Práce v elektrickém poli Elektrický potenciál a napětí

Transkript

1 Práce v elektrickém poli Elektrický potenciál a napětí

2 Elektrický potenciál Pohybuje-li se elektrický náboj v elektrickém poli, konají práci síly elektrické anebo vnější. Tohoto poznatku pak použijeme pro zavedení elektrického potenciálu ( ). Zvolíme místo, kterému přisoudíme potenciál nulový. (V praxi je to nekonečno anebo zemský povrch.) Umístíme tam náboj jednotkový náboj. Jednotkový náboj přesuneme do bodu, kde potenciál zkoumáme. Elektrický potenciál je pak roven práci, kterou jsme vykonali.

3 Elektrický potenciál Nemáme-li k dispozici jednotkový náboj, pak: Q 1C W J C 1 JC V ( volt) Elektrický potenciál ( ) je tedy práce, která se vykoná při přenesení jednotkového náboje z místa nulového potenciálu do bodu, kde potenciál zkoumáme. Poznámka: W Q 1C Q Elektrické pole je tzv. konzervativní, tzn. vykonaná práce (a tím ani potenciál) nezávisí na trajektorii, po níž náboj přenášíme.

4 Elektrický potenciál Náboj přesunu na tuto svorku. Protože jsem musel vykonat práci +9,2 J je potenciál této svorky +9,2 V. Potenciálu např. této svorky zdroje přisoudím hodnotu 0 V a umístím na ni náboj 1 C.

5 Elektrický potenciál Náboj přesunu na tuto svorku. Protože jsem musel vykonat práci -1,6 J je potenciál této svorky -1,6 V. Potenciálu této svorky zdroje přisoudím hodnotu 0 V a umístím na ni náboj 1 C.

6 Napětí, ekvipotenciální plochy Elektrický potenciál nemůžeme přímo měřit, ale pouze počítat. Měřitelné je pouze napětí, což je rozdíl potencionálů, tzn.: U = 2-1 = Δ ; [U] = V Vyznačíme li v elektrickém poli místa se stejným potenciálem, získáme tak ekvipotenciální plochy.

7 ekvipotenciálními plochami elektrického pole radiálního jsou soustředné kulové plochy - k Q r

8 ekvipotenciální plochy dipólu

9 ekvipotenciální plochy souhlasných nábojů. simulace

10 ekvipotenciálními plochami homogenního elektrického pole radiálního jsou rovnoběžné plochy

11 Vztah mezi intenzitou elektrického pole a napětím d U E d E U d U V E Vm 1 m

12 Vodič a izolant v elektrickém poli V praxi velmi často pozorujeme, že zelektrovaná tělesa přitahují i tělesa elektricky neutrální vodiče i izolanty.

13 Elektrostatická indukce - vodiče Vodiče obsahují volně pohyblivé elektrony, které se účinkem elektrických sil přemístí na jednu stranu tělesa, kde vznikne záporný náboj (-Q). Na druhé straně se jich však nedostává, a proto je zde stejně velký kladný náboj (+Q). Vodič se zpolarizoval a vznikl elektrický dipól. Nastal jev elektrostatické indukce.

14 Elektrostatická indukce Q -Q

15 Elektrostatická indukce +

16 Elektrostatická indukce Na náboje +Q a Q začnou působit dvě stejně velké opačně orientované elektrické síly, které se snaží vodič stočit rovnoběžně se siločárami. F + -Q Q -F

17 Elektrostatická indukce Výslednice sil je nulová a proto nedochází k posunu tělesa, ale pouze k rotaci. + F -Q +Q -F + + F + (-F) =0

18 **Elektrostatická indukce Jestliže je však pole nehomogenní, stáčí se tento dipól tečně k siločárám. Protože jeden z nábojů (+Q nebo Q) je v místě s větší intenzitou, působí na něj i větší elektrická síla. Výslednice těchto sil tedy již není nulová; vodič je proto vtahován do míst s větší intenzitou, tzn. k zelektrovanému tělesu.

19 **Elektrostatická indukce + F 2 - F 1 F 1 + F 2 0

20 Faradayova klec Faradayova klec je kovové těleso s dutinou. Může jí být např. drátěná klec s dostatečně malými oky. Faradayova klec dokáže odstínit elektrické pole, tzn. je li náboj uvnitř, tak jeho pole neproniká ven, a je li tento náboj vně, tak jeho pole zase neproniká dovnitř, což samozřejmě platí i pro elektromagnetické vlny.

21 **Faradayova klec - vysvětlení Elektrické pole zpolarizovaného vodiče (dipólu) se skládá s vnějším elektrickým polem. Uvnitř vodiče se obě pole vzájemně ruší, takže výsledná intenzita je nulová Vně dochází k deformaci siločar; siločáry se jakoby stahují do vodiče. Tzn. elektrické pole do vodiče neproniká.

22 **Faradayova klec

23 Faradayova klec Vodič se v elektrickém poli nabité tyčky zpolarizuje ale Faradayova klec elektrické pole odstínila.

24 Faradayova klec

25 Izolant v el. poli Izolant se v elektrickém poli chová obdobně jako vodič, třebaže neobsahuje žádné volné elektrony. Mnohé látky jsou totiž složeny z částic, které již sami o sobě dipóly jsou. např. molekula H 2 O je polární, tj. je dipólem

26 Polarizace dielektrika A pokud částice dipólem není, snadno se jím stane, když se kruhové trajektorie elektronů změní v elektrickém poli na eliptické.

27 Polarizace dielektrika

28 Izolant (dielektrikum) mimo elektrické pole má své polární molekuly orientované náhodně:

29 Izolant v elektrickém poli Jeho částice zaujmou polohu přibližně rovnoběžnou se siločárami, čímž zeslabí pole uvnitř vodiče r-krát. Těleso se začne chovat jako jeden velký dipól, tzn. nastaví se tečně k siločárám, resp. je vtahováno do míst s větší intenzitou.