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. Elementárny el. náboj je náboj jedného elektrónu e- = 1,602.10-19 C. Pred trením však jantár nevykazoval žiadne silové účinky, čo elektrónová teória vysvetľuje prítomnosťou častíc, ktoré majú opačné silové účinky a teda aj polaritu. Elementárne častice s opačným kladným nábojom sa nazývajú protóny. Protóny tvoria jadrá, ktoré sú pevne viazané v tzv. kryštálovej mriežke materiálu. Nahromadením elektrónov na nejakom telese teda na ňom vzniká záporný el. náboj a ich nedostatkom vzniká elektrický náboj kladný.
Zákon zachovania elektrického náboja hovorí, že elektrický náboj nemôže vzniknúť ani zaniknúť, iba sa premiestniť.
Elektrické Pole
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. Elektrické pole je fyzikálne pole, ktoré vzniká v okolí elektrických nábojov. Je to prostredie, prostredníctvom ktorého na seba elektrické náboje navzájom pôsobia silami, aj keď sa navzájom priamo nedotýkajú.
Elektrické pole patrí medzi základné pojmy elektrostatiky a má veľký význam v technike aj v každodennom živote.
Prečítajte si tiež: Pochopenie Silového Pôsobenia Nábojov
Podstata Elektrického Poľa
Elektrické pole vzniká vždy, keď sa v priestore nachádza elektrický náboj. Každý nabitý predmet vytvára okolo seba elektrické pole, ktoré pôsobí na iné elektrické náboje v jeho blízkosti. Ak do elektrického poľa vložíme ďalší náboj, začne naň pôsobiť elektrická sila. Dôležité je, že elektrické pole existuje aj vtedy, keď sa v ňom žiadny iný náboj nenachádza.
Elektrická Sila v Elektrickom Poli
Elektrická sila je sila, ktorou elektrické pole pôsobí na elektrický náboj. Platí, že rovnaké náboje sa odpudzujú a opačné náboje sa priťahujú. Veľkosť elektrickej sily závisí od veľkosti nábojov a od vzdialenosti medzi nimi.
Intenzita Elektrického Poľa
Na opis elektrického poľa používame veličinu intenzita elektrického poľa, ktorá sa označuje písmenom E. Intenzita elektrického poľa vyjadruje, akou silou pôsobí elektrické pole na jednotkový kladný náboj. Vzťah medzi silou a intenzitou je:
E = F / q
kde:
Prečítajte si tiež: Silové pôsobenie elektrických nábojov: podrobný prehľad
- E je intenzita elektrického poľa,
- F je elektrická sila,
- q je veľkosť náboja.
Jednotkou intenzity elektrického poľa je newton na coulomb (N/C) alebo volt na meter (V/m).
Smer Elektrického Poľa
Smer elektrického poľa je definovaný ako smer, ktorým by sa pohyboval kladný skúšobný náboj vložený do poľa. Z toho vyplýva, že elektrické pole smeruje od kladného náboja a elektrické pole smeruje k zápornému náboju.
Siločiare Elektrického Poľa
Elektrické pole znázorňujeme pomocou siločiar. Vlastnosti siločiar:
- vychádzajú z kladných nábojov a končia na záporných,
- nikdy sa navzájom nepretínajú,
- čím sú siločiare hustejšie, tým je elektrické pole silnejšie.
Siločiary pomáhajú lepšie pochopiť rozloženie a pôsobenie elektrického poľa v priestore.
Homogénne a Nehomogénne Elektrické Pole
Homogénne elektrické pole:
Prečítajte si tiež: Viac o počte nábojov v revolveroch
- intenzita elektrického poľa je vo všetkých miestach rovnaká,
- siločiare sú rovnobežné a rovnako vzdialené,
- vzniká napríklad medzi dvoma rovnobežnými nabitými doskami.
Nehomogénne elektrické pole:
- intenzita elektrického poľa sa v priestore mení,
- siločiare nie sú rovnobežné,
- vzniká napríklad v okolí bodového náboja.
Elektrické Pole v Praxi
Elektrické pole má široké využitie:
- v elektrických a elektronických zariadeniach,
- pri činnosti kondenzátorov,
- v kopírkach a laserových tlačiarňach,
- pri ochrane pred bleskom pomocou bleskozvodov,
- v lekárskej technike a výskume.
Elektrické pole zohráva kľúčovú úlohu pri prenose energie aj informácií.
Polarizácia Dielektrika
Po vložení dielektrika do homogénneho elektrického poľa vytvoreného rovinnými elektródami, dochádza v ňom k polarizácii dielektrika. Tento jav môžeme vysvetliť porovnaním pomerov v kondenzátore, ktorého dielektrikum tvorí najprv vákuum a potom ľubovolný izolant. Vo vákuu totiž pre elektrickú indukciu platí:
D = εo . E
kde:
- εo = 8,859 . 10 -12 F.m-1 - permitivita vákua, ktorej hodnota sa dá vypočítať zo vzťahu :εo = 1/c . μo ( c = 3.108, μo = 4 π . 10-7 H.m-1 )
- E - intenzita elektrického poľa [ V.m-1 ]
Pomery sa zmenia, ak medzi rovinné elektródy vložíme napr.: pevné dielektrikum. Potom pre elektrickú indukciu dostávame:
D = εo . E . F
Príspevok tvorí polarizácia dielektrika, vyjadrená vektorom polarizácie P. Definujeme ho ako pohyb viazaných elektrických nábojov v izolante účinkom elektrického poľa. Jeho mierou je:
P = lim 1/V Σ pi, alebo P = n pi [ C.m-1 ]
V →0 pričom n - je počet molekúl v objeme V dielektrika a pi - je indukovaný elektrický moment i - tej molekuly.
Pohyb viazaných elektrických nábojov a ich nosičov charakterizuje vysunutie alebo natočenie z rovnovážnych polôh, daných vnútro atomárnymi alebo vnútro molekulárnymi silami do nových rovnovážnych polôh pôsobením elektrického poľa.
Stručný popis teoretických pohľadov na generovania elektrostatických nábojov mal za cieľ poskytnúť základnú orientáciu na aspekty polarizácie dielektriík definovaných cez druhy polarizácie:
- elektrónová,
- iónová,
- dipólová pružne viazaných dipólov,
- dipólová orientačná polarizácia,
- relaxačná - iónová,
- štrukturálna,
- objemová (medzivrstvová a vysokonapäťová),
- spontánna (samovoľná),
- rezonančná.
Podľa druhu (typu) polarizácie, vyskytujúcej sa v dielektriku pôsobí na priebeh dejov teplota a frekvencia elektrického poľa.
Elektrostatické Náboje a ich Vznik
Vznik elektrostatických nábojov môžeme pozorovať všade tam, kde dochádza k narušeniu povrchovej dvojitej elektrickej vrstvy. Medzi takéto prípady patrí aj elektrostatické nabíjanie pri rozstrekovaní kvapalín. Táto forma nabíjania sa realizuje v kvapalinách na povrchu ktorých sa určitým spôsobom orientujú dipóly. Pri rozstrekovaní kvapaliny hrá významnú úlohu drobenie - dispergácia vysokou rýchlosťou prúdu, resp. Elektrizovateľnosť vzájomným pohybom kvapalín Ide o trenie častíc kvapalín, pár alebo plynov. Častým príkladom je expanzia stlačených alebo skvapalnených plynov. Pri čistých plynoch by elektrostatické náboje vznikať nemali.
Elektrostatické náboje vznikajú aj pri rozprašovaní kvapaliny (Lenardov efekt), pričom hlavnou záležitosťou je tvorba aeroiónov, najmä negatívnych. Tvorba elektrostatických nábojov je sprevádzaná a pozorovaná aj pri zamŕzaní kvapalín, čo sa dalo pozorovať napríklad pri kyseline uhličitej.
Ďalším prípadom tvorby elektrostatických nábojov je prechod plynu nad kvapalinou, ktorá sa na povrchu odparuje, čím dochádza k nabíjaniu plynu a nevodivých častí zariadenia (napr. vrapových hadíc, vakov) a v niektorých prípadoch - pri použití narkotizačných a inhalačných prístrojov - aj k nabíjaniu dýchacích ciest a pľúc pacienta.
Teória Dvojitej Elektrickej Vrstvy
Javy, pri ktorých vznik rozdielu potenciálov, alebo prúdov je dôsledkom napr.: pomerného premiešavania kvapaliny a pevného materiálu v medzifázovej vrstve na rozhraní materiálov sa nazývajú elektrokinetické. Teória týchto javov je založená na predstavách o štruktúre dvojitej elektrickej vrstvy.
V súlade s teóriou Helmholza - Perrena [1] dvojitá elektrická vrstva na hranici styku fáz napr.: pevnej fázy a kvapaliny predstavuje „doskový“ kondenzátor. Jedna vrstva je spojená bezprostredne s pevnou fázou a druhá je rozložená v kvapaline. Vo vrstve definovanej hrúbky napätie elektrického poľa je stále a zmena potenciálu je závislá na rozdieloch potenciálov medzi elektródou a elektrolytom. Hrúbka dvojitej elektrickej vrstvy sa pohybuje v rozmedzí priemeru iónu (10-10 m). Výskum v oblasti hydrodynamiky potvrdil, že rovina povrchu a styku pri pomernom premiešavaní pevnej a kvapalnej fázy je vždy väčšia ako je hrúbka dvojitej vrstvy Helmholza - Perrena. Ak by táto teória bola správna, potom by neboli pozorovateľné elektrokinetické javy.
Teória Giu - Chapmana vychádza z predpokladu, že nabité ióny sa nie len vzájomne priťahujú, ale sa zúčastňujú aj chaotického tepelného pohybu. S hrúbkou dvojitej elektrickej vrstvy je prijaté stotožňovať veličinu δv :
δv = √ R . T ε εo / 2 C F2 z2 (1)
kde :
- R = 8,31467 J/(mol.K) - univerzálna plynová konštanta
- C - koncentrácia iónov [ mol.m-3]
- F - 96,491 C kmol-1 - Faradayovo číslo
- Z - valentnosť iónov
- T - teplota [ K ]
- ε εo - dielektrická permitivita, permitivita vákua
Pri odvodzovaní vyššie uvedeného vzťahu bol použitý štatický zákon Boltcmana o rozložení iónov podľa energie a Poissonova rovnica.
Hrúbka dvojitej elektrickej vrstvy na hranici pevná fáza - elektrolyt je tým väčšia, čím menšia je koncentrácia a valentnosť iónov a čím vyššia je teplota.
Frenkel predložil iný vzorec pre určenie hrúbky dvojitej elektrickej vrstvy:
δ v = √ DM . τ (2)
DM - koeficient difúzie iónov [m2. s-1]
τ - časová konštanta [ s ], nabíjania alebo vybíjania, ktorá je obecne definovaná ako:
τ = Rs . C (3)
Rs - povrchový odpor [ Ohm ],
C - kapacita [ pF ],
γ - špecifická vodivosť [ S.m-1 ]
Vzorec (2), hoci je získaný na základe tých istých fyzikálnych predstáv ako vzťah (1), je viac univerzálny má hlbší fyzikálny zmysel. Podľa vzťahu (2) je možné určovať hrúbku dvojitej elektrickej vrstvy nie len elektrolytického pôvodu, ale aj hrúbku dvojitej elektrickej vrstvy vzniknutej pri kontakte kov - kov, polovodič - dielektrikum a pod.
tags: #vzajomne #posobenie #elektrickych #nabojov