Elektromagnetismus Historie Staré Řecko: Čína: elektrizace třením (elektron = jantar) Magnetismus magnetovec přitahuje železo zřejmě první záznamy o používání kompasu Hans Christian Oersted objevil souvislost mezi elektřinou a magnetismem procházející proud vytváří magnetické pole Michael Faraday provedl řadu významných experimentů elektrické a magnetické siločáry, elmag indukce James Clerk Maxwell matematicky formuloval Faradayovy výsledky
Elektrický náboj Elektrický náboj Q (C Coulomb) kladný záporný náboje stejného znaménka se odpuzují, náboje opačného znaménka se přitahují. Zachování náboje B. Franklin (při elektrizaci se náboj přerozděluje)
Kvantování náboje Q n e Každý náboj lze vyjádřit jako celistvý násobek jistého elementárního náboje. elementární náboj e =,60.0 9 C (obert Milikan) Elementární částice náboj elektron e proton e neutron 0 Elektrický náboj je vždy vázán na hmotné částice Atom, který obsahuje stejný počet protonů jako elektronů, je elektricky neutrální.
vodiče Vodiče a nevodiče jsou látky, které umožňují relativně volný pohyb náboje (kovy, elektrolyt) nevodiče (izolátory, dielektrika) pohyb náboje neumožňují (plasty, destil. voda) polovodiče supravodiče představují jistý přechod mezi vodiči a izolátory umožňují zcela volný pohyb náboje (nízkoteplotní jev)
Charles August de Coulomb Elektrická síla Coulombův zákon F el k Q r Q 2 2 Bodové náboje k 9 2 4 0 90 N m C vzdálenost nábojů permitivita vakua (dielektrická konstanta) F 3 F Princip superpozice: F = F 2 F 3 F 4 F 2 3 2 4 F 4
ntenzita elektrického pole E F el Q 0 (N.C = V.m ) kladný testovací náboj Elektrická intenzita pole bodového náboje: Fel E k Q Q 2 0 r Elektrické pole je vektorové pole. Jeho průběh může být znázorněn siločárami. Směr vektoru elektrické intenzity má směr tečny k siločáře. Velikost intenzity je úměrná hustotě siločar.
Elektrické pole adiální Homogenní Z kladných nábojů siločáry vycházejí (zdroj, zřídlo) V záporných nábojích siločáry končí (nor, propad)
Elektrické pole
Bodový náboj v elektrickém poli E Na nabitou částici působí ve vnějším elektrickém poli elektrostatická síla F F Q E E F Využití: inkoustové tiskárny obrazovky odlučovače popílku
Vodič v elektrickém poli E E = 0 volný elektron vnitř vodiče (i v jeho dutině) dochází v důsledku elektrické indukce k vymizení elektrického pole (princip elektrostatického stínění)
Faradayova klec
Elektrický dipól Elektrický dipól tvoří dva náboje Q a Q, které jsou ve vzdálenosti d. d p Elektrický dipólový moment: p Q d (C.m)
Dipól v elektrickém poli F moment síly působící na dipól p M p E E F potenciální energie dipólu E p p E Využití: mikrovlnná trouba (E p = 0 pro p E )
Elektrický proud Elektrickým proudem rozumíme tok elektrického náboje průřezem vodiče dq dt (A ampér) Směr proudu určujeme jako směr, kterým by se pohyboval kladný náboj. (i v případě, že jsou skutečné nosiče náboje záporné) Hustota proudu: J (A.m S 2 ) J ds 2 = 2 ; S < S 2 S S2 J > J 2
Odpor a rezistivita Elektrický odpor: (rezistance) S Elektrická vodivost: (konduktance) G Elektrický odpor válcového vodiče: l (W ohm) (S siemens) l S ezistivita (vlastnost materiálu) Materiál E J (W.m) /W.m Ag,62 0 8 Cu,69 0 8 Fe 9,68 0 8 Si 2,5 0 3 sklo 0 0 0 4 ezistor: součástka, jejíž funkcí je vytvářet elektrický odpor
Ohmův zákon Pro součástku, řídící se Ohmovým zákonem je proud jí protékající přímo úměrný přiloženému napětí Odpor je vlastností součástky nezávisí na polaritě ani velikosti přiloženého napětí (Neplatí např. pro diodu) Výkon (rychlost přenosu elektrické energie): P Disipace energie rezistorem: P 2 Příklad P 2
energie Polovodiče Pásové schéma: prázdné pásy vodivostní pás Eg < 3eV valenční pás obsazené pásy zakázané pásy vodič izolátor polovodič Energiové hladiny elektronů v krystalu pevné látky vytváří tzv. pásy. Elektron nemůže mít energii spadající do zakázaných pásů.
Supravodič Supravodivost (=0) nízkoteplotní: nastává pro některé kovy (rtuť) za velmi nízkých teplot (4K) vysokoteplotní: speciální keramické materiály La,6 Ba 0,4 CuO 4 : 35K; (Y 0,6 Ba 0,4 ) 2 CuO 4y :93K; YBa 2 Cu 3 F 2 O y :55K
Elektromotorické napětí Zdroj elektromotorického napětí (emn) zařízení, které koná práci při přemisťování náboje Elektromotorické napětí (V) dw Z dq Orientace šipky elektromotorického napětí určuje směr, kterým se uvnitř zdroje pohybují kladné náboje. (směr nárůstu potenciálu) Pozor, v elektrotechnice se používá konvence opačná!
Jednoduché elektrické obvody. Kirchhoffův zákon (smyčkové pravidlo): Algebraický součet napětí (a jeho úbytků) při průchodu uzavřenou smyčkou je nulový Úbytek napětí. Sériové řazení rezistorů:. 2. n. n n 2 2 n i i
Jednoduché elektrické obvody A B ' Pokud B > A : baterie B nabíjí baterii A, baterie B určuje směr. A B 0
Elektrické obvody reálné zdroje deální zdroj eálný zdroj sám neklade odpor pohybu nosičů náboje obsahuje tzv. vnitřní odpor i Svorkové napětí: s i (V) S. i náhradní schéma reálného zdroje
Obvody s více smyčkami i i 0. Kirchhoffův zákon (uzlové pravidlo): Algebraický součet proudů procházejících uzlem je nulový. Součet proudů do uzlu vtékajících je roven součtu proudů vytékajících. Paralelní řazení rezistorů: 2 n n n n 2 2 2 n i i