V elektrotechnike je základom elektrický náboj. Elektrické náboje vytvárajú voči sebe silové účinky a pohybom voči stojacemu okoliu vytvárajú magnetické účinky okolo seba. Elektrické náboje pohybom vo vodiči vytvárajú elektrický prúd.
Coulombov Zákon
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. Konštantu K zmerať nevedel len vedel, že existuje pretože pri väčšom vákuu bola sila väčšia. Pre vákuum použil K=1. Hodnotu náboja vytvoril zo vzorca kde Q1=Q2. Potom je Q1·Q2=Q2. dostal vzorec pre jednotku elektrického náboja jednotka sa volala statický Coulomb značka statC Vlastne hodnotu konštanty zahrnul do rozmeru elektrického náboja.
Predstavuje základný zákon teórie elektromagnetického poľa.
Elektrický Náboj a Napätie
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. 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.
Prečítajte si tiež: Pochopenie Silového Pôsobenia Nábojov
Elektrický Prúd a Odpor
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. 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. Podľa neho je pomenovaná jednotka elektrického odporu Ohm, značí sa 1Ω.
Prúd je definovaný pomerom náboja ktorý tečie cez prierez vodiča. 1V môžeme definivať ako prácu 1J ktorú vykoná prenesenie náboja vzdialenosti medzi pólmi 1m za 1S. preniesť elektrický náboj môžeme plynule tak aby tiekol cez prierez vodiča rýchlosťou 1m/s.
Elektrické Pole
Elektrické pole bodového náboja sa šíri rovnomerne okolo náboja. Povrch gule v určitej vzdialenosti od náboja je elektrostatická intenzita. Čím bude elektrostatická vodivosť väčšia, tak elektrické pole zoslabne pretože, atómy v prostredí budú šírenie elektrostatického poľa tieniť. pretože hodnota je veľmi malá ε0=0,00000000008854187 F/m tak elektrostatická sila ktorá pôsobí medzi bodovými nábojmi vo vákuu je veľmi vysoká. Hodnota Coulombu je preto veľmi vysoká.
- Elektrické pole bodového náboja .
- veľkosť a smer.
- s nábojom v elektrickom poli.
- poľa.
- a intenzity elektrického poľa, vytvárajúceho túto polarizáciu.
- vzdialený bod.
Konštanta pre silu medzi dvoma bodovími nábojmi sa dá určťť 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.
Potenciál Elektrického Poľa
- energie kladného bodového náboja a tohto náboja : .
- Rozdiel potenciálov medzi dvoma bodmi elektrického poľa : .
- Množina bodov elektrického poľa s rovnakým potenciálom.
- sa aj ako hladina potenciálu.
- v bodovom náboji, ktorý elektrické pole vytvára.
Kondenzátory a Kapacita
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.
Prečítajte si tiež: Elektrické Náboje a Ich Pôsobenie
Permitivita prostredia ε pre rôzne materiály je súčin permitivity váku ε0 a pomernej resp. C je kapacita kondenzátora. 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.
- s malou vzdialenosťou dosiek.
- Veličina vyjadrujúca schopnosť kondenzátora prijímať náboj.
- napätia medzi doskami kondenzátora.
- tohto poľa.
- charakterizujem ju hustotou energie.
- a tohto objemu.
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.
Rozdielom elektrických nábojov medzi doskami pôsobí na nich sila F. Keby sme nimi pohybovali po dráhe d vytvorili by prácu. Merali to na tzv. Na ľavej strane sú vodivé dosky sú napojené na napätie a oddeľuje ich tekutý izolant. Na pravej strane je miska so závažím. Váhy porovnávajú tiaž, váhu závažia so silou ktorú vytvorí elektrické pole na elektródach. Keď je rúčka na nule tak sila na elektródach bude rovná sile ktorá pôsobí gravitačne na závažie. Pre základnú hodnotu bola zvolená nameraná hodnota v suchom vzduch pri normálnej teplote, predpoklad bol, že toto prostredie sa najviac približuje k hodnote vákua. Pre permitivitu vákua bola nameraná hodnota ε0=0,00000000008854187 F/m.
| Konštanta | Hodnota |
|---|---|
| Elementárny náboj | 1,602.10 -19 C |
| Permitivita vákua (ε0) | 0,00000000008854187 F/m |
Prečítajte si tiež: Viac o počte nábojov v revolveroch