Úvod
1.1. Elektrický náboj a elektrické pole
Elektrické pole vzniká v okolí elektricky nabitých těles. Kolem
osamoceného nabitého tělesa vzniká pole, jehož siločáry se rozbíhají rovně
do všech směrů. Pro více těles platí, že opačně nabitá se přitahují,
souhlasně nabitá odpuzují a pokud je jedno bez náboje a druhé nabité,
pak jeho náboj přitahuje těleso první, neboť "z jeho pohledu" mají obě
náboj opačné polarity a poloviční velikosti. Siločáry můžeme také
zviditelnit tím, že necháme silné pole působit na krupici na skle, nebo
vlákna (např. vlasy) v prostoru. Síla mezi náboji je přímo úměrná jejich
velikosti (těch nábojů, nikoli těles jimi disponujících) a nepřímo úměrná
druhé mocnině vzdálenosti.
Jednotkou náboje je jeden coulomb, neboli ampérsekunda. Vznikne
tedy nabíjením proudem jednoho ampéru po dobu jedné sekundy. Důležitou
vlastností samotného nosiče náboje je jeho kapacita ve faradech,
která definuje velikost náboje při napětí jeden volt. Tedy na kapacitě 1 F
bude 1 V právě když v ní bude uložen 1 C. Nebo obecněji: Kapacitu 1 F
nabijeme na 1 V proudem 1 A za dobu 1 s.
Intenzita elektrického pole jejíž jednotkou je volt na metr nám
říká "jak silné je elektrické pole v daném místě". Klesá s rostoucí druhou
mocninou vzdálenosti od nabitého tělesa a kromě toho závisí i na tvaru
jeho povrchu. Po velké kouli, nebo na rovné ploše se pole rovnoměrně
rozloží, zatímco v těsném okolí hrany, nebo hrotu je intenzita
mnohonásobně vyšší.
Dosáhne-li intenzita dostatečné výše, začnou se nabité částice
uvolňovat a pohybovat ve směru siločar. Tento pohyb nazýváme výboj.
Závislost intenzity pole na tvaru předmětů, lze velmi dobře ilustrovat na
skutečnosti, že napětí šestnáct kilovoltů způsobí mezi pěticentimetrovými
koulemi výboj na vzdálenost asi půl centimetru, zatímco mezi špendlíky na
centimetry přibližně dva.
Náboj v elektricky nevodivých předmětech nazýváme statická elektřina.
Její hlavní odlišností od "obyčejné" je, že setrvává na místě kde vznikla,
dokud není mechanickým dotekem, nebo jiskrou přemístěna jinam. Vzniká
obvykle třením nevodivých předmětů z rozdílných materiálů o sebe (např.
proslulá ebonitová tyč o liščí ohon, vlněný svetr či pravítko o vlasy,
nebo kůže o sklo a podobně.). Předměty pak mají opačný náboj obvykle dosti
malé velikosti, ale protože jejich kapacita je ještě menší, napětí běžně
dosahuje jednotek až desítek kilovoltů. Jelikož třením letadel o vzduch
vzniká napětí až řádu megavoltů, mají na koncích křídel drátěné štětečky,
kterými náboj "vysrší" do okolí. A nakonec bouřkový mrak může obsahovat
20-30 C při několika gigavoltech a vybíjecí proud pak může mít až
několik megaampérů.
Výše zmíněných vlastností statické elektřiny se využívá například ve
van de Graaffově generátoru vysokého napětí. Ten ve "stolním" provedení
dokáže vyvinout až 200 kV. Dříve se v jaderné fyzice používaly i
desítky metrů velké, které dávaly 5 MV, nebo i více pro napájení
prvních urychlovačů částic. Funkci si popíšeme na jeho školní verzi:
Na pásu třením o novodurovou lištu vzniká kladný náboj, který je
jím nesen vzhůru a tam kovovým štětečkem sebrán. Z něj vede drát připojený
k velké kouli a protože se nabité částice navzájem odpuzují, vyběhnou,
ve snaze dostat se od sebe co nejdále, na vnější stranu koule. Proto je
štěteček stále bez náboje a neodpuzuje ty, které právě přijíždějí. Naproti
liště je druhý štěteček, který je spojen s druhou koulí. Na ní se hromadí
záporný náboj, který přitahuje pole tvořené kladným nábojem té první. Ten
pak chybí na druhém konci a proto jej druhý štěteček odebírá z pásu, čímž
na něm vytváří kladný, který se na druhé straně přičte k tomu, který
produkuje lišta. A tak to jde stále dokola.
Tím jsme se dostali k dalšímu zajímavému jevu, zvanému elektrostatická
indukce. Na obrázku je schematicky znázorněn pokus, který nám jej blíže objasní.
Tyč zpočátku nemá žádný náboj, tedy počet kladně a záporně nabitých
částic v ní je shodný. Nyní k jednomu konci přiblížíme kladně nabitou elektrodu.
Ta ve své blízkosti způsobí nahromadění záporného náboje, pročež se na druhém
konci objeví kladný. Takto "vyrobený" náboj již můžeme odebrat. A po oddálení
okolních nábojů zůstane tyč záporně nabita.
Tento jev bývá využíván v některých konstrukcích Van de Graffova
generátoru, v násobičích stejnosměrného napětí a je základem funkce přístroje
zvaného indukční elektrika, který sice nedává tak vysoké napětí ("jen" asi
100 kV), zato však dokáže v krátké době vyvinout značně velký náboj.
Ale dost již kilovoltů a megavoltů, vraťme se znovu ke kapacitě. Za
běžných okolností potřebujeme "uskladnit" podstatně větší náboje, než ve dříve
zmíněných situacích, navíc při značně menších napětích. Zatímco kapacita takové
koule, poměrně vzdálené od okolních předmětů, dosahuje jen asi jednotlivých pF
(bilióntin faradu), potřebujeme spíše nanofarady či mikrofarady, tedy o šest řádů
více. Co s tím? Podívejme se, jak je kapacita definována "z druhé strany":
Kapacita je přímo úměrná ploše a nepřímo úměrná vzdálenosti. Teď by se
zdálo, že optimální asi budou dvě desky, ve velmi malé vzdálenosti.
Jenže to by nám jiskřilo i při několika voltech, nebo se nevešlo ani do hangáru pro mnoho
letadel. Problém svého času vyřešilo zařízení zvané leydenská láhev. Byla to
skleněná láhev na vnitřní a vnější straně polepená kovovými fóliemi. Sklo má
podstatně větší elektrickou pevnost než vzduch, proto nedošlo k průrazu ani při
několika desítkách kilovoltů. Proti vzduchu má ovšem ještě jednu
výhodu: Při stejném napětí a vzdálenosti je intenzita pole v něm několikrát vyšší.
Pokud je intenzita vyšší, musí být vyšší i náboj, který ji způsobil a proto též
kapacita, ve které je uložen. - Tedy jeho měrná kapacita, neboli
permitivita e
je vyšší. Také můžeme uvádět permitivitu relativní (tedy poměrnou)
er, která udává
poměr mezi permitivitou dané látky a permitivitou vakua e0.
Později se od láhví přešlo k soustavám skleněných, slídových, či
pertinaxových desek a kovových fólií. Těm se pak začalo říkat kondenzátory.
Další podrobnosti viz. kapitola o kondenzátorech.
Obsah
Další >>