ELEKTRICKÝ NÁBOJ A ELEKTRICKÉ POLE

Transkript

1 ELEKTRICKÝ NÁBOJ A ELEKTRICKÉ POLE ELEKTRICKÝ NÁBOJ A JEHO VLASTNOSTI Pokud budm třít sklněnou tyč o vlněnou látku a poté ji přiblížím k malým tělískům bud j přitahovat. Co j příčinou tohoto jvu Obdobně s chovají vlasy poté, co j učšm hřbnm. Poč jsou přitavovány k hřbnu a jiným tělsům Co budm pozoovat, pokud budm třít dvě sklněné tyč vlněnými látkami (každou zvlášť) a poté j k sobě přiblížím Co j příčinou tohoto jvu Z těchto pokusů vyplývá, ž xistují dva ůzné náboj, a HISTORICKÁ POZNÁMKA V 6. stoltí př.n.l. popsal řcký filosof Thals z Milétu podivuhodný jv týkající s jantau, ktý byl thdy používán při přdní lnu. Janta byl náhl schopn přitahovat k sobě dobná tělíska. A naopak vlákna lnu s začala vzájmně odpuzovat. K tomuto jvu s v 2. polovině 16. stoltí vátil lékař anglické kálovny, fyzik William Gilbt. Pováděl pokusy, při ktých zjistil, ž i jiné látky získávají třním schopnost přitahovat dobná tělíska a lhké přdměty. Potož s janta řcky nazývá lkton, nazval látky, kté mají uvdnou schopnost, látkami lktickými. Tím j odlišil od látk magntických, kté jsou také schopny přitahovat pouz někté přdměty. Na vzájmném odpuzování těls j založn lktoskop, to j zařízní,, pokud navíc obsahuj stupnici, nazývá s lktomt

2 Co s stan, pokud jdn lktoskop nabijm a přs misky popojím a) kovovou tyčinkou, b) plastovou tyčinkou Tnto pokus nám ozdělí látky na dva typy: a Lidské tělo j poto, když s dotknm lktoskopu Vlikost náboj j vždy násobkm lmntáního náboj, což j hodnota náboj, 19 a jho hodnota j 1, C Náboj nní základní vličinou soustavy SI, jho jdnotka j tdy odvozná, nazývá s a označujm ji Náboj 1 C pojd půřzm vodič při poudu 1 A za čas 1 s Většina nábojů nmá tak vlkou hodnotu jako j 1 C, obvykl jsou náboj v nc, µ C Jak vypadá vnitřní stavba nutálních látk Jak s liší od látk lkticky nabitých Clkový náboj v soustavě s zlktováním tělsa nzmění zákon zachování lktického náboj V něktých látkách jsou lktony pvně vázány a takové látky tdy nlz nabít, jsou to, naopak kovy s lktují vlmi snadno, příčinou j xistnc tzv. Každé tělso postupně ztatí svůj náboj, potož vzduch nní izolant a náboj mu odb 1. Co j to lktický náboj 2. Jaká j jdnotka náboj a jak ji lz vyjádřit pomocí základních jdnotk soustavy SI 3. Jak vypadá vnitřní stavba lktovaných těls 4. Co j to lktoskop Jaký j ozdíl mzi lktoskopm a lktomtm 5. Co j to lmntání náboj 6. Kté dva typy nábojů ozlišujm

3 ELEKTROSTATICKÉ SILOVÉ PŮSOBENÍ BODOVÝCH ELEKTRICKÝCH NÁBOJŮ, COULOMBŮV ZÁKON Bodový náboj má zandbatlné ozměy, můž to být například, takovou soustavu nazývám lktické kyvadélko Přmísťujm-li náboj Q 2, mění s výchylka kyvadélka v závislosti na síla působící mzi náboji j přímo úměná 1 Pokud bychom změnily vlikosti nábojů, síla by síla působící mzi náboji j přímo úměná HISTORICKÁ POZNÁMKA Tuto závislost objvil v oc 1784 fancouzský fyzik Chals Augustin d Coulomb a na jho počst byl zákon popisující tnto jv pojmnován jako Coulombův zákon a také jdnotka lktického náboj Coulombů zákon F Coulombův zákon j analogií Nwtonova gavitačního zákona Konstanta úměnosti k chaaktizuj postřdí, v ktém s náboj nacházjí, po vakuum j jjí hodnota k & 9 10 N m C a někdy j vhodné ji vyjádřit jako k, kd ε 0 j pmitivita 4πε 0 1 vakua. Nachází-li s soustava v jiném postřdí nž v vakuu j konstanta k, kd ε j 4πε 0 ε lativní pmitivita postřdí, po vakuum j jjí hodnota ε. Po vzduch j jjí hodnota ε 1, 0006 vakuum., po ostatní postřdí j vždy, což j pakticky stjná hodnota jako po TULKA VYBRANÝCH HODNOT RELATIVNÍCH PERMITIVIT LÁTEK voda vzduch polystyn papí poclán slída sklo křmík ld sůl janta 81,6 1,0006 2,6 3,5 6,5 7 7,6 12 4,8 5,9 2,5

4 1. Co popisuj Coulombův zákon 2. Co j to pmitivita 3. Co j to lativní pmitivita 4. Jakou jdnotku má lativní pmitivita ELEKTRICKÉ POLE, INTENZITA ELEKTRICKÉHO POLE Náboj na sb silově působí postřdnictvím lktického pol Pokud umístím do blízkosti nabitého tělsa zkušbní náboj, j vlikost síly úměná tomuto náboji, F F, vktoovou vličinu E nazvm intnzita lktického pol Intnzita lktického pol j učna jako podíl síly, ktá by v daném místě působila na bodový náboj a tohoto náboj Intnzita má dva možné směy a to podl znaménka náboj, do obázků doplň znaménka nábojů Jdnotkou intnzity j Vlikost intnzity lz také učit pomocí Coulombova zákona F 1 4πε ε 0 Q 2 E F 1 4πε ε 0 Q 2 smě intnzity j tdy Do obázků zaksli smě lktické síly a smě intnzity

5 U bodového náboj lz také vytvořit modl lktického pol, bud s jdnat o pol adiální, což j pol,, zaksli takové pol do obázku Takovému znázonění říkám siločáový modl lktického pol Další typ pol j pol homognní, j to pol,, takové pol vzniká například mzi dvěma ovnoběžnými opačně nabitými dskami Zaksli do obázku homognní pol mzi dvěma dskami Složitější situac nastává, pokud s začnou skládat dvě a víc polí Zaksli do obázku výsldné pol mzi dvěma ůznými a mzi dvěma stjnými bodovými náboji 1. Co j to intnzita lktického pol 2. Jaký j vztah intnzity pol k Coulombovu zákonu 3. Co j to adiální pol 4. Co j to homognní pol

6 PRÁCE V ELEKTRICKÉM POLI, ELEKTRICKÉ NAPĚTÍ Mějm dvě svislé kovové dsky, kté připojím k zdoji napětí, na dskách s vytvoří opačné náboj + Q a Q a vznikn mzi nimi homognní lktické pol, v tomto poli přímočař posunujm náboj. Páci, ktou vykoná síla učím pávě z tohoto přímočaého posunutí náboj, situaci ozdělím na dva případy podl znaménka náboj

7 J-li úhl mzi F a E o o v intvalu 0 ;90 ) j pác, ktou vykoná lktická síla kladná, j-li ovn o 90 j pác nulová a j-li v intvalu Z této úvahy lz odvodit vztah po výpočt pác: ( 90 o ; 180 o j pác záponá (páci musjí konat vnější síly) W F d cosα E d cosα Pác nzávisí na tajktoii, al pouz na polohách počátčního a koncového bodu, můžm tdy dfinovat novou vličinu napětí mzi dvěma body, U U W Napětí mzi body A a B j podíl pác vykonané lktickou silou při přnsní bodového náboj z A do B a tohoto náboj Napětí j tdy nzávislé na vlikosti náboj a tajktoii, s využitím přdchozích vztahů po napětí a páci po úpavě získám U jdnotkou napětí j 1 J C, častěji ovšm používám jinou jdnotku a to 1. Co j to pác vykonané lktickým polm 2. Jaké znaménko má hodnota pác vzhldm k úhlu, ktý spolu svíá síla a intnzita pol 3. Co j to napětí 4. Jaká j jdnotka napětí Pokus s ji vyjádřit v základních jdnotkách soustavy SI POTENCIÁLNÍ ENERGIE V ELEKTRICKÉM POLI, ELEKTRICKÝ POTENCIÁL Z mchaniky vím, ž potnciální ngi závisí pouz na poloz dvou bodů, nikoli na cstě Za místo s nulovou potnciální ngií volím obvykl zm a tělsa s ní vodivě spojná (uzmněná) Pokud s náboj pohybuj v směu působící síly, potnciální ngi klsá (j spotřbována na vykonanou páci), pokud s pohybuj směm opačným, ost Pác vykonaná při přsunu náboj z A do B j tdy ovna úbytku potnciální ngi W U E PA E PB Napětí mzi body A a B j tdy

8 E PA E PB U Podíl potnciální ngi a bodového náboj dfinujm jako lktický potnciál ϕ daného bodu v těchto bodch E ϕ P U, napětí mzi dvěma body lktického pol j tdy ovno ozdílu potnciálů ϕ ϕ, jdnotkou potnciálu j A B Potnciál lz také dfinovat jako podíl pác, ktou vykoná lktická síla při přnsní bodového náboj z daného místa na zm a tohoto náboj W ϕ Pokud s náboj pohybuj kolmo k siločáám, potnciální ngi, plochy kolmé k siločáám mají tdy, takovým plochám říkám hladiny stjného potnciálu nboli V homognním poli jsou hladinami a potož j intnzita všud stjná potnciál s mění ovnoměně ϕ U x d E x V adiálním poli jsou hladinami a potož intnzita s ostoucí vzdálností klsá, j potnciál v blízkosti náboj, v větší vzdálnosti j, potnciál v nkončnu j ovn nul 1 Q ϕ 4πε 0 1. Co j to potnciál 2. Co jsou to kvipotnciální plochy a jakou mají podobu v homognním a adiálním poli

9 ELEKTRICKÉ POLE NITÉHO VODIVÉHO TĚLESA VE VAKUU, ROZLOŽENÍ NÁBOJE NA VODIČI Náboj přivdný na izolované tělso s ozloží pouz na vnějším povchu tohoto tělsa, pokud má tělso kolový tva, ozloží s ovnoměně, pokud má npavidlný tva, j plošná hustota náboj σ Q ůzná, σ, v dutinách j hustota malá, na hanách a vcholch j njvětší S Zaksli do obázku místa s njvětší hustotou náboj a místa s njmnší hustotou náboj, na obázku j kovové tělso tvau válc na jdné staně s kužlm a na duhé staně j z něho kužl vyříznutý Uvnitř těchto těls j intnzita pol nulová náboj s ozloží pouz na povchu tělsa HISTORICKÁ POZNÁMKA Faadayova klc j pojm známý již od 19. stoltí. Jjí pincip j založn na tom, ž lktický náboj j soustřděn pouz na povchu vodič, nikoli v jho objmu. Tudíž uvnitř vodič npůsobí žádné lktomagntické pol nbo lktické pol. Faadayovy klc s využívá zjména tam, kd j třba chánit zařízní či osoby přd škodlivým lktomagntickým polm, ádiovými vlnami apod. Po tyto účly jsou stavěny spcializované Faadayovy klc. Faadayovou klcí bývá například kovová skříň lkto-akustických přístojů nbo stínění kablů. Objvitlm tohoto jvu j anglický fyzik Michal Faaday ( ), objvil jj v oc Co j to hustota náboj 2. Co j to Faadayova klc a k čmu slouží VODIČ A IZOLANT V ELEKTRICKÉM POLI Vložím-li do lktického pol dvou ovnoběžných nabitých dsk izolant (dilktikum), situac s změní. Izolanty nmají žádné volné lktony, po jjich vložní do pol vznikn tzv. dipól. Někté sloučniny jako například voda mají vytvořné dipóly i bz vnějšího pol, jsou al uspořádány npavidlně. Tyto Vložím-li do lktického pol dvou ovnoběžných nabitých dsk dvě dotýkající s kovové dstičky zjistím, ž s každá z nich nabila opačným nábojm. Příčinou tohoto jvu j lktostatická indukc. Při umístění vodič do pol dochází k pohybu volných lktonů, každá z dstičk s tdy získá náboj. Náboj, kté s v dstičc vytvořily lz od sb oddělit ozdělním na dvě části.

10 kát v poovnání s vakum. dipóly s v lktickém poli začnou natáčt, dochází k tzv. ointační polaizaci dilktika, vzniknou dvě tnké vstvy kladných a záponých nábojů, kté jsou ovšm vázány na dipóly a nlz j odvést ani oddělit. Tyto vstvy vytvářjí vlastní vnitřní lktické pol s intnzitou E, opačného směu nž j E, výsldná intnzita má tdy smě i E a vlikost E E. Navíc E pomě těchto intnzit ε j významnou chaaktistikou Ei daného izolantu a nazývá s lativní pmitivita dilktika. V postřdí takového dilktika s intnzita nábojů zmnší ε - i 1. Jak s chová vodič v lktickém poli 2. Jak s chová izolant v lktickém poli 3. Co j to dipól, jak vzniká a kd s uplatňuj 4. Co j to lativní pmitivita dilktika a jaký má vliv na intnzitu pol KAPACITA VODIČE, KONDENZÁTOR K zlktování tělsa dochází njsnáz při přivdní lktického napětí. Připojím-li osamocný vodič k svoc na napětím, získá stjný potnciál, náboj j tdy úměný potnciálu Q C ϕ Q Konstanta úměnosti C, ktá závisí na tvau a vlikosti vodič s nazývá ϕ, jjí jdnotkou j Tato jdnotka j příliš vlká, poto s v paxi obvykl používají µ F, nf, pf Kapacita osamocného vodič j vlmi malá, například po kouli o poloměu 1 cm má hodnotu 1,1 pf Větší kapacitu má soustava dvou plochých vodičů oddělných vstvou vzduchu nbo dilktika, njjdnodušším případm j dskový kondnzáto s dvěma ovnoběžnými dskami mzi ktými j vakuum. Připojním k zdoji vznikn na dsc s vyšším potnciálm kladný náboj a na duhé náboj záponý. Náboj na dskách jsou přímo úměné napětí mzi dskami a kapacitě dskového kondnzátou bz dilktika C Uplatňují s jn ty části dsk, kté s přkývají S d Q C U

11 Vyplním-li posto mzi dskami dilktikm, zvětším kapacitu kondnzátou a to pávě ε -kát, kd ε j 1. Co j to kondnzáto 2. Co j to kapacita vodič 3. Odvoď vyjádřní jdnotky kapacity pomocí základních jdnotk soustavy SI TECHNICKÉ KONDENZÁTORY, SPOJOVÁNÍ KONDENZÁTORŮ Kondnzátoy dělím njčastěji podl typu dilktika, jsou to například Většina kondnzátoů má nměnnou kapacitu, kondnzátoy s poměnnou kapacitou s používají přvážně v adiotchnic Spojování kondnzátoů 1. Jaké typy kondnzátoů vzhldm k jjich dilktiku ozlišujm 2. Jak s skládají paallně zapojné kondnzátoy 3. Jak s skládají séiově zapojné kondnzátoy