elektrický náboj a elektrické pole
Charles-Augustin de Coulomb
elektrický náboj a jeho vlastnosti Elektrický náboj je fyzikální veličina, která vyjadřuje velikost schopnosti působit elektrickou silou. 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 magnetického pole
elektrický náboj a jeho vlastnosti Existují dva druhy elektrického náboje. Elektrické náboje na tělesech vznikají přemístěním elektronů z jednoho tělesa na druhé (např. třením). Celkový náboj je vždy násobkem velikosti elementárního náboje.
elektrický náboj a jeho vlastnosti
elektrický náboj a jeho vlastnosti Velikost elektrického náboje můžeme měřit elektrometrem. Jednotkou elektrického náboje je coulomb [kulomb], značka C. Náboj jednoho coulombu projde vodičem při proudu jednoho ampéru za jednu sekundu.
elektrický náboj a jeho vlastnosti 1 nc = 10-9 C, 1 nanocoulomb 1C = 10-6 C, 1 mikrocoulomb Elementární náboj má velikost e 1,602.10-19 C Elektrický náboj elektronu je e. Elektrický náboj protonu je +e. Látky rozdělujeme na vodiče a izolanty.
elektrický náboj a jeho vlastnosti Zákon zachování elektrického náboje: Elektrický náboj nelze vytvořit ani zničit, lze jej jen přemístit.
Coulombův zákon Velikost elektrických sil, kterými na sebe působí dva bodové náboje, je přímo úměrná absolutní hodnotě součinu jejich velikostí a nepřímo úměrná druhé mocnině jejich vzdálenosti : F e k Q Q Náboje stejného znaménka se odpuzují. Náboje opačného znaménka se přitahují. 1 r 2 2
Coulombův zákon Konstanta úměrnosti k závisí na prostředí, ve kterém se náboje nacházejí. Pro vakuum má hodnotu: k = 8,9876. 10 9 N. m 2. C -2 k 9. 10 9 N. m 2. C -2
Coulombův zákon F e 1 4 0 r Q Q 1 2 r 2 0 je permitivita vakua, 0 =8,85.10-12.C 2.N -1.m -2 r je relativní permitivita daného prostředí. pro vakuum je r = 1, jinak je r 1.
elektrické pole intenzita elektrického pole Vzájemné působení elektrických nábojů je zprostředkováno elektrickým polem. Intenzita elektrického pole je elektrická síla Fe vztažená na velikost náboje q, na který síla Fe působí. E F e q
jednotka intenzity elektrického pole E F e q N. C 1 Jednotkou intenzity elektrického pole je newton na coulomb.
elektrické siločáry Elektrické pole znázorňujeme pomocí siločar. Siločáry jsou myšlené čáry, které mají v každém svém bodě tečnu rovnoběžnou s vektorem intenzity elektrického pole. Siločáry vystupují z kladně nabitých těles a končí v tělesech nabitých záporně. Každým místem prostoru prochází právě jedna siločára.
radiální elektrické pole Vektory intenzity míří jako paprsky k bodovému náboji nebo od něho.
homogenní elektrické pole Homogenní pole je mezi dvěma rovnoběžnými deskami, které nesou stejně velké náboje opačného znaménka. Intenzita tohoto pole má v každém bodě stejný směr a velikost.
elektrické pole dipólu Elektrické pole kladného a záporného náboje (dipól)
Elektrické pole dvou kladných nábojů. elektrické pole souhlasných nábojů
práce v elektrickém poli W = F e d = qed Práce W AB nezávisí na trajektorii, po které se náboj q přemisťuje z bodu A do bodu B. Práce W AB je přímo úměrná přenášenému náboji q.
elektrické napětí U AB W AB q Napětí U AB mezi dvěma body A, B elektrického pole je podíl práce vykonané elektrickou silou při přenesení bodového náboje z bodu A do bodu B a tohoto náboje. Jednotkou elektrického napětí je volt.
elektrické napětí v homogenním el. poli Napětí mezi deskami U, velikost intenzity elektrického pole mezi deskami E a vzdálenost desek d splňují vztah: U qed q Ed
intenzita elektrického pole mezi deskami E U d Odtud dostáváme pro intenzitu elektrického pole jednotku [E]=V.m -1 (volt na metr).
elektrický potenciál Podíl potenciální energie E p bodového náboje v určitém místě elektrického pole a tohoto náboje q nazýváme elektrický potenciál v daném bodě pole: E p q Napětí mezi dvěma body elektrického pole je rovno rozdílu jejich potenciálů. UAB = A - B
elektrický potenciál Hladiny stejného potenciálu jsou ekvipotenciální plochy. V homogenním poli jsou ekvipotenciální plochy rovnoběžné s deskami. V radiálním poli jsou ekvipotenciálními hladinami kulové plochy se středem v místě náboje.
Ekvipotenciální plochy v homogenním elektrickém poli Ekvipotenciální plochy v radiálním elektrickém poli
plošná hustota náboje Náboj přivedený na izolované vodivé těleso se rozloží pouze na vnějším povrchu tělesa. Na tělese kulového tvaru je rozložen rovnoměrně, na nepravidelném tělese je plošná hustota náboje: Q C S m 2
intenzita elektrického pole v těsné blízkosti koule ve vakuu: 1 Q Q E 4 0 R 2 0 S 0
vodič v elektrickém poli Elektrostatická indukce je děj, ke kterému dojde při umístění izolovaného kovového vodiče do elektrického pole. Vznikne dočasné elektrické pole i ve vodiči a způsobí pohyb volných elektronů. Jedna strana vodiče se nabije kladně a druhá záporně. Náboje indukované ve vodiči můžeme od sebe oddělit rozdělením vodiče na dvě části.
izolant v elektrickém poli Vložíme-li do elektrického pole izolant (dielektrikum), dojde k polarizaci dielektrika. Intenzita elektrického pole uvnitř dielektrika se r krát zmenší.
kapacita vodiče Náboj na povrchu osamoceného vodiče je přímo úměrný jeho potenciálu: Q = C. Kapacita osamoceného vodiče je malá. Konstanta úměrnosti C, která závisí na tvaru a velikosti vodiče se nazývá kapacita. Její jednotkou je farad (F). C Q
deskový kondenzátor Náboje na deskách kondenzátoru o plošném obsahu S jsou přímo úměrné napětí mezi deskami, které jsou ve vzdálenosti d. Kapacita deskového kondenzátoru bez dielektrika: Q S C 0 0 U d
deskový kondenzátor Náboje na deskách kondenzátoru o plošném obsahu S jsou přímo úměrné napětí mezi deskami, které jsou ve vzdálenosti d. Kapacita deskového kondenzátoru s dielektrikem: Q C 0 U 0 r d S
Kondenzátory
paralelní zapojení kondenzátorů Tři paralelně spojené kondenzátory mají výslednou kapacitu: C C C C 1 2 3
sériové zapojení kondenzátorů Při sériovém zapojení tří kondenzátorů platí: 1 C 1 C 1 1 C 2 1 C 3
energie elektrického pole kondenzátoru E e 1 2 UQ 1 2 Q C 2 1 2 CU 2
Uplatnění elektrostatiky Elektrostatický odlučovač Jednín z typů odlučovačů prachu je v podstatě uzemněná kovová roura, kterou prochází čištěný plyn. V ose je izolovaně upevněn napnutý ocelový drát připojený ke zdroji o napětí několik desítek kv. Prachové částice jsou silně přitahovány k drátu, dotykem s ním se souhlasně zelektrují a následně jsou jím odpuzovány a přitahovány naopak ke stěnám roury. Protože jsou jen částečně vodivé, podrží si svůj elektrický náboj a usadí se na vnitřní stěně roury. Odtud se pak občas mechanicky sklepávají do zásobníku. Jiný typ odlučovače má uvnitř zděného komínového tělesa kladně nabitou kovovou síť, ve stěnách komínu jsou uzemněné kovové desky, na kterých se opět usazují prachové částice.
Uplatnění elektrostatiky Kopírka a laserová tiskárna Metodu elektrostatického kopírování vynalezl úředník amerického Úřadu pro patenty a vynálezy Chester Carlson, který vytvořil první elektrostatický obraz roku 1938. Původní název elektrografie se příliš neujal, nový název xerografie navrhnul jeden z profesorů klasických jazyků na universitě v Ohiu jako odvozeninu z řeckých slov "suchý" a "psaní". Roku 1961 dodala na trh firma XEROX první kopírku na běžný kancelářský papír. Základem kopírky je válec, pokrytý vrstvičkou elektricky nabitého světlocitlivého materiálu. Místa, na která dopadne světlo, se stanou elektricky vodivými a náboj se z nich odvede. Neosvětlená místa zůstanou nabitá a na válci tak vznikne neviditelný elektrostatický "obraz" kopírované předlohy. Na válec se rozpráší jemné práškové barvivo (toner), který se zachytí jen na nabitých místech a otáčením válce se barvivo přenese na procházející papír a vytvoří na něm černobílý obraz. Zcela podobnou konstrukci i funkci má i laserová tiskárna. Hlavní rozdíl je v tom, že elektrostatický "obraz nevzniká odrazem světla od předlohy, ale dopadem uzoučkého laserového paprsku, řízeného počítačem. Zásobník toneru a světlocitlivý válec tvoří v laserové tiskárně jeden celek a při výměně toneru se nahrazují novou soupravou, zatímco v kopírce se doplňuje jenom toner.
Uplatnění elektrostatiky Elektrostatické stříkání Elektrostatická stříkací zařízení využívají toho, že se kladně a záporně nabité částice vzájemně přitahují. Barva ve stříkací pistoli prochází silným elektrickým polem. Všechny částice barvy se v něm nabijí záporným nábojem, vzájemně se odpuzují a vytvářejí kužel kapiček stříkané barvy. Kladným protějškem je uzemněný díl, na který se má nanést barva. Nabité částice se pohybují ve směru siločar elektrostatického pole a s minimálními ztrátami se zachycují na povrchu stříkaného předmětu. To znamená, že při jednodušším tvaru předmětu stačí často stříkat barvu jen v jednom směru a předmět je nalakován ze všech stran. Elektrostatickým nanášením barev se dosáhne vysoké kvality nátěru.