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 n ahttp://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 vzorcaKonštantu 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 jeV 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.

Začnem s elektrickým nábojom. Pri meraní pôsobenia napätia na elektrický náboj, zistili, že práca A ktorú vykoná pohybom elektrický náboj medzi pólmi zdroja, je priamoúmerná napätiu U a elektrickému náboju Q. 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 dva rovnaké vodivé dosky ktoré sú rovnomerne od seba vzdialené v nevodivom prostredí a pripojím na ne napätie. Elektrický zdroj odsaje elementárne náboje, elektróny 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, (elektŕód 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 vzorecHodnoty ε, S a d poznáme, možeme z toho určiť vzorecC je kapacita kondenzátora. Kondenzátor je zariadenie kde môžeme uchovať elektrický náboj. Skladá sa 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 vytvárajú prácu. 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 prácu resp. energiu kondenzátoraPohybom elektród voči sebe bude medzi nimi pôsobiť sila F po dráhe d. Elektródy budú vykonávať prácu a porovnaním dostaneme vzorceZ tohto vzorca si môžeme odvodiť vzťah pre silu medzi dvoma elektródami ktoré pôsobia medzi sebou podľa vzorca

Rozpísaním vzorca pre hodnoty kondenzátora dostaneme vzorec podľa ktorého si môžeme odvodiť vzorec pre výpočet permitivity. 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. Vzorec ktorý som napísal dole udáva akou energiou A sa nabije kondenzátor s kapacitou C=1F a napätím U=1V. Nabil by sa v podstate za nekonečne dlhý čas, jeho náboj by bol Q=1C Energia na kondenzátore je polovičná, pretože pri nabíjaní kondenzátora elementárne naboje na seba pôsobia odpudivou silou.

Z toho vyplýva, že keď priložíme na jeden pól zdroja napätia z hodnotou napätia 1V náboj o hodnote 1C tak aby sa náboj od pólu odpudzoval, tak keď prejde dráhu medzi dvoma pólmi, vykoná prácu 1J. Z toho vychádza rozmerová rovnica pre 1V.

Náboj pri prenesení z jedného pólu na druhý bude zrýchľovať. Ale 1J môžeme si predstaviť aj prenášaním rovnomernou rýchlosťou 1m za 1s. prenesenie náboja môže prebieha aj cez vodič. Jednotka elektrického prúdu sa rovná prenosu elektrického náboja 1C cez prierez vodiča za 1s. Keď bude tiecť cez odpor elektrický náboj rýchlosťou  1C/1s plynule po dobu 1s a vytvorí sa na ňom úbytok napätia 1V, tak na odpore sa vykoná za čas 1s práca 1J. Znamená to, že súčet napätia U a prúdu I je výkon P, podľa rovnice

rozmerová rovnica je

Elektrické náboje sa vykrátia a ostane rozmer výkonu 1W, 1Watt. znamená to, že jednotka prúdu musí byť odvodená od Voltu a Coulombu.