Transcript Elektrický náboj a elektrické pole II

SOUBOR PREZENTACÍ
FYZIKA PRO III. ROČNÍK GYMNÁZIA
F12 - ELEKTRICKÝ NÁBOJ A ELEKTRICKÉ POLE II
Mgr. Alexandra Bouchalová
Gymnázium, Havířov-Město, Komenského 2, p.o
Tato prezentace vznikla na základě řešení projektu OPVK, registrační číslo: CZ.1.07/1.1.24/01.0114 s názvem
„PODPORA CHEMICKÉHO A FYZIKÁLNÍHO VZDĚLÁVÁNÍ NA GYMNÁZIU KOMENSKÉHO V HAVÍŘOVĚ“
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
ELEKTRICKÝ NÁBOJ A ELEKTRICKÉ POLE II
 Elektrické pole nabitého vodivého tělesa
ve vakuu
 Rozložení náboje na vodiči
 Vodič a izolant v elektrickém poli
 Kapacita vodiče
 Kondenzátor
 Technické kondenzátory
 Spojování kondenzátorů
 Energie kondenzátoru
Elektrický náboj a elektrické pole II
2
Rozložení náboje na vodiči
 Náboj přivedený na izolované vodivé
těleso se rozloží pouze na vnějším
povrchu tělesa.
 Na tělesu tvaru koule
- rovnoměrně.
 Na nepravidelném tělese
Elektrický náboj a elektrické pole II
- nerovnoměrně.
3
Rozložení náboje na vodiči
 Elektrický vodič je látka, která vede
elektrický proud.
 Elektrický vodič musí obsahovat volné
částice s elektrickým nábojem.
(nejčastěji elektrony, příp. kladné nebo záporné
ionty.)
Elektrický náboj a elektrické pole II
4
Vodič
Podle mechanismu vedení elektrického
proudu dělíme vodiče na dvě skupiny:
a) vodiče 1. řádu
(kovy a uhlík ve formě grafitu)
• el. proud přenáší volné elektrony
• vodiče se při průchodu el. proudu
chemicky nemění
Elektrický náboj a elektrické pole II
5
Vodič
 Mezi
kladnými
ionty
se chaoticky
volné elektrony
=
Struktura
grafitu
– model
pohybu pohybují
volných elektronů
v mřížce
= elektronový plyn.
atom uhlíku
volný elektron
Elektrický náboj a elektrické pole II
6
Rozložení náboje na vodiči
b) vodiče 2. řádu
(roztoky a taveniny = elektrolyty)
• proud přenášejí el. nabité částice zvané ionty
• jejich pohybem dochází k přenosu hmoty a
chemickým změnám
• ionty jsou proti elektronům větší, jejich
pohyblivost je menší, takže i vodivost je nižší
Elektrický náboj a elektrické pole II
7
Rozložení náboje na vodiči
 Vodivé těleso je tvořeno pevně vázanými kladnými ionty
a elektronovým plynem.
Elektrický náboj a elektrické pole II
8
Rozložení náboje na vodiči
Těleso
získá
elektrony
je tedy
přijmenadbytečné
další
elektrony,
které apůsobí
 Jak
můžeme
nabít
vodivé
těleso?
nabito
záporně.
na elektrony
ve svém okolí odpudivými silami.
Elektrický náboj a elektrické pole II
9
Rozložení náboje na vodiči
 Uvnitř
tělesa
opět nastala
rovnováha
nábojů.
Všechny
nadbytečné
elektrony
se rovnoměrně
rozloží na povrchu tělesa.
Elektrický náboj a elektrické pole II
10
PŘÍKLAD
 Načrtněte a popište způsob, jakým
nabijete vodivé těleso kladně.
 Stejně jako u záporně nabitého tělesa se
i v tomto případě veškerý náboj rozmístí
na jeho povrchu.
 Uvnitř vodiče jsou kladné a záporné
náboje vyrovnány.
Elektrický náboj a elektrické pole II
11
Rozložení náboje na vodiči
 Zavádíme pojem plošná hustota náboje.
 Definujeme ji jako podíl velikosti náboje a
plochy, jíž náboj přísluší.

Elektrický náboj a elektrické pole II
Q
S
12
Rozložení náboje na vodiči
 Na povrchu koule se náboj rozmístí
rovnoměrně.
Elektrický náboj a elektrické pole II
13
Rozložení náboje na vodiči
 Na povrchu nepravidelných těles je největší
hustota náboje na ostrých hranách, nejmenší
v dutinách.
Elektrický náboj a elektrické pole II
14
Vodič v elektrickém poli
 V homogenním poli je elektrická intenzita ve
všech místech pole stejná.
+
-
Elektrický náboj a elektrické pole II
15
Vodič v elektrickém poli
 Do homogenního elektrického pole vložíme
vodič.
+
E
Elektrický náboj a elektrické pole II
-
16
Vodič v elektrickém poli
 Vnější elektrické pole působí na volné elektrony. V části
+
vodiče, která je blíže kladně nabité desce se hromadí
záporný náboj.
Elektrický náboj a elektrické pole II
-
17
Vodič v elektrickém poli
 Uvnitř vodiče vzniká elektrostatické pole s intenzitou Ei ,
která má vůči intenzitě vnějšího elektrického pole opačný
směr.
E
+
Ei
Elektrický náboj a elektrické pole II
18
Vodič v elektrickém poli
 Tomuto jevu říkáme elektrostatická indukce.
E
+
Ei
Elektrický náboj a elektrické pole II
19
Vodič v elektrickém poli
Elektrony
se pohybují pole
tak dlouho,
dokud
seindukované.
působení
 Vnitřní
elektrostatické
nazýváme
pole
vnějšího a vnitřního pole nevyruší.
E
+
Ei
Elektrický náboj a elektrické pole II
20
Vodič v elektrickém poli
+
 Uvnitř vodiče bude intenzita elektrického pole nulová.
Elektrický náboj a elektrické pole II
-
21
Vodič v elektrickém poli
 Náboje indukované ve vodiči lze od sebe oddělit
+
rozdělením vodiče na dvě části.
-
Elektrický náboj a elektrické pole II
+
-
22
Izolant v elektrickém poli
Dielektrikum
Molekuly
některých
= izolant
nevodičů
nemá
mají
volné
dipólový
elektrony.
charakter,
 V
elektrickém
poli
dochází
k jeho
polarizaci.
jsou však uspořádány náhodně, takže se jejich elektrické
vlastnosti navenek neprojevují.
--
-+
Elektrický náboj a elektrické pole II
--
- +
- -
 Atomová polarizace
23
Nevodič – dielektrikum v elektrickém poli
Působením
vnějšího
elektrického
pole se mohou molekuly
 V
elektrickém
poli dochází
k jeho polarizaci.
+
částečně natáčet – vznikají elektrické dipóly.
-
 Orientační polarizace
Elektrický náboj a elektrické pole II
24
Nevodič – dielektrikum v elektrickém poli
 V místech, kde siločáry elektrického pole do dielektrika
+
vstupují, vzniká tenká vrstva záporných nábojů.
-
 Orientační polarizace
Elektrický náboj a elektrické pole II
25
Izolant v elektrickém poli
 V místech, kde siločáry elektrického pole z dielektrika
+
vystupují, vzniká tenká vrstva kladných nábojů.
-
 Orientační polarizace
Elektrický náboj a elektrické pole II
26
Dielektrikum v elektrickém poli
Shrnutí
 Indukované náboje jsou vázány na
dipóly.
 Nelze je z dielektrika odvést ani oddělit
rozdělením dielektrika.
 Výsledná intenzita E má směr intenzity
vnějšího pole, které polarizaci vyvolalo,
ale je menší.
Elektrický náboj a elektrické pole II
27
Dielektrikum v elektrickém poli
 Poměr
Přítomnost
původní
dielektrika
intenzity
v elektrickém
(ve vakuu) a
poli
intenzity
vždy
+
uvnitř nevodiče
zmenšuje
původní
udává
intenzitu
relativní
pole.permitivitu dané
látky.
-
0 < EP < E
E
= er
EP
Elektrický náboj a elektrické pole II
28
Nevodič v elektrickém poli
Velikost intenzity
vnitřního
elektrického
pole elektrické
vzniklého
 Uspořádáním
molekul
vzniká
uvnitř izolantu
polarizací
závisí
na intenzitěnež
vnějšího
pole.
pole
opačně
orientované,
pole vnější.
+
E
Ev
Ei
-
Ev = E - Ei
Elektrický náboj a elektrické pole II
29
Nabité vodivé těleso v dielektriku
Shrnutí
 Vložíme-li nabité vodivé těleso do
dielektrického prostředí, vzniknou okolo
něj vázané náboje opačného znaménka.
 Intenzita pole okolo tělesa se zmenší
er-krát v porovnání s polem téhož tělesa
ve vakuu.
Elektrický náboj a elektrické pole II
30
Elektrické pole nabitého vodivého tělesa
 ve vakuu
Q
Elektrický náboj a elektrické pole II
E
31
Elektrické pole nabitého vodivého tělesa
 v dielektriku
E´ =
E
E
er
+
+
+
+
er
Elektrický náboj a elektrické pole II
+
+
+
+
Q
32
Kondenzátor
 Dvě rovnoběžné rovinné desky, mezi nimiž je vakuum
nebo izolant (dielektrikum).
Elektrický náboj a elektrické pole II
33
Kapacita kondenzátoru
 Mezi
deskami
vznikne
homogenní
Připojíme-li
desky
kondenzátoru
keelektrické
svorkám pole
zdroje
o
intenzitě: napětí, vzniknou na nich stejně velké
elektrického
opačné náboje.
d
E=
U
d
E
U
+
Elektrický náboj a elektrické pole II
34
Kapacita kondenzátoru
 Intenzita závisí také na plošné hustotě náboje na deskách.
E 
Q
S
S
E
+
Elektrický náboj a elektrické pole II
35
Kapacita kondenzátoru
 Z porovnání předchozích vztahů vyplývá:
S
Q≈
·U
d
S
E
+
Elektrický náboj a elektrické pole II
36
Kapacita kondenzátoru
 Z porovnání předchozích vztahů vyplývá:
S
Q≈
·U
d
Q=
e0 S
d
·U
pro vakuum
Q=
e0 er S
d
·U
pro dielektrikum
Elektrický náboj a elektrické pole II
37
Kapacita kondenzátoru
 Veličina
e0 S
respektive
d
e 0 er S
d
 závisí pouze na vlastnostech daného kondenzátoru
a nazývá se kapacita kondenzátoru C.
C=
C=
Elektrický náboj a elektrické pole II
e0 S
d
(pro vakuum)
e0 er S
d
(pro dielektrikum)
38
PŘÍKLAD
Př. 1
Jaký efekt bude mít vložení dielektrika mezi desky
kondenzátoru?
Svoji odpověď zdůvodni.
Př. 2
Vyjádři kapacitu v závislosti na velikosti napětí a náboje
na deskách kondenzátoru.
Př. 3
Odvoď jednotku kapacity, vyhledej její název a vyjádři
v základních jednotkách SI.
Elektrický náboj a elektrické pole II
39
ŘEŠENÍ
Př. 1
Jelikož je vždy er > 1, má vložení dielektrika mezi desky
kondenzátoru za následek vždy zvýšení jeho kapacity.
Př. 2
Q = C·U
Př. 3
Q
C=
U
1C
= 1 m-2 kg -1 s4 A2 = 1 F
1V
Elektrický náboj a elektrické pole II
40
Technické kondenzátory
Kondenzátor
 Je pasivní elektrotechnická akumulační
součástka.
 Používá se v elektrických obvodech:
o k dočasnému uchování elektrického
náboje,
o uchování potenciální elektrické energie.
Elektrický náboj a elektrické pole II
41
Technické kondenzátory
Obr. 1 – vzduchový otočný 1
Obr. 2 – elektrolytický 2
Elektrický náboj a elektrické pole II
42
Ukázky kondenzátorů
Obr. 3 – ladicí kondenzátor 3
Elektrický náboj a elektrické pole II
43
Ukázky kondenzátorů
Obr. 4 – olejový kondenzátor 4
 Ukázka poněkud většího
olejového kondenzátoru
100 μF na napětí 15 000 V.
 Kondenzátor má hmotnost
60 kg a olejovou náplň o
objemu 13 l.
Elektrický náboj a elektrické pole II
44
Kondenzátor v elektrickém obvodu
 Schematická značka
Kondenzátor s konstantní
kapacitou
Elektrický náboj a elektrické pole II
Kondenzátor s proměnnou
kapacitou (většinou otočný
vzduchový kondenzátor)
45
Spojování kondenzátorů
paralelní
vedle sebe
 Na
vodivě– spojené
desky musíme přivést
celkový náboj Q.
–
+
U
Q = Q1 + Q2
C1
- Q1
+Q1
- Q2
+Q2
C2
Q = UC1 + UC2
C
C = C1 + C2
Elektrický náboj a elektrické pole II
Q = U(C1 + C2)
46
Spojování kondenzátorů
seriovéU– zdroje
za sebou
 Napětí
se rozdělí na oba kondenzátory.
–
+
U = U1 + U2
U
C1
- Q +Q
U1
Q Q
U=
+
C1 C2
C2
- Q +Q
C
U2
U 
Q
C
 1
1 
UQ 


 C1 C 2 
1
1
1
=
+
C
C1 C2
Elektrický náboj a elektrické pole II
47
PŘÍKLAD
 Pomocí appletu si vyzkoušejte různá propojení
kondenzátorů.
 Výpočtem ověř
odkaz na internetový applet 1
Elektrický náboj a elektrické pole II
výslednou kapacitu
uvedenou jako Capacity
of network.
 Proveď pro seriové,
paralelní i kombinované
spojení kondenzátorů.
 Hodnoty kapacit
jednotlivých kondezátorů
si vhodně nastav.
48
Energie kondenzátoru
 nabití kondenzátoru ze zdroje
+
–
 Pozoruj animaci a
vysvětli princip
nabíjení
kondenzátoru.
 Jakým způsobem
zajistím zvětšení
náboje na deskách?
UC
–
+
U
Elektrický náboj a elektrické pole II
49
Energie kondenzátoru
vybití kondenzátoru
přes žárovku
 Během
vybíjení se napětí
na kondenzátoru
postupně zmenšuje úměrně se zmenšováním
náboje na deskách.
–
+
U
UC
UC
0
Elektrický náboj a elektrické pole II
QC Q
50
Energie kondenzátoru
Náboj je elektrická
tedy přenášen
napětí W
 Celková
prácepři
připrůměrném
vybití kondenzátoru
0,5rovna
U. počáteční energii Ee elektrického pole
je
kondenzátoru.
W = Ee
1
Ee =
UQ
2
U
UC
Ee 
1Q
2
2 C

Elektrický náboj a elektrické pole II
1
2
CU
2
0
QC Q
51
Použitá literatura
Literatura
LEPIL, O. Elektřina a magnetismus, fyzika pro gymnázia. Praha: Prometheus, 2002. ISBN 80-7196202-3
TKOTZ,K. Příručka pro elektrotechnika. Praha: Europa-Sobotáles, 2002.
ISBN 80-86706-00-1
HALLIDAY,D. Fyzika. Elektřina a magnetismus. Brno: VUTIUM, 2000.
ISBN 80-214-1868-0
Internetové odkazy

[1] – LON-CAPA K-12 [online]. ©2010 [cit. 2012-05-3].
Dostupné z: http://lectureonline.cl.msu.edu/~mmp/kap19/RR480app.htm
Elektrický náboj a elektrické pole I
SOUBOR PREZENTACÍ
FYZIKA PRO III. ROČNÍK GYMNÁZIA
Tato prezentace vznikla na základě řešení projektu OPVK, registrační
číslo: CZ.1.07/1.1.24/01.0114 s názvem
„PODPORA CHEMICKÉHO A FYZIKÁLNÍHO VZDĚLÁVÁNÍ
NA GYMNÁZIU KOMENSKÉHO V HAVÍŘOVĚ“
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem
České republiky.