Elektromagnetické pole je fyzikálne pole, ktoré zodpovedá miere pôsobenia elektromagnetickej sily v priestore a skladá sa z magnetického poľa a poľa elektrického, ktoré sú vzájomne prepojené. Elektrický náboj je najzákladnejším objektom elektromagnetizmu. Elektrické náboje vyskytujúce sa v prírode sú celočíselnými násobkami základného kvanta elektrického náboja s absolútnou hodnotou e = 1,602 176 462 .
Do konca 18. storočia boli elektrická a magnetická energia študované samostatne, pretože medzi javmi neboli spozorované žiadne vzájomné účinky. Elektromagnetizmus, ako časť fyziky, ktorá skúma súvislosti medzi elektrickými a magnetickými javmi neexistovala. Michael Faraday (1791 - 1867) sa venoval elektromagnetizmu a z poznatkov Hansa Christiana Oersteda a Andrého Marie Ampére, ktorí svojimi pokusmi dokázali, že prítomnosť magnetického poľa spôsobuje tok elektrického prúdu (usmernený pohyb elektrického náboja) logicky predpokladal, že táto analógia platí aj opačne, teda, že zdrojom elektrického prúdu môže byť magnetické pole.
Elektromagnetické sily a ich pôsobenie
V elektromagnetizme sú zavedené dve magnetické sily - magnetická časť Lorentzovej sily a Ampérova sila. Lorentzova sila je všeobecná elektromagnetická sila Felmag = QE + Qv × B, ktorou elektromagnetické pole pôsobí na pohybujúci sa náboj Q v elektromagnetickom poli a Ampérova sila dFA = Idl × B, ktorou magnetické pole pôsobí na elementárny úsek prúdovodiča dl, ktorým tečie elektrický prúd I. Hoci tieto sily majú spoločný pôvod, ich účinky sa diametrálne líšia.
Na voľné náboje v magnetickom poli Lorentzova sila pôsobí tak, že zakrivuje ich dráhy, ale nikdy nevykonáva na nich prácu. Ampérova sila, pôsobiaca na prúdovodiče pretekané prúdmi v magnetickom poli, môže spôsobiť posun prúdovodičov v poli a teda môže na nich prácu vykonávať.
Elektromagnet a jeho princíp
Elektromagnet je elektromechanické zariadenie meniace elektrickú energiu na prácu = mechanickú energiu, teda vyvádza určitú silu. Je súčasťou všetkých spínacích, istiacich a ochranných prístrojov. Statická ťahová charakteristika je závislosť ťahovej sily od zdvihu kotvy, ktorá vyjadruje vlastnosti jednosmerných alebo striedavých elektromagnetov. Doba príťahu kotvy je tiež dôležitým parametrom.
Prečítajte si tiež: Typy striel .38 Special
Pri napájaní elektromagnetu jednosmerným prúdom sa v ustálenom stave nemení prúd, ani napätie cievky a jeden elektrický parameter budiaceho vinutia ostáva vždy konštantný. Magnetický tok je priamoúmerný pretekanému prúdu, z čoho vyplýva, že magnetické pole bude tým silnejšie, čím väčší bude prúd alebo čím väčší bude počet závitov budiacej cievky. Na kotvu elektromagnetu pôsobí magnetické pole a vyvíja určitú príťahovú silu pôsobiacu na kotvu (feromagnetický materiál).
Magnetický obvod sa realizuje s ohľadom na hospodárnosť prevádzky pri prijateľných rozmeroch a hmotnosti tak, aby väčšinou (príp. úplne) prechádzal magnetický tok feromagnetikom, ktoré má veľmi vysokú magnetickú vodivosť. Budiaca cievka striedavých elektromagnetov (označenie AC) je napájaná zo zdroja striedavého prúdu. Hustota spínania je obmedzená hustotou príťahu a odpadnutia kotvy a tiež maximálnym dovoleným oteplením.
Základné pojmy a história
V historickom vývoji elektrotechniky možno za začiatok tejto oblasti techniky považovať pozorovania gréckeho filozofa Thalesa, ktorý si asi 600 rokov p.n.l. všimol, že jantár sa trením s inými látkami dostáva do stavu, kedy priťahuje rôzne ľahučké telieska. Tieto javy dostali názov podľa jantáru (grécky elektrón) elektrické. Silové účinky boli vysvetlené existenciou hmotného priestoru v okolí jantáru- poľom. Neskôr bol vysvetlený aj pôvod poľa okolo jantáru. Trením jantáru sa na ňom hromadili elementárne častice, ktoré sa podľa materiálu nazvali elektróny a pole dostalo názov elektrické pole.
Nahromadenie elektrónov na nejakom telese sa nazvalo- elektrický náboj a dohodou mu bolo určené záporné znamienko. Elektrický náboj sa zvyčajne označuje Q a jednotkou je coulomb C. Pôsobenie silových účinkov elektrických nábojov opísal v roku 1786 francúzsky inžinier a vynálezca Charles Augustin de Coulomb podľa meraní na tzv. torzných váhach ktoré si sám zostrojil.
V roku 1799 vynašiel taliansky fyzik Alessandro Volta zdroj napätia elektrického napätia. Bol to elektrochemický článok, kde chemická reakcia medzi zinkovou a medenou elektródou, ktoré boli vložené do zriedenej kyseliny sírovej vytvorili napätie. Za jednotku elektrického napätia sa zvolilo napätia voltovho článku 1V Volt. Elektrické napätie je priamo merateľná elektrická veličina. Elektrickým prúdom sa zaoberal francúzsky fyzik André-Marie Ampére. Ten skúmal jeho magnetické účinky. Rovnomerný elektrický prúd I vo vodiči je definovaný ako pohyb elektrického náboja Q prierezom vodiča za určitý čas t.
Prečítajte si tiež: Všetko o brokových nábojoch do revolvera
Prechodom prúdu cez materiál sa zaoberal nemecký fyzik Georg Simon Ohm. Vynašiel vzťah medzi prúdom I a napätím U. Zaviedol pomernú veličinu elektrický odpor R. Je to tzv. Ohmov zákon, prúd je priamo úmerný napätiu a nepriamoúmerný odporu vodiča. Nahromadením elektrónov na nejakom telese teda na ňom vzniká záporný el. náboj a ich nedostatkom vzniká elektrický náboj kladný. Zákon zachovania elektrického náboja: Elektrický náboj nemôže vzniknúť ani zaniknúť iba sa premiestniť.
Coulombov zákon a elektrické pole
Elementárny el. náboj je náboj jedného elektrónu e- = 1,602.10-19 C. Konštanta pre silu medzi dvoma bodovími nábojmi sa dá určiť z elektrického toku bodového náboja v homogénnom prostredí. Z bodového náboja sa šíri elektrický tok ψ rovnomerne. Keď budeme uvažovať okolo bodového rovnomerne rozloženu plochu dostaneme guľu, cez ktorú preteká elektrický tok z bodového náboja na povrch rovnomerne. Vzdialenosť od náboja je polomer r. Plocha gule má vzorec je 4πr2. Hodnota elektrického toku ψ bodového náboja sa rovná hodnote bodového náboja q.
Pomer elektrického toku ψ plochou S cez ktorú preteká je elektrická indukcia D. Vydelením indukcie permitivitou ε dostaneme elektrickú intenzitu E. pretože hodnota je veľmi malá ε0=0,00000000008854187 F/m tak elektrostatická sila ktorá pôsobí medzi bodovými nábojmi vo vákuu je veľmi vysoká.
Elektrické napätie je zdrojom elektrického náboja a pri zapojení na vodivý materiál vytvorí vo vodiči elektrický prúd. Vynájdením zdroja napätia sa umožnilo ďalej pokračovať v skúmaní elektriny. Elektrické napätie na zdroji napätia je vytvorené odsatím elementárnych elektrických nábojov z jedného pólu na druhý. Znamená to, že keď prepojíme póly materiálom, kde sa môžu elektrické náboje pohybovať tak materiálom začne prúdiť elektrický prúd. Pretože na póloch zdroja je nerovnaký elektrický náboj, tak na bodový elektrický náboj medzi pólmi bude pôsobiť sila.
Prenesením náboja od jedného pólu k druhému elektrostatický náboj vytvorí prácu. Čím bol elektrický náboj Q väčší a elektrické napätie U vyššie bude práca A ktorú vykonal pohybom elektrický náboj medzi pólmi zdroja väčšia. Ako už bolo spomenuté, v okolí el. náboja je hmotný priestor - pole. Pokiaľ je to pole v okolí stojaceho nepohyblivého elektrického náboja, ide o pole elektrostatické.
Prečítajte si tiež: Jednotný náboj: História
Elektrický kondenzátor
Spozoroval sa jav, keď dva vodivé dosky, ktoré boli vedľa seba a pripojili na ne zdroj napätia, tak na doskách ostal elektrický náboj. Meraním síl medzi doskami zistili, že sily medzi doskami sú tým väčšie čím je plocha platní väčšia a vzdialenosť dosiek menšia. Z výsledkov meraní bolo jasné, že existuje nejaká konštanta, ktorá je daná pre určitý izolačný materiál.
S týchto poznatkov bol navrhnutý elektrický kondenzátor. Máme dve rovnaké vodivé dosky ktoré sú rovnomerne od seba vzdialené v nevodivom prostredí a pripojím na ne napätie. Elektrický zdroj odsaje elementárne náboje z jednej dosky na druhú. Na dosky bude pôsobiť sila vyvolaná intenzitou elektrostatického poľa E ktorá je priamo úmerná napätiu U nepriamo úmerná vzdialenosti medzi doskami d. Medzi doskami bude tiecť elektrostatický tok ψ ktorý bude rovnaký ako uložený elektrický náboj Q na vodivých doskách.
Pomer elektrického toku a celkovej plochy dosiek, (elektód S sa nazýva elektrostatická indukcia D. Pomer elektrostatickej indukcie a intenzity udáva elektrostatickú vodivosť prostredia, permitivitu ε. Permitivita prostredia ε pre rôzne materiály je súčin permitivity váku ε0 a pomernej resp.
Elektrický kondenzátor má schopnosť pojať elektrostatický náboj medzi dve vodivé platne. Kapacita kondenzátora má vzorec C=εS/d Hodnoty S a d poznáme, ale hodnotu musíme určiť pre daný materiál elektrostatickú vodivosť permitivitu ε meraním materiálu. Z toho môžeme určiť vzorec, koľko môžeme pojať elekrického náboja medzi platne kondenzátora.
Kondenzátor sa skladá z vodivých dosiek oddelených nejakým izolantom. Keď odpojíme zdroj napätia od kondenzátora tak napätie na doskách ostane. Kapacita sa udáva vo Faradoch. Hodnotu 1F má kondenzátor ktorý uchová pri napätí 1V náboj 1C. Pripojením napätia na dosky kondenzátora sa elektrický náboj nedostane hneď ale postupne jednotlivé elementárne náboje sa budú vtláčať medzi dosky. Čim viac bude elementárnych nábojov vtlačených na doskách tým viac budú odpudivé sily pôsobiť na vonkajšie náboje.
Elektrické náboje pri nabíjaní kondenzátora, budú vytvárať prácu, pretože sa budú stĺčať. Celková práca A ktorá pretlačí elektrické náboje medzi elektródy kondenzátora je taká veľká ako energia elektrostatického poľa v kondenzátore. Spočítaním jednotlivých nábojov resp. integrovaním dostaneme vzorec pre energiu ktorá bude uložená v kondenzátore.
Príklady a výpočty
Príklad 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 5.1011 elektrónov.
Príklad 7: 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.
Príklad 9: 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?
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. Toto bolo empiricky známe. Teraz predpokladajme, že jeden náboj je pevný a druhý premiestnime na ine miesto. 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. z toho vyplývaže jednokový náboj mal pred jeho uvoľnením energiu, ktorá s apremeniola na uvedenú prácu. 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. Začiatky rozvoja uvedenej vednej disciplíny sa datujú od 19. Storočia.
Oblasti elektrotechniky
- Elektrické stroje - stroje meniace formu energie resp. parametre elektrickej energie na mechanickú energiu (prípadne opačne). Elektrické stroje pracujú na princípe elektromagnetickej indukcie.
- Elektrické prístroje - elektrický prístroj je zariadenie ktoré je súčasťou rozvodu elektrickej energie. Elektrické prístroje slúžia na istenie, reguláciu, spínanie, meranie, spúšťanie atď.
- Automatizácia - je etapou rozvoja techniky pre ktorú je charakteristické uskutočňovanie výrobných, riadiacich a iných procesov bez priameho zásahu človeka.
- Kybernetika - je vedou o riadení a komunikácií v elektronických systémoch. Skúma spoločné zákonitosti na základe analógie medzi systémami rôznej fyzikálnej podstaty, ktorými sú technické zariadenia, spoločnosť a živé organizmy.
Maxwellové rovnice
Teoretickými základmi elektrotechniky sú Maxwellové rovnice popisujúce správanie elektromagnetického pola. Teoretické a experimentálne poznatky o elektromagnetických javoch zhrnul do ucelenej teórie J.C. Maxwell. Maxwellové rovnice popisujú klasickú interakciu medzi elektrickými nábojmi a prúdmi, dynamickú interakciu medzi elektrinou a magnetizmom. Jedná sa o základné zákony v makroskopickej teórii elektromagnetického poľa. Možno ich zapísať buď v integrálnom alebo diferenciálnom tvare.
Elektrický prúd a obvod
Elektrický prúd I je základná fyzikálna veličina tabuľky SI. Udáva množstvo náboja, ktoré pretečie prierezom vodiča za jednotku času. Elektrický prúd je usporiadaný pohyb nosičov elektrického náboja (elektrónov, iónov) v látkach v plynnom, kvapalnom alebo v tuhom skupenstve (prípadne aj vo vákuu). Podmienkou vzniku elektrického prúdu v látke je prítomnosť nosičov elektrického náboja (voľných častíc s elektrickým nábojom) a utvorenie elektrického poľa v tejto látke.
Keď vodičom tečie elektrický prúd, vodič sa zohrieva a môžu v ňom nastať aj chemické zmeny; v jeho okolí vzniká magnetické pole. Striedavý prúd- jeho veľkosť sa v čase mení s určitou periódou, pričom jeho stredná hodnota je nulová. Časový priebeh (tvar) prúdu môže byť ľubovoľný, najčastejšie sa môžeme stretnúť so sínusovým priebehom.
Elektrický obvod je súhrn prvkov tvoriacich uzavretú cestu pre elektrický prúd; vodivé spojenie rôznych prvkov, napr. odporov, kondenzátorov, cievok, zosilňovacích prvkov (elektrónok, tranzistorov), usmerňovačov, meničov inej energie ako elektrickej energie (mikrofónov, rôznych snímačov polohy, tlaku, teploty a pod.), spotrebičov a zdrojov, usporiadaných v jednoduchých alebo zložitých kombináciách a pripojených (resp.
Vyjadruje schopnosť materiálu zabraňovať prechodu nabitých častíc. Jedná sa o množstvo elektrického náboja vo vodiči s jednotkovým elektrickým potenciálom. Najjednoduchším usporiadaním pre takéto uchovanie náboja je tzv. rovinný kondenzátor pozostávajúci z dvoch rovnakých oproti sebe umiestnených navzájom rovnobežných kovových platní oddelených vrstvou dielektrika. Jedná sa o fyzikálnu veličinu vyjadrujúcu mieru množstva magnetického toku vyvolaného daným elektrickým prúdom. Je zdanlivým odporom elektrotechnickej súčiastky a fázovým posunom napätia oproti prúdu pri prechode harmonického striedavého elektrického prúdu danej frekvencie.
tags: #naboj #v #elektromagnetickom #poli