V tomto článku sa zameriame na vysvetlenie elektrického náboja a jeho výpočtu. Pretože nechcem aby 90% ľudí po tom, čo uvidia hromadu vedeckých definícií, vzorcov a odvodzovačiek stislo pravé horné tlačidlo na ich internetovom prehliadači, rozhodol som sa, že túto kapitolu vysvetlím, čo najjednoduchšie ako viem.
Základné pojmy
Elektrický náboj (Q): Množstvo elektrónov, ktoré prejdú vodičom, meriame ho v coulomboch [C].
Elektrický prúd (I): Rýchlosť toku náboja alebo počet elektrónov, ktoré pretečú vodičom za 1 sekundu. Jednotkou elektrického prúdu je ampér [A], alebo menšia jednotka miliampér [mA], alebo ešte menšia mikroampér [uA].
Elektrické napätie (U): To, ako veľmi sa líši nedostatok elektrónov na jednej strane od prebytku elektrónov na druhej strane určuje elektrické napätie (označenie: U).
Elektrický odpor (R): Elektrický odpor R [ohm] nám určuje ako pôsobí elektrický obvod proti toku elektrického prúdu.
Prečítajte si tiež: Airsoft batéria: Nabíjanie a starostlivosť
Elektróny tečú látkami, ktoré sa nazývajú elektrické vodiče. Vodiče môžu byť elektrolytické roztoky, kovy alebo polovodiče. Ako som už napísal vyššie elektróny tečú vždy medzi dvoma miestami, pričom na jednom mieste je ich hustota iná ako v druhom.
Jednoduchšie si to môžeš predstaviť na 2 zásobníkoch s nejakou kvapalinou s rôznou výškou hladín, ktoré sú prepojené trubicou určitej hrúbky. čím je väčší rozdiel hladín, tým rýchlejšie kvapalina tečie do zásobníka s nižšou hladinou. Ak sa hladiny v oboch zásobníkoch vyrovnajú, kvapalina prestane tiecť.
Rozdiel hladín sa dá prirovnať k elektrickému napätiu a rýchlosť toku kvapaliny zase k elektrickému prúdu. Rýchlosť toku kvapaliny, ale závisí aj od hrúbky a dĺžky trubice, druhu kvapaliny, teploty atď.. (napríklad čím je trubca užšia tým menej kvapaliny ňou pretečie) To všetko v elektrine zahrňuje elektrický odpor.
Výkon
Je to množstvo práce, ktoré vykoná elektrický prúd za 1 sekundu. Pod slovom práca sa rozumie teplo svetlo, alebo pohyb niečoho, takže čím vyšší výkon, tým viac viac práce sa za kratšiu dobu vykoná. Z tohto vzorca vidno, napríklad motor práčky bude mať určite oveľa vyšší výkon ako motorček walkmana, pretože je napájaný 220V a walkman iba dvoma 1,5V batériami.
Okrem užitočného výkonu (taký, ktorý chceme) poznáme ešte stratový výkon, ktorý vzniká na všetkých súčiastkách elektrického obvodu vrátane vodičov. Tento výkon je nežiadúci, pretože znižuje vstupný výkon (príkon). Napríklad od elektrického motoru chceme aby sa krútil a nie aby sa zohrieval a hučal alebo od žiarovky aby čo najviac svietila ale popri tom sa čo najmenej hriala apd..
Prečítajte si tiež: Výpočet šípu
Výstupný výkon, ktorý vznikol premenou zo vstupného elektrického výkonu bude vždy menší ako tento vstupný príkon.
Elektrické pole
Elektrické pole je fyzikálne pole, v ktorom je veličinou poľa (čiže veličinou priradenou každému bodu poľa) jeho intenzita E. siločiary vychádzajú z kladne nabitého telesa k záporne nabitému telesu. V sústave SI sa sila udáva v newtonoch, náboj v coulomboch a vzdialenosť v metroch.
Podľa tejto rovnice je sila na premiestneny náboj úmerná jeho náboju. Táro rovnica však platí len v elektrostatike, čiže ak sa nič nehýbe. Rozdelenie magnetických a elektrických príspevkov závisí od vzťažnej sústavy. ak vložíme jednotkový náboj +Q do elektrického poľa vo vzdialenosti r od náboja, ktorým bolo pole vytvorené a uvoľníme ho.
Elektrický potenciál je skalárna veličina, ktorá popisuje potenciálnu energiu jednotkového elektrického náboja v nemennom elektrickom poli. Ide teda o potenciál elektrického poľa, tzn. množstvo práce potrebné na prenesenie jednotkového elektrického náboja zo vzťažného bodu, ktorému je prisúdený nulový potenciál, do daného miesta. rozdiel potenciálov je Δφ=φ1-φ2. elektrické napätie je definované vykonanou prácou elektrického poľa pri prenášaní náboja. ak odizolovaný drôtový valec nabijeme a na kovovej guličke, ktorou sa ho dotýkame meriame náboj zistíme, že jeho veľkosť závisí od miesta dotyku.
Coulombov zákon
Na výpočet elektrickej sily pôsobiacej medzi dvomi telesami z elektrickým nábojom sa používa Coulombov zákon. Na elektrickej sile sa podieľajú elektrické náboje obidvoch telies. Teoreticky i prakticky by malo byť jedno či majú telesá rovnaký náboj alebo rozdielny náboj, ak je celková energia rovnaká, mala by byť aj výsledná elektrická sila rovnaká.
Prečítajte si tiež: Dôležité faktory ovplyvňujúce silu vzduchovky
Intenzita Elektrického Poľa Gule
Pre guľu s polomerom R a celkovým nábojom Q, ktorý je rovnomerne rozložený na jej povrchu, platia nasledujúce vzťahy pre intenzitu elektrického poľa:
- Mimo gule (r > R): Elektrické pole je rovnaké, ako keby bol celý náboj Q sústredený v strede gule. E = k * Q / r^2
- Na povrchu gule (r = R): E = k * Q / R^2 Použitím plošnej hustoty náboja: E = σ / ε0
- Vnútri gule (r < R): Pre rovnomerne nabitú vodivú guľu je intenzita elektrického poľa vnútri gule nulová.
Kapacita Vodiča a Kondenzátora
- Kapacita (C): Konštanta úmernosti medzi veľkosťou náboja, ktorou nabíjame teleso a jeho potenciálom. C = Q / φ = Q / U
- Jednotka: Farad (F)
- Pre guľu: C = 4 * π * ε0 * R
- Kapacita doskového kondenzátora: C = ε0 * S / d, kde S je plocha dosiek a d je vzdialenosť medzi nimi.
- Energia nabitého kondenzátora: W = 1 / 2 * C * U^2
Príklady a Aplikácie
Pre lepšie pochopenie si uvedieme niekoľko príkladov a aplikácií:
- Výpočet náboja z počtu elektrónov: Ak na sklenenej tyči vznikol náboj 80 nC, počet elektrónov, ktoré prešli z tyče na kožu, sa dá vypočítať ako: Q = n * e, kde e = 1,602.10^-19 C je elementárny náboj. n = Q / e = (80 * 10^-9 C) / (1,602 * 10^-19 C) ≈ 5 * 10^11 elektrónov
- Výpočet sily medzi nábojmi: Dve guľôčky s nábojmi Q1 = 40 nC a Q2 = 80 nC sú umiestnené vo vzdialenosti 1 cm. Sila medzi nimi sa dá vypočítať pomocou Coulombovho zákona.
- Výpočet intenzity elektrického poľa medzi platňami kondenzátora: Ak je medzi dvoma rovnobežnými platňami napätie 150 V a vzdialenosť medzi nimi je 5 cm, intenzita elektrického poľa je: E = U / d = 150 V / 0,05 m = 3000 V/m = 3 kV/m
- Sila pôsobiaca na protón v elektrickom poli: Ak sa protón s nábojom Qp = 1,602.10^-19 C nachádza v elektrickom poli s intenzitou E = 2.10^5 N/C, elektrická sila pôsobiaca na protón je: Fe = Qp * E = (1,602 * 10^-19 C) * (2 * 10^5 N/C) = 3,204 * 10^-14 N
- Určite intenzitu elektrického poľa medzi dvoma rovnobežnými vodivými platňami vo vzájomnej vzdialenosti 5cm, ak je medzi nimi napätie 150V. Intenzita elektrického poľa medzi dvom rovnobežnými vodivými platňami je E = 3 kV.m-1.
- Určite veľkosť intenzity elektrického poľa medzi dvoma rovnobežnými vodivými platňami, keď pri prenesení náboja 8 .10-6C zo zápornej (uzemnenej) platne na kladnú sa vykoná práca 2 J.
- Kladne nabitý guľový vodič s polomerom 5cm vytvára v bode vzdialenom 1m od stredu gule elektrické pole 1V.m-1.
- Na sklenenej tyči, ktorú sme treli kožou vznikol náboj 80 nC. Koľko elektrónov prešlo z tyče na kožu? Q = 80 nC = 80.10-9C, e = 1,602.10-19C, me = 9,1.10-31kg, n = ? Na kožu prešlo 5.1011elektrónov.
- Dve malé guľôčky, jedna má náboj Q1 = 40 nC, druhá Q2 = 80 nC, sú umiestnené vedľa seba vo vzdialenosti 1cm.
- Dva rovnaké náboje Q1 = Q2 = 5.10-8C sa odpudzujú vo vzduchu (k = 9.109N.m2C-2) silou 2,5.10-4N.
- Medzi dvoma kladnými bodovými nábojmi Q1 a Q2 vo vzdialenosti r1 pôsobí v prostredí s εr1 sila Fe1. Obidva náboje premiestnime do prostredia s εr2. Ich vzdialenosť r2 upravíme tak, aby sa veľkosť sily nezmenila.
- Dva kladné bodové náboje Q1 a Q2 = 4.Q1 sú pevne umiestnené v dvoch bodoch vzdialených od seba 6 cm.
- Aká veľká elektrická sila pôsobí na protón ( Qp= Q0 = 1,602.10-19C. mp = 1,672.10-27kg), ktorý sa nachádza v elektrickom poli s intenzitou elektrického poľa 2.105N.C-1? Qp= Q0 = 1,602.10-19C. Na protón pôsobí elektrická sila Fe = 3,204.10-14N.
- V určitom bode elektrického poľa kladného bodového náboja (vo vákuu) pôsobí na náboj Q0 = 50 nC sila Fe = 10-4N.
- Malá častica, ktorá má hmotnosť 1 mg a náboj 0,5 nC, je na začiatku v pokoji. S akým zrýchlením sa bude pohybovať v homogénnom elektrickom poli s intenzitou 30 kV.m-1. Akú dráhu častica urazí za 0,1s vo vákuu? Zrýchlenie častice bude a = 15m.s-2.
- Malá prachová častica má hmotnosť 0,01mg, náboj 10 nC a je umiestnená v homogénnom elektrickom poli. Siločiary majú vodorovný smer. Častica sa začne pohybovať s nulovou počiatočnou rýchlosťou a za 4s získa rýchlosť 50m.s-1.
- Dve guľôčky zanedbateľného objemu s elektrickým nábojom rovnakej veľkosti 2.10-8C sa navzájom priťahujú vo vákuu silou.
- Naša Zem predstavuje záporne nabitú guľu s plošnou hustotou náboja 1,1.10-15C.m-2.
- Guľôčka, ktorá má hmotnosť 0,4g a náboj 5.10-7C je zavesená na niti a umiestená v homogénnom elektrickom poli, ktorého siločiary majú vodorovný smer. Elektrická sila vychýli guľôčku so závesom v smere elektrických siločiar. Určite uhol, o ktorý sa záves odchýli od zvislého smeru.
- Bodový elektrický náboj Q vytvára vo vákuu elektrické pole. Na náboj Q0 pôsobí elektrická sila. Náboje vložíme do dielektrika. Ak chceme, aby na na náboj Q0 pôsobila rovnako veľká sila ako vo vákuu, musíme náboj Q0 premiestniť do polovičnej vzdialenosti.
- Dva rovnaké elektrické náboje vo vzdialenosti 6cm sa priťahujú silou 5,6N.