľa. Vnútorná intenzita vodiče v el. poli je rovnako veľká ako intenzita vonkajšieho el. poľa, ale má opačnú orientáciu, takže celková intenzita vnútri vodiča je nulová. Využitie: Kondenzátor

Elektrostatickú indukciou možno nabiť vodič trvalo a to nábojom opačným k náboju telesa. Trvalého nabitie docielime uzemnením vodiče za elektrování, po odstránení uzemnenie a telesá získal vodič viazaný náboj. ****

Elektrování izolantu / dielektrika: Vložíme Ak izolant do homogénneho el. pole, dôjde k polarizácii. rozoznávame dva
typy polarizácia:

• atómová polarizácia: V el. poli sa jadrá atómov, ktoré majú kladný náboj, posúvajú v smere siločiar (k zápornej doske) a záporné elektrónové obaly sa deformujú v smere opačnom. Z atómov a molekúl sa stávajú el. dipóly.

• orientačné polarizácia: Molekuly mnohých látok (napr. Vody) majú vlastnosti dipólu (= polárne dielektrika), ale dipóly sú orientované rôznymi smermi a náboj sa neprejavuje. V el. poli sa dipóly usmerňujú, kladné póly sa natáčajú v smere el. siločiar.

Vznikne malé vnútorné el. poľa s intenzitou E _i, ktorá smeruje proti vonkajšiemu el. poli E _e. Celková intenzita E je rovná:

E = E e - E i

Pole v dielektrika má menšiu intenzitu než pole, ktoré ho vyvolalo. Pomer udáva relatívna permitivita prostredia:

- nie je v tab!

kapacita

= Schopnosť vodiče hromadiť na sebe elektrický náboj.

= Miera úmernosti náboja nahromadeného na vodiči na jeho potenciálu.

[F (farad) = C × V ^-1], v praxi sa využívajú jednotky oveľa menšie - mF, nF, pF

Kapacita osamelého vodiča je veľmi malá, preto sa využívajú kondenzátory. Kondenzátor je vodič vhodne upravený tak, aby mal veľkú kapacitu.

doskový kondenzátor - najjednoduchšie, sústava dvoch plochých vodičov (rovnobežné dosky o plošnom obsahu S a vzdialenosti d) oddelených od seba tenkou vrstvou vzduchu alebo dielektrika.

Kapacita kondenzátora závisí od vzdialenosti dosiek d, na obsahu účinnej plochy S (plocha dosiek, ktoré sa prekrývajú) a permitivitě dielektrika e.

Kondenzátor sa vďaka schopnosti hromadiť na sebe náboj môže stať krátkodobým zdrojom prúdu.

Podľa konštrukcie dosiek rozlišujeme kondenzátory:

- s papierovým dielektrikom, sklenené, sľudové, keramické

- elektrolytické - tvorené dvoma napr. Hliníkovými fóliami, medzi ktorými je vrstva papiera napustená elektrolytom; na jednej fólii sa elektrochemicky vytvorí tenká vrstva oxidu, ktorá slúži ako dielektrikum; kapacita rádovo 10 ^-6 F - 10 ^-2 F

Otočné (ladiace) kondenzátory - zhotovené tak, že môžeme meniť účinnú plochu dosiek; max. kapacita býva 300 pF - 500 pF

Zapojenie kondenzátorov:

1. paralelne (vedľa seba)

Obaja kondenzátory sa nabijú na napätie zdroja U. Na dosky oboch kondenzátorov sa musí priviesť celkový náboj Q

Sústava sa chová ako jeden kondenzátor s kapacitou

2. sériovo (vedľa seba)

Na doskách spojených so svorkami zdroje vzniknú náboja + Q a - Q. Na vodičoch medzi týmito doskami dôjde k elektrostatické indukcii a náboj na všetkých kondenzátoroch bude + Q alebo - Q. Napätie sa rozdelí medzi kondenzátory.

Sústava sa chová ako jeden kondenzátor, pre ktorý platí

Pri nabíjaní a vybíjaní kondenzátora dochádza k pohybu náboja v el. poli, pri ktorom el. sily konajú prácu. Kondenzátor pri nabíjaní získava el. energiu a pri vybíjaní ju stráca. energia: