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.
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. 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.
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. 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.
Prečítajte si tiež: Silové pôsobenie elektrických nábojov: podrobný prehľad
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
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. Hodnota Coulombu je preto veľmi vysoká.
Prečítajte si tiež: Elektrické Náboje a Ich Pôsobenie
Elektrické Pole
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.
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. C je kapacita kondenzátora.
Prečítajte si tiež: Viac o počte nábojov v revolveroch
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.
Sily Pôsobiace na Náboje a Prúdy v Magnetickom Poli
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.
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 5.1011elektrónov.
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? Zrýchlenie častice bude a = 15m.s-2.
tags: #silove #posobenie #elektrickych #nabojov