 |
 |
Zápisy do sešitu: El. náboj a síla Elektrické pole Práce v el. poli Rozložení náboje na vodiči Vodič v el. poli Izolant v el. poli Kapacita, kondenzátor El. proud Vodiče, polovodiče, nevodiče Prakt. práce: měření VA char. rezistoru Ohmův zákon Rezistor, reostat, potenciometr Spojování rezistorů Ohmův zákon pro celý obvod Kirchhoffovy zákony Vlastní polovodič Termistor Fotorezistor Dioda - pokusy Příměsový polovodič Princip diody Usměrňování diodou Graetzovo zapojení Praktické ovládání generátoru a osciloskopu Náhr. schéma diody Kondenzátor ve střídavém obvodu Kapacita diody VA char. diody a Zenerovy diody Zdvojovač napětí Televize a osciloskop Urychlování elektronů Vychylovací destičky Stacionární magnetické pole Magnetická síla (zač. a pokr.) Magn. poli přímého vodiče Mag. pole závitu a cívky Nabitá částice v mag. poli Shrnutí televize a osciloskopu Síla působící mezi dvěma vodiči Stejnosměrný elektromotor Magnetické vlastnosti materiálů Elektromagnet El. zvonek Elmag. relé Druhy elektromotorů Elmag. indukce - vznik ind. napětí Faradayův zák. elmag. ind. Magn. ind. tok Ind. proud Vířivé proudy Vl. indukce Zhášecí obvody cívek Rekuperační dioda Energie el. a mag. pole El. proud v plynech Jiskrový výboj Obloukový výboj Doutnavý výboj Koróna, katodové a kanálové záření LED Žárovka Bipolární tranzistor Unipolární tranzistor Operační zesilovač Práce a výkon Ef. hodnota proudu Regulace výkonu Tyristor Přenos rádiového signálu Amplitudová modulace Frekvenční modulace Sériový RLC obvod Fázorový diagram Elmag. oscilátor Výkon v RLC obvodu Amplitudová demodulace (krystalka) Frekvenční demodulace Rádiový přijímač Stereofonní vysílání Televize El. proud v kapalinách
2. hodina - pondělí 8.9.2003
Třeme-li dvě tělesa o sebe, může část elektronů z
povrchu jednoho tělesa přejít na druhé a obě se stanou elektricky nabitými.
Př. skleněná tyč třená kůží se nabíjí kladně, umělohmotná tyč třená
kožešinou se nabíjí záporně
Existují dva druhy el.náboje - kladný a záporný. Náboje stejného znaménka se odpuzují, nestejného přitahují.
POKUS: Zelektrujeme umělohmotnou tyč (má záporný náboj) a dotkneme se s ní kuličky z pozlátka zavěšené na niti. Tím se kulička nabije na náboj stejný jako je náboj tyče a odpuzuje se od ní. Když ke kuličce přiblížíme zelektrovanou skleněnou tyč (kladně nabitá), tak se k ní naopak přitahuje.
Fyzikální veličina elektrický náboj Q, jednotka coulomb C.
Nejmenší možný náboj, který může částice nebo těleso mít - elementární náboj e = 1,602.10-19 C. Všechna tělesa mohou mít jen celočíselný násobek tohoto náboje. Kladný elementární náboj má proton, záporný elektron.
Zákon zachování náboje: V izolované soustavě se zachovává celkový elektrický náboj (neboli: Elektrický náboj je nestvořitelný a nezničitelný).
Síla působící mezi dvěma bodovými náboji ve vakuu - Coulombův zákon
|
|
e0........permitivita
vakua, e = 8,854.10-12 C2N-1m-2
Jsou-li náboje v nějakém prostředí, dá se místo e0
permitivita tohoto prostředí (značka e). Např.
pro vzduch je prakticky stejná jako pro vakuum.
Síla je odpudivá, jsou-li náboje stejného znaménka, a přitažlivá u nábojů
opačného znaménka.
Coulombův zákon je značně podobný Newtonovu gravitačnímu
zákonu 
.
Podobnosti:
obě síly závisí nepřímo úměrně na kvadrátu vzdálenosti
obě síly závisí přímo úměrně na charakteristických vlastnostech (hmotnosti, náboji) obou těles
Rozdíly:
gravitační síla vždy přitažlivá, elektrická přitažlivá nebo odpudivá
u el. síly je konstanta úměrnosti mnohem větší (k = 6,67.10-11 m2Nkg-2) => je mnohem silnější než grav, síla.
| POKUS: Elektrostatické kyvadélko - vodivá kulička mezi dvěma nestejně nabitými deskami. Dotkne se jedné desky, tím se nabije na stejný náboj jako má deska a odpuzuje se od ní ke druhé desce, té se dotkne, nabije se stejným nábojem jako ona, odpuzuje se od ní atd. Kulička tak kývá mezi deskami. |  |
DOMÁCÍ ÚKOLY:
1. Experimentálně určete nějaké další materiály, které lze zelektrovat
třením o sebe.
Několik řešení: Hřeben a vlasy, pokožka a mikrotenový sáček (dále oblečení,
basketbalový míč, ...), pravítko a oblečení, ...
2. Jakou hmotnost by musel mít elektron, aby gravitační přitažlivá síla mezi dvěma elektrony v klidu ve vakuu byla stejně velká jako elektrická síla, kterou se odpuzují? (Řešení tohoto příkladu můžete zkontrolovat zde).
3. hodina - čtvrtek 11.9.2003
| Přístroj na indikaci el. náboje -
elektroskop
Zelektrovanou tyčí nabijeme kovovou čepičku - vodivě spojena s ručkou - ručka i spojovací tyč se nabijí stejným nábojem a odpuzují se. Čím větší je výchylka, tím větší je náboj elektroskopu. |
 |
Jak částice s nábojem pozná, že na ni působí elektrická síla od nějakého nabitého tělesa? Nachází se v elektrickém poli.
V okolí každého nabitého tělesa je elektrické pole. Je to oblast, ve které na jiná nabitá tělesa působí elektrická síla.
Popis el. pole: Dáme do el. pole testovací částici s malým
nábojem q. Na tu působí síla F. Definujeme intenzitu
el. pole E vztahem 
.
Má směr síly, která v daném místě působí na kladný náboj.
Důležité: Síla je vlastnost el. pole a
testovací částice. Intenzita el. pole je pouze
vlastnost el. pole. Např. v okolí bodového náboje Q ve
vakuu působí na testovací náboj q síla o velikosti 
a velikost intenzity el. pole v daném místě je tedy 
- závisí jen na místě a náboji, který vytváří el. pole. Nezávisí na
testovacím náboji!!
Znázornění el. pole - siločáry - myšlené čáry, jejichž tečna v každém bodě má směr intenzity el. pole (síly působící v daném místě na kladný testovací náboj).
Siločáry el. pole:
 el. pole v okolí kladného náboje |
 el. pole v okolí záporného náboje |
 el. pole v okolí dvou kladných nábojů |
 el. pole v okolí dvou záporných nábojů |
 el. pole v okolí kladného a záporného nábojů |
 homogenní el. pole |
DOMÁCÍ ÚKOL:
Jak velká elektrická síla by působila mezi dvěma měděnými
plíšky s hmotností jednoho gramu ležící ve vzdálenost deseti metrů od
sebe, kdyby každá z nich měla o jedno procento více elektronů než protonů?
(Řešení tohoto příkladu můžete zkontrolovat zde).
4. hodina - čtvrtek 18. 9. 2003
Elektrické pole tvořené více tělesy - princip superpozice: Celková intenzita el. pole je vektorovým součtem jednotlivých intenzit, E = E1+E2.
 |
 |
 |
| Když je směr síly shodný se "směrem"
dráhy ...... W = F.d = qEd
Práce je úměrná velikosti náboje, který přemisťujeme. Konstanta úměrnost je Ed. Zavádí se elektrické napětí U = Ed, jednotka volt V. W = qU. Práce nezávisí na konkrétní dráze, ale jen na poloze počátečního a koncového bodu (pole je potenciální). |
 |
Tedy práce je rovna rozdílu potenciálních energií náboje v počátečním a koncovém bodě, W = EpA - EpB = qUAB
.
Zavádí se elektrický potenciál j =Ep/q. Je to vlastnost elektrického pole, stejně jako intenzita. Napětí UAB = jA - jB - je to rozdíl potenciálů.
| Porovnání: | Vlastnosti el. pole: intenzita E, potenciál j |
| Vlastnosti konkrétní částice v konkrétním poli: síla F, potenciální energie Ep |
Znázornění el. pole - ekvipotenciální plochy - místa se stejným potenciálem. Jsou kolmá na siločáry (když jde náboj po ekvipotenciální ploše, nekoná se práce. Tedy "směr" dráhy musí být kolmý na směr síly a ten je dán směrem siločáry).
Ekvip. plochy v rad. poli 
Potenciál v radiálním poli náboje Q je dán 
DOMÁCÍ ÚKOL:
Ověřte, že vztah pro práci platí i tehdy, když směr síly není rovnoběžný
se "směrem" dráhy(jako na obr. dole).
(Řešení tohoto příkladu můžete zkontrolovat zde).
5. hodina - pondělí 22. 9. 2003
Ekvipotenciální plochy v homogenním poli - roviny
Měření el. napětí - voltmetr - zapojuje se paralelně k přístroji
("vedle něho").
Izolovaná nabitá vodivá koule - náboj je rovnoměrně rozložen na
povrchu.
Plošná
hustota náboje s na povrchu tělesa
...
(náboj na malé
plošce dělený obsahem plošky). Největší v těch místech
vodiče, která jsou nejvíce zakřivena směrem ven (hrany, hroty), nejmenší
je v dutinách (nulová v uzavřených dutinách).
V okolí vodivé koule nabité nábojem Q je elektrické pole stejné jako v okolí bodového
náboje Q, který by byl v místě středu koule.
Velikost intenzity elektrického pole na povrchu koule poloměru
R ve vakuu je 
Uvnitř koule je intenzita el. pole nulová (jinak by jí tekl
el. proud). Povrch koule je S = 4pR2,
po dosazení do předchozího vztahu 
a po dosazení plošné hustoty náboje
Platí pro intenzitu el.
pole u povrchu nabitého vodiče jakéhokoliv tvaru ve vakuu.
V prostředí o permitivitě e ...... 
El. pole je nejsilnější tam, kde je největší hustota náboje ... u hrotů a hran.
Elektrický vítr
Ostrý hrot => silné el. pole => ionizace molekul vzduchu
(ztratí elektron) => nabité ionty se odpuzují od hrotu a strhávají
ostatní molekuly vzduchu => vítr. Pokus se svíčkou.
DOMÁCÍ ÚKOL: Určete průběh elektrického potenciálu v závislosti na vzdálenosti
od záporně nabité desky
v homogenním elektrickém poli
(Řešení tohoto příkladu můžete zkontrolovat zde).
6. hodina - čtvrtek 25. 9 2003
Elektrostatické filtry
| Zachycování popílku vyletujícího z komína (např. v elektrárnách). Částečky popílku se z napnutého drátu s potenciálem až -100 kV záporně nabijí => jsou odpuzovány k uzemněným stěnám filtru a vlastní vahou se sesouvají dolů. |  |
Elektrostatická indukce - přiblížíme-li nabité těleso k vodiči, elektrony ve vodiči se přesunou do blízkosti tělesa ( na druhé straně tak zbude kladný náboj); obráceně se záporně nabitými tělesy.
| Vodič v homogenním el. poli - el.
pole je nenulové jen v okolí vodiče, ve vodiči je nulové (jinak by na
náboje působila síla a vodičem by tak tekl el. proud).
Kdybychom teď vodič rozdělili na dva kusy, bude jeden z nich nabitý záporně a druhý kladně (pokus). |
 |
Polární dielektrika - jejich částice (molekuly) mají kladnější a zápornější část (např. molekula vody) ("těžiště" kladného a záporného náboje jsou na různých místech, molekuly nejsou symetrické)
Nepolární dielektrika - "těžiště" kladného a záporného náboje jsou na tomtéž místě, molekuly jsou symetrické)
Polarizace
- u polárních dielektrik se částice natočí, u nepolárních se přemístí
elektrony (ale jen v rámci jedné částice) a částice se
zpolarizují. V izolantu se vytvoří el. pole E - menší
a s opačným směrem než vnější el. pole E1.
Celkové el. pole je tak zeslabeno. Definujeme relativní permitivita er
dielektrika,  .
Je vždy větší než jedna. Permitivita prostředí e = e0er. |
 |
Mezi el. nabitými a zpolarizovanými tělesy působí el. síla (pokusy - vychylování praménku vody, "nalepování" brček či papíru na zeď, polystyrenu na tyč, ...).
Náboj Q na izolovaném vodiči je přímo úměrný potenciálu vodiče, Q = C.j.
C ... konstanta úměrnosti - kapacita vodiče - závisí na tvaru a velikosti vodiče, jednotka 1 F (farad).
7. hodina - pondělí 29. 9 2003
Součástka s kapacitou - kondenzátor - př. dvě rovnoběžné desky od sebe izolované dielektrikem (např. vzduch, papír). Na jedné desce je náboj Q,na druhé -Q. Mezi deskami je elektrické pole o intenzitě
kde d je vzdálenost mezi deskami kondenzátoru a U napětí mezi nimi. Mezi nábojem na kondenzátoru a napětím mezi deskami platí vztah
Q = C.U
Kapacita deskového kondenzátoru, který má plochu desek S (plocha, kterou se desky překrývají) a jejich vzdálenost d a je vyplněn dielektrikem s permitivitou e, je
Odvození:
Mezi deskami kondenzátoru nabitého s konstantní plošnou hustotou s je homogenní elektrické pole o intenzitě
(1)
Mezi napětím mezi deskami, nábojem na kondenzátoru a jeho kapacitou platí vztah
(2)
a zároveň platí mezi napětím a intenzitou elektrického pole vztah
U = Ed, (3)
Z těchto tří rovnic vypočteme kapacitu jako funkci permitivity, plochy desek a jejich vzdálenost. Dosazením z (2) do (3) máme
(4)
Dosazením z (1)
(5)
a dosazením za plošnou hustotu náboje
Schematická značka kondenzátoru
Spojování kondenzátorů
Paralelní zapojení
Oba dva kondenzátory se nabijí na napětí zdroje U. Na desky
kondenzátoru se musí přivést celkový náboj Q, přičemž ten je součtem
nábojů přivedených na jednotlivé kondenzátory, Q = Q1+Q2.
Vyjádříme-li v tomto vztahu náboje pomocí napětí (která jsou všude
stejná) a kapacit, máme CU = C1U+C2U a
po vykrácení je
C = C1+C2,
kde C je kapacita kondenzátoru, kterým můžeme nahradit kondenzátory C1 a C2, aniž by se poměry v obvodu změnily.
Sériové spojení kondenzátorů
Na krajních deskách obou kondenzátorů připojených ke zdroji napětí se
objeví náboj +Q a -Q. Na protějších deskách příslušných
kondenzátorů se elektrostatickou indukcí vytvoří náboj -Q a +Q
(obr. 9). Kondenzátory jsou zapojeny sériově, čili součet napětí na nich
je roven napětí zdroje, U = U1+U2. Vyjádříme-li
v tomto vztahu napětí pomocí nábojů a kapacit, máme 
a po vykrácení je
,
kde C je kapacita kondenzátoru, kterým můžeme nahradit kondenzátory C1 a C2, aniž by se poměry v obvodu změnily.
Určete kapacitu koule s poloměrem R ve vakuu.
Vyjdeme z definičního vztahu pro kapacitu
Q = C.j (1),
kde Q je náboj na kouli a j je její potenciál.
Potenciál na povrchu koule s poloměrem R je
Dosadíme do (1) a máme C = 4pe0R
DOMÁCÍ ÚKOL: Odhadněte přibližně kapacitu lidského těla.