Elektrostatické pole

Proč je zakázané kopírování? 💾 Stáhnout materiálVIP členstvíNahlásit chybu

fyzika

 

Otázka: Elektrostatické pole

Předmět: Fyzika

Přidal(a): Michaela H

 

 

Elektrický náboj

  • Určitý stav elektricky nabitých těles
    • náboj je vždy vázán na částice látky (sám o sobě neexistuje)
  • Fyzikální veličina
    • skalár, značka Q, jednotka v SI coulomb (značka C)
    • podle fr. fyzika Ch. A. Coulomba (1736 – 1806)
    • 1 C je hodně velký náboj, spíše se využívá 1 uC (mikrocoulomb),nebo 1 nC

 

Vlastnosti elektrického náboje

  • Elektrování tělesa – jev, při kterém těleso získává el. náboj, tj. přenos náboje z jednoho tělesa na druhé
    • elektroskop – slouží ke zjištění el. náboje
    • elektrometr – elektroskop se stupnicí, měření el. náboje
  • El. náboj se může přemisťovat i v jednom tělese
    • vodiče – náboj se přemisťuje snadno
    • izolanty (dielektrika) – nedochází k přemisťování
    • polovodiče – vodí jen za určitých podmínek
  • 2 druhy el. náboje: kladný a záporný
  • náboj je dělitelný
  • Elementární náboj – nejmenší el. náboj, nelze dále dělit (značka e)
    • e ≈ 1,602 . 10-19 C = 1 eV (elektronvolt)
  • Elektrony v atomovém obalu jsou vázány silami k jeho jádru
    • kladný ion(t) – odpoutá-li se z obalu jeden nebo více elektronů
    • záporný ion(t) – připojí-li se k obalu jeden nebo více elektronů
  • Volné elektrony
    • Poměrně malými silami jsou vázány k atom. jádru elektrony nejvíce vzdálené od jádra – ty se snadno od atomu odpoutají a vznikají volné elektrony
  • Zákon zachování elektrického náboje:
    • V elektricky izolované soustavě těles je celkový elektrický náboj stálý.
  • Tělesa s el. nábojem působí na jiná tělesa:
    • 2 tělesa se souhlasnými náboji se odpuzují
    • 2 tělesa s nesouhlasnými náboji se přitahují
    • navzájem se přitahuje těleso zelektrované a neelektrické

 

Coulombův zákon

  • Bodový el. náboj – myšlený el. náboj soustředěný do 1 bodu, u něhož se projevují jen elektrické vlastnosti (obdoba HB v mechanice)
  • Coulombův zákon:
    • Dva bodové elektrické náboje v klidu se navzájem přitahují nebo odpuzují stejně velkými elektrickými silami Fe, -Fe opačného směru. Velikost elektrické síly Fe je přímo úměrná absolutní hodnotě součinu nábojů Q1, Q1 a nepřímo úměrná druhé mocnině jejich vzdáleností r.

           

k = 1/(4πɛ0ɛr)

Fe = k*(|Q1Q2|/r2)

    • k – konstanta úměrnosti – závisí na vlastnostech prostředí, v němž náboje na sebe působí
    • ε0 – permitivita vakua = 8,854 * 10-12 C2.m-2.N-1
    • εr – relativní permitivita prostředí, pro vakuum a vzduch je přibližně = 1

 

Intenzita elektrického pole

  • Intenzitu elektrického pole E v daném místě pole definujeme jako podíl síly Fe, která působí na kladný bodový náboj Q0, a hodnoty tohoto náboje Q0.
    • E = Fe/Q0
  • Intenzita el. pole E stejný směr jako síla Fe
  • Jednotka je newton na coulomb (N.C-1)
  • Velikost intenzity el. pole se zmenšuje s druhou mocninou vzdálenosti od bodového náboje, který pole vytváří.
    • E = Fe/Q0 = k*(|QQ0|/r2)*(1/Q0) = k*(|Q|/r2)

 

Siločáry

  • Elektrická siločára je myšlená orientovaná čára, jejíž tečna určuje v každém místě pole směr jeho intenzity E.
  • Vlastnosti:
    • spojité čáry, které začínají na kladném a končí na záporném náboji (u osamoceného náboje ubíhají do nekonečna)
    • navzájem se nikde neprotínají
    • jsou kolmé k povrchu elektricky nabitého vodivého tělesa
  • Elektrické pole dvou nábojů
    • nesouhlasných
    • souhlasných

 

 Podle tvaru siločar rozlišujeme:

  • Homogenní (stejnorodé) elektrické pole
    • vektor intenzity E ve všech místech el. pole stejný směr i velikost
  • Radiální elektrické pole
    • v okolí bodového náboje
    • intenzita E má směr paprsků z náboje vystupujících (u kladného náboje – a) nebo do něho vstupujících (u záporného náboje – b)

 

Elektrický potenciál

  • skalár, značka φ, jednotka volt (V), kilovolt (kV) a milivolt (mV), 1V = 1 J.C-1
  • Elektrický potenciál φA v bodě A elektrického pole v okolí náboje Q definujeme jako podíl práce W, kterou vykonají síly elektrického pole při přemísťování kladného bodového náboje Q0 z bodu A na zem, a tohoto náboje Q0.
    • φ = W/Q0 = kQ/r
    • r – poloměr ekvipotenciální plochy
  • Elektrické pole má v daném místě potenciál 1 volt, jestliže síly elektrického pole vykonají při přemístění náboje 1 coulombu z tohoto místa na zem (na uzemněné těleso) práci 1 joulu.
  • Hladina potenciálu (ekvipotenciální plocha)
    • plocha stejného potenciálu
    • kolmo k ekv. plochám probíhají elektrické siločáry
  • Ekvipotenciální plocha
    • radiálního el. pole
    • homogenního el. pole
  • Je-li jedna deska nabita kladně a druhá je uzeměná, je hladina nejvyššího potenciálu φ na kladné desce a hladina nulového potenciálu φ0 na desce uzeměné.

 

Elektrické napětí

  • Elektrické napětí definujeme jako rozdíl elektrických potenciálů mezi dvěma body elektrického pole: UAB = φB – φA
  • může být kladné, záporné, nebo nulové
  • značka U, jednotka V, kV, mV
  • Voltmetr
    • přístroj k měření el. napětí
    • značka
    • do obvodu se zapojuje paralelně
  • U = φA– φB = W/Q0 = Ed
  • Práce síly, kterou působí na bodový náboj elektrostatické pole:
    • W = Fed = Q0Ed
    • d – vzdálenost v metrech mezi deskami

 

Vodič v elektrostatickém poli

  • Vložíme-li do pole zelektrovaného tělesa (např. kladně) izolovaný kovový vodič, dochází v něm působením el. sil pole k pohybu volných elektronů (elektrony se záporným nábojem na jednu stranu – nabije se záporně; nedostatek elektronů na druhé straně – kladný náboj)
  • rozmístění el. náboje dočasné, po oddálení zelektrovaného tělesa zaniká
  • Elektrostatická indukce
    • jev, kdy vodič v el. poli má nerovnoměrně rozložený náboj, na který působí síla
  • Indukované náboje
    • náboje vyvolané na koncích vodiče nesouhlasné a stejně velké
  • Elektrostatickou indukcí lze nabít vodič trvale, a to vždy nábojem nesouhlasným k náboji indukujícího tělesa, pokud vodič uzemníme a vystavíme ho indukci, vodič se trvale nabije nábojem opačným k náboji indukovaného náboje
  • Rozdělením vodiče na dvě části můžeme náboje od sebe oddělit

 

Dielektrikum v elektrostatickém poli

  • Vložíme-li do el. pole izolant (dielektrikum), dochází v něm k posunutí elementárních nábojů uvnitř atomů a molekul
  • V atomu (molekule) vyvolává vnější el. pole vzájemné posunutí jádra a obalu ve směru intenzity pole => z atomu se vytvoří elektrický dipól – částice s dvěma opačnými el. póly
  • polarizace dielektrika – při vložení izolantu do el. pole se vytvoří na protilehlých koncích izolantu navzájem opačné el. náboje
  • polární dielektrika – molekuly tvoří dipóly samovolně, bez vnějšího el. pole
    • izolant se polarizuje až působením vnějšího el. pole
    • např. voda, amoniak
  • Polarizací dielektrika vzniká tenká vrstva záporných (siločáry el. pole vstupují do dielektrika) a kladných (vystupují) nábojů – mezi nimi se vytváří vnitřní el. pole o intenzitě Ei opčaného směru, než je intenzita E vnějšího pole
  • Výsledná intenzita Ev má směr intenzity E vnějšího pole a velikost Ev = E – Ei
    • polarizací se intenzita vnějšího pole zeslabuje
  • Relativní permitivita prostředír) – udává, kolikrát je velikost intenzity výsledného menší než velikost intenzity pole vnějšího
  • εr = E/Ev
    • εr vakua ≈ εr vzduchu ≈ 1
    • ostatní prostředí εr > 1