Elektrický náboj, elektrické pole

elektrický náboj

• vlastnost částice/tělesa, které udává jeho elektrické vlastnosti
• fyzikální veličina popisující jeho velikost – Q,[Q] = A.s = C – velikost náboje, který projde průřezem vodiče za 1 s při proudu 1 A
• může být kladný nebo zápory, kladný a záporný náboj se přitahují a souhlasné náboje se odpuzují(silové interakce)
• velikost náboje je vždy násobkem velikosti elementárního náboje

Elementární náboj

• nejnižší možný náboj, dále nedělitelný
• kladný elementární náboj má proton a záporný elektron, pokud jsou elektrony a protony v atomu v rovnováze, atom je na venek elektroneutrální

Bodový náboj

• těleso s nábojem, jehož rozměry jsou zanedbatelné vzhledem k uvažovaným vzdálenostem(HB s nábojem)

Zákon zachování elektrického náboje

• v izolované soustavě platí, že při všech dějích je celkový náboj konstantní

Coulombův zákon

• Q – velikosti jednotlivých nábojů, r – vzdálenost nábojů, k – konstanta, závisí na prostředí
• – permitivita prostředí, bez jednotky, kolikrát prostředí zeslabí elektrické síly = permitivita vakua x relativní permitivita prostředí(pro vzduchu se uvažuje 1)

Srovnání NGZ a CZ

• gravitační síly jsou vždy přitažlivé, elektrické mohou být i odpudivé
• elektrické síly jsou řadově mnohem větší
• na elektrické síly má vliv prostředí, na gravitační ne

Elektrické pole

• pole, které vzniká kolem částice s nábojem, prostor, kde působí elektrické síly

1. radiální(centrální) – vektory intenzity EP míří do nebo od bodového náboje, siločáry jsou rovnoběžné s vektorem intenzity
2. homogenní – intenzita EP má ve všech místech EP stejnou velikost i směr, na těleso všude působí stejně veliká elektrická síla
3. pole 2 bodových nábojů – vznikne složením 2 radiálních polí bodových nábojů, výsledný vektor intenzity EP je vektorový součet intenzit jednotlivých radiálních polí

Vektorový model EP

– model, kde elektrické pole popisujeme pomocí vektorů intenzity EP a vektorů elektrických sil

Intenzita EP

• charakteristická vlastnost EP
• vektorová fyz. veličina
• q – zkušební náboj, F_e – síla, která by působila na zkušební náboj umístěný do EP
• [E] = N.C^-1
• při kladném zkušebním náboji mají vektory elektrické síly a intenzity EP stejný směr, při záporném má intenzita opačný směr než elektrická síla
• – Q – náboj pole

Siločárový model EP

– model, kde EP popisujeme pomocí siločar

Siločára

• myšlená čára, jejíž tečna v libovolném bodě má směr vektoru intenzity EP
• siločárový model radiálního a homogenní pole je stejný jako vektorový
• popisujeme jimi pole 2 bodových nábojů

Skalární model EP

• model, kde EP popisuje pomocí skalární veličiny elektrického potenciálu

Práce v elektrickém poli

• práce, kterou vykonají elektrické síly při přemístění náboje v elektrickém poli
• zjednodušujeme na homogenní elektrické pole a posunutí náboje ve směru intenzity EP
• pokud se náboj nepohybuje po trajektorii rovnoběžné s vektorem intenzity EP, pakW < 0 – práci koná vnější síla
• – práce nezávisí na tvaru trajektorie
• W > 0 – elektrická síla práci koná

Napětí

• práce, kterou koná elektrická síla při přemístění náboje z bodu A do bodu B je přímo úměrná velikosti náboje, konstantou úměrnosti je elektrické napětí mezi body A a B
• [U] = J.C^-1 = V – napětí mezi konci vodiče, do něhož proudí stalý proud o velikost 1 A a výkonu 1 W, eV – napětí 1 elektronu = 1,602.10^-19 J

Potenciální energie nápoje

• náboj při pohybu přeměňuje potenciální energii na kinetickou
• práce vykonaná elektrickými silami při přemístění náboje je rovna změně potenciální energie náboje

Elektrický potenciál

• stejná jednotka jako napětí
• práce, kterou vykoná elektrická síla při přenosu náboje na povrch země = napětí mezi určitým bodem pole a zemí

Ekvipotenciální plocha

• místa se stejným elektrickým potenciálem, siločáry jsou na ekvipotenciální plochy kolmé
• kružnice se středem v náboji
• ekvipotenciální plocha s nulovým potenciálem = povrch Země(uzemnění – snížení potenciálu na nulu)
• při pohybu náboje po ekvipotenciální ploše se jeho potenciální energie nemění(logicky,nemění se žádná proměnná ve vzorci pro potenciální energii)

Vodič

• obsahuje volné částice s nábojem, schopny přenášet náboj

Izolant(dialektrika)

• nemají volné částice s nábojem

Elektrostatická indukce

• děj, který nastává při vložení vodiče do EP
• po vložení vodiče do homogenního EP se elektrony přemístí na stranu tělesa bližší ke kladnému pólu homogenního EP – vznikne tam záporný náboj, na druhé straně je nedostatek elektronů – vznikne tam kladný náboj
• probíhá tak dlouho, dokud indukované EP ve vodiči nevyruší účinky homogenního EP, ve kterém se vodič nachází -> součet intenzity obou polí musí být nula ->
• indukovaný vodič lze rozdělit na dvě části s různými indukovanými náboji(záporný,kladný)

Polarizace dialektrika

• děj, který nastává při vložení izolantu do EP
• izolant nemá volné částice s nábojem, je tvořen pouze neutrálními atomy, které jsou simetricky uspořádány, jádra ani elektrony v atomu nejsou pevně vázány
• vložíme-li dialektikum do EP, atomy se nám zploští a vytvoří se v nich dva póly = atomová(molekulová) polarizace
• orientační polarizace – dochází k ní v látkách, jejíž částice jsou dipólovány i mimo EP, EP tyto částice pouze otočí kladnými póly ve směru siločár
• při polarizaci se dipóly vzájemně vykompenzují, proto zde nevzniká náboj, na kraji ale může být pouze jeden pól, proto zde vzniká indukovaný náboj, který je vázaný na dielektrikum -> vzniká zde malé elektrické pole o intenzitě E_i opačného směru než je intimita pole, výsledná intenzita tedy je:
• -> intenzita pole v dialektriku je vždy menší než intenzita samotného pole

Plošná hustota náboje

• udává rozložení náboje v tělesech

Kapacita

• schopnost vodiče uchovávat náboj
• C
• [C] = C.V^-1 = F = kapacita deskového kondenzátoru, který při napětí 1 V pojme náboj o velikosti 1 C

Konderzátor

• dva ploché vodiče odděleny od sebe dialektrikem
• nejznámější – deskový – dvě desky, mezi kterými je vzduch, vzdálenost desek je d a účinná plocha má obsah S

Kapacita deskového kondenzátoru

• z uvedeného vztahu plyne,že kondenzátor s dialektrikem má vetší kapacitu než kondenzátor bez(permitivita – schopnost prostředí zeslabit elektrické síly)

Typy kondenzátorů

1. deskové – dělíme podle výplně mezi deskami
   1. s papírovým dialektrikem
   2. skleněné
   3. slídové
   4. keramické
   5. elektrolytické
2. otočné – deskový kondenzátor s proměnou kapacitou, kapacitu změní otočením desek(změní se nám účinná plocha)

Zapojení kondenzátorů

Paralelně(vedle sebe)

• oba kondenzátory napájí stejné napětí U(napětí se rozvětvením vodiče nemění)
• na oba kondenzátory musíme přivést náboj Q, který je součtem nábojů jednotlivých kondenzátorů->

Sériově(za sebou)

• na prvním kondenzátoru vzniknou náboje +Q a –Q, elektrostatickou indukcí vzniknou na ostatních kondenzátorech stejně velké náboje +Q a –Q -> náboje kondenzátorů se rovnají
• celkové napětí obvodu je rovno součtu napětí na dílčích kondenzátorech

Energie kondenzátoru

– napětí kondenzátoru je přímo úměrné velikosti náboje -> grafem závislosti je přímá úměra -> obsah plochy pod křivkou je roven práci, kterou vykonaly elektrické síly při nabití kondenzátoru, tato práce je rovna energii kondenzátoru(plyne ze zákona zachování energie, plocha pod přímou úměrou je trojúhelník, ->