Elektrické pole – Coulombov zákon, intenzita, potenciál, napätie a kondenzátory

Elektrické pole – Coulombov zákon, intenzita, potenciál, napätie a kondenzátory

Učivo na tému elektrické pole si môžete pozrieť aj v PDF verzii dokumentu.

Coulombov zákon

Coulombov zákon – dva bodové náboje na seba navzájom pôsobia rovnako veľkými elektrickými silami opačného smeru.

F_e = k · Q₁ · Q₂ / r²

• Bodový náboj – hmotný bod, ktorého elektrický náboj je sústredený do jedného bodu (rozmery zanedbávame).
• k – konštanta úmernosti.
• ε – permitivita prostredia – fyzikálna veličina charakterizujúca elektrické vlastnosti daného prostredia.
• ε₀ – permitivita vákua.
• ε_r – relatívna permitivita – udáva, koľkokrát má dané prostredie silnejšie elektrické vlastnosti ako vákuum.

ε_r = ε / ε₀

Intenzita elektrického poľa

Intenzita elektrického poľa – vektorová fyzikálna veličina, ktorá charakterizuje silové pôsobenie elektrického poľa na jednotkový náboj v danom mieste poľa.

E = F_e / Q = k · Q / r²

[E] = V / m

• má smer rovnaký ako F_e pôsobiaca na kladný náboj.

Siločiary elektrického poľa

Siločiary elektrického poľa – myslené čiary, ktoré graficky znázorňujú elektrické pole a dotyčnica zostrojená v ich ľubovoľnom bode určuje smer intenzity elektrického poľa.

• sú to spojité čiary, ktoré začínajú v kladnom a končia v zápornom náboji,
• sú vždy kolmé na povrch nabitého telesa,
• pri osamotenom náboji sa rozbiehajú do nekonečna.

Homogénne elektrické pole

Homogénne elektrické pole – elektrické pole, ktoré má v každom bode rovnaký vektor intenzity (veľkosť aj smer).

• vzniká medzi dvomi rovnobežnými nesúhlasne nabitými platňami,
• znázorňujeme ho rovnobežnými siločiarami, ktoré sú od seba navzájom rovnako vzdialené.

Radiálne elektrické pole

Radiálne elektrické pole – elektrické pole, ktorého intenzita sa so zväčšujúcou vzdialenosťou zmenšuje (E má smer polpriamky).

• vzniká v okolí bodového náboja, resp. elektricky nabitej gule,
• znázorňujeme ho lúčovitými siločiarami.

Elektrický potenciál

Elektrický potenciál – skalárna fyzikálna veličina, ktorá udáva prácu vykonanú elektrickým poľom pri premiestnení jedného náboja z daného miesta na zem (na miesto vodivo spojené so zemou).

φ = W / Q

[φ] = V

• 1 V – potenciál bodu, z ktorého na prenesenie náboja 1 C potrebujeme prácu 1 J.
• Potenciál sa vzťahuje na konkrétny bod.
• Body s rovnakým potenciálom vytvárajú ekvipotenciálne hladiny alebo plochy – sú vždy kolmé na siločiary elektrického poľa.
• Smer vektora intenzity určuje smer najrýchlejšej zmeny potenciálu.
• Veľkosť vektora intenzity určuje zmenu potenciálu na jeden meter.

Elektrické napätie

Elektrické napätie – rozdiel potenciálov medzi dvomi bodmi elektrického poľa.

Je to skalárna fyzikálna veličina, ktorá udáva prácu potrebnú na prenesenie jedného náboja medzi dvomi bodmi, medzi ktorými je toto napätie.

U = W / Q

[U] = V

• Napätie medzi dvomi bodmi tej istej ekvipotenciálnej plochy je nulové (majú rovnaký potenciál, rozdiel = 0).
• V homogénnom elektrickom poli platí: U = φ = E · d.

Kapacita vodiča

Kapacita vodiča – konštanta úmernosti medzi veľkosťou náboja, ktorým nabíjame teleso, a jeho potenciálom.

C = Q / φ = Q / U

Je to skalárna fyzikálna veličina, ktorá udáva veľkosť náboja potrebného na nabitie vodiča na potenciál 1 V.

C = ε · S / d

[C] = F

1 farad – je kapacita vodiča, ktorá sa nabije nábojom 1 C na potenciál 1 V.

Kondenzátor

Kondenzátor – sústava dvoch navzájom izolovaných vodičov (má väčšiu kapacitu ako osamotený vodič).

• najjednoduchší je platňový kondenzátor,
• práca potrebná na nabitie kondenzátora na napätie sa premení na energiu elektrického poľa.

Kondenzátory môžeme rôzne spájať a meniť tak ich výslednú kapacitu:

1. Paralelne: C = C₁ + C₂
2. Sériovo: 1 / C = 1 / C₁ + 1 / C₂

Vodič v elektrickom poli

Vodič v elektrickom poli – látka, ktorá obsahuje veľké množstvo voľných častíc s nábojom.

• Ak vodič nie je v elektrickom poli, javí sa ako elektricky neutrálny (voľné častice s nábojom sú rozmiestnené rovnomerne).
• Ak vodič vložíme do elektrického poľa, nastáva elektrostatická indukcia.

Elektrostatická indukcia

Elektrostatická indukcia – jav, pri ktorom sa voľné častice s nábojom začnú usporiadane pohybovať a rozmiestnia sa na povrchu vodiča tak, že jedna strana vodiča bude nabitá kladne, druhá záporne.

• Po vybratí vodiča z elektrického poľa sa opäť rozmiestnia pravidelne.
• Pomocou elektrostatickej indukcie môžeme teleso zelektrizovať natrvalo tak, že teleso v elektrickom poli najskôr uzemníme (odvedieme náboj do zeme) a potom odstránime elektrické pole.
• Voľný náboj potom chýba na vodiči trvalo, teda vodič je zelektrizovaný.

Izolant v elektrickom poli

Izolant v elektrickom poli – látka, ktorá obsahuje veľké množstvo viazaných častíc s nábojom (voľných minimum alebo žiadne).

• Ak izolant nie je v elektrickom poli, javí sa ako elektricky neutrálny.
• Ak izolant vložíme do elektrického poľa, nastáva polarizácia dielektrika.

Polarizácia dielektrika

Polarizácia dielektrika – jav, pri ktorom sa v izolante zdeformujú atómy v dôsledku pôsobenia elektrického poľa, vytvoria sa dipóly, ktoré sa natočia do smeru vonkajšieho elektrického poľa a na povrchu sa vytvorí tenká vrstva viazaného náboja.

Vo vnútri sa náboje vykompenzujú. Po vybratí izolantu z elektrického poľa sa atómy vrátia do pôvodného stavu.

E = E_e – E_i

Izolant vložený do elektrického poľa toto pole zoslabí.