Elektrostatika - fyzik�ln� z�klady

Obsah >>>        


Elektrick� n�boj
V�echny l�tky se skl�daj� z atom�, kter� jsou za norm�ln�ch okolnost� navenek elektricky neutr�ln�. T�en�m nebo dotykem s jin�mi t�lesy se mohou t�lesa zelektrovat. T�leso nabit� z�porn� m� nadbytek elektron�, t�leso nabit� kladn� m� nedostatek elektron�. Elektrick� stav t�lesa zjist�me nap��klad l�stkov�m elektroskopem: ��m v�c je t�leso zelektrovan�, t�m v�t�� je v�chylka l�stku elektroskopu.
Rozli�ujeme dva druhy n�boj� - kladn� a z�porn�. Jednotkou n�boje je coulomb (C), nazvan� na po�est francouzsk�ho fyzika Ch. Coulomba. N�boj 1 C je p��li� velk�, proto se pou��vaj� men�� jednotky, milicoulomby a mikrocoulomby:
     1 mC = 0,001 C
     1 mikro = 0,001 mC = 0,000001 C

Element�rn� n�boj m� velikost

e = 1,602.10-19 C
Z�porn� element�rn� n�boj nese elektron, kladn� element�rn� n�boj nese proton.

Coulomb�v z�kon
Souhlasn� nabit� t�lesa (nap�. ob� kladn�) se vz�jemn� odpuzuj�, nesouhlasn� nabit� (jedno kladn� a druh� z�porn�) se navz�jem p�itahuj�. Pokud maj� ob� nabit� t�lesa zanedbateln� rozm�ry (tzv. bodov� n�boje) ur��me velikost p�sob�c� s�ly F pomoc� Coulombova z�kona:
Coulomb�v z�kon
  • k - konstanta charakterizuj�c� prost�ed� mezi ob�ma n�boji (Nm2C-2)
  • Q1, Q2 - velikosti bodov�ch n�boj� (C)
  • r - vzd�lenost obou n�boj� (m)

Elektrick� pole
Kolem ka�d�ho n�boje existuje elektrick� pole, kter� zprost�edkuje silov� p�soben� mezi nabit�mi t�lesy. Elektrick� pole nem��eme p��mo pozorovat a vn�mat. Ke zn�zorn�n� elektrick�ho pole navrhl anglick� fyzik M. Faraday p�edstavu silo�ar. Elektrick� silo��ry jsou my�len� k�ivky, kter� vystupuj� z kladn� nabit�ho a vstupuj� do z�porn� nabit�ho t�lesa (p��padn� do zem�).
Jsou-li dva nesouhlasn� n�boje rozlo�en� na rovnob�n�ch desk�ch, vznik� mezi nimi homogenn� pole s rovnob�n�mi silo��rami.
Elektrick� pole je mo�n� uzemn�n�m kovov�m krytem (sta�� i dr�t�n� klec) odst�nit. St�n�c�mu krytu se ��k� Faradayova klec.
Mo�nost odst�n�n� elektrick�ho pole objevili Michael Faraday a Henry Cavendish za��tkem 19. stol. Dok�zali, �e uvnit� dut�ho vodi�e je voln� elektrick� n�boj shrom�d�n pouze na povrchu vodi�e. Faraday p�i pokusech pou��val dr�t�n� n�doby, kter� tehdy slou�ily k p�en�en� ledu v laborato�i. Odtud m� jeho experiment ozna�en� "ICE-PAIL Experiment".
Vlastnosti elektrick�ho pole charakterizujeme veli�inami intenzita E (jednotkou je N/C) a nap�t� U (jednotkou je volt V). Elektrick� pole je schopno konat pr�ci, nap��klad p�emis�ovat n�boje z jednoho m�sta do druh�ho. Proto ��k�me, �e elektrick� pole m� elektrickou energii.

Vodi�e a nevodi�e v elektrick�m poli
P�i vlo�en� vodi�e do elektrick�ho pole se za�nou ve vodi�i p�soben�m pole voln� elektrony p�emis�ovat sm�rem k vn�j��mu kladn�mu n�boji. P�esunut� elektrony jsou zdrojem opa�n� orientovan�ho pole, kter� se ru�� s vn�j��m polem a uvnit� vodi�e je elektrick� pole nulov�, dojde k jeho odst�n�n�. Na jedn� stran� vodi�e se p�itom objev� z�porn� a na opa�n� stran� kladn� n�boj - vodi� se nabil elektrostatickou indukc�.

- INDUKCE -
animace (uka� my��)

V nevodi�i (izolantu) nejsou voln� n�boje, vn�j�� elektrick� pole pouze p�em�st� elektrick� n�boje uvnit� atom� a molekul. Tomuto jevu se ��k� polarizace, p�i kter� se na povrchu nevodi�e objev� tzv. v�zan� n�boj. Polarizace m� za n�sledek zeslaben� elektrick�ho pole uvnit� nevodi�e.

Kondenz�tory
Kondenz�tory (nejstar��m p�edstavitelem je Leydensk� l�hev) slou�� ke shroma��ov�n� elektrick�ho n�boje (podobn� jako vodu shroma��ujeme do n�dob). Konstrukce kondenz�toru je velmi jednoduch� - jsou to dv� navz�jem izolovan� kovov� desky. P�ivedeme-li na jednu z nich elektrick� n�boj + Q, vytvo�� se vlivem elektrostatick� indukce na druh� desce stejn� velk� opa�n� n�boj - Q. Mezi deskami vznikne elektrick� pole, kter� je t�m siln�j��, ��m v�t�� n�boj se na desk�ch shrom�d�.
Kondenz�tor

Fyzik�ln� veli�ina kapacita C charakterizuje, kolik n�boje m��e na desk�ch kondenz�toru shrom�dit. Jednotkou kapacity je farad (F), nazvan� na po�est anglick�ho fyzika M. Faradaye. Kapacita 1 F je p��li� velk�, proto se pou��vaj� men�� jednotky - mikrofarady, nanofarady a pikofarady:
     1 mikro = 0,000001 F
     1 nF = 0,001 mikro
     1 pF = 0,001 nF = 0,000001 mikro
 
Kondenz�tory maj� rozs�hl� vyu�it� v elektrotechnice a v elektronice:
  • v elektronick�ch p��stroj�ch (p�ij�ma�e, zesilova�e apod.) slou�� k odd�lov�n� obvod� stejnosm�rn�ho a st��dav�ho proudu, k zmen�en� kol�s�n� nap�t� v nap�jec�ch zdroj�ch
  • jsou z�kladn�m funk�n�m prvkem v kmitav�ch obvodech oscil�tor� (vys�la�e, mobiln� telefony, elektronick� hudebn� n�stroje aj.)
  • kondenz�tor ve fotografick�m blesku se nab�j� na nap�t� kolem 400 V a stisknut�m spou�t� fotoapar�tu se nashrom�d�n� energie p�em�n� na intenzivn� sv�teln� z�blesk
  • pr�chodem st��dav�ho proudu kondenz�torem doch�z� k f�zov�mu posunut� proudu a nap�t� (opa�n�mu ne� u c�vky), proto se vyu��v� ke zlep�en� ��innosti r�zn�ch elektrick�ch stroj�
  • kondenz�torov� mikrofon je v podstat� kondenz�tor, jeho� jednou elektrodou je pohybliv� membr�na mikrofonu. Dopadaj�c� zvuk rozkmit� membr�nu, t�m se m�n� kapacita kondenz�toru a tato zm�na se p�ev�d� na zm�nu elektrick�ho proudu p�iv�d�n�ho do zesilova�e
  • kapacitn� sondy slou�� nap��klad k d�lkov�mu m��en� v��ky hladiny vodiv� kapaliny. Jednou elektrodou je izolovan� kovov� ty� pono�en� do kapaliny, druhou je sama kapalina a dielektrikem je izolace ty�e. Jak se m�n� v n�dob� v��ka hladiny, tak se m�n� i kapacita kondenz�toru - sondy. M���c� p��stroje pak tuto zm�nu kapacity registruj� a zpracov�vaj�