Transcript 07_1_S_Elektricky_naboj_a_elektricke_pole

Zavádění inovativních metod a výukových materiálů
do přírodovědných předmětů na Gymnáziu v Krnově
07_1_Elektrický náboj a elektrické pole
Ing. Jakub Ulmann
1 Elektrický náboj a elektrické pole
1.1 Elektrický náboj a jeho vlastnosti
1.2 Silové působení bodových nábojů. Coulombův zákon
1.3 Intenzita elektrického pole
1.4 Práce v elektrickém poli, elektrické napětí
1.5 Potenciální energie v elektrickém poli, elektrický
potenciál
1.6 Elektrické náboje nabitého vodivého tělesa
1.7 Vodič v elektrickém poli – elektrostatická indukce
1.8 Izolant v elektrickém poli – polarizace
1.9 Kapacita vodiče, kondenzátor
1.10 Elektrostatika v praxi
1 Elektrický náboj a elektrické pole
1.1 Elektrický náboj a jeho vlastnosti
Př. 1: Dítě na klouzačce je ve zvláštním stavu. Jak tento stav
popisujeme a čím je způsoben?
Velikost ……………………………………….popisuje fyzikální veličina
………………………….
Označení: Q
Jednotka: coulomb, značka C
Jaké jsou základní poznatky o náboji?
Látky obsahují dva druhy elektrického náboje
– kladný a záporný.
Kladný náboj nesou protony a kationty.
Záporný náboj nesou elektrony a anionty.
Elektrony je možné oddělit od látky podstatně
jednodušeji než protony (např. třením).
Opačné náboje se přitahují, souhlasné náboje
se odpuzují.
+
+
Pokus: Velikost elektrického náboje můžeme měřit
elektrometrem.
Princip elektrometru…
Třením novodurové tyče nabijeme
tělíska – odpuzují se navzájem i od tyče.
Třením o jelenici nabijeme skleněnou tyč
a přiblížíme k tělískům – přitahují se k tyči
 existují dva druhy náboje – kladný a záporný.
Např.: Třením o jelenici se tyč ze skla nabíjí kladně.
Př. 2: Kladné protony jsou vázány v jádrech a zůstávají
tedy v látce. Jak vysvětlíme vznikající kladný náboj
např. na skle.
Př. 3: Vezmeme železnou tyč a snažíme se ji nabít.
Ať třeme, jak třeme, nepodaří se to. Vysvětli.
Př. 4: Na základě předchozích pokusů popiš, jak vzniká
elektrický náboj. Co se děje na úrovni částic?
Př. 5: Mají neutrální tělesa elektrický náboj?
Pokus: Nabité těleso přitahuje vodivé elektricky neutrální
těleso.
Pokus: Nabité těleso přitahuje nevodivé elektricky neutrální
těleso např. papírky.
více kap. 1.7 a 1.8
Tělesa zelektrovaná a tělesa elektricky neutrální
se navzájem přitahují.
Pokus: Ping-pong s plechovkou.
Př. 6: Vysvětli, co se děje v plechovce v posledním pokusu.
Př. 5.2 Zelektrovanou tyč přibližujte ke kuličce zavěšené na
niti. Kulička se nejprve k tyči přitahuje, po dotyku s tyčí se
pak od ní odpuzuje. Vysvětlete.
Elementární náboj
Je náboj jednoho elektronu –e, nebo protonu +e.
Náboj zelektrovaného tělesa je vždy násobkem velikosti
elementárního náboje. Je to kvantová veličina.
19
Elementární náboj má velikost: e  1,60210 C
Náboj tělesa je dán počtem částic n: Q  ne
Př. 5.6 Kolik elementárních nábojů odpovídá náboji 1 C?
Coulomb je odvozen ze základní jednotky proudu - ampéru.
Q  It
Náboj jednoho coulombu projde průřezem vodiče při
proudu jednoho ampéru za jednu sekundu.
Žárovkou kapesní svítilny projde 1 C asi za 3 s.
Také se používá jednotka As (ampér sekunda) apod.
1C = 1 As
Př. 7: Jaké množství náboje dodá baterie v mobilu?
Př. 8: Autobaterie dodá náboj 200 000 C. Kolik to je Ah?
V elektrostatice mají bodové náboje velikost mnohem
menší: 1 nC, 1 C  Nehodí se jako zdroj energie.
Elektrony jsou částice s malou hmotností. Třením tedy tělesa
ztrácí nebo získávají hmotnost.
Úbytek hmotnosti při přechodu elektronů: m  nme
Hmotnost elektronu: me  9,11031 kg
Zákon zachování elektrického náboje
Celkový elektrický náboj se vzájemným zelektrováním
v izolované soustavě těles nemění.
Náboj nevznikne z ničeho, ale vzniká nahromaděním částic se stejným
nábojem.
Celkový nulový náboj v tělese je dán tím, že se účinky elektronů a
protonů ruší. Kladný náboj tam však je - všechny protony, podobně
záporný – všechny elektrony.
Při dotyku dvou bodových nábojů přechází elektrony a náboje se
vyrovnají. Pouze někdy vynulují.
Př. 7: Dvě malé kuličky nesoucí náboje Q1 = 80 nC,
Q2 = −20 nC jsou umístěny ve vakuu 10 cm od sebe.
Urči jaký budou mít náboj, když je necháme, aby se
dotkly.
1.2 Silové působení bodových nábojů. Coulombův zákon
Referát: Ch. A. Coulomb 1784 až 1806
Velikost elektrických sil,
kterými na sebe působí dva bodové náboje,
je přímo úměrná součinu jejich velikostí
a nepřímo úměrná druhé mocnině jejich vzdálenosti.
Napište vztah:
Konstanta úměrnosti k závisí na prostředí, ve kterém se
náboje nacházejí.
Pro vakuum má hodnotu: k = 8,9876 109 N  m2  C-2
Podobnost s Newtonovým gravitačním zákonem:
Hmotnost vždy kladná.
Síla přitažlivá.
Konstanta velmi malá.
Náboje kladné a záporné.
Síly přitažlivé i odpudivé.
Konstanta velmi velká.
Př. 1: Odhadněte a poté vypočítejte sílu, kterou by se odpuzovaly
2 bodové náboje o velikosti 0,01 C umístěné 0,5 m od sebe.
Př. 2: Urči elektrickou sílu, kterou se odpuzují 2 elektrony vzdálené
r = 10-9 m. Urči, kolikrát je elektrická síla větší než gravitační síla,
kterou se přitahují.
-11
31
19


6,67·10
me  9,110 kg e  1,60210 C
Př. 3: Dva protony na sebe působí v jádru elektrickou silou.
Proč drží pohromadě?
Coulombův zákon vyjadřujeme také pomocí permitivity 
(vhodnější pro odlišná prostředí než je vakuum nebo vzduch):
Fe 
1
4 0 r
Q1Q2
r
2
0 je permitivita vakua,
r je relativní permitivita daného prostředí
pro vakuum (prakticky i vzduch) je r = 1, jinak je r  1
Např. petrolej r = 2,1, voda r = 81
Síly mezi náboji v látkovém prostředí jsou vždy menší než ve vakuu.
Př. 4: Vypočítej permitivitu vakua.
Př. 5: Jak se změní elektrická síla mezi dvěma náboji, jestliže
je přesuneme do jiného prostředí s permitivitou 3?
Při výpočtu velikosti elektrických sil pomocí Coulombova zákona
dosazujeme pouze absolutní hodnoty elektrických nábojů.
Náboj je skalární veličina. Znaménko náboje neurčuje směr.
Znaménka určující kladnost či zápornost elektrického náboje nám
umožňují vyhodnotit, zda se jedná o síly přitažlivé,
nebo odpudivé.
Sbírka úloh – úlohy 5.1 až 5.15
Umět vyjádřit Q, kolikrát se zvětší síla jestliže se změní vzdálenost…
Náboj se špatně definuje…
Náboj je to,...
– co způsobuje elektrický proud svým pohybem.
– co se objeví na plastovém hřebenu, když si budete česat suché vlasy.
– co se projevuje jako kladný a záporný elektrický pól.
– co je příčinou elektrických sil.
– co je přenášeno elektrony, protony, pozitrony a dalšími částicemi.
– co vytváří světlo, když to rychle vibruje.
– co vytváří rádiové vlny, když to vibruje pomaleji.
– co když vibruje velice pomalu vytváří energii v elektrických obvodech.
– co vytváří magnetismus, když to proudí nebo rotuje.
– co odráží světlo a dělá objekty viditelnými.
– co je v nevodičích nehybně "zmrazené".
– čemu vědci kdysi říkali "elektrické množství" a "elektrické částice".
1.3 Intenzita elektrického pole
Kolem nabitého náboje můžeme zobrazit pomocí krupice
v oleji čáry. Krupice se natáčí ve směru působení náboje.
Říkáme, že elektrické náboje obklopují elektrická pole.
Pro popis pole kolem náboje Q upravíme Coulombův zákon:
+
Q
+
q
r
Qq
Fe  k 2
r
Pro odvození zavádíme označení q pro testovací (pomocný)
náboj v elektrickém poli.
Qq
Q
Fe  k 2  k 2  q  E  q
r
r
Zavedli jsme veličinu E, která popisuje elektrické pole kolem
náboje Q nezávisle na druhém náboji q.
Velikost E tedy vypočítáme:
Q
Fe
E
k 2
q
r
Elektrické pole v určitém místě v blízkosti nabitého tělesa
popisuje vektorová veličina intenzita elektrického pole E.
Je to síla, která by v daném místě působila
na jednotkový náboj (na náboj 1 C).

 Fe
E
Q
Intenzita má směr podle elektrické síly Fe, která by v daném
místě působila na testovací náboj.
Jednotkou intenzity elektrického pole je newton na coulomb.





Fe
E 
 N .C 1
q
Sílu na náboj určíme jako součin velikosti tohoto náboje a
elektrické intenzity v daném místě.
Fe  QE
Př. 1: Urči vzdálenost, ve které má elektrické pole buzené
nábojem Q = 2⋅10-6 C ve vakuu intenzitu E = 1 N⋅C-1.
Př. 2: Urči intenzitu elektrického pole v místě, ve kterém na
náboj Q = 3⋅10-7 C působí síla 0,2 N.
5.17 V homogenním elektrickém poli o intenzitě 4105 N  C–1
je umístěn náboj 25 C. Jak velkou silou působí pole na
náboj?
Př. 3: Znázorni pomocí vektorů intenzitu radiálního
elektrického pole v různých místech kolem náboje.
x
x
x
x
Elektrické siločáry
Elektrické pole znázorňujeme pomocí siločar.
Siločáry jsou takové křivky, že v každém jejich bodě získáme
směr intenzity sestrojením tečny v daném bodě.
Siločáry vystupují z kladně nabitých těles.
Je to směr působení na kladný
testovací náboj (dohodnutý směr).
Je to cesta, kudy by se kladný
náboj pohyboval.
+
Každým místem prostoru prochází
právě jedna siločára.
Siločáry se nekříží.
Radiální elektrické pole
d
Homogenní elektrické pole
Homogenní pole je mezi dvěma rovnoběžnými deskami,
které nesou stejně velké náboje opačného znaménka.
Intenzita tohoto pole má v každém bodě stejný směr a
velikost. K výpočtu používáme základní vztah:

 Fe
E
Q
Q
Nelze však použít vztah pro bodový náboj: E  k 2
r
Elektrické pole dvou nesouhlasných nábojů
V každém místě je výsledná intenzita, která je vektorovým
součtem obou intenzit viz. př. 5.23.
Elektrické pole dvou souhlasných nábojů
5.23 V bodech A, B jsou umístěny bodové náboje
QA = 8  10–8 C, QB = –8  10–8 C . Určete velikost intenzity
elektrického pole:
a) ve středu C úsečky AB,
přičemž AC = r = 40 cm,
b) v bodě D, který leží
na ose úsečky AB,
přičemž CD = 30 cm.
Sbírka úloh – úlohy 5.16 až 5.24
1.4 Práce v elektrickém poli, elektrické napětí
Př. 1: Spočítej sílu, která působí náboj o velikosti 2⋅10-5 C,
který se nachází v homogenním elektrickém poli o intenzitě
2 500 N⋅C-1.
+
-
E
Fe
+
d
Pro mechanickou práci platí vztah:
Pokud působíme silou ve směru dráhy:
Jakou práci vykoná elektrické pole, přemísťujeme-li náboj Q
z levé desky na pravou, z bodu A do bodu B?
WAB  Fe  d  Q  E  d
+
Vyjádříme součin E  d
WAB
E d 
Q
A
-
E
Fe
+
B
d
Je to práce podělená nábojem,
tedy práce, kterou vykoná elektrické pole při přenesení
jednotkového náboje.
Stejným způsobem je definováno elektrické napětí U
U AB
WAB

Q
Napětí UAB mezi dvěma body A, B elektrického pole
je definováno jako podíl práce vykonané elektrickou silou
při přenesení bodového náboje z bodu A do bodu B a
tohoto náboje.
Hodnota UAB udává, jak velkou práci pole vykoná při
přemístění náboje 1 C z místa A do místa B.
Napětí 1 V znamená, že při přesunu náboje 1 C vykoná
elektrické pole práci 1 J.
Napětí 12 V při přesunu 1 C vykoná práci 12 J.
Větší napětí vykoná větší práci…
Analogie se spojenými nádobami.
Př. 2: Přiřaďte uvedené veličiny k šipkám a odhadněte
analogické veličiny elektrické:
průtok
rozdíl hladin
výšky hladin
objem vody
škrtící ventil
Větší rozdíl hladin způsobí, že při přenesení stejného
objemu vody, vykoná vodní soustava více práce.
Př. 3: V čem je výhodnější baterie 4,5 V oproti článku 1,5 V?
Vztah U  E  d jsme odvodili při posunutí náboje
ve směru elektrických siločar v homogenním poli.
V jiných případech je výpočet složitější.
Napětí se vždy určuje (počítá, měří) mezi dvěma body.
Napětí nezávisí na velikosti náboje.

W J
U     V
Jednotka napětí: volt
Q C

U V

Jednotka intenzity: volt na metr E  

d m
-1
(používanější než N ∙ C )
Sbírka úloh – úlohy 5.25, 5.26, 5.31 až 5.36
5.25 Působením elektrické síly se přemístí částice s nábojem
10 C v homogenním elektrickém poli o intenzitě 104 V ∙ m–1
po dráze 10 cm. Jakou práci síla vykoná, působí-li
a) ve směru intenzity pole,
b) kolmo ke směru intenzity pole?
5.26 Přenesením náboje 5 C z uzemněné vodivé desky
na kladně nabitou desku byla vykonána práce 1 J. Desky jsou
rovnoběžné a jejich vzdálenost je 20 cm. Určete směr a
velikost intenzity elektrického pole mezi deskami.
5.31 Při přenesení náboje 0,25  C mezi dvěma izolovanými
vodiči byla vykonána práce 10–3 J.
Jaké je elektrické napětí mezi vodiči?
5.32 Mezi rovnoběžnými vodivými deskami, jejichž
vzdálenost je 10 cm, bylo naměřeno napětí 1 000 V. Určete:
a) velikost intenzity elektrického pole mezi deskami,
b) práci, kterou vykoná elektrická síla při přenesení náboje
1 C z jedné desky na druhou desku.
1.5 Potenciální energie v elektrickém poli, elektrický
potenciál
Podobnost s potenciální energií tíhového pole - je nulová
na zemi, zmenšuje se padá-li těleso k zemi atd. Pochopení potenciální
energie Země a její souvislosti s konáním práce je zásadní.
Potenciální energie bodového náboje závisí na jeho poloze
v elektrostatickém poli. Značíme ji Ep.
Potenciální energie je skalární veličina (Její označení
podobné intenzitě může být matoucí).
+
A
B
+
C
Za místo s nulovou potenciální
energií bereme zemi nebo
tělesa vodivě spojená se zemí
(poloha C).
V poloze A má náboj větší
potenciální energii než v B.
(Elektrické pole může konat práci.)
+
+
A
Fe
B
C
Při pohybu ve směru působení elektrostatické síly se jeho
potenciální energie zmenšuje, při pohybu proti
elektrostatické síle se zvětšuje.
Práce při přemístění náboje z A do B vykonaná elektrickou
silou je rovna úbytku potenciální energie: WAB  E pA  E pB
Vydělíme nábojem:
WAB E pA E pB


q
q
q

Ep
+
+
Fe
A
B
q
Podíl potenciální energie Ep bodového náboje v určitém
místě elektrického pole a tohoto náboje q nazýváme
elektrický potenciál  v daném bodě pole.
U AB   A   B
Napětí mezi dvěma body elektrického pole je rovno rozdílu
jejich potenciálů.
Jednotkou elektrického potenciálu je volt.
Intenzita je síla na jednotkový náboj.
Napětí je práce na jednotkový náboj.
Potenciál je potenciální energie na jednotkový náboj.
5.27 Při přenesení náboje 50  C z místa nulového
potenciálu na izolovaný vodič byla vykonána práce 0,2 J.
Jaký potenciál má vodič vzhledem k zemi?
5.28 Jakou práci vykoná elektrická síla při přemístění náboje
12  C mezi dvěma body elektrického pole, mezi nimiž je
potenciální rozdíl 500 V?
5.29 Vodič A má vzhledem k zemi elektrický potenciál +120
V, vodič B potenciál –80 V.
Jak velký elektrický náboj přeneseme z vodiče B na vodič A,
jestliže vykonáme práci 2 .10–4 J?
Ekvipotenciální plochy
Hladiny stejného potenciálu jsou
ekvipotenciální plochy kolmé
k siločarám intenzity.
V homogenním poli jsou
ekvipotenciální plochy
rovnoběžné s deskami.
Platí zde: U  E  d
U
E
d
Při pohybu náboje ve směru
plochy, kolmo na intenzitu
se nekoná práce, nemění se
potenciální energie.
Př. 1: Podle uvedené definice zakresli a popiš
ekvipotenciální plochy radiálního pole.
5.30 Elektrický bodový náboj Q vytváří elektrické pole,
jehož ekvipotenciální hladiny jsou zakresleny na obr.
Určete práci, kterou vykoná elektrická síla
při přemístění náboje 1 C
a) z bodu A do bodu B,
b) z bodu A do bodu C.
1.6 Elektrické náboje nabitého vodivého tělesa
(u bodového náboje zanedbáváme rozměry, u tělesa ne)
Dáme-li doprostřed vodiče 2 elektrony, budou se
odpuzovat.
-
-
-
-
Náboj na tělese kulového tvaru se ze stejného důvodu
rozmístí na povrchu vodivého tělesa, a to v jedné nebo
dvou vrstvách.
Uvnitř tělesa je pak
intenzita nulová.
Nezáleží, zda je koule
plná nebo dutá.
Vodivé nabité těleso,
které má elektrický náboj
pouze na svém povrchu,
se nazývá Faradayova klec.
-
-
-
-
-
Význam: ochrana před bleskem - automobil, plechová
bouda na horách, stínění vodičů s televizním signálem…
Na tělese kulového tvaru je náboj rozložen rovnoměrně.
Na nepravidelném tělese je plošná hustota náboje
rozložena nepravidelně (nejvíce na hranách a hrotech,
nejméně v dutinách).
-
-
-
Pokus: sršení náboje
- - - -
-
-
1.7 Vodič v elektrickém poli – elektrostatická indukce
Pokus s kutálející se plechovkou v el. poli.
Elektrostatická indukce je děj,
ke kterému dojde při umístění
izolovaného kovového vodiče
do elektrického pole.
Vznikne dočasné elektrické pole
i ve vodiči a způsobí pohyb
volných elektronů.
Jedna strana vodiče se nabije
kladně a druhá záporně.
1.8 Izolant v elektrickém poli – polarizace
Jednoduchý pokus – prach, papírky apod. jsou přitahovány
el. polem.
Vložíme-li do elektrického
pole izolant (dielektrikum),
dojde k polarizaci dielektrika.
Uvnitř atomu se např.
posunou jádra a elektrony…
Intenzita elektrického pole uvnitř dielektrika se r – krát
zmenší.
1.9 Kapacita vodiče, kondenzátor
Připojíme-li osamocený vodič ke svorce stejnosměrného el.
zdroje, na kterém se udržuje trvale potenciál (napětí),
přejde určité množství náboje na tento vodič.
Čím větší potenciál připojíme, tím bude na vodiči větší
náboj - přímá úměra:
Q  C
Konstanta úměrnosti C se nazývá kapacita a je fyzikální
veličina. Závisí např. na ploše – viz. deskový kondenzátor.
Pro kapacitu pak platí:
C
Q

Její jednotkou je farad F. Používá se F, nF, pF
Př. 1: Urči náboj, který se shromáždí uvnitř kondenzátoru o
kapacitě 2200 F pokud ho nabijeme na potenciál 16 V.
Př. 2: Urči potenciál, na který bychom museli nabít
kondenzátor o kapacitě 2200 F , aby se v něm
nashromáždil náboj 1 C.
Pozn.: 1 farad je obrovská kapacita podobně jako 1 coulomb.
Kondenzátory
Typy: otočné vzduchové, papírové svitkové…
Využití: fotografický blesk, paměť v počítačích, časovače...
Deskový kondenzátor je soustava dvou plochých vodičů
(plíšků) oddělených od sebe vrstvou dielektrika - vzduch,
slída, papír apod.
U
+ E
Náboje na deskách kondenzátoru
o plošném obsahu S jsou přímo
úměrné napětí mezi deskami,
které jsou ve vzdálenosti d.
d
Kapacita deskového kondenzátoru s dielektrikem:
Q  0 r S
C 
U
d
S je účinná plocha, tj. plocha překrývajících se částí, čehož
se využívá ke změně kapacity otočného kondenzátoru.
5.48 Určete kapacitu deskového vzduchového
kondenzátoru, jehož obdélníkové desky o rozměrech 20 cm
a 30 cm jsou ve vzájemné vzdálenosti 6 mm.
5.49 Určete kapacitu deskového kondenzátoru s účinnou
plochou desek 200 cm2 se slídovým dielektrikem při
vzájemné vzdálenosti desek 3 mm. Relativní permitivita
dielektrika εr = 6.
Sbírka úloh – úlohy 5.43 až 5.52
Paralelní zapojení kondenzátorů
Dva paralelně spojené kondenzátory
mají výslednou kapacitu:
C = C 1 + C2
Napětí je všude stejné:
U = U1 = U2 = konst.
Q
A protože C  ,
U
po dosazení do prvního vztahu:
Q Q1 Q2


U U U
dostáváme: Q = Q1 + Q2
Př. 3 Jaká je celková kapacita dvou kondenzátorů o stejné
kapacitě 400 pF spojených paralelně? Jaké náboje budou
na jednotlivých kondenzátorech, jestliže je připojíme
na napětí 24 V?
Př. 4: Tři kondenzátory o kapacitách 2 nF, 3 nF a 6 nF
spojíme paralelně. Určete a) výslednou kapacitu tohoto
spojení, b) náboje na jednotlivých kondenzátorech,
jsou-li připojeny na napětí 300 V.
Př. 3 Jaká je celková kapacita dvou kondenzátorů o
kapacitě 0,2 nF a 0,4 nF spojených paralelně? Jaké náboje
budou na jednotlivých kondenzátorech, jestliže je
připojíme na napětí 12 V?
Sériové zapojení kondenzátorů
Napětí se rozděluje:
U = U 1 + U2
Na každém kondenzátoru bude
stejný náboj a celkový náboj
je stejný jako náboje
na každém kondenzátoru.
Q = Q 1 = Q2
Q Q Q
 
Po dosazení za napětí:
C C1 C2
1 1
1
 
C C1 C2
Dva sériově spojené kondenzátory mají výslednou kapacitu:
 Na kondenzátoru s menší kapacitou, musí být větší napětí
(neboť Q = C U).
5.54 Jaké kapacity můžeme získat spojením dvou
kondenzátorů o stejné kapacitě 500 pF?
5.56 Tři kondenzátory o kapacitách 2 nF, 3 nF a 6 nF
spojíme sériově. Určete a) výslednou kapacitu tohoto
spojení, b) napětí na jednotlivých kondenzátorech, je-li
celá baterie připojena na napětí 300 V.
5.57 Určete výslednou kapacitu
tří kondenzátorů spojených
podle schématu.
Energie elektrického pole nabitého kondenzátoru
Při nabíjení a vybíjení kondenzátoru dochází k pohybu
náboje. Elektrické síly zdroje konají práci při nabíjení,
nabitý kondenzátor má elektrickou energii a při vybití
koná kondenzátor stejně velkou elektrickou práci.
1
E  CU 2
2
Př. 4: Nabitý kondenzátor fotoblesku o kapacitě 800 F
má napětí 500 V. Jaká energie se spotřebuje při záblesku,
jestliže se kondenzátor plně vybije?
1.10 Elektrostatika v praxi
Zelektrování těles se provádí mechanickým třením
nestejnorodých látek. Příklady, kdy takto vzniklý náboj
přináší technické problémy či nebezpečí:
oPřečerpávání těkavých a hořlavých látek - nahromaděný
náboj může způsobit výbuch nebo požár.
oBěžící řemeny, dopravníkové pásy, textilie.
oPohyb letadel - při průletu mrakem zůstává na kovové
kostře záporný náboj.
oStatická elektřina může zničit elektroniku apod.
Naopak elektrostatiku můžeme využívat: laserové kopírky a
tiskárny, odlučovače, elektrostatické nanášení barev.
Elektrostatický odlučovač
Jedním z typů odlučovačů prachu je
v podstatě uzemněná kovová roura,
kterou prochází čištěný plyn. V ose je
izolovaně upevněn napnutý ocelový
drát připojený ke zdroji o napětí až
-100 kV.
Prachové částice jsou silně přitahovány
k drátu, dotykem s ním se souhlasně
zelektrují a následně jsou jím
odpuzovány a naopak přitahovány
ke stěnám roury (99 % popílku).
Odtud se pak občas mechanicky
sklepávají do zásobníku.
Laserová kopírka
Kovový válec s vrstvou polovodiče na povrchu je nabit z korony.
V místě, kde má být na papír vytištěn nějaký znak, je válec osvícen
laserem (deflektor propouští nebo nepropouští světlo), tím dojde ke
snížení odporu polovodiče a náboj z povrchu se vybije do středu
válce.
Toner, což je suchý jemný prášek,
je vlivem otáčení válce nabit
na stejnou polaritu
jako povrch válce
a přilne k němu
pouze na místech,
kde byl odstraněn náboj.
Papír je nabit opačným nábojem
než povrch válce a toner.
Následně je toner vlivem vysoké teploty okolo 180˚C roztaven
a zapečen do papíru.
Elektrostatické stříkání
Barva ve stříkací pistoli prochází
silným elektrickým polem.
Všechny částice barvy se v něm
nabijí záporným nábojem,
vzájemně se odpuzují a vytvářejí
kužel kapiček stříkané barvy.
Kladným protějškem je uzemněný díl, na který se má
nanést barva. Nabité částice se pohybují ve směru
siločar elektrostatického pole a s minimálními ztrátami
se zachycují na povrchu stříkaného předmětu.
Elektrostatickým nanášením barev se dosáhne vysoké
kvality nátěru.
Použitá literatura a zdroje:
[1] Doc. RNDr. Oldřich Lepil, CSc., PaedDr. Přemysl Šedivý: Fyzika pro
gymnázia – Elektřina a magnetismus, Prometheus, Praha 2001
[2] Doc. RNDr. Oldřich Lepil, CSc., RNDr. Milan Bednařík, CSc., doc.
RNDr. Miroslava Široká, CSc.: Fyzika – Sbírka úloh pro střední školy,
Prometheus, Praha 2010
[3] Mgr. Jaroslav Reichl: Klíč k fyzice, Albatros, Praha 2005
[4] Mgr. Jaroslav Reichl, www.fyzika.jreichl.com
[5] Mgr. Martin Krynický, www.realisticky.cz
[6] Česká televize, pořad Rande s Fyzikou
Autor prezentace a ilustrací:
Ing. Jakub Ulmann
Fotografie použité v prezentaci:
Na snímku 1: Ing. Jakub Ulmann
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Static_slide.jpg?uselang=cs
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Electroscope.png