26. Kapacita, kondenzátor, elektrický proud

1. 26. Kapacita, kondenzátor, elektrický proud

2. Kapacita vodiče • Nábojem Q získá vodič potenciál φ => ↑Q~↑φ • Lze zapsat Q=C·φ • Kapacita vodiče - C • konstanta úměrnosti • veličina charakterizující vodiče • závisí na tvaru a velikosti vodiče • jednotkou F (farad) = C·V-1 • vodič má kapacitu 1 F, jestliže se nábojem 1 C nabije na elektrický potenciál 1 V

3. Pro osamělý kulový vodič o poloměru R ve vakuu (a přibližně také ve vzduchu) platí: • Kapacita kulového vodiče je tedy: = permitivita vakua

4. Kondenzátor, kapacita kondenzátoru • Kapacita osamoceného vodiče je malá. Mnohem větší kapacitu má soustava dvou plochých vodičů oddělených od sebe tenkou vrstvou vzduchu nebo dielektrika (látky, které nepřenáší el. proud). Takové zařízení nazýváme deskový kondenzátor. • Nejjednodušší je deskový kondenzátor bez dielektrika, který je tvořen dvěma rovnoběžnými deskami o plošném obsahu S a vzdálenosti d. Mezi deskami předpokládáme vakuum. • Schématická značka kondenzátoru:

5. φ1φ2 U +Q -Q E _ _ _ _ _ _ + + + + + d Schématické znázornění kondenzátoru • Připojíme-li deskový kondenzátor ke svorkám zdroje, vznikne na desce s vyšším potenciálem φ1 kladný náboj +Q a na desce s nižším potenciálem φ2 stejně velký záporný náboj –Q. Rovnost absolutních hodnot obou nábojů je důsledkem jejich vzájemného silového působení. Mezi deskami vznikne homogenní el. pole s intenzitou E, vně kondenzátoru se pole obou desek vzájemně ruší.

6. Náboje na deskách kondenzátoru jsou přímo úměrné napětí mezi deskami. Konstanta úměrnosti C0 je kapacita deskového kondenzátoru bez dielektrika. • Kondenzátor má kapacitu 1 F, jestliže při napětí 1 V jsou na jeho deskách náboje o absolutní hodnotě 1 C.

7. Vyplníme-li prostor mezi deskami kondenzátoru dielektrikem, jeho kapacita se zvětší. Po připojení ke zdroji vznikne mezi deskami opět homogenní el. Pole s intenzitou • K tomu je však nutno přivést na desky větší náboj než u kondenzátru bez dielektrika, aby se překonal účinek vázaných nábojů vzniklých polarizací dielektrika. Deskový kondenzátor s dielektrikem má tedy větší kapacitu C, než je kapacita stejně velkého kondenzátoru bez dielektrika

8. Relativní permitivita dielektrika se dá zjistit jako poměr obou kapacit • Kapacita deskového kondenzátoru s dielektrikem je • Kondenzátory mohou být buď se stálou nebo s měnitelnou kapacitou (využití v radiotechnice)

9. Druhy kondenzátorů podle použitého dielektrika • S papírovým dielektrikem • S plastickou fólií • Skleněné • Slídové • Keramické • Elektrolytické

10. Paralelně (vedle sebe) U1=U2=U C=C1+C2 => Q=C·U Sériově (za sebe) U=U1+U2 => Q=Q1=Q2 Zapojení kondenzátorů

11. Energie nabitého kondenzátoru • Při nabíjení a vybíjení kondenzátoru dochází k pohybu náboje v elektrickém poli, při kterém elektrostatické síly konají práci. Kondenzátor při nabíjení získává elektrickou energii a při vybíjení ji ztrácí. Během vybíjení se napětí na kondenzátoru postupně zmenšuje přímo úměrně se zmenšováním náboje na deskách • Celková el. práce při vybití kondenzátoru a také počáteční el. energie kondenzátoru je tedy

12. Elektrický proud • Značka: I • Jednotka: A (ampér) • Přenesou-li nosiče náboje průřezem vodiče náboj ΔQ za dobu Δt vyvolají el. proud I • Dva druhy proudů: • Stejnosměrný => =, I • Střídavý => ~, i

13. Elektrický proud je uspořádaný pohyb volných částic s elektrickým nábojem • Kladně nabité částice se pohybují ve směru intenzity el. pole (od kladného pólu k zápornému), záporně nabité částice ve směru opačném • Za směr proudu se podle dohody pokládá směr pohybu kladně nabitých částic, tzn. od plusu k mínusu

14. Z definičního vztahu pro proud vyplývá, že při proudu 1 A projdou průřezem vodiče za 1 s částice s celkovým nábojem 1 C • Podmínky pro konstantní stejnosměrný proud • Uzavřený elektrický obvod • V obvodu se nachází elektrický zdroj

15. Elektrický proud Měříme ampérmetrem Zapojení sériově Schématická značka: Elektrické napětí Měříme voltmetrem Zapojení paralelně Schématická značka: Měření elektrického proudu a napětí A V Schéma zapojení

16. Zdroj elektrického napětí a proudu • Zdroj napětí je zařízení, mezi jehož svorkami je neelektrostatickými silami trvale udržováno napětí. Při přenesení náboje Q uvnitř zdroje vykonají neelektrostatické síly práci Wz=Ue·Q, kde Ue je elektromotorické napětí zdroje. Ve vnější části obvodu vykonávají elektrostatické síly při přenesení náboje Q práci W=U·Q, kde U<Ue je svorkové napětí zdroje. Svorkové napětí nezatíženého zdroje je rovno jeho elektromotorickému napětí

17. Zdroje elektrického napětí a proudu • Galvanický článek – vyžívá energii uvolněnou při chemické reakci kovových elektrod s vodivou kapalinou (elektrolytem) • Fotočlánek – využívá energii světla dopadajícího na vhodně upravenou destičku polovodiče • Termočlánek – Spojíme-li dva různé kovové vodiče do uzavřeného obvodu, přejde část elektronů z jednoho kovu do druhého a na rozhraní se objeví malé kontaktní napětí, jehož velikost závisí na teplotě spoje

18. Elektrický proud v kovech • Valenční elektrony atomů v kovu jsou k atomovým jádrům vázány jen slabými silami =>volně a chaoticky se pohybují • Připojíme-li vodič ke svorkám stejnosměrného zdroje, vznikne v celém vodiči el. pole => elektrony se začnou pohybovat unášivým pohybem proti směru intenzity pole (což je podstata el. proudu v kovech)