Elektrický náboj je kvantovaný. Každý elektrický náboj je násobkom elementárneho kladného, alebo záporného elektrického náboja.

Σχετικά έγγραφα
Elektrické pole a elektrický prúd

ELEKTRICKÉ POLE. Elektrický náboj je základná vlastnosť častíc, je viazaný na častice látky a vyjadruje stav elektricky nabitých telies.

Elektrický náboj a elektrické pole

( r) ρ = DOHM. Elektrostatické pole MH SULHVWRU VLORYêFK ~þlqnry Y okolí nepohyblivých elektrických nábojov. Coulombov zákon.

Základné poznatky molekulovej fyziky a termodynamiky

Kontrolné otázky na kvíz z jednotiek fyzikálnych veličín. Upozornenie: Umiestnenie správnej a nesprávnych odpovedí sa môže v teste meniť.

Viliam Laurinc, Oľga Holá, Vladimír Lukeš, Soňa Halusková

Obvod a obsah štvoruholníka

Matematika Funkcia viac premenných, Parciálne derivácie

Ekvačná a kvantifikačná logika

6 MAGNETIZMUS ELEKTRICKÝCH PRÚDOV

Motivácia pojmu derivácia

1. Limita, spojitost a diferenciálny počet funkcie jednej premennej

Matematika prednáška 4 Postupnosti a rady 4.5 Funkcionálne rady - mocninové rady - Taylorov rad, MacLaurinov rad

Matematika 2. časť: Analytická geometria

ZADANIE 1_ ÚLOHA 3_Všeobecná rovinná silová sústava ZADANIE 1 _ ÚLOHA 3

Kontrolné otázky z jednotiek fyzikálnych veličín

Elektromagnetické pole

Goniometrické rovnice a nerovnice. Základné goniometrické rovnice

KATEDRA DOPRAVNEJ A MANIPULAČNEJ TECHNIKY Strojnícka fakulta, Žilinská Univerzita

5 Magnetické pole v magnetikách

Hydromechanika II. Viskózna kvapalina Povrchové napätie Kapilárne javy. Doplnkové materiály k prednáškam z Fyziky I pre EF Dušan PUDIŠ (2013)

1. písomná práca z matematiky Skupina A

Motivácia Denícia determinantu Výpo et determinantov Determinant sú inu matíc Vyuºitie determinantov. Determinanty. 14. decembra 2010.

CHÉMIA Ing. Iveta Bruončová

Priamkové plochy. Ak každým bodom plochy Φ prechádza aspoň jedna priamka, ktorá (celá) na nej leží potom plocha Φ je priamková. Santiago Calatrava

Tomáš Madaras Prvočísla

Cvičenie č. 4,5 Limita funkcie

Termodynamika. Doplnkové materiály k prednáškam z Fyziky I pre SjF Dušan PUDIŠ (2008)

M6: Model Hydraulický systém dvoch zásobníkov kvapaliny s interakciou

Výpočet. grafický návrh

PDF created with pdffactory Pro trial version

ZONES.SK Zóny pre každého študenta

Deliteľnosť a znaky deliteľnosti

13 Elektrostatické javy v dielektrikách

ARMA modely čast 2: moving average modely (MA)

1. písomná práca z matematiky Skupina A. 1. písomná práca z matematiky Skupina B

v d v. t Obrázok 14.1: Pohyb nabitých častíc vo vodiči.

HASLIM112V, HASLIM123V, HASLIM136V HASLIM112Z, HASLIM123Z, HASLIM136Z HASLIM112S, HASLIM123S, HASLIM136S

4 Dynamika hmotného bodu

VYBRANÉ KAPITOLY Z ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY

Jednotkový koreň (unit root), diferencovanie časového radu, unit root testy

2 Elektrostatické pole v dielektrikách

6. Geometrické charakteristiky rovinných plôch

Prechod z 2D do 3D. Martin Florek 3. marca 2009

FYZIKA II ZBIERKA PRÍKLADOV A ÚLOH. Oľga Holá a kolektív

ARMA modely čast 2: moving average modely (MA)

Klasifikácia látok LÁTKY. Zmesi. Chemické látky. rovnorodé (homogénne) rôznorodé (heterogénne)

3. Striedavé prúdy. Sínusoida

Einsteinove rovnice. obrázkový úvod do Všeobecnej teórie relativity. Pavol Ševera. Katedra teoretickej fyziky a didaktiky fyziky

Testové úlohy z fyziky

Elektrický prúd v kovoch

Odporníky. 1. Príklad1. TESLA TR

,Zohrievanie vody indukčným varičom bez pokrievky,

6 Limita funkcie. 6.1 Myšlienka limity, interval bez bodu

3 ELEKTRÓNOVÝ OBAL ATÓMU. 3.1 Modely atómu

VYŠETROVANIE PRUŽNEJ DEFORMÁCIE

Moderné vzdelávanie pre vedomostnú spoločnosť Projekt je spolufinancovaný zo zdrojov EÚ M A T E M A T I K A

Definícia parciálna derivácia funkcie podľa premennej x. Definícia parciálna derivácia funkcie podľa premennej y. Ak existuje limita.

AerobTec Altis Micro

24. Základné spôsoby zobrazovania priestoru do roviny

4. Výrokové funkcie (formy), ich definičný obor a obor pravdivosti

Pevné ložiská. Voľné ložiská

Start. Vstup r. O = 2*π*r S = π*r*r. Vystup O, S. Stop. Start. Vstup P, C V = P*C*1,19. Vystup V. Stop

u R Pasívne prvky R, L, C v obvode striedavého prúdu Činný odpor R Napätie zdroja sa rovná úbytku napätia na činnom odpore.

ZÁKLADY ELEKTROTECHNIKY. Ing.Lenka Badlíková

Rozsah hodnotenia a spôsob výpočtu energetickej účinnosti rozvodu tepla

PRUŽNOSŤ A PEVNOSŤ PRE ŠPECIÁLNE INŽINIERSTVO

1 Aké veľké sú atómy a z čoho sa skladajú (I. časť)

DOMÁCE ZADANIE 1 - PRÍKLAD č. 2

ZBIERKA ÚLOH Z FYZIKY PRE 4.ROČNÍK

6. Magnetické pole. 6.1 Magnetická indukcia

x x x2 n

6. Mocniny a odmocniny

Analýza údajov. W bozóny.

6 APLIKÁCIE FUNKCIE DVOCH PREMENNÝCH

11 Základy termiky a termodynamika

7. FUNKCIE POJEM FUNKCIE

Úvod do lineárnej algebry. Monika Molnárová Prednášky

Fyzika. Úvodný kurz pre poslucháčov prvého ročníka bakalárskych programov v rámci štúdia geológie Druhá prednáška mechanika (1)

15 Magnetické pole Magnetické pole

, kde pre prípad obruč M + I/R 2 = 2 M.

Elektrické pole a elektrický prúd

Goniometrické funkcie

Rozsah akreditácie 1/5. Príloha zo dňa k osvedčeniu o akreditácii č. K-003

Modul pružnosti betónu

1. VZNIK ELEKTRICKÉHO PRÚDU

RIEŠENIE WHEATSONOVHO MOSTÍKA

Pismeni dio ispita iz Matematike Riješiti sistem jednačina i diskutovati rješenja u zavisnosti od parametra a:

Poznámky k prednáškam z Termodynamiky z Fyziky 1.

Fyzika. Úvodný kurz pre poslucháčov prvého ročníka bakalárskych programov v rámci odboru geológie 9. prednáška základy elektriny

PRIEMER DROTU d = 0,4-6,3 mm

Chemická väzba 1. R O Č N Í K SŠ

Otázky k 2. testu z Biomechaniky 2013/2014

Ročník: šiesty. 2 hodiny týždenne, spolu 66 vyučovacích hodín

18. kapitola. Ako navariť z vody

4. Hydromechanika. , kde r j je jednotkový vektor v smere osi y.

Zrýchľovanie vesmíru. Zrýchľovanie vesmíru. o výprave na kraj vesmíru a čo tam astronómovia objavili

Návrh vzduchotesnosti pre detaily napojení

Ispitivanje toka i skiciranje grafika funkcija

Transcript:

Elektické náboje. Pejavy elektického náboja Už staí Géci (Tháles Milétsky 6 p.n.l.) si všimli javy vznikajúce pi tení jantáu, a od géckeho názvu pe jantá elektón ( ηλεκτρoν ), pochádzajú aj naše pojmy spojené s elektickými javmi. Pi tení niektoých telies dochádza k zmene stavu telies, ktoý sa pejavuje silovými účinkami. Tento nový elektický stav telies vzniká elektizáciou pocesom, v ktoom sa teleso elekticky nabíja. Pozoovalo sa, že pi tení telies vznikali dva elektické stavy. Elektickému náboju ebonitovej tyče otieanej kožušinou sa pisúdil názov elektický náboj kladný a náboju na sklenenej tyči tenej kožou elektický náboj záponý. V čase, keď bol pojem elektický náboj do fyziky zavedený, sa na náboj pozealo ako na zvláštnu substanciu, ktoej množstvo v látke učovalo jej elektické pejavy. Dnes vieme, že elektický náboj je vlastnosťou elementánych častíc a každý atóm je zložený z elekticky kladných potónov a elekticky záponých elektónov. V elekticky neutálnom telese je ovnaké množstvo kladného aj záponého elektického náboja. Tením telies sa elektóny látke odobeajú, alebo odovzdávajú a vzniká tak už dávno pozoovaný elektický stav telies.. Základné vlastnosti elektického náboja Všetky doteajšie poznatky ukazujú, že v píode sa vyskytujú iba dva duhy elektických nábojov, ktoé na základe histoickej konvencie označujeme ako kladné a záponé. Silové pôsobenie medzi elektickými nábojmi, ktoé sa pejavuje píťažlivými a odpudivými silami, pedstavuje nový duh vzájomného pôsobenia telies - elektickú inteakciu. Pe silové pôsobenie medzi dvoma telesami je ozhodujúci iba ich celkový elektický náboj - t.j. algebaický súčet kladných a záponých nábojov. Pokiaľ sú kladné a záponé náboje v nejakom telese ovnaké, tak ich vplyv navonok sa uší a hovoíme, že teleso je elekticky neutálne. Elektické sily medzi takýmito telesami sú vo veľkých vzdialenostiach nulové. Pi malých vzdialenostiach sa však aj medzi neutálnymi telesami môžu pejavovať elektické sily a to v dôsledku neovnomeného ozloženia kladných a záponých nábojov. apíklad aj elekticky neutálne molekuly s nesymetickým ozložením elektického náboja (elektické dipóly) na seba silovo pôsobia a to píťažlivými, alebo odpudivými silami podľa ich vzájomnej oientácie. Píkladom takejto polánej molekuly je napíklad molekula vody. Elektický náboj je kvantovaný. Každý elektický náboj je násobkom elementáneho kladného, alebo záponého elektického náboja. Veľkosť elementáneho elektického náboja je e =,6 9 C. Elektický náboj je vždy viazaný na časticu. Elementány kladný elektický náboj má potón, elementány záponý elektický náboj je náboj elektónu. Jednotkou náboja v sústave SI je coulomb. Jeden coulomb je elektický náboj, ktoý za sekundu pejde pieezom vodiča, ktoým tečie púd ampé. 4

Pvé pesné meania elementáneho elektického náboja uobil R. A. Millikan v.9 poovnaním elektostatických a gavitačných síl pôsobiacich na nabité kvapôčky olejovej hmly. Pi týchto epeimentoch dokázal aj kvantovanie elektického náboja. Elementány elektický náboj vyplynie aj z elektolytických meaní náboja, potebného na vylúčenie mólu jednomocných iónov F = 9,649 4 C mol. Tento náboj sa označuje ako Faadayova konštanta. Elementány elektický náboj je potom učený podielom Faadayovej konštanty a Avogadovej konštanty A = 6, 3 mol F 9 e =.6 C. A Elektický náboj sa zachováva. Celkový elektický náboj v elekticky izolovanej sústave je konštantný. Toto tvdenie je vyjadením zákona zachovania elektického náboja. Zákon zachovania elektického náboja je jeden zo základných píodných zákonov. V žiadnom pocese nie je možné náboj vyobiť ani zničiť. apíklad pi anihilácii elektónu a jeho antičastice pozitónu dochádza síce k zániku elektického náboja, ale súčasne ovnakého množstva kladného, aj záponého elektického náboja. Celkové množstvo elektického náboja zostáva ovnaké. Elektický náboj je pe každého pozoovateľa ovnaký. Veľkosť elektického náboja sa jeho pohybom nemení. ezávislosť náboja na jeho pohybe úzko súvisí so zákonom zachovania elektického náboja. Ak by tomu tak nebolo, potom ak by sme jeden z duhov náboja uviedli do pohybu, zmenil by sa náboj sústavy. Elektické náboje na seba pôsobia silami. Elektické náboje ovnakej polaity sa odpudzujú, ôznej polaity sa piťahujú. Pvé meania síl medzi nábojmi vykonal Ch. A. Coulomb (785) pomocou tozných váh. Pod bodovým elektickým nábojom ozumieme náboj, ktoého ozmey sú zanedbateľné vzhľadom k vzdialenostiam ostatných elekticky nabitých a s daným nábojom inteagujúcich objektov. Vzájomné silové pôsobenie bodových elektických nábojov, ktoé sú v pokoji, vyjaduje Coulombov zákon. Meaním sa zistilo, že sila medzi elektickými nábojmi je piamo úmená veľkostiam nábojov a nepiamo úmená duhej mocnine ich vzdialenosti QQ F= K. Z voľby jednotiek pe náboj, dĺžku a silu vyplynula veľkosť konštanty K, ktoá sa z histoických dôvodov vyjaduje v tvae K =. Podľa Coulombovho zákona veľkosť sily medzi bodovými elektickými nábojmi klesá úmene duhej mocnine ich vzdialenosti Q Q F =. (.) Vektoovo zapísaný Coulombov zákon (ob..) má tva 5

QQ QQ F =, esp. F = 3, (.) Q F z Q ε kde = je polohový vekto smeujúci od náboja Q k náboju Q, je jeho veľkosť, je jednotkový vekto v danom smee. Pokiaľ majú elektické náboje Q a Q ovnakú polaitu bude mať sila F sme vektoa, ak budú mať opačnú polaitu, bude mať sila F sme vektoa ( ). Konštanta ε je pemitivita vákua (elektická konštanta). Konštanta ε súvisí s ýchlosťou svetla vo vákuu c a s pemeabilitou vákua (magnetickou konštantou) μ. Pemeabilita vákua je definitoicky učená, μ = 4π 7 Hm. Zo vzťahu medzi týmito konštantami c = vyplýva hodnota pemitivity vákua ε μ = = 8,8548788 Fm (.3) μ c Pemitivita vákua je základná píodná konštanta. Pe jej ozme v sústave SI platí [ ε ] Ob.. Silové pôsobenie nábojov [ náboj] [ sila][ dl žka] 4 3 = = Asm kg. y a vyjadenie ozmeu pemitivity používame F m, kde F označuje faad a je jednotkou kapacity. Jednotku faad - F ako aj heny - H zavedieme neskô v častiach 3.5 a 6.6. Pe silové pôsobenie elektických nábojov platí pincíp supepozície. Sila medzi dvomi elektickými nábojmi nezávisí na pítomnosti ďalších nábojov. Qo z Q - F Výslednú silu na elektický náboj Q možno peto vyjadiť ako vektoový súčet síl od jednotlivých elektických nábojov Q i (ob..) Q Q F = ( i ), (.4) 4π 6 ε i= i 3 i kde ( - i ) sú polohové vektoy elektického náboja Q vzhľadom k elektickým nábojom Q i. Elektostatické sily medzi dvojicami elektických nábojov sú nezávislé a aditívne. Skutočnosť, že veličiny sa vzájomne neovplyvňujú a možno ich sčítať, je vyjadením platnosti pincípu supepozície. ρ, (pozi kap..3), Ak je ozloženie elektického náboja spojité s hustotou náboja ( ) výslednú silu Q ρ F=,, τ Ob.. Q - n, ( ) ( ) -n dτ,, Q n y (.5)

dostaneme integáciou cez celý piesto, v ktoom je ozložený elektický náboj (ob..3). Vo vzťahu (.5) dt = d dy dz označuje nekonečne malý element objemu v piestoe s ozložením náboja hustoty. Q z dτ - Q y Ob..3 Píklad:. a osi sú umiestnené dva elektické náboje ovnakej polaity. áboj Q = 9Q je v počiatku a náboj Q = 4Q je umiestnený v bode vzdialenom o d (ob..4). ájdite miesto na ich spojnici, kde musíme umiestniť elektický náboj Q, aby výslednica naň pôsobiacich síl bola ovná nule. Riešenie: A B C F Q F Q Q Q Q =9Q Q Q =4Q d - a ob..4 sú označené 3 možné oblasti umiestnenia náboja Q. V oblastiach A a C bude sme sily od obidvoch elektických nábojov ovnaký a výsledná sila nemôže byť ovná nule. Sily sa môžu kompenzovať iba v oblasti B, kde majú opačný sme a podľa obázku v hľadanom mieste musí platiť 9QQ 4QQ 3 =, odkiaľ po elementánej úpave dostávame = d. 4π ε ( d ) 5 d Ob..4 7

Píklad.. a osi sú umiestnené dva elektické náboje opačnej polaity. áboj Q = 9Q je v počiatku súadníc a náboj Q = 4Q je umiestnený v bode vzdialenom o d (Ob..5). Kde musíme umiestniť kladný elektický náboj Q, aby výslednica elektických síl bola ovná nule? A B C Q = -9Q Q =4Q F Q Q Q F Q Q d Riešenie: a ozdiel od pedchádzajúceho pípadu je úloha komplikovanejšia, petože elektický náboj Q je záponým elektickým nábojom Q piťahovaný a kladným elektickým nábojom Q odpudzovaný. V oblasti A sa nemôže odpudzovanie od menšieho elektického náboja Q, ktoý je ešte k tomu aj ďalej, ovnať piťahovaniu od bližšieho a väčšieho náboja. Tým je oblasť A vylúčená. Vylúčená je aj oblasť B, kde majú sily ovnaký sme. Miesto, kde bude výsledná sila nulová môže byť iba v oblasti C. Vyjadime podmienku ovnováhy síl a použime geometický popis podľa ob..5. Musí platiť 9QQ 4QQ =, odkiaľ po elementánej úpave dostávame = d. 4π ε ( d + ) Ob..5 Píklad.3. V Bohovom modeli atómu vodíka elektón obieha okolo potónu po kuhových dáhach. ájdite ýchlosť elektónu na pvej Bohovej dáhe, ak jej polome je,5 m, hmotnosť elektónu je 9, 3 kg a náboj elektónu je,6 9 C. Riešenie: Dostedivá sila pi kuhovom pohybe je elektická píťažlivá sila medzi elektónom a potónom mv e = Fe. Elektickú silu učíme z Coulombovho zákona 9 e (,6 ) 8 Fe = = =8,53 4π8,854 (,5 ) a pe ýchlosť dostávame 8 F e 8, 9,5 6 v = = ms =, ms. 3 me 9,9 Rýchlosť elektónu na obežnej dáhe je,5 6 m s -. Poznámka: Vážnym nedostatkom Bohovho modelu bolo, že náboj, ktoý sa pohybuje so zýchlením (dostedivé zýchlenie!) musí vyžaovať elektomagnetické vlnenie a tým stácať enegiu. Takýto elektón by zakátko spadol na potón. Boh to iešil vtedy neopodstatneným postulátom, podľa ktoého na učitých dáhach elektón nevyžauje enegiu. Štuktúu atómov a molekúl spávne vysvetlila až kvantová mechanika. 8

Píklad.4 Učite podiel veľkostí elektickej a gavitačnej sily, ktoou na seba pôsobia potón a elektón v atóme vodíka vo vzdialenosti = a, čo je tzv. Bohov polome a =,5. m. Poovnajte elektické a gavitačné sily medzi elektónom a potónom. 7 3 mm,676 9, 47 Fg = G = 6,67 = 3,7586,5 ( ) 9 (,6 ) ( ) QQ Fe = = = 8,5347 o 4 3,4 8,854,5 a pe pome F e / F g dostaneme Fe 39,7 F = g Elektická sila pe tieto dve častice je ádovo 39 kát silnejšia ako gavitačná sila. Pe štuktúu atómov a molekúl je peto ozhodujúca elektická sila a nie gavitačná. Gavitačné efekty sú na tejto úovni úplne zanedbateľné. 8.3 Spojité ozloženie elektických nábojov - hustota elektického náboja Elektický náboj makoskopického objektu je dôsledok nevykompenzovaného počtu potónov a elektónov. Ich ozmey sú v poovnaní s veľkosťou makoskopického objektu nepoovnateľne menšie a na makoskopickej úovni je bodový chaakte jednotlivých elektických nábojov nepodstatný. Elektický náboj na telese peto môžeme chápať ako spojité ozloženie nekonečne malých nábojových elementov. Tieto nábojové elementy potom považujeme za bodové elektické náboje. Výsledné elektické pole podľa pincípu supepozície bude učené integáciou cez píspevky od všetkých elementov náboja. Ak sú elektické náboje ozložené v piestoe, pe chaakteizovanie spojitého ozloženia náboja zavádzame objemovú hustotu elektického náboja definovanú vzťahom ΔQ 3 ρ( ) = lim = ; [ ρ] = Cm. (.6) Δτ Δτ dτ V elektostatike sa stetávame často s tým, že elektické náboje sú ozložené iba na povchu telies. Vtedy má význam zaviesť plošnú hustotu elektického náboja definovanú ako ΔQ σ = lim = ; [ σ] = Cm, (.7) ΔS ΔS ds kde ds je nekonečne malý element plochy, na ktoej je ozložený elektický náboj. iekedy má uvažovaná plocha jeden ozme podstatne väčší ako ostatné ozmey. apíklad dlhý tenký valec s elektickým nábojom na povchu. Z väčšej vzdialenosti sa nám takýto valec bude javiť ako tenké nabité vlákno, kde podstatné ozmey súvisia iba s jeho dĺžkou. V takom pípade zavádzame dĺžkovú hustotu elektického náboja definovanú vzťahom ΔQ λ = lim = ; [ λ] = Cm, (.8) Δ l Δ d kde je elektický náboj pipadajúci na úsek vlákna dĺžky dl. 9