Download - Elektrické pole a elektrický náboj
Elektrické pole a elektrický náboj
1. část
Elektrický náboj 1) vyjadřuje stav elektricky nabitých těles,2) vyjadřuje fyzikální veličinu, která je mírou tohoto stavu.
[Q] = C (coulomb)Elektrický náboj je vázán na částice látky.
jádro (protony, neutrony)
Látka → molekuly→ atomy obal (elektrony)
Elementární náboj:Qprotonu = +e = +1,602.10-19 C
Qelektronu = -e = -1,602.10-19 C
+
-
Kladný ion vznikne odtržením elektronů z obalu.Záporný ion vznikne připojením elektronů k obalu.• Elementární náboj je podle současných představ nedělitelný.• Náboj je kvantován (je celistvým násobkem e).Zákon zachování náboje: Celkový náboj se v elektrickyizolované soustavě nemění. Náboj nelze vytvořit ani zničit.
Vlastnosti elektrického nábojeZ neutrálního atomu se mohou stát ionty.
kladný ion záporný ion
Elektrický náboj se dotykem přenese na elektroskop, ručka a tyč se nabijí stejným nábojem a odpuzují se.
--- ---
Elektroskop. Elektrometr.Elektricky nabité těleso působí silou na jiná tělesa.
Dvě tělesa s nesouhlasnými elektrickými náboji senavzájem přitahují.Dvě tělesa se souhlasnými elektrickými náboji senavzájem odpuzují.
Vzájemné silové působení elektrických nábojů Bodový elektrický náboj – bod, do něhož soustředěn
veškerý náboj, jehož rozměry zanedbáme.
eFeF
1Q 2Q
+ +eFeF
1Q 2Q
+ -Vzájemné silové působení se
uskutečňuje prostřednictvím
elektrického pole.
Elektrické pole je v okolí elektricky
nabitého tělesa.
Velikost elektrické síly Fe, kterou na sebe působí dva bodové náboje, je přímo úměrná součinu velikostí nábojů Q1, Q2 a nepřímo úměrná druhé mocninějejich vzdálenosti r.Coulombův zákon platí v mikrosvětě, v megasvětě nebyl vyvrácen – - nelze se opřít o experimenty. C. z. platí pro náboj v klidu.
221
e r
QQkF
Coulombův zákon
+
r
eFeF
1Q 2Q
+ +eFeF
1Q 2Q
-
Charles Augustin de Coulomb (1736-1806), francouzský fyzik
221
e r
QQkF
4
1k
- permitivita prostředí
0 = 8,854.10-12 C2.N-1.m-2 - permitivita vakua
r - relativní permitivita (tabelována), ≥ 1
Konstanta úměrnosti k
Velikost konstanty úměrnosti k závisí na prostředí, v němžnáboje na sebe působí. k = 9 . 109 N . m2 . C-2 pro vakuum, přibl. pro vzduch
r0
221
r0e 4
1
r
QQF
Relativní permitivita
Voda 81 Dusík 1,000 528
Petrolej 2,1 Helium 1,000 066
Aceton 21,4 Vodík 1,000 252
Papír suchý* 2,6 Vzduch 1,000 536
Olej* 2,5 - 4,2 Diamant 5,5
Slída* 6 – 7 Sůl kamenná 5,9
Sklo* 4,9 – 6,9 Plexisklo* 3 – 4,5
Kapaliny při 20°C, plyny při 25°C, tlaku 101,325 kPa,
* izolanty
Q+
Intenzita elektrického pole- je vektorová veličina charakterizující elektrické pole.
Intenzita elektrického pole je definována podílem elektrické síly Fe, která působí na kladný bodový elektrickýnáboj Q/ v daném místě pole a velikosti tohoto náboje Q/.
/QeF
/e
QF
E
1C.N Q
FE e
+
Směr a velikost intenzity elektrického pole
Q+
E
Q-
EeF
/Q
Směr vektoru intenzity elektrického pole E je stejný,jako směr vektoru elektrické síly Fe, působící na kladnýelektrický náboj v tomto místě pole.
2e
||
r
QQkF
/
/Q
FE e /
/
Qr
QQk 2
||
2r
|Q|kE
Elektrické pole a intenzita elektrického pole 1. radiální (centrální)
Radiální pole je v okolí bodového náboje.Intenzita elektrického pole E směřuje od náboje, nebosměřuje do náboje .
+Q
E
Q
E
-
- mezi dvěma rovnoběžnými kovovými deskami - intenzita má všude stejný směr i velikost
+ -E
2. homogenní
Model elektrického pole (siločarový)
Siločára je myšlená čára, jejíž tečna sestrojená v každémjejí bodě určuje směr intenzity E.
+ -
E- dvou nesouhlasných nábojů
- dvou souhlasných nábojů
++
+ - Q
FE e
QEF e
Q
E
cos..sFW
cos21e ddFWe
cos... dEQWe
d
1d
+
2d
eF+
Na náboj Q působí elektrická síla Fe, která ho uvede do pohybu a posune ho o vzdálenost d. φ směr síly a vektoru posunutí. Elektrická síla vykoná elektrickou práci We.
Elektrická práce We
+ -
Vykonaná práce nezávisí na délce trajektorie, ale na vzdálenosti d.
Q
E
d++
eF+
+ náboj: 0° ≤ φ < 90° → W > 090° < φ ≤ 180°→ W < 0 φ = 0 → W = 0
- náboj: 0° ≤ φ < 90° → W < 090° < φ ≤ 180°→ W > 0 φ = 90° → W = 0
+
-
elektrická potenciální energie = práce elektrických sil při přemístění náboje z daného místa na Zem
Energie bodového náboje v elektrickém poli Ep
pFe EW
eF
Q
d
+
GF
pFG EW
h
m
QEdW Fe mghW FG
+ -E
d
Q+
Elektrický potenciál
Q
Wee -1J.Ce
Elektrický potenciál definujeme jako podíl práce W, kterou vykonají elektrické síly při přemístění kladného náboje Q do místa nulové intenzity a tohoto náboje.
QEdW
volt Ve
Q
QEde
Ede
+ -
Hladiny potenciálu (ekvipotenciální plochy)
Hladinu nejvyššího potenciálu tvoří kladná deska.Hladinu nulového potenciálu tvoří uzemněná deska.
e e
Ed e
V 0e0-e
Množina bodů elektrického pole se stejným potenciálemtvoří hladiny potenciálu.
d
Hladiny potenciálu radiálního elektrického pole
Hladiny potenciálu radiálního elektrického pole bodovéhonáboje jsou soustředné kulové plochy.
Q
E
Q
E
-+3e
2e1e
3e2e
1e
U
+ -
Elektrické napětí U
Absolutní hodnota rozdílu potenciálů mezi dvěma bodyelektrického pole je elektrické napětí.
1e2e U
(volt) VU
3e 2e 1e
e e
A B
U
+ -
e e
Vztah mezi intenzitou elektrického pole E a elektrickým napětím U v homogenním elektrickém poli
Ed e
eU
Elektrické napětí mezi kladnou a zápornou deskou jerovno součinu intenzity pole a vzdálenosti desek.
d
E
EdU
1V.m E