úvod
Nabitý balón priťahuje papieriky, hoci sa ich nedotýka. Sila medzi nábojmi pôsobí na diaľku cez elektrické pole. Pole nevidíš, ale vieš ho nakresliť a vieš ho aj využiť: v kondenzátore si drží energiu na neskôr.
teória
Elektrické pole
Každé nabité teleso je obklopené elektrickým poľom. Keď do neho vložíš iný náboj, pole naň pôsobí silou. Čím je náboj bližšie, tým väčšia sila.
Pole sa kreslí siločiarami. Ukazujú, ktorým smerom by pole tlačilo malý kladný náboj: od kladného náboja von a do záporného náboja dnu. Kde sú siločiary hustejšie, je pole silnejšie. Siločiary si môžeš aj ukázať: krupica v oleji sa okolo nabitých elektród usporiada presne podľa nich.
Medzi dvoma rovnobežnými doskami nabitými opačne idú siločiary rovno od kladnej dosky k zápornej a sú rovnako husté. Takéto pole je všade rovnaké, hovorí sa mu homogénne.
Vyskúšaj si to: ťahaj náboje, pridaj ďalšie a sleduj, ako sa siločiary menia. Žltý skúšobný náboj ukáže, akou silou a ktorým smerom naň pole pôsobí. V druhej časti nastavíš doskový kondenzátor.
vyskúšaj si
Elektrostatika: pole a kondenzátor
Náboje aj žltý skúšobný náboj q ťahaj prstom alebo myšou. Mriežka má štvorce 1 cm, číslo pri náboji je jeho veľkosť v nC.
- ✓ Výzva 1: postav kladný a záporný náboj a pozri sa, kadiaľ idú siločiary.
- ○ Výzva 2: pri dvoch rovnakých nábojoch nájdi skúšobným nábojom miesto, kde pole nepôsobí.
Čo je v okolí nabitého telesa?
0 / 0teória
Faradayova klietka
Vo vnútri uzavretej kovovej schránky elektrické pole nie je. Náboje sa rozostúpia po povrchu kovu a ich polia sa vo vnútri navzájom zrušia. Takej schránke sa hovorí Faradayova klietka. Preto je v búrke bezpečne v aute s plechovou karosériou a v lietadle, do ktorého udrel blesk. Kovové tienenie chráni aj citlivú elektroniku a mikrovlnka má v dvierkach kovovú mriežku, aby žiarenie neunikalo.
teória
Kondenzátor
Kondenzátor sú dve vodivé dosky oddelené tenkou vrstvou izolantu. Keď ho pripojíš k batérii, z jednej dosky odtečú elektróny a na druhú pritečú. Jedna doska je nabitá kladne, druhá záporne a medzi nimi je elektrické pole. Prúd ide len chvíľu, kým sa kondenzátor nenabije na napätie batérie. Potom sa zastaví, lebo izolantom medzi doskami prúd neprejde.
Nabitý kondenzátor odpojený od batérie si náboj drží. Keď jeho vývody spojíš cez spotrebič, vybije sa a na chvíľu ním poženie prúd. Kondenzátor je teda malý zásobník energie, ktorý sa rýchlo nabije a energiu vie vydať naraz. Je v blesku fotoaparátu, v defibrilátore, ktorý obnoví činnosť srdca, aj v každom zdroji počítača, kde vyhladzuje napätie.
súčiastky v stavebnici
Čo je čo
Hore značka, ktorou súčiastku kreslíš do schémy, pod ňou ako vyzerá naozaj. V stavebnici ich prepneš tlačidlom Schéma a Reálne.
- KondenzátorDve dosky oddelené izolantom. Pri pripojení na zdroj sa nabije a nazbiera náboj, potom ho môže naraz vydať. Jednosmerný prúd cez neho po nabití nejde.Q = C · UNabíja sa cez rezistor postupne: za čas τ = R · C asi na 63 % napätia zdroja.
V stavebnici s Pingom nabiješ kondenzátor z batérie. Potom ho prepínačom odpojíš a pripojíš k LED, ktorá bude svietiť, kým sa kondenzátor nevybije. Na strednej škole v laboratórnej práci zmeriaš, ako napätie kondenzátora rastie v čase.
vyskúšaj si
Stavebnica: kondenzátor
Stavebnica sa načíta v prehliadači.
Zapamätaj si: okolo náboja je elektrické pole, kreslíme ho siločiarami od kladného k zápornému. V kovovej klietke pole nie je. Kondenzátor sa nabije, drží náboj a potom ho vydá naraz.
Intenzita elektrického poľa
Silu, ktorou pole pôsobí na náboj Q, opisuje intenzita elektrického poľa:
E = F : Q
Jednotkou je newton na coulomb (N/C). Intenzita je vektor so smerom siločiar. V poli bodového náboja Q₀ je podľa Coulombovho zákona E = k · Q₀ : r², so vzdialenosťou rýchlo klesá.
V homogénnom poli medzi doskami vzdialenými d s napätím U je intenzita všade rovnaká:
E = U : d
Jednotka V/m je to isté ako N/C. Keď sa náboj Q presunie v poli medzi miestami s napätím U, sily poľa vykonajú prácu W = Q · U. Napätie je teda práca na jednotkový náboj.
Kapacita kondenzátora
Náboj na doskách je priamo úmerný napätiu. Podiel je kapacita:
C = Q : U
Jednotkou je farad (F). Jeden farad je obrovská kapacita, bežné kondenzátory majú mikrofarady (µF), nanofarady a pikofarady. Kapacita doskového kondenzátora je
C = ε · S : d
kde S je plocha dosiek, d ich vzdialenosť a ε permitivita izolantu. Väčšie a bližšie dosky pojmú pri rovnakom napätí viac náboja. Izolant s veľkou permitivitou kapacitu zväčší.
Energia a nabíjanie
Nabitý kondenzátor má v poli medzi doskami uloženú energiu
W = ½ · C · U²
Kondenzátor 100 µF nabitý na 20 V má 0,02 J, defibrilátor má asi 200 J.
Pri nabíjaní cez rezistor R prúd najprv rýchlo nabíja dosky a potom slabne, lebo napätie kondenzátora sa blíži k napätiu zdroja. Za čas τ = R · C (časová konštanta) sa kondenzátor nabije asi na 63 % napätia zdroja, za 5 τ skoro úplne. Rovnako rýchlo sa cez ten istý rezistor aj vybíja. Na tom sú založené časovače, blikače a stierače s prestávkou.
skús doma Mobil vo Faradayovej klietke
Potrebuješ: mobil (so súhlasom rodiča), druhý telefón, z ktorého zavoláš, alobal, ak máš, plechová škatuľa od keksov s vekom.
- Zabaľ mobil do alobalu v dvoch alebo troch vrstvách tak, aby neostala žiadna škára.
- Zavolaj naň z druhého telefónu. Zvoní? Väčšinou sa ozve, že je nedostupný.
- Rozbaľ jeden roh a skús to znova. Často stačí malá diera a signál prejde.
- Vyskúšaj aj plechovú škatuľu s vekom, sklenený pohár a plastovú krabičku. Ktoré obaly signál zastavia?
Prečo? Mobil sa dorozumieva rádiovými vlnami, teda rýchlo sa meniacim elektrickým a magnetickým poľom. Kovový obal je Faradayova klietka: voľné elektróny v kove sa presunú tak, že pole vo vnútri zrušia. Sklo a plast voľné elektróny nemajú, preto signál prepustia. Na tom istom princípe ťa v búrke chráni plechové auto.
Mobil nebaľ, keď sa nabíja, a po pokuse ho hneď rozbaľ. Pri hľadaní signálu sa zohrieva a míňa batériu.
rozšírenie Ako mobil cíti prst
Displej mobilu má pod sklom jemnú sieť priehľadných elektród. Každé miesto, kde sa elektródy krížia, tvorí malý kondenzátor. Prst je vodivý a keď sa priblíži, zmení elektrické pole a s ním kapacitu kondenzátorov pod sebou. Čip stokrát za sekundu zmeria kapacitu všetkých miest a zistí, kde je prst. V rukaviciach preto displej nereaguje, guma ani vlna pole nezmenia. Dotykové rukavice majú v končekoch prstov vodivé vlákna.
teória
Časté chyby
- „Kondenzátorom ide stály prúd.“ Prúd ide len pri nabíjaní a vybíjaní, medzi doskami je izolant.
- „Siločiary sú skutočné čiary.“ Siločiary sú len spôsob, ako pole nakresliť. Pole je všade medzi nimi.
- „Kondenzátor vyrába energiu.“ Kondenzátor energiu len uschová, najprv ju musí dostať zo zdroja.
- „V aute ťa chránia gumené pneumatiky.“ Chráni ťa kovová karoséria. Blesk preskočí aj kilometre vzduchu, pár centimetrov gumy ho nezastaví.
Ako prúd prechádza kvapalinami a plynmi a čo je blesk, ukazuje ďalšia lekcia Elektrický prúd v kvapalinách a plynoch.