Gymnázium, Havířov-Město, Komenského 2, p.o

Prezentace na téma: "Gymnázium, Havířov-Město, Komenského 2, p.o"— Transkript prezentace:

1 Gymnázium, Havířov-Město, Komenského 2, p.o
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/ s názvem „Podpora chemického a fyzikálního vzdělávání na gymnáziu Komenského v Havířově“ Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

2 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

3 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 - nerovnoměrně. Elektrický náboj a elektrické pole II

4 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

5 Podle mechanismu vedení elektrického
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

6 Vodič Mezi kladnými ionty se chaoticky pohybují volné elektrony = = elektronový plyn. Struktura grafitu – model pohybu volných elektronů v mřížce atom uhlíku volný elektron Elektrický náboj a elektrické pole II

7 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

8 Rozložení náboje na vodiči
Vodivé těleso je tvořeno pevně vázanými kladnými ionty a elektronovým plynem. Elektrický náboj a elektrické pole II

9 Rozložení náboje na vodiči
Jak můžeme nabít vodivé těleso? Těleso získá nadbytečné elektrony a je tedy nabito záporně. Těleso přijme další elektrony, které působí na elektrony ve svém okolí odpudivými silami. Elektrický náboj a elektrické pole II

10 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

11 Načrtněte a popište způsob, jakým nabijete vodivé těleso kladně.
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

12 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

13 Rozložení náboje na vodiči
Na povrchu koule se náboj rozmístí rovnoměrně. Elektrický náboj a elektrické pole II

14 Rozložení náboje na vodiči
Na povrchu nepravidelných těles je největší hustota náboje na ostrých hranách, nejmenší v dutinách. Elektrický náboj a elektrické pole II

15 Vodič v elektrickém poli
V homogenním poli je elektrická intenzita ve všech místech pole stejná. + - Elektrický náboj a elektrické pole II

16 Vodič v elektrickém poli
Do homogenního elektrického pole vložíme vodič. E - + Elektrický náboj a elektrické pole II

17 Vodič v elektrickém poli
Vnější elektrické pole působí na volné elektrony. V části vodiče, která je blíže kladně nabité desce se hromadí záporný náboj. E - + Elektrický náboj a elektrické pole II

18 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

19 Vodič v elektrickém poli
Tomuto jevu říkáme elektrostatická indukce. E - + Ei Elektrický náboj a elektrické pole II

20 Vodič v elektrickém poli
Elektrony se pohybují tak dlouho, dokud se působení vnějšího a vnitřního pole nevyruší. Vnitřní elektrostatické pole nazýváme pole indukované. E - + Ei E = Ei Elektrický náboj a elektrické pole II

21 Vodič v elektrickém poli
Uvnitř vodiče bude intenzita elektrického pole nulová. +Q -Q -Q +Q - + Ei = 0 Ei = 0 Elektrický náboj a elektrické pole II

22 Vodič v elektrickém poli
Náboje indukované ve vodiči lze od sebe oddělit rozdělením vodiče na dvě části. - + - + Elektrický náboj a elektrické pole II

23 Izolant v elektrickém poli
V elektrickém poli dochází k jeho polarizaci. Dielektrikum = izolant nemá volné elektrony. Molekuly některých nevodičů mají dipólový charakter, jsou však uspořádány náhodně, takže se jejich elektrické vlastnosti navenek neprojevují. + - + - Atomová polarizace Elektrický náboj a elektrické pole II

24 Nevodič – dielektrikum v elektrickém poli
V elektrickém poli dochází k jeho polarizaci. Působením vnějšího elektrického pole se mohou molekuly částečně natáčet – vznikají elektrické dipóly. - + + - + - Orientační polarizace Elektrický náboj a elektrické pole II

25 Nevodič – dielektrikum v elektrickém poli
V místech, kde siločáry elektrického pole do dielektrika vstupují, vzniká tenká vrstva záporných nábojů. -Q - +Q + -Q + - + - Orientační polarizace Elektrický náboj a elektrické pole II

26 Izolant v elektrickém poli
V místech, kde siločáry elektrického pole z dielektrika vystupují, vzniká tenká vrstva kladných nábojů. -Q +Q - +Q + -Q + - + - Orientační polarizace Elektrický náboj a elektrické pole II

27 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

28 Dielektrikum v elektrickém poli
Přítomnost dielektrika v elektrickém poli vždy zmenšuje původní intenzitu pole. Poměr původní intenzity (ve vakuu) a intenzity uvnitř nevodiče udává relativní permitivitu dané látky. - + + - + - 0 < EP < E = er EP E Elektrický náboj a elektrické pole II

29 Nevodič v elektrickém poli
Uspořádáním molekul vzniká uvnitř izolantu elektrické pole opačně orientované, než pole vnější. Velikost intenzity vnitřního elektrického pole vzniklého polarizací závisí na intenzitě vnějšího pole. E -Q +Q - +Q + Ev Ei -Q + - + - Ev = E - Ei Elektrický náboj a elektrické pole II

30 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

31 Elektrické pole nabitého vodivého tělesa
ve vakuu E Q Elektrický náboj a elektrické pole II

32 Elektrické pole nabitého vodivého tělesa
v dielektriku er + E´ = E er E Q Elektrický náboj a elektrické pole II

33 Kondenzátor Dvě rovnoběžné rovinné desky, mezi nimiž je vakuum nebo izolant (dielektrikum). Elektrický náboj a elektrické pole II

34 Kapacita kondenzátoru
Mezi deskami vznikne homogenní elektrické pole o intenzitě: Připojíme-li desky kondenzátoru ke svorkám zdroje elektrického napětí, vzniknou na nich stejně velké opačné náboje. d E = U d +Q -Q E U + - Elektrický náboj a elektrické pole II

35 Kapacita kondenzátoru
Intenzita závisí také na plošné hustotě náboje na deskách. +Q -Q S E + - Elektrický náboj a elektrické pole II

36 Kapacita kondenzátoru
Z porovnání předchozích vztahů vyplývá: Q ≈ ·U S d +Q -Q S E + - Elektrický náboj a elektrické pole II

37 Kapacita kondenzátoru
Z porovnání předchozích vztahů vyplývá: Q ≈ ·U S d Q = ·U e0 S d pro vakuum Q = ·U e0 er S d pro dielektrikum Elektrický náboj a elektrické pole II

38 Kapacita kondenzátoru
e0 S d e0 er S d Veličina respektive závisí pouze na vlastnostech daného kondenzátoru a nazývá se kapacita kondenzátoru C. C = e0 S d (pro vakuum) e0 er S (pro dielektrikum) Elektrický náboj a elektrické pole II

39 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

40 Q C = Q = C·U U 1 C = 1 m-2 kg -1 s4 A2 = 1 F 1 V ŘEŠENÍ
Př. 1 Jelikož je vždy er > 1, má vložení dielektrika mezi desky kondenzátoru za následek vždy zvýšení jeho kapacity. Př. 2 Q Q = C·U C = U Př. 3 1 C = 1 m-2 kg -1 s4 A2 = 1 F 1 V Elektrický náboj a elektrické pole II

41 Technické kondenzátory
Je pasivní elektrotechnická akumulační součástka. Používá se v elektrických obvodech: k dočasnému uchování elektrického náboje, uchování potenciální elektrické energie. Elektrický náboj a elektrické pole II

42 Technické kondenzátory
Obr. 1 – vzduchový otočný 1 Obr. 2 – elektrolytický 2 Elektrický náboj a elektrické pole II

43 Ukázky kondenzátorů Elektrický náboj a elektrické pole II 43
Obr. 3 – ladicí kondenzátor 3 Elektrický náboj a elektrické pole II

44 Kondenzátor má hmotnost 60 kg a olejovou náplň o objemu 13 l.
Ukázky kondenzátorů Obr. 4 – olejový kondenzátor 4 Ukázka poněkud většího olejového kondenzátoru μF na napětí 15 000 V. Kondenzátor má hmotnost 60 kg a olejovou náplň o objemu 13 l. Elektrický náboj a elektrické pole II

45 Kondenzátor v elektrickém obvodu
Schematická značka Kondenzátor s konstantní kapacitou Kondenzátor s proměnnou kapacitou (většinou otočný vzduchový kondenzátor) Elektrický náboj a elektrické pole II

46 Spojování kondenzátorů
paralelní – vedle sebe Na vodivě spojené desky musíme přivést celkový náboj Q. – + Q = Q1 + Q2 U C1 - Q1 +Q1 Q = UC1 + UC2 - Q2 +Q2 C2 C C = C1 + C2 Q = U(C1 + C2) Elektrický náboj a elektrické pole II

47 Spojování kondenzátorů
seriové – za sebou Napětí U zdroje se rozdělí na oba kondenzátory. – + C1 C2 = Q Q U U = U1 + U2 U C1 C2 C - Q +Q - Q +Q U1 U2 C C1 C2 = Elektrický náboj a elektrické pole II

48 PŘÍKLAD Pomocí appletu si vyzkoušejte různá propojení kondenzátorů.
Výpočtem ověř výslednou kapacitu uvedenou jako Capacity of network. Proveď pro seriové, paralelní i kombinované spojení kondenzátorů. Hodnoty kapacit jednotlivých kondezátorů si vhodně nastav. odkaz na internetový applet 1 Elektrický náboj a elektrické pole II

49 nabití kondenzátoru ze zdroje
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

50 + Energie kondenzátoru vybití kondenzátoru přes žárovku
Během vybíjení se napětí na kondenzátoru postupně zmenšuje úměrně se zmenšováním náboje na deskách. vybití kondenzátoru přes žárovku + – U Q UC QC UC Elektrický náboj a elektrické pole II

51 Ee UQ Energie kondenzátoru
Náboj je tedy přenášen při průměrném napětí 0,5 U. Celková elektrická práce při vybití kondenzátoru W je rovna počáteční energii Ee elektrického pole kondenzátoru. 2 = 1 Ee U Q UC QC W = Ee UQ Elektrický náboj a elektrické pole II

52 Použitá literatura Internetové odkazy Literatura
LEPIL, O. Elektřina a magnetismus, fyzika pro gymnázia. Praha: Prometheus, ISBN TKOTZ,K. Příručka pro elektrotechnika. Praha: Europa-Sobotáles, ISBN HALLIDAY,D. Fyzika. Elektřina a magnetismus. Brno: VUTIUM, ISBN Internetové odkazy [1] – LON-CAPA K-12 [online]. ©2010 [cit ]. Dostupné z: Elektrický náboj a elektrické pole I

53 na gymnáziu Komenského v Havířově“
soubor prezentací FYZIKA PRO III. ROČNÍK GYMNÁZIA Tato prezentace vznikla na základě řešení projektu OPVK, registrační číslo: CZ.1.07/1.1.24/ s názvem „Podpora chemického a fyzikálního vzdělávání na gymnáziu Komenského v Havířově“ Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.