Elektrický náboj,elektrické pole a elektrické napětí

Elektrický náboj, elektrické pole a elektrické napětí

Elektrický náboj
Označení: Q
Jednotka: 1C ( coulomb)

Zhruba 600 let př. n. I. řecký filozof Thales zjistil, že organický nerost zvaný řecky elektron má schopnost k sobě přitahovat drobné chmýří, jestliže ho předtím chvíli třeme kožešinou. Nerost těchto vlastností, který možná znáte pod názvem jantar, je zkamenělá pryskyřice předvěkých jehličnatých stromů. Thaletův objev položil základy celé dnešní vědě o elektřině. Anglický přírodovědec a lékař William Gilbert (1544-1603) jako první navrhl, aby se neznámá síla přitahující k jantaru lehounké předměty nazvala elektřina (podle řeckého elektron).
Přiblížíte-li hřeben z plastu, kterým jste si pročesávali vlasy, k útržkům papíru, přitáhnete je k hřebenu. Je to vlastně opakování Thaletova pokusu. Češete-li si vlasy v tmavé místnosti a pak přiblížíte hřeben pomalu k palci, spatříte malou jiskru. Vznikla tím, že elektrický náboj nahromaděný na hřebenu přeskočil k palci a přitom se rozzářily atomy a molekuly vzduchu na jeho dráze.(viz obrázky) Přesně totéž ve velkém se odehrává při výboji blesku.

Jaká je podstata těchto jevů? Na tuto otázku nedokázali lidé až do 19. stol. odpovědět. Dnes známe část odpovědi, celou však ne. Víme, že se každá látka skládá ze základních částic: protonů, neutronů a elektronů.
Jádro atomu je tvořeno protony a neutrony. Protony mají kladný elektrický náboj, neutrony jsou bez náboje a elektrony mají záporný elektrický náboj. Elektrony se v prostoru pohybují kolem jádra. V každém atomu obíhá kolem jádra tolik elektronů, kolik je v něm protonů. Protože je náboj elektronu stejně velký jako náboj protonu, ale opačný, je atom jako celek elektricky neutrální.
Při pročesávání vlasů hřebenem přejde část volných elektronů z hřebenu na vlasy. Tím je v hřebenu méně elektronů než protonů, původní rovnováha mezi elektricky nabitými protony a elektrony se poruší a na povrchu hřebenu vznikne kladný náboj. A právě takto vzniklý náboj je schopen přitahovat útržky papíru.
Základem tohoto jevu jsou dvě skutečnosti. Za prvé: tělesa mohou být elektricky nabita dvěma způsoby; a to kladně nebo záporně. A za druhé: dva nesouhlasné náboje (kladný a záporný) na sebe navzájem působí přitažlivou silou, dva souhlasné náboje (dva kladné nebo dva záporné) na sebe působí odpudivou silou.

Přitažlivost a odpudivost elektrických nábojů dovedeme změřit, víme mnohé o elektrických nábojích, ale stále ještě přesně nevíme, co vlastně je a jak vzniká kladný a záporný náboj.


Elektrické pole

Podobně jako pole gravitační a všechny ostatní druhy fyzikálních polí je elektrické pole jednou ze dvou základních forem hmoty. Zdrojem elektrického pole jsou částice nesoucí elektrický náboj.
Intenzita elektrického pole:
K popisu elektrického pole zavádíme dvě fyzikální veličiny: vektorovou veličinu intenzita elektrického pole E a skalární skalární veličinu elektrický potenciál φ.
Intenzitu elektrického pole určujeme na základě silového působení elektrického pole. Jestliže vložíme do určitého místa elektrického pole vytvořeného nábojem Q jiný kladný bodový náboj Q0, působí na něj elektrická síla Fe.
Fe + +
Q Q0 E
Intenzitu elektrického pole E v daném místě pole definujeme jako podíl síly Fe, která působí na kladný náboj Q0, a velikosti tohoto náboje Q0. Tedy
Intenzita elektrického pole E má stejný směr jako elektrická síla Fe působící v daném místě pole na kladný bodový náboj Q0.
Jednotka je newton na coulomb; [F] = NC-1 , v praxi používáme jednotku volt na ampér (Vm-1)
Má-li vektor intenzity E ve všech místech elektrického pole stejný směr i velikost, jde o stejnorodé, neboli homogenní elektrické pole. Homogenní pole je např. mezi dvěma nesouhlasně nabitými rovnoběžnými deskami.
V okolí bodového elektrického náboje je radiální elektrické pole, jehož intenzita E má v různých místech směr paprsků z náboje vystupujících (u kladného náboje) nebo do něho vstupujících (u záporného náboje).
Velikost intenzity elektrického pole E ve vzdálenosti r od bodového náboje Q určíme, dosadíme-li do vztahu E = Fe / Q0 za velikost síly Fe vztah z Coulombova zákonu. Dostaneme: E = Fe / Q0 = k│Q1 Q2│ / r2 1/ Q0 = k │Q0│/ r2
Jiným, velmi názorným modelem elektrického pole je siločárový model, u něhož znázorňujeme pole pomocí siločar.
Elektrická siločára - je myšlená čár, jejíž tečna určuje v každém místě pole směr jeho intenzity E.


Elektrické napětí
Označení:U
Jednotka: 1 V (volt)

Elektrický proud do jisté míry připomíná tok vody v potrubí. V obou případech je potřebná energie, která udržuje proudění - proud vody udržuje například čerpadlo a elektrický proud baterie nebo zásuvka elektrického rozvodu.
Elektrony samozřejmě neproudí vodičem tak jako voda potrubím, ale jsou tu jisté podobnosti. Lze si představit proud vody procházející úzkým vodorovným potrubím. Připojí-li se k vodorovnému potrubí svisle trubky, lze je považovat za tlakoměry, protože výšky vodních sloupců odpovídají tlaku vody v jednotlivých částech potrubí. Z nákresu tohoto pokusu vidíte, že tlak v potrubí mezi přítokem a odtokem klesá. Proud vody závisí na rozdílu tlaku vody mezi počátkem a koncem potrubí. V případě elektrického proudu se takovýto rozdíl "elektrického tlaku", který vyvolává pohyb elektronů vodičem, nazývá rozdíl potenciálů neboli napětí A elektrický proud, podobně jako proud vody, závisí na rozdílu potenciálů neboli na napětí, které proud vyvolává. Uvedenou souvislost objevil Georg Ohm a je známa jako Ohmův zákon. Říká nám, že je elektrický proud tím větší, čím větší je elektrické napětí.
Rozdíl potenciálů čili napětí se měří ve voltech (V), jednotce pojmenované podle italského fyzika A. Volty. Tlak vody v potrubí klesá v důsledku tření vody o stěny potrubí. Podobně je tomu s elektrickým proudem, který je tvořen tokem elektronů. Elektrony při průchodu vodičem do sebe navzájem a do atomů narážejí, zpomalují se, a tak vodič klade proudu elektronů odpor.

Zdroje elektrického napětí

Zdrojů elektrického napětí je mnoho druhů. Historicky nejstarším používaným zdrojem je primární (galvanický) článek.
Teprve rozvoj přírodních věd počátkem minulého století vedl k praktické realizaci elektrochemických zdrojů s různými systémy elektrod. U elektrochemických článků se k vytvoření napětí využívá chemické reakce příslušných látek. První galvanický článek, o kterém je zachována dokumentace je Voltův článek, který dosahoval napětí 0,9 V. Další zdokonalení přinesl Léclanchéův článek, který obsahoval zápornou zinkovou elektrodu a kladnou uhlíkovou. Napětí článku dosahovalo 1,45 V. Tento článek můžeme považovat za předchůdce dnešních velmi běžných zinkouhlíkových článků, se kterými se setkáváme v podobě standardní tužkových článků, monočlánků o napětí 1,5 V a případně baterií z nich složených, např. plochá baterie - 4,5 V. Dále existují primární články alkalické, vhodné pro trvalé vybíjení. Rtuťové články, nejčastěji v knoflíkovém provedení se vyznačují vysokou měrnou energií (Wh/kg), cca 10× větší než u zinkouhlíkových článků. Stříbrooxidové články, které jsou konstruovány obdobně jako rtuťové (neobsahují jedovatou rtuť). Také existují lithiové články, které mají vyšší napětí - přibližně 3 V. Jsou ideální pro dlouhodobé napájení elektrických zařízení po dobu až 10 let (zálohování počítačových pamětí).
Narozdíl od primárních článků jsou často využívány akumulátorové články, které pracují také na chemickém principu a lze je opakovaně nabíjet. Nejčastěji používané akumulátory jsou olověné, především v automobilech, dále nikl-kadmiové používané v přístrojích spotřební elektroniky a nejnověji lithium-iontové, díky své vysoké měrné energii používané pro napájení videokamer, notebooků a nových mobilních telefonů.
Dalšími z chemických článků jsou články palivové. Jsou to zdroje, které mění chemickou energii paliva a oxidovadla na elektrický proud. Jako palivo v palivových článcích může být použit např. vodík a kyslík.

Kromě chemických zdrojů napětí se využívají i další fyzikální principy k získání elektrického napětí:

Solární články, u kterých dochází k přeměně energie světelného záření, dopadajícího na polovodičový PN přechod na elektrický proud.

Termočlánky (Peltiérovy), kde dochází k přímé přeměně tepelné energie na elektrický proud. Napětí článku je přímo uměrné rozdílu teplot mezi chladným a teplým koncem článku.

Dále k získání elektrického napětí jsou dynama a alternátory, které přeměňují mechanickou energii na elektrickou. Jsou založeny na principu indukce napětí v pohybujícím se vodiči v magnetickém poli. Používají se v automobilech a jako velké generátory v elektrárnách.

Primární články (suché články) jsou drahé, a když se vybijí, musí se nahradit novými. Sekundární články (akumulátory) jsou také drahé a k nabití potřebují elektrický proud. V našich domácnostech používáme vedle osvětlovacích těles celou řadu elektrických spotřebičů. Přístroje jako vařiče, pračky, mixéry, vrtačky, topné spotřebiče, televize a jiné potřebují ke svému provozu elektřinu. Všechny tyto a další přístroje samozřejmě nelze suchými články nebo akumulátory pohánět. Bylo by to nejen nepohodlné, ale i velmi drahé.
Nejdůležitějším zdrojem elektrického proudu je rozvodná síť: Elektrická energie se vyrábí v elektrárnách a je přenášena vodiči do bytů, úřadů a továren. Rozvádí se z elektráren po celém území našeho státu takzvanou rozvodnou sítí, která například v bytech končí zásuvkou, z níž elektrickou energii odebíráme. Od elektráren se vede proud do různých míst dálkovým vedením pod velmi vysokým napětím, obvykle 110 000 V nebo 400 000 V. Dálkové vedení jste již jistě viděli. Jeho dráty jsou zavěšeny na vysokých ocelových stožárech, od nichž jsou izolovány mohutnými keramickými izolátory. Elektrický proud se z dálkového vedení odvádí do transformačních stanic, kde se napětí snižuje transformátory . Proud.o nízkém napětí se odvádí ke spotřebitelům, obvykle zemními kabely, někdy i vzdušným vedením. (viz. obrázek)
Na našem území se k rozvodu používá jen střídavý proud. Je to proud, jehož napětí kolísá nahoru a dolů, není stálé, jako je tomu u stejnosměrného proudu. Střídavý proud se používá proto, že lze jeho napětí v transformátorech měnit, zatímco stejnosměrný proud tímto způsobem měnit nelze.