4. Elektrické pole a elektrický proud

4.1 Elektrický náboj, elektrické pole, intenzita, Coulombův zákon

V okolí elektricky nabitých těles nebo částic existuje elektrické pole.

4.1.1 ELEKTRICKÝ NÁBOJ

Má dva významy:

1. vyjadřuje určitý stav elektricky nabitých těles – elektrický náboj je vždy vázán na částice látky, samostatně neexistuje.

2. fyzikální veličinu, která je mírou tohoto stavu – Q [C] – Coulomb podle francouzského fyzika Ch. A. Coulomba.

Vlastnosti

1.) Elektrický náboj lze přenášet z povrchu jednoho tělesa na povrch jiného tělesa, tzv. elektrování.

     Ke zjištění elektrického náboje na tělese slouží elektrometr.

2.) Elektrický náboj se může přemísťovat i v jednom tělese.

     Látky ve kterých se může přemísťovat nazýváme vodiče.

     Látky ve kterých se nemůže přemísťovat nazýváme izolanty nebo též dielektrika.

3.) Existují dva druhy elektrického náboje – kladný a záporný. Toto označení bylo stanoveno dohodou.

4.) Elektrický náboj je dělitelný. Nejmenší jednotka je tzv. elementární náboj, ozn. e

5.) Nosiče elementárního náboje jsou protony (+) a elektrony (-).

e = 1,602 . 10^-19 C

6.) Každý atom představuje soustavu kladných a záporných nábojů. Je-li počet obou nábojů stejný, je atom navenek neutrální. Podobně je tomu i u větších těles.

7.) Elektrony jsou vázány elektrickými silami k jádru atomu.

     Odpoutá-li se jeden nebo několik elektronů, vzniká kladný ion.

     Připojí-li se jeden nebo několik elektronů k obalu, vzniká záporný ion.

8.) Poměrně malými silami jsou vázány k jádru atomu elektrony nejvíce vzdálené od jádra. U kovů se tyto elektrony snadno odpoutávají a vznikají tzv. volné elektrony.

9.) Při těsném styku dvou těles dochází k přemísťování elektronů z tělesa na těleso. Těleso s nadbytkem volných elektronů pak nabíjí těleso s nedostatkem volných elektronů. Platí

Zákon zachování elektrického náboje:

V elektricky izolované soustavě je elektrický náboj stálý.

10.) Těleso s elektrickým nábojem působí silou na jiná tělesa (nabitá i neutrální). Tělesa se souhlasným nábojem se odpuzují, a s nesouhlasným nábojem se odpuzují.

4.1.2 Coulombův zákon

Mírou vzájemného působení elektricky nabitých těles je tzv. elektrická síla.

Bodový elektrický náboj je myšlený elektrický náboj soustředěný do jednoho bodu (obdoba hmotného bodu v mechanice).

Dva bodové náboje v klidu se navzájem přitahují nebo odpuzují stejně velkými silami opačného směru.

Platí tedy                                             

kde konstanta k závisí na prostředí

Pro vakuum a pro vzduch je k = 9 . 10⁹ N.m².C^-2

Permitivita vakua e₀ = 8,854 . 10^-12 C².m^-2.N^-1 a e_r je relativní perimitivita prostředí (pro vakuum/vzduch= 1).

Intenzita elektrického pole

K popisu elektrického pole zavádíme dvě fyzikální veličiny

a) intenzita elektrického pole E

b) elektrický potenciál j

Intenzitu elektrického pole E definujeme jako podíl síly F_e, která působí na kladný náboj Q₀, a velikosti tohoto náboje.

Jednotka:          [N . C ^-1]

                        [V . m ^-1]

Má-li vektor intenzity E ve všech místech elektrického pole stejný směr i velikost, jde o homogenní el. pole.

V okolí bodového elektrického náboje je radiální elektrické pole.

Zavedením veličiny intenzita elektrického pole E vytváříme matematický model zvaný vektorové pole.

Velikost intenzity E bodového náboje

Velikost ntenzity elektrického pole se zmenšuje s druhou mocninou vzdálenosti od bodového zdroje, který pole vytváří.

Uvedený vztah platí pro pole vně kulového vodiče.

Siločárový model elektrického pole:

Elektrická siločára je myšlená čára, jejíž tečna určuje v každém místě pole směr intenzity E.