aldebaran.pravda.sme

Zase napíšem jeden nezaujímavý blog z histórie fyziky do dnešnej nenávistnej spolitizovanej doby.

Napíšem niekoľko blogov o elektromagnetizme. Elektromagnetizmus je konečné vysvetlenie klasickej elektrotechniky.

V elektrotechnike je základom elektrický náboj. Elektrické náboje vytvárajú voči sebe silové účinky a pohybom voči stojacemu okoliu vytvárajú magnetické účinky okolo seba. Elektrické náboje pohybom vo vodiči vytvárajú elektrický prúd. Elektrický prúd vytvára magnetické účinky okolo vodiča, magnetka sa pri vodiči ktorým preteká prúd natočí.

Pôsobenie silových účinkov elektrických nábojov opísal v roku 1786 francúzsky inžinier a vynálezca Charles Augustin de Coulomb podľa meraní na tzv. torzných váhach ktoré si sám zostrojil. Popis torzných váh je na http://kf-lin.elf.stuba.sk/~ballo/STU_online/Fyzika%20II/8%20kapitola/e8131.htm

Jeho vzťah pre silové pôsobenie medzi dvoma elektrickými nábojmi Q₁ a Q₂ pri vzdialenosti r vzniká sila F je podľa vzorca

Konštantu K zmerať nevedel len vedel, že existuje pretože pri väčšom vákuu bola sila väčšia. Pre vákuum použil K=1. Hodnotu náboja vytvoril zo vzorca kde Q₁=Q₂. Potom je Q₁·Q₂=Q². Keď hodnoty vložil do vzorca

dostal vzorec pre jednotku elektrického náboja jednotka sa volala statický Coulomb značka statC Vlastne hodnotu konštanty zahrnul do rozmeru elektrického náboja. Vzorec je

V roku 1799 vynašiel taliansky fyzik Alessandro Volta zdroj napätia elektrického napätia. Bol to elektrochemický článok, kde chemická reakcia medzi zinkovou a medenou elektródou, ktoré boli vložené do zriedenej kyseliny sírovej vytvorili napätie. Za jednotku elektrického napätia sa zvolilo napätia voltovho článku 1V Volt.   Elektrické napätie je priamo merateľná elektrická veličina. Elektrické napätie je zdrojom elektrického náboja a pri zapojení na vodivý materiál vytvorí vo vodiči elektrický prúd. Vynájdením zdroja napätia sa umožnilo ďalej pokračovať v skúmaní elektriny. Elektrickým prúdom sa zaoberal francúzsky fyzik André-Marie Ampére. Ten skúmal jeho magnetické účinky. Rovnomerný elektrický prúd I vo vodiči je definovaný ako pohyb elektrického náboja Q prierezom vodiča za určitý čas t. Vzorec je

Prechodom prúdu cez materiál sa zaoberal nemecký fyzik Georg Simon Ohm. Vynašiel vzťah medzi prúdom I a napätím U. Zaviedol pomernú veličinu elektrický odpor R. Vzorec je

Je to tzv. Ohmov zákon, prúd je priamo úmerný napätiu a nepriamoúmerný odporu vodiča. Podľa neho je pomenovaná jednotka elektrického odporu Ohm, značí sa 1Ω. Táto jednotka bola spresnená fyzicky až neskôr keď bol zavedený Amper.

Elektrické napätie na zdroji napätia je vytvorené odsatím elementárnych elektrických nábojov z jedného pólu na druhý. Znamená to, že keď prepojíme póly materiálom, kde sa môžu elektrické náboje pohybovať tak materiálom začne prúdiť elektrický prúd. Pretože na póloch zdroja je nerovnaký elektrický náboj, tak na bodový elektrický náboj medzi pólmi bude pôsobiť sila. Prenesením náboja od jedného pólu k druhému elektrostatický náboj vytvorí prácu. Čím bol elektrický náboj Q väčší a elektrické napätie U vyššie bude práca A ktorú vykonal pohybom elektrický náboj medzi pólmi zdroja väčšia. Z toho vychádza vzorec

Spozoroval sa jav, keď dva vodivé dosky, ktoré boli vedľa seba a pripojili na ne zdroj napätia, tak na doskách ostal elektrický náboj. Meraním síl medzi doskami zistili, že sily medzi doskami sú tým väčšie čím je plocha platní väčšia a vzdialenosť dosiek menšia. Z výsledkov meraní bolo jasné, že existuje nejaká konštanta, ktorá je daná pre určitý izolačný materiál. S týchto poznatkov bol navrhnutý elektrický kondenzátor. Máme dve rovnaké vodivé dosky ktoré sú rovnomerne od seba vzdialené v nevodivom prostredí a pripojím na ne napätie. Elektrický zdroj odsaje elementárne náboje z jednej dosky na druhú. Na dosky bude pôsobiť sila vyvolaná intenzitou elektrostatického poľa E ktorá je priamo úmerná napätiu U nepriamo úmerná vzdialenosti medzi doskami d. Vzorec je

Medzi doskami bude tiecť elektrostatický tok ψ ktorý bude rovnaký ako uložený elektrický náboj Q na vodivých doskách Pomer elektrického toku a celkovej plochy dosiek, (elektód S sa nazýva elektrostatická indukcia D. Vzorec je

Pomer elektrostatickej indukcie a intenzity udáva elektrostatickú vodivosť prostredia, permitivitu ε Permitivita prostredia ε pre rôzne materiály je súčin permitivity váku ε₀ a pomernej resp. relatívnej permitivity ε_r.

S týchto rovníc si môžeme rozpísať vzorec

C je kapacita kondenzátora. Elektrický kondenzátor má schopnosť pojať elektrostatický náboj medzi dve vodivé platne. Kapacita kondenzátora má vzorec

Hodnoty S a d poznáme, ale hodnotu musíme určiť pre daný materiál elektrostatickú vodivosť permitivitu ε meraním materiálu. Z toho môžeme určiť vzorec, koľko môžeme pojať elekrického náboja medzi platne kondenzátora. Kondenzátor sa skladá z vodivých dosiek oddelených nejakým izolantom. Keď odpojíme zdroj napätia od kondenzátora tak napätie na doskách ostane. Kapacita sa udáva vo Faradoch. Hodnotu 1F má kondenzátor ktorý uchová pri napätí 1V náboj 1C. Pripojením napätia na dosky kondenzátora sa elektrický náboj nedostane hneď ale postupne jednotlivé elementárne náboje sa budú vtláčať medzi dosky. Čim viac bude  elementárnych nábojov vtlačených na doskách tým viac budú odpudivé sily pôsobiť na vonkajšie náboje. Elektrické náboje pri nabíjaní kondenzátora, budú vytvárať prácu, pretože sa budú stĺčať. Celková práca A ktorá pretlačí elektrické náboje medzi elektródy kondenzátora je taká  veľká ako energia elektrostatického poľa v kondenzátore. Spočítaním jednotlivých nábojov resp. integrovaním dostaneme vzorec pre energiu ktorá bude uložená v kondenzátore. Vzorec je

Rozdielom elektrických nábojov medzi doskami pôsobí na nich  sila F. Keby sme nimi pohybovali po dráhe d vytvorili by prácu. Z toho dostaneme vzorec

Z tohto vzorca si môžeme odvodiť vzťah pre silu medzi dvoma elektródami ktoré pôsobia medzi sebou podľa vzorca

Rozpísaním vzorca pre hodnoty kondenzátora dostaneme vzorec

Z toho vzorca si môžeme odvodiť vzorec pre výpočet elektrostatickej vodivosti permitivity ε. Silu medzi elektródami si môžeme zmerať.  Pri danej ploche elektród S, vzdialenosti medzi nimi d a pripojeným napätím U  môžeme vypočítať permitivitu prostredia podľa vzorca

Merali to na tzv. Kirchhofových váhach, dole je náčrt

Na ľavej strane sú vodivé dosky sú napojené na napätie a oddeľuje ich tekutý izolant. Na pravej strane je miska so závažím. Váhy porovnávajú gravitačnú tiaž, váhu závažia so silou ktorú vytvorí elektrické pole na elektródach. Keď je rúčka na nule tak sila na elektródach bude rovná sile ktorá pôsobí gravitačne na závažie. Prepočítaním podľa gravitačného zrýchlenia dostaneme silu ktorá pôsobí na závažie.

Pre základnú hodnotu bola zvolená nameraná hodnota v suchom vzduch pri normálnej teplote, predpoklad bol, že toto prostredie sa najviac približuje k hodnote vákua. Pre  permitivitu vákua bola nameraná hodnota ε₀=0,00000000008854187 F/m. Permitivita vákua je najdôležitejšia hodnota v elektromagnetizme pretože bola meraná a na jej základe Maxwell odvodil svoje rovnice.

Rozmer voltu si môžeme určiť zo vzorca

Prúd je definovaný pomerom náboja ktorý tečie cez prierez vodiča. Vynásobením napätia prúdom dostaneme výkon vo watoch podľa rozmerového vzorca

1V môžeme definivať ako prácu 1J ktorú vykoná prenesenie náboja vzdialenosti medzi pólmi 1m za 1S. preniesť elektrický náboj môžeme plynule tak aby tiekol cez prierez vodiča rýchlosťou 1m/s. Znamená to, že násobok U·I je výkon P.

Elektrické pole bodového náboja sa šíri rovnomerne okolo náboja. Povrch gule v určitej vzdialenosti od náboja je elektrostatická intenzita. Čím bude elektrostatická vodivosť väčšia, tak elektrické pole zoslabne pretože, atómy v prostredí budú šírenie elektrostatického poľa tieniť. Z toho môžeme upraviť Coulombov zákon kde sú 2 rovnaké náboje vo vákuu podľa vzorca

z toho si môžeme silu ktorou budú na seba pôsobiť bodové náboje ktoré majú hodnotu 1C vo vzdialenosti 1m vo vákuu

pretože hodnota je veľmi malá ε₀=0,00000000008854187 F/m tak elektrostatická sila ktorá pôsobí medzi bodovými nábojmi vo vákuu je veľmi vysoká. Hodnota Coulombu je preto veľmi vysoká. V praxi sa veľkosti elektrických nábojov vo veľkosti radu Coulombov  skoro nevyskytujú