Elektrostatika: Elektřina pro bakalářské obory Souvislost a analogie s mechanikou. Elektron ( v antice ) =?? Petr Heřman Ústav biofyziky, UK.LF Elektrostatika: Souvislost a analogie s mechanikou. Elektron ( v antice ) = jantar Jak souvisí jantar s elektřinou?? Elektrostatika: Souvislost a analogie s mechanikou. Jak souvisí jantar s elektřinou: Mechanické působení ( tření) => nový fenomén ( elektřina) => nová fyzikální disciplína Elektrostatika: Souvislost a analogie s mechanikou. Jak souvisí jantar s elektřinou: Analogie elektřiny s mechanikou: Mechanika: Elektřina: částice: hmotnost?? Mechanické působení ( tření) => nový fenomén ( elektřina) => nová fyzikální disciplína
Analogie elektřiny s mechanikou: Mechanika: Elektřina: částice: hmotnost náboj zákon zachování: hmoty?? Analogie elektřiny s mechanikou: Mechanika: Elektřina: částice: hmotnost náboj zákon zachování: hmoty náboje silová Newtonův?? interakce: gravitační zákon Analogie elektřiny s mechanikou: Mechanika: Elektřina: částice: hmotnost náboj zákon zachování: hmoty náboje silová Newtonův Coulombův interakce: gravitační zákon silové pole: gravitační?? Analogie elektřiny s mechanikou: Mechanika: Elektřina: částice: hmotnost náboj zákon zachování: hmoty náboje silová Newtonův Coulombův interakce: gravitační zákon silové pole: gravitační elektrostatické Silové interakce mezi částicemi: Připomeneme Newtonův gravitační zákon: F = m m r =?? = 6,67 [??] m r F m = r r Silové interakce mezi částicemi: Newtonův gravitační F = m m m r zákon: r F =?? = 6,67 [?? ] m
Silové interakce mezi částicemi: Silové interakce mezi částicemi: Newtonův gravitační F = m m m r zákon: r F = gravitační konstanta = 6,67 N m k g m Newtonův gravitační zákon: = gravitační konstanta = 6,67 [ N m k g ]?? zákon: F =?? F = m m r r F q r m r q F m F Silové interakce mezi částicemi: Pole: Gravitační: Elektrostatické: Newtonův gravitační F = m m zákon: r = gravitační konstanta = 6,67 [ N m k g ] r m m F r m m F r q F Coulombův zákon: = permitivita vakua = F = q 4 r 8,854 [F m ] r q F F = m m F r = q 4 r nehomogenní pole Elektrostatické pole jednoho bodového náboje: Elektrostatika: F = 4 q r ntenzita elektrického pole náboje : q r q F Význam a působení elektrostatické elektřiny?? E = F E = 4 q r Podobně jako v gravitačním poli: pro každého je v jednom místě intenzita pole stejná, ale každý váží jinak podle své hmotnosti.
E [ev ] 5-5 záporná derivace => odpudivé síly kladná derivace => přitažlivé síly (elektrostatické)...3.4.5 r [n m] Energie iontové vazby výsledná síla = součet odpudivých (kladných) a přitažlivých (záporných) sil?? - 3 E [ev ] E - 4...3.4.5 r r [n m] ontová vazba (potenciálová jáma) E minimum potenciální energie (energie interakce) r odpovídající rovnovážná vzdálenost (délka vazby) Homogenní pole: ntenzita elektrického pole E =konst (v každém místě) ntenzita elektrického homogenního pole: příklad: E= 7 V,35 m = V m E = V m d =,35m U = 7 V Částice v elektrostatickém poli: (Vedení el. proudu v kovech, elektrolytech, v plynech, plazmě a ve vakuu. Princip RTG, CT, urychlovačů, elektroosmózy, galvanoterapie, pohybu iontů přes membránu etc.) ANODA U = 7 kv d =7cm KATODA Co se stane s náboji?? Částice v elektrostatickém poli: (Vedení el. proudu v kovech, elektrolytech, v plynech, plazmě a ve vakuu. Princip RTG, CT, urychlovačů, elektroosmózy, galvanoterapie, pohybu iontů přes membránu etc.) ANODA U = 7 kv d =7cm KATODA Na náboje začne působit coulombická síla volné náboje se začnou pohybovat namísto elektrostatiky začneme hovořit o elektrodynamice (i když vnější pole je statické)
Částice v elektrostatickém poli: (Vedení el. proudu v kovech, elektrolytech, v plynech, plazmě a ve vakuu. Princip RTG, CT, urychlovačů, elektroosmózy, galvanoterapie, pohybu iontů přes membránu etc.) ANODA U = 7 kv d =7cm KATODA Potenciální energie = náboj. napětí: se přemění na energii kinetickou: Elementární nabitá částice (proton nebo elektron): elementátní náboj: e=,6 9 C V našem příkladě U = 7 kv. Potom: W k =W p W p =Q U Jaké energie E W k =,6 9 [C ] 7 4 [V ]=, 5 [ J ] k náboj dosáhne, Příhodnější jednotka: e V=eV... elektronvolt když proletí celou dráhu?? Potom v našem příkladě bude kinetická energie částice, dopadající na protější elektrodu: W k = e 7 k V =7 kev [ J= C V] Elektrodynamika Srovnání s mechanikou: Pohybem hmotných části (např.molekul vody) vzniká?? Pohybem elektricky nabitých částic (nábojů) vzniká?? Elektrodynamika Pohybem nábojů vzniká: elektrický proud magnetické pole elektromagnetické pole (optika, RTG,...) el. proud je dán změnou náboje za čas: změna náboje: = Q t [ A ; C, s ] (podobně jako kbelík vody) Q = t [ C= A s=a s ] Jak látky vedou elektrický proud: Jaké látky vedou/nevedou el. proud: dobře: vodiče hůře (kladou průchodu proudu odpor): odporové materiály různě, podle okolností: polovodiče nevedou: izolanty vodiče: kovy (Ag, Au, Pt, Cu, Al, Zn,...) odporové materiály: C, slitiny kovů,... polovodiče: Ge, Si,... izolanty: sklo, guma, umělé hmoty, parafín, tuk,... ale pozor, nelze na to vždy spoléhat!
Při vedení proudu se nabité částice v pevných látkách jakých??:???? v kapalinách jakých??:?????? v plynech: kde ještě?? kovy:?? polovodiče:?? elektrolyty:?? voda, alkohol:?? organická rozpouštědla:?? kovy: elektrony polovodiče:?? elektrolyty:?? voda, alkohol:?? organická rozpouštědla:?? kovy: elektrony polovodiče: elektrony, díry elektrolyty:?? voda, alkohol:?? organická rozpouštědla:?? kovy: elektrony polovodiče: elektrony, díry elektrolyty (roztoky kyselin, zásad,solí): ionty: jaké?? voda, alkohol:?? organická rozpouštědla:?? kovy: elektrony polovodiče: elektrony, díry elyty: ionty: kationty (ke katodě ), anionty (k anodě ) voda, alkohol:?? organická rozpouštědla:??
kovy: elektrony polovodiče: elektrony, díry elyty: ionty: kationty (ke katodě ), anionty (k anodě ) dest. voda, alkohol: špatně vedou (málo disociovaných částic) organická rozpouštědla:?? kovy: elektrony polovodiče: elektrony, díry elyty: ionty: kationty (ke katodě ), anionty (k anodě ) dest. voda, alkohol: špatně vedou (málo disociovaných částic) organická rozpouštědla: žádné (prakticky nevedou) kovy: elektrony polovodiče: elektrony, díry elyty: ionty: kationty (ke katodě ), anionty (k anodě ) dest. voda, alkohol: špatně vedou (málo disociovaných částic) organická rozpouštědla: žádné (prakticky nevedou) v plynech: ionizované částice plynu (ionty) kovy: elektrony polovodiče: elektrony, díry elyty: ionty: kationty (ke katodě ), anionty (k anodě ) dest. voda, alkohol: špatně vedou (málo disociovaných částic) organická rozpouštědla: žádné (prakticky nevedou) v plynech: ionizované částice plynu (ionty) ve vakuu: elektrony, protony, ionty, alfa částice Obvod elektrického proudu: Aby mohl protékat elektrický proud, musí být uzavřený obvod: U U U Elektrický výkon a příkon: Pokud zanedbáme ztráty ve vedení, pak podle zákona o zachování energie bude výkon zdroje a příkon spotřebiče stejný. U U P =U U = elektrické napětí = elektrický proud výkon = napětí. proud příkon přeměněný na teplo = Jouleovo teplo
Ohmův zákon: Napětí na odporu je úměrné procházejícímu proudu. Konstantou úměrnosti je velikost tohoto odporu. R U U =R U = R R= U Jednotkou elektrického odporu je Ohm. [V = A ] [U = A ] [= V A ] Kirchhoffovy zákony:. Kirchhoffův (uzly):. Kirchhoffův (smyčky): U U i = i i = i U Elektrický proud: stejnosměrný střídavý pulsní quasiperiodický nepravidelný průběh Superposice stejnosměrného a střídavého proudu: stejnosměrný proud: střídavý proud: 3 4 5 6 7 8 3 4 5 6 7 8 superponované složky ss a st proudu: 3 4 5 6 7 8 t Stejnosměrný a střídavý proud: Pulsní proudy: stejnosměrný proud: obdélníkový: 3 4 5 6 7 8 3 4 5 6 7 8 střídavý proud: trojúhelníkový: 3 4 5 6 7 8 3 4 5 6 7 8??: pilovitý: 3 4 5 6 7 8 U t ~x t a spousta dalších. 3 4 5 6 7 8 t
Využití elektřiny v medicíně: diagnostika: RTG lampy, NMR atd. atd. biosignály (EKG, EEG atd. atd.) Účinky el. proudu na organismus: stejnosměrný: terapie: pohon všeho možného elektroterapie střídavý: Účinky el. proudu na organismus: stejnosměrný: vedení: elektrolyticky, zejména mezibuněčnými prostory účinky: přesun iontů, změna dráždivosti využití: galvanoterapie, iontoforéza Účinky el. proudu na organismus: stejnosměrný: vedení: elektrolyticky, zejména mezibuněčnými prostory účinky: přesun iontů, změna dráždivosti využití: galvanoterapie, iontoforéza střídavý: nízkofrekvenční: vysokofrekvenční: Účinky el. proudu na organismus: stejnosměrný: vedení: elektrolyticky, zejména mezibuněčnými prostory účinky: přesun iontů, změna dráždivosti využití: galvanoterapie, iontoforéza střídavý: nízkofrekvenční: vedení: elektrolyticky kapacitně účinky: dráždivé, hyperemizační využití: většinou impulsní elektroterapie vysokofrekvenční: Účinky el. proudu na organismus: stejnosměrný: vedení: elektrolyticky, zejména mezibuněčnými prostory účinky: přesun iontů, změna dráždivosti využití: galvanoterapie, iontoforéza střídavý: nízkofrekvenční: vedení: elektrolyticky kapacitně účinky: dráždivé, hyperemizační využití: většinou impulsní elektroterapie vysokofrekvenční: šíření: elektromagnetické vlnění účinky: tepelné využití: diatermie
Biosignály