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

1. Gymnázium, Havířov-Město, Komenského 2, p.o soubor prezentací FYZIKA PRO III. ROČNÍK GYMNÁZIA Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. P1 - ELEKTRICKÝ NÁBOJ A ELEKTRICKÉ POLE I Mgr. Alexandra Bouchalová • Tato prezentace vznikla na základě řešení projektu OPVK, registrační číslo: CZ.1.07/1.1.24/01.0114 s názvem „Podpora chemického a fyzikálního vzdělávání na gymnáziu Komenského v Havířově“

2. ELEKTRICKÝ NÁBOJ A ELEKTRICKÉ POLE I • Elektrický náboj a jeho vlastnosti • Coulombův zákon • Elektrické pole a jeho intenzita • Práce v elektrickém poli • Elektrický potenciál • Elektrické napětí Elektrický náboj a elektrické pole I 2

3. Elektrický náboj a jeho vlastnosti Obr. 1 – blesk – elektrický výboj 1 Obr. 2 – elektrování těles 2 Obr. 3 – ebonitová tyč a liščí ohon 3 Obr. 4 – elektroskop 4 Elektrický náboj a elektrické pole I 3

4. Elektrický náboj a jeho vlastnosti • Specifické jevy vyvolané působením elektrického náboje označuje slovo elektřina. • Odvozuje se od řeckého elektron= jantar, na němž byly již ve starověku pozorovány silové účinky statické elektřiny. Elektrický náboj a elektrické pole I 4

5. Elektrický náboj a jeho vlastnosti • Statická elektřinaje označení pro jevy způsobené nashromážděním elektrického náboje na povrchu různých těles a předmětů a jejich výměnou při vzájemném kontaktu. • Každý z elektrických jevů je projevem určitého množství elektrického náboje. Elektrický náboj a elektrické pole I 5

6. Elektrický náboj a jeho vlastnosti • Elektrický náboj je skalárnífyzikální veličina. • Náboj charakterizuje elektrickévlastnostitěles. • Přítomnost elektrického náboje je nutná pro vznik elektrickéhonebomagnetickéhopole. • Je vázán na elementární částice. • Elektrický náboj vzniká při elektrování těles. Elektrický náboj a elektrické pole I 6

7. Elektrický náboj a jeho vlastnosti Způsoby elektrování těles • Přímý dotyk • Elektrostatická indukce • Tření • Elektromagnetická indukce • Pyroelektrický jev • Termoelektrický jev • Ionizace • Piezoelektrický jev • Fotoelektrický jev • Chemicky Elektrický náboj a elektrické pole I 7

8. Elektrický náboj a jeho vlastnosti Při tření novodurové tyče kusem látky vzniká • na tyči záporný náboj, • na látce kladný náboj. Elektrický náboj a elektrické pole I 8

9. Elektrický náboj a jeho vlastnosti • Dotkne-li se záporně zelektrovaná tyč vodivé části elektroskopu, část záporného náboje tyče se přemístí na elektroskop. Elektrický náboj a elektrické pole I 9

10. Elektrický náboj a jeho vlastnosti • Lidské tělo je vodivé. • Dotkneme-li se nabitého elektro- skopu, odvedeme náboj do země a výchylka elektroskopu zanikne. Elektrický náboj a elektrické pole I 10

11. Elektrický náboj a jeho vlastnosti • Některá zelektrovaná tělesa se přitahují, jiná odpuzují. • Pro popis elektrických jevů proto zavádíme dva druhyelektrického náboje. • Dohodou byl jeden druh označen jako kladný, druhý jako záporný. - + + + Elektrický náboj a elektrické pole I 11

12. Elektrický náboj a jeho vlastnosti • Silové působení elektricky nabitých těles je závislé na velikosti jejich nábojů, která je vždy násobkem velikosti elementárního náboje. + -F + F + + F -F • Souhlasné náboje se odpuzují. • Nesouhlasné náboje se přitahují. Elektrický náboj a elektrické pole I 12

13. Elektrický náboj a jeho vlastnosti • Rozlišujeme dva druhy elementárních nábojů: • záporný náboj –e elektronů, které vytvářejí atomové obaly, • kladný náboj +e protonů, které tvoří spolu s neutrony atomová jádra. elektron neutron proton Obr. 5 – atom Obr. 6 – kation Obr. 7 – anion Elektrický náboj a elektrické pole I 13

14. Elektrický náboj a jeho vlastnosti . • Elementární náboj má velikost e = 1,602 .10-19 C • Značka - C • Jednotka - coulomb Náboj jednoho coulombu projde průřezem vodiče při proudu jednoho ampéru za jednu sekundu. Elektrický náboj a elektrické pole I 14

15. Elektrický náboj a jeho vlastnosti • V elektricky neutrálních tělesech je počet záporných i klad- ných elementárních nábojů stejný. Jejich účinek se navenek ruší. • Při zelektrování těles přechází malá část elektronů z jednoho tělesa na druhé. Jedno těleso, které má nedostatekelektro- nů, je nabito kladně. • Druhé těleso s nadbytečnými elektronyje nabito záporně. Elektrický náboj a elektrické pole I 15

16. Elektrický náboj a jeho vlastnosti Zákon zachování elektrického náboje: Celkový elektrický náboj se při vzájemném zelektrování těles nemění. • Látky dělíme na: • vodiče - dostatek volných elektronů • Izolanty -elektrony jsou k atomu pevně vázány Elektrický náboj a elektrické pole I 16

17. Coulombův zákon • Jsou-li rozměry těchto těles zanedbatelné se vzdálenostmi mezi nimi, pak hovoříme o bodových nábojích. • Síly, kterými na sebe vzájemně působí jsou stejně velké, opačně orientované a nazývají se elektrostatické neboli elektrické. Značíme Fe. • Každá dvě elektricky nabitá tělesa na sebe vzájemně silově působí. - - Fe -Fe - - r Fe3 - Fe3 Fe2 -Fe2 Q1 Q2 r2 - - r2 Q3 Q4 Q1 Q2 Elektrický náboj a elektrické pole I 17

18. Coulombův zákon • Na základě pokusů vyslovil zákon, který se na jeho počest nazývá Coulombův. • Cílem bylo nalézt vztah mezi elektrickou silou, velikostmi náboje zelektrovaných těles a jejich střední vzdáleností. Velikost elektrických sil, kterými na sebe vzájemně působí dva bodové náboje, je přímoúměrná absolutní hodnotě součinu jejich velikostí a nepřímoúměrná druhé mocnině jejich vzdálenosti • V roce 1784 prováděl francouzský fyzik Charles-Augustin de Coulomb pokusná měření. . k = 2 Fe -Fe Fe - - r r Q2 Q2 Q1 Q1 Elektrický náboj a elektrické pole I 18

19. Coulombův zákon • k • konstanta úměrnosti , eje absolutní permitivita prostředí • e = er . e0 • závisí na látkovém prostředí = dielektriku, ve kterém se náboj nachází • ve vakuu má hodnotu Elektrický náboj a elektrické pole I 19

20. Coulombův zákon • Je formálně podobný Newtonově gravitačnímu zákonu, • Liší se tím, že gravitační síla může být jen přitažlivá. • Síla elektrická je přitažlivá i odpudivá. • Rozdílné jsou i hodnoty konstant k a k v soustavě SI. Elektrický náboj a elektrické pole I 20

21. Coulombův zákon • Takže platí: • er • relativní permitivita daného prostředí • pro vakuum je er = 1 • pro vzduch je er = 1,00060 Elektrický náboj a elektrické pole I 21

22. Elektrické pole • Jak takové pole popsat? • Každá částice s nábojem vytváří kolem sebe elektrické pole. • Prostřednictvím těchto polí částice mezi sebou vzájemně interagují. + - Elektrický náboj a elektrické pole I 22

23. |Q·q| Fe≈ r 2 Elektrické pole • Mějme bodové náboje qv elektrickém poli bodového náboje Q. • Na všechny tyto náboje působí v různých vzdálenostech od náboje Q různě velké elektrické síly. • Změní-li se velikost náboje q, změní se také velikost síly F, kterou na sebe náboje q a Q působí. + F3 + + + q + - - F4 q F5 Q F2 q q F1 F6 q Elektrický náboj a elektrické pole I 23

24. Elektrické pole • Intenzita elektrického pole je charakteristická pro dané místo a není závislá na velikosti náboje q vloženého do elektrického pole. • Je zřejmé, že síla, vzhledem k tomu, že závisí nejen na vzdálenosti, ale i na velikosti a druhu náboje částice v poli, není vhodná veličina k popisu elektrického pole. • Zavedeme proto novou fyzikální vektorovou veličinu, která se nazývá intenzita elektrického pole E. + + + - - F4 E4 E5 q F5 Q F2 F7 E2 q F1 q - q E1 Elektrický náboj a elektrické pole I 24

25. Intenzita elektrického pole Velikost intenzity elektrického pole je v daném místě číselně rovna velikosti elektrostatické síly, která by působila na náboj q = 1 C. Její směr je dán směrem elektrostatické síly působící na kladný náboj. + E E - Fe E = q • E • vektorová fyzikální veličina • odvozená jednotka SI: [E] = N·C -1 Elektrický náboj a elektrické pole I 25

26. 1 |Q·q| Fe E = = · q·r 2 4pe0er q 1 |Q| E = · r 2 4pe0er Elektrické pole • Intenzita v okolí bodového elektrického náboje Elektrický náboj a elektrické pole I 26

27. Zobrazení elektrického pole • Zavedeme nový pojem siločára. • Pokud zobrazujeme el. pole bodového náboje pomocí vektoru elektrické intenzity E, obrázek působí nepřehledně a příliš nevypovídá o povaze elektrického pole. • Orientace siločáryodpovídá směru orientace elektrické intenzity. + q Q Siločárový model EP Vektorový model EP Elektrický náboj a elektrické pole I 27

28. Zobrazení elektrického pole • Siločára elektrického pole je prostorová orientovaná křivka, jejíž tečna v každém bodě udává směr intenzity elektrického pole. • Orientace je shodná s orientací elektrické intenzity. • Směřuje vždy od kladného náboje k zápornému. tečna E E´ siločára Elektrický náboj a elektrické pole I 28

29. Typy elektrických polí • Radiální = centrální • Vzniká kolem bodového náboje nebo stejnoměrně nabité koule. • Siločáry jsou přímky procházející bodovým nábojem (středem koule). • Orientace je vždy od kladného náboje. + Q Elektrický náboj a elektrické pole I 29

30. Typy elektrických polí …respektive k zápornému náboji… - Elektrický náboj a elektrické pole I 30

31. Typy elektrických polí • Siločáry jsou rovnoběžné, orientované od kladně nabité k záporně nabité desce • Intenzita má ve všech místech homogenního pole konstantní velikost i směr. • Homogenní pole vzniká mezi opačně nabitými rovinnými deskami. + - Elektrický náboj a elektrické pole I 31

32. Typy elektrických polí • Pole dvou nesouhlasných bodových nábojů + - Elektrický náboj a elektrické pole I 32

33. Typy elektrických polí • Pole dvou souhlasných bodových nábojů - - Elektrický náboj a elektrické pole I 33

34. Typy elektrických polí • Vektor intenzity výsledného elektrického pole určíme jako vektorový součet intenzit, které by každý z bodových nábojů vytvořil samostatně. + E2 E - E1 Elektrický náboj a elektrické pole I 34

35. Práce v elektrickém poli • Posouvá-li se náboj ve směru elektrické síly, konají práci elektrické síly. • Posouvá-li se náboj proti směru elektrické síly, koná mechanickou práci náboj. • V homogenním poli působí na bodový náboj ve všech místech stejná elektrostatická síla. • Při přemístění náboje z bodu A do bodu B po dráze d vykoná elektrická síla Fepráci W. A + + + + + + + - q B d Fe Fe Fe Fe Fe Fe W = Fe· d = q·E·d Elektrický náboj a elektrické pole I 35

36. Práce v elektrickém poli • W • nezávisí na trajektorii, kterou náboj opíše při přesunu z bodu A do bodu B • závisí na • velikosti přeneseného náboje q • velikosti intenzity E • vzdálenosti d bodů A, B W = Fe· d = q·E·d Elektrický náboj a elektrické pole I 36

37. WAB UAB= q Elektrické napětí • Podíl této práce a velikosti bodového náboje q nazýváme elektrické napětí UAB • Každá dvojice bodů A, B elektrického pole je charakterizována hodnotou mechanické práce WAB, kterou je nutno vykonat při přenesení bodového náboje q z jednoho bodu do druhého. • Jednotka napětí J·C-1 = V (volt) • Urči rozměr jednotky 1V. Elektrický náboj a elektrické pole I 37

38. Elektrické napětí • U • nezávisí na velikosti přenášeného náboje • nezávisí na tvaru trajektorie • vhomogenním elektrickém poli je dáno vztahem: Wq E d U ===E d q q Elektrický náboj a elektrické pole I 38

39. Elektrické napětí • Odtud dostáváme další vztah pro intenzitu elektrického pole E: U E = d • [E] = V.m-1 (volt na metr) • Je shodná s jednotkou [E] = N.C-1 Elektrický náboj a elektrické pole I 39

40. Potenciální energie Ep • Epbodového náboje závisí na jeho poloze v elektrickém poli. • Za místo s Ep= 0volíme zemi a tělesa s ní vodivě spojená. • Při pohybu náboje • ve směru působení elektrické síly se jeho Epzmenšuje, • proti elektrické síle se Epzvětšuje. Elektrický náboj a elektrické pole I 40

41. Potenciální energie Ep • Epbodového náboje v bodě A elektrického pole je rovna práci, kterou musíme vykonat při přemístění náboje z místa sEp= 0 do daného bodu A. j1 A Elektrický náboj a elektrické pole I 41

42. Potenciální energie Ep • Práce vykonaná elektrickou silou při přesunu náboje z A do B je rovna úbytku jeho Ep: EpAEpB UAB = – q q WAB = EpA– EpB B UAB = j2 j1 q Fe Ep WAB A UAB=j1–j2 j = q q Elektrický náboj a elektrické pole I 42

43. Elektrický potenciál • Podíl elektrostatické potenciální energie náboje v daném místě a tohoto náboje se nazývá elektrický potenciál j. • [j] = V • Elektrické napětí mezi dvěma místy elektrického pole se rovná rozdílu elektrických potenciálů mezi těmito místy. Elektrický náboj a elektrické pole I 43

44. Použitá literatura Literatura LEPIL, O. Elektřina a magnetismus, fyzika pro gymnázia. Praha: Prometheus, 2002. ISBN 80-7196-202-3 TKOTZ,K. Příručka pro elektrotechnika. Praha: Europa-Sobotáles, 2002. ISBN 80-86706-00-1 HALLIDAY,D. Fyzika. Elektřina a magnetismus. Brno: VUTIUM, 2000.ISBN 80-214-1868-0 Obrázky • [1] -Wikipedia: the free encyclopedia [online]. Autor: Sebastien D'ARCO, licence: CreativeCommons, last modified on 12. 8. 2006 [cit. 2012-03-26]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:Lightnings_sequence_2_animation.gif • [2] - Wikipedia: the free encyclopedia [online]. Autor: Swe, licence: CreativeCommons,last modified on 13. 8. 2005 [cit. 2012-03-26]Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:Electroscope.jpg • [3] - Wikipedia: the free encyclopedia [online]. Autor: JMerz, licence: CreativeCommons,last modified on 3. 11. 2007 [cit. 2012-03-26] Dostupné z: http://cs.wikibooks.org/wiki/Soubor:EfieldTwoOppositePointCharges.png • [4] - Wikipedia: the free encyclopedia [online]. Autor: Swe, licence: CreativeCommons,last modified on 8. 2. 2005 [cit. 2012-03-26]Dostupné z: http://cs.wikibooks.org/wiki/Soubor:OswEb.png Elektrický náboj a elektrické pole I

45. soubor prezentací FYZIKA PRO III. ROČNÍK GYMNÁZIA Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. • Tato prezentace vznikla na základě řešení projektu OPVK, registrační číslo: CZ.1.07/1.1.24/01.0114 s názvem „Podpora chemického a fyzikálního vzdělávání • na gymnáziu Komenského v Havířově“