Elektrostatika - fyzikální základy |
Obsah >>> |
Elektrický náboj
Všechny látky se skládají z atomů, které jsou za normálních okolností navenek elektricky neutrální. Třením nebo dotykem s jinými tělesy se mohou tělesa zelektrovat. Těleso nabité záporně má nadbytek elektronů, těleso nabité kladně má nedostatek elektronů. Elektrický stav tělesa zjistíme například lístkovým elektroskopem: čím víc je těleso zelektrované, tím větší je výchylka lístku elektroskopu.
Rozlišujeme dva druhy nábojů - kladné a záporné. Jednotkou náboje je coulomb (C), nazvaný na počest francouzského fyzika Ch. Coulomba. Náboj 1 C je příliš velký, proto se používají menší jednotky, milicoulomby a mikrocoulomby:
1 mC = 0,001 C
1= 0,001 mC = 0,000001 C
Elementární náboj má velikost
e = 1,602.10-19 C Záporný elementární náboj nese elektron, kladný elementární náboj nese proton.
Coulombův zákon
Souhlasně nabitá tělesa (např. obě kladná) se vzájemně odpuzují, nesouhlasně nabitá (jedno kladné a druhé záporné) se navzájem přitahují. Pokud mají obě nabitá tělesa zanedbatelné rozměry (tzv. bodové náboje) určíme velikost působící síly F pomocí Coulombova zákona:
- k - konstanta charakterizující prostředí mezi oběma náboji (Nm2C-2)
- Q1, Q2 - velikosti bodových nábojů (C)
- r - vzdálenost obou nábojů (m)
Elektrické pole
Kolem každého náboje existuje elektrické pole, které zprostředkuje silové působení mezi nabitými tělesy. Elektrické pole nemůžeme přímo pozorovat a vnímat. Ke znázornění elektrického pole navrhl anglický fyzik M. Faraday představu siločar. Elektrické siločáry jsou myšlené křivky, které vystupují z kladně nabitého a vstupují do záporně nabitého tělesa (případně do země).
Jsou-li dva nesouhlasné náboje rozložené na rovnoběžných deskách, vzniká mezi nimi homogenní pole s rovnoběžnými siločárami.
Elektrické pole je možné uzemněným kovovým krytem (stačí i drátěná klec) odstínit. Stínícímu krytu se říká Faradayova klec.
Možnost odstínění elektrického pole objevili Michael Faraday a Henry Cavendish začátkem 19. stol. Dokázali, že uvnitř dutého vodiče je volný elektrický náboj shromážděn pouze na povrchu vodiče. Faraday při pokusech používal drátěné nádoby, které tehdy sloužily k přenášení ledu v laboratoři. Odtud má jeho experiment označení "ICE-PAIL Experiment".Vlastnosti elektrického pole charakterizujeme veličinami intenzita E (jednotkou je N/C) a napětí U (jednotkou je volt V). Elektrické pole je schopno konat práci, například přemisťovat náboje z jednoho místa do druhého. Proto říkáme, že elektrické pole má elektrickou energii.
Vodiče a nevodiče v elektrickém poli
Při vložení vodiče do elektrického pole se začnou ve vodiči působením pole volné elektrony přemisťovat směrem k vnějšímu kladnému náboji. Přesunuté elektrony jsou zdrojem opačně orientovaného pole, které se ruší s vnějším polem a uvnitř vodiče je elektrické pole nulové, dojde k jeho odstínění. Na jedné straně vodiče se přitom objeví záporný a na opačné straně kladný náboj - vodič se nabil elektrostatickou indukcí.
- INDUKCE -
animace (ukaž myší)
V nevodiči (izolantu) nejsou volné náboje, vnější elektrické pole pouze přemístí elektrické náboje uvnitř atomů a molekul. Tomuto jevu se říká polarizace, při které se na povrchu nevodiče objeví tzv. vázaný náboj. Polarizace má za následek zeslabení elektrického pole uvnitř nevodiče.
Kondenzátory
Kondenzátory (nejstarším představitelem je Leydenská láhev) slouží ke shromažďování elektrického náboje (podobně jako vodu shromažďujeme do nádob). Konstrukce kondenzátoru je velmi jednoduchá - jsou to dvě navzájem izolované kovové desky. Přivedeme-li na jednu z nich elektrický náboj + Q, vytvoří se vlivem elektrostatické indukce na druhé desce stejně velký opačný náboj - Q. Mezi deskami vznikne elektrické pole, které je tím silnější, čím větší náboj se na deskách shromáždí.
Fyzikální veličina kapacita C charakterizuje, kolik náboje může na deskách kondenzátoru shromáždit. Jednotkou kapacity je farad (F), nazvaný na počest anglického fyzika M. Faradaye. Kapacita 1 F je příliš velká, proto se používají menší jednotky - mikrofarady, nanofarady a pikofarady:
1= 0,000001 F
1 nF = 0,001
1 pF = 0,001 nF = 0,000001
Kondenzátory mají rozsáhlé využití v elektrotechnice a v elektronice:
- v elektronických přístrojích (přijímače, zesilovače apod.) slouží k oddělování obvodů stejnosměrného a střídavého proudu, k zmenšení kolísání napětí v napájecích zdrojích
- jsou základním funkčním prvkem v kmitavých obvodech oscilátorů (vysílače, mobilní telefony, elektronické hudební nástroje aj.)
- kondenzátor ve fotografickém blesku se nabíjí na napětí kolem 400 V a stisknutím spouště fotoaparátu se nashromážděná energie přemění na intenzivní světelný záblesk
- průchodem střídavého proudu kondenzátorem dochází k fázovému posunutí proudu a napětí (opačnému než u cívky), proto se využívá ke zlepšení účinnosti různých elektrických strojů
- kondenzátorový mikrofon je v podstatě kondenzátor, jehož jednou elektrodou je pohyblivá membrána mikrofonu. Dopadající zvuk rozkmitá membránu, tím se mění kapacita kondenzátoru a tato změna se převádí na změnu elektrického proudu přiváděného do zesilovače
- kapacitní sondy slouží například k dálkovému měření výšky hladiny vodivé kapaliny. Jednou elektrodou je izolovaná kovová tyč ponořená do kapaliny, druhou je sama kapalina a dielektrikem je izolace tyče. Jak se mění v nádobě výška hladiny, tak se mění i kapacita kondenzátoru - sondy. Měřící přístroje pak tuto změnu kapacity registrují a zpracovávají