Elektřina a magnetismus elektický náboj el. síla el. pole el. poud ohmův z. mag. pole mag. pole el. poudu elmag. indukce vznik střídavého poudu přenos střídavého poudu Elektřina světem hýbe Elektický náboj pojevuje se a poznává se silovým působením elektická síla to je to, co je po nás na elektřině zajímavé elektický náboj Q [C] (coulomb) je vlastností tělesa nebo částice podobně jako hmotnost, záoveň je fyzikální veličinou, kteá se měří podle jeho silových účinků vlastnosti elektického náboje: může být kladný i záponý, není to spojitá veličina, kvantuje se velikostí náboje elektonu e=,60.0-9 C navenek se neelektované těleso jeví jako bez náboje, potože zpavidla obsahuje stejný počet částic nabitých kladně a záponě těleso je elektované, jeví se jako elekticky nabité, čili má elektický náboj, pokud v něm či na něm dojde k neovnováze mezi kladnými a záponými náboji každé těleso se skládá z atomů, kteé jsou jako celek elekticky neutální, ale z atomů na povchu lze často snadno někteé elektony vythnout a tím způsobit elektické nabití tělesa Jak elekticky nabít těleso, způsob č.? Třením. Např. novoduová tubka flanelem, skleněná tyč kůží apod. Třením dojde k vythávání povchových elektonů z jednoho či duhého tělesa. Elektická síla silový působení elektických nábojů jediný způsob, jak elektřinu poznávat náboje se souhlasným znaménkem se odpuzují, s opačným znaménkem se přitahují elektické náboje na sebe působí silou podle Coulombova zákona QQ F = k, F je síla působící mezi náboji, Q je velikost nábojů, je jejich vzdálenost, k je konstanta vliv postředí na tuto sílu 9 k = 9 0 Nm C 4π ε ε 0, kteá mimo jiné popisuje i Jak elekticky nabít těleso, způsob č.? Elektostatická indukce. Tak lze nabít vodivé mateiály tvale a nevodivé dočasně. Přiblížením nabitého tělesa k nenabitému se díky elektickým silám přesunou na nenabitém náboje ve smyslu působících elektických sil, tím těleso nenabité přestane být elekticky neutální, čili nabité. U vodiče navíc můžeme např.odpuzovaný záponý náboj odvést uzemněním a těleso zůstane nabité i po oddálení tělesa, kteé indukci vyvolalo. Bude pak ale nabité opačně, než indukční těleso. Elektické pole elektické pole je zobazení, kteé každému bodu postou přiřazuje konkétní hodnotu učité veličiny (intenzity pole = síly působící na jednotkový náboj, potenciál) je to jedno ze silových polí, tedy jde o způsob, jak popsat silové působení náboje elektické pole nehybného náboje = elektostatické pole F popisuje se intenzitou elektického pole E = [V.m Q - ] nebo [N.C - ], kteá popisuje silové působení pole na jednotkový náboj
Q intenzitu elektického pole bodového náboje lze pak spočítat E = k je zřejmé, že intenzita má velikost a smě, je to tedy vekto chaakteistiku el. pole lze znázonit gaficky siločáami, kteé ilustují jak smě pole (podle toho, kam v daném místě čáa míří) tak jeho elativní velikost (podle toho, jak jsou v daném místě siločáy husté), elektické siločáy vždy začínají nebo končí na náboji či v nekonečnu Siločáy znázoňující elektické pole. elektické pole se někdy též popisuje elektickým potenciálem výhoda popisu potenciálem je, že potenciál je skalání veličina elektický potenciál je vlastně potenciální enegie jednotkového náboje v poli. něco jako potenciální enegie tělesa o hmotnosti kg v učité výšce nad povchem země. Rozdíl je v tom, že nulový potenciál gavitačního pole (a tím nulová potenciální enegie tělesa) se obvykla klade na povch země nebo zkátka na podlahu, ale nulový elektický potenciál se klade do míst s nulovou elektickou intenzitou, tedy do nekonečna nebo na uzemněné těleso. E p ϕ = Q potenciál je tedy potenciální enegie jednotkového náboje, jednotka V volt. ozdíl potenciálů je elektické napětí U = ϕ ϕ pokud je potenciál pole všude konstantní a siločáy ovnoběžné, je takové pole označováno za homogenní. To lze vytvořit např. mezi deskami kondenzátou. Kondenzáto a kapacita kapacita vyjadřuje schopnost nahomadit na deskách (nikoliv uvnitř) náboj při daném napětí, čili ozdílu potenciálů, je to vlastnost kondenzátou Q C = jednotka F Faad U
S kapacita deskového kondenzátou C = ε 0 ε d kondenzátoy lze pak spojovat za sebou (séiově) nebo vedle sebe (paalelně), celková kapacita se u paalelního zapojení spočte C = C + C + C3 +..., u séiového zapojení = + + +... C C C C 3 Elektické pole v látce Látky z hlediska chování v elektickém poli dělíme na vodiče a nevodiče, neboli izolanty či dielektika. Ve vodiči se volně pohybují elektony, tedy náboje, takže elektické pole kteé na ně silově působí je přemístí na okaj tělesa. Jakmile se tedy vodič ocitne v elektickém poli, náboje se v něm přeskupí vždy takovým způsobem, aby uvnitř vodiče zůstalo nulové elektické pole. Náboje ve vodiči vytvoří takové pole, kteé když se sečte s vnějším polem dá nulu. A to vždy! Pokud tedy chceme, aby někam neponiklo elektické pole, vytvoříme okolo takového místa vodivou, tzv. Faadayovu klec. Toto je důvod, poč se vám nic nestane, když do auta, ve kteém sedíte, udeří blesk. V nevodičích jsou náboje vázány. Nevodiče se mohou pouze tzv. polaizovat, pokud jsou tvořeny nepoláními molekulami (např. guma) nebo se oientují jejich polání molekuly poti směu vnějšího pole. V obou případech se uvnitř takového tělesa snižuje intenzita elektického pole. To je důvod, poč deskový kondenzáto vyplněný dielektikem má vyšší kapacitu než bez dielektika. Existují ještě polovodiče, o těch budeme hovořit až v souvislosti s elektickým poudem. Elektický poud pokud se volné náboje ve vodiči dají do uspořádaného pohybu, vzniká elektický poud elektický poud je tedy tok náboje podobně jako tok vody v potoce poud učíme, když víme kolik náboje pojde za daný čas půřezem vodiče Q I = [A], t jednotka ampé poud má smě, kteý je kladný ve směu pohybu kladného náboje, ve vodičích je poud dán pohybem záponých nábojů (elektonů), takže dohodnutý smě poudu je kladný v potisměu tohoto pohybu POZOR: celou dobu se omezuji a budu omezovat na poud ve vodičích, příp. polovodičích, ale poud může vznikat i v nevodičích (např. plynech), je lhostejno, jakým způsobem se dá náboj do pohybu, ozhodující je, že se pohybuje Ohmův zákon při půchodu elektického poudu vodičem elektony naážejí na ionty kystalové mřížky a tím přicházejí o část své enegie a zpomalují se, vodič klade poudu odpo vodič se poto půchodem elektického poudu zahřívá, což je někdy i žádoucí (vařič, topení apod.) aby vznikl ve vodiči konstantní poud, je potřeba jeho konce udžovat na ůzných potenciálech, tedy musí být na něm přiloženo napětí tím vznikne ve vodiči el. pole, kteé volné elektony ozhýbe poud vodičem je pak na přiloženém napětí dán ohmovým zákonem I = U R, kde R je konstanta chaakteizující, jak hodně daný vodič klade poudu odpo, jak hodně poud bzdí, říká se jí elektický odpo, jednotka je ohm [Ω] 3
výkon, kteým poud při půchodu vodičem koná páci je dán P=U.I, páci poud koná, potože musí překonávat odpo mateiálu v technické paxi se používají ezistoy, tedy vodiče o učitém odpou, z mnoha důvodů, ezistoy je možno podobně jako kondenzátoy spojovat paalelně a séiově výsledný odpo séiového spojení je R = R + R + R3 +... a paalelního = + + +... R R R R 3 Elektomotoické napětí jak jistě nahlédnete, poud ve vodiči nemůže téci jen tak z jednoho konce na duhý, na začátku musejí elektony nějak přitékat a na konci zase odtékat, což musí být nějak umožněno pokud vložíme kus dátu do elektického pole, stane se jediná věc: elektony se přeskupí, aby uvnitř bylo pole nulové a to je vše, žádný poud po vznik poudu potřebujeme nějak uzavřený elektický obvod, aby v něm mohli volné elektony obíhat dokola a tak poud vznikl nestačí ale jen elektické pole, potože po jednom oběhu by náboj vlastně nevykonal žádnou páci, vátil by se do místa se stejným potenciálem, v obvodu potřebujeme něco, co bude na nábojích konat páci dobý model je pohánění vodního mlýnku v uzavřeném vodním koloběhu, zde také nutně potřebujete pumpu, kteá bude vodu čepat nahou, tzn. poti tíhovému poli země, v elektickém poli zas potřebujeme nějakou pumpu, kteá nám náboj přehodí z nízkého potenciálu na vyšší potenciál této pumpě v elektickém obvodu říkáme zdoj elektomotoického napětí, kteý může být ealizován ůzným způsobem, nejčastěji využitím elektochemických vlastností látek ve fomě bateií a monočlánků Vedení poudu jinde než v běžných vodičích po vedení poudu potřebujeme vždy pohyb nábojů v kovech, většinou vodičích, se pohybují volné elektony v kapalinách se pohybují ozpuštěné disociované ionty (např. ozpuštěná NaCl ve vodě disociuje na kladné ionty Na a záponé Cl) v plynech poud vedou opět ionty (blesky výboje), jen jich tam je velmi málo, při vysokém napětí dostanou přítomné ionty a elektony takovou enegii, že po cestě náazy ionizují další a další a vzniká tím pak dostatečné množství iontů po vedení poudu v polovodičích nejsou volné náboje, takže tam za nomálních okolností nemůže poud vzniknout, někteé atomy kystalové mřížky však mohou jeden valenční elekton 4
ztatit a vznikne tak možnost přeskoku jiného elektonu na uvolněné místo a takto se poud už vést dá o pohybuje se pak vlastně día po elektonu a této vodivosti se pak říká děová (typ P) o jindy může v kystalové mřížce vzniknou valenční elekton navíc a ten pak putuje kystalovou mřížkou a dává vzniknout vodivosti elektonové (typ N) o tyto vlastnosti polovodičů se nejčastěji vytvářejí nějakými příměsemi jiných pvků zpavidla do křemíku o vlastnosti polovodičů jsou pak jiní než vodičů, jinak eagují na teplotu, jinak na vnější elektické či magnetické pole vedení poudu půazem libovolný izolant lze přiložením dostatečně vysokého napětí poazit, čili vést výboj skz stuktuu izolantu, což bývá ale většinou destuktivní Magnetické pole je to pole vyvolané pohybujícím se nábojem (elektickým poudem) a silově působí na pohybující se náboj vyvolává ho tedy elektický poud ve vodiči, ale také mikoskopické poudy ve stuktuře látky pemanentní magnety magnetické pole pak silově působí na vodiče potékané poudem, ale také na tělesa z látky, kteá skývá mikoskopické poudy (kovy) největším pemanentním magnetem je vlastně naše Země magnetické pole je chaakteizováno magnetickou indukcí B s jednotkou [T] tesla, způsob výpočtu není předmětem tohoto učiva chaakteizuje se též indukčnímu čaami, podobně jako elektické pole, ale indukční čáy nemají začátek ani konec, potože neexistuje magnetický náboj indukční čáy magnetického pole magnetu indukční čáy magnetického pole vodiče potékaného poudem 5
smě indukčních ča magnetického pole vodiče s poudem učíme nejjednodušeji pomocí Ampéova pavidla pavé uky: uchopíme-li vodič do pavé uky tak, aby vztyčený palec ukazoval smě poudu, pak psty ukazují smě indukčních ča pokud využijeme vlastností magnetického pole poudové smyčky (na obázku) a poudových smyček zařadíme mnoho těsně za sebou např. tak, že z vodiče navineme válcovou cívku (solenoid), pak získáme uvnitř cívky téměř homogenní magnetické pole podobně jako jsme mezi deskami kondenzátou získali homogenní elektické pole pole poudové smyčky cívka Silové působení magnetického pole na vodič potékaný poudem vložený do magnetického pole působí síla o velikosti F=B.I.l, oientovaná jako na obázku, oientaci lze učit podle Flemingova pavidla levé uky: položíme levou uku k vodiči tak, aby magnetické indukční čáy směřovaly do dlaně a natažené psty ukazovaly smě poudu, pak kolmo vychýlený palec ukazuje smě magnetické síly dva ovnoběžné vodiče délky l ve vzdálenosti d potékané poudem I se přitahují, pokud je potékající poud v obou oientován souhlasně a odpuzují se, pokud je II oientován nesouhlasně silou F = k. l, kde k je konstanta d µ 0 µ 7 k = 0 NA, kteá mimo jiné popisuje i vliv postředí na tuto sílu π silových účinků magnetického pole se využívá v mnoha oblastech běžného života: ůzné elektomagnety, zvonky, a hlavně motoy 6
Elektomagnetická indukce elektické a magnetické pole spolu úzce souvisí a jeden z pojevů této souvislosti je pávě jev elektomagnetické indukce, jiný z pojevů této souvislosti je třeba elektomagnetické vlnění všeho duhu, světlo, pojevuje se tím, že změna indukčního toku magnetického pole vyvolává vznik elektomotoického napětí magnetický indukční tok je veličina, kteá učuje, kolik teče magnetické indukce učitou plochou máme-li vodivou smyčku v homogenním magnetickém poli, pak tok touto smyčkou je Φ = B.S.cosα, jednotka [Wb] Webe, kde S je plocha smyčky a alfa je úhel, kteý svíá osa smyčky se směem indukčních ča, tzn., je-li smyčka kolmá k indukčním čaám, je to oven B.S, je-li s indukčními čaami ovnoběžná, je tok 0. máme-li tedy vodivou smyčku a indukční tok touto smyčkou se mění, vzniká v této smyčce poměnné elektomotoické napětí to je elektomagnetická indukce tok můžeme měnit buď otáčením smyčky v homogenním magnetickém poli nebo pohybem smyčky v nehomogenním magnetickém poli nebo pvní případ vypadá tak tochu jako elektomoto nauby, kdy točím otoem a na svokách motou vzniká elektomotoické napětí po velikost napětí platí U = Φ t, čili časová změna indukčního toku vyvolává napětí znaménko minus je důležité k pochopení jevu: příoda se vždy bání změnám a v tomto případě má indukované napětí takovou oientaci, aby potékající poud smyčkou vyvolaný tímto napětím vytvářel takové magnetické pole, aby 7
vyovnávalo změny indukčního toku = vyvolané napětí jde poti změnám magnetického pole tohoto jevu využívají dynamo, altenáto a další geneátoy el. poudu a také tansfomáto bez tohoto jevu by neexistovaly elektány (kom fotovoltaických) = každá elektána funguje vždy tak, že získanou enegii (z uhlí, atomu, větu apod.) použiji za oztočení vodivé smyčky v homogenním magnetickém poli, což geneuje elektomotoické napětí a tím pádem poud, čím větší poud teče, tím hůře se smyčkou otáčí!!! Tansfomáto funguje jen po střídavé napětí střídavé napětí má časově poměnný půběh a potože zpavidla vzniká otáčením vodivé smyčky v magnetickém poli, kteé geneuje napětí závislé na cosinu úhlu momentálního natočení je výsledkem napětí s hamonickým půběhem (vypadá jako sinusovka nebo chcete-li kosinusovka) tansfomuje napětí tím způsobem, že střídavé napětí připojené na pimání cívku vytváří poměnné magnetické pole, kteé v sekundání cívce vyvolá poměnný indukční tok, kteý podle zákona elektomagnetické indukce vyvolá na sekundání cívce stejně poměnné elektomotoické napětí jinými slovy umožňuje poměně efektivně zvětšovat či zmenšovat střídavé napětí, přičemž součin U.I zůstává na pimání i sekundání cívce stejný tansfomuji-li tedy například napětí 30V odpovídajícím tansfomátoem např. na napětí V, jsem schopen z obyčejné domácí zásuvky vyždímat na výstupu tansfomátou poud přes 000 A (ale hlavní jistič je třeba jen na 0A!) takto je ealizována pakticky elektická svářečka převod napětí je dán ozdílným počtem závitů na pimáním a sekundáním vinutí U N = U N 8
železné jádo tansfomátou slouží jen k usměnění indukčního toku, podobně jako poud teče jen dátem, v tomto případě všechen indukční tok teče jen jádem pozn.: kdybyste tansfomáto vaší nabíječka na mobilní telefon zapojili do zásuvky obáceně, dostanete na výstupu napětí kolem 0.000 V Přenos elektické enegie elektická enegie se od elektáen k vám domů dostane po elektickém vedení, ale po cestě pojde pincipielně dvojí tansfomací elektána vyobí 30V a tansfomátoem převede na 00.000V, kteé pak ozvede až do obcí; v blízkosti vašeho domu je další tansfomáto, kteý opět převede napětí z 00.000 V na vašich 30V k vám do zásuvky poč takové obstukce? kvůli minimalizaci ztát vedením o pokud bych dlouhým vedením vedl ovnou 30V, pak při odebíaném poudu 0A a odpou dlouhého vedení 0ohmů dojde podle ohmova zákona k tomu, že na vedení zůstane 00V a na mě domů zbyde jen 30V = téměř 50% ztáta o pokud ale nejpve napětí 000x zvětším, klesne mi poud 000x a při stejném odpou na vedení ztatím jen 0,0V, což při zpětné tansfomaci udělá ztátu 0,0000V, tedy ztáty kolem pěti milióntin pocenta, čili zanedbatelné 9