Elektina a magnetismus Pitaliv sly Heben a such

Elektřina a magnetismus • • Přitažlivé síly: Hřeben a suché vlasy, prach a obrazovka, polyetylenová fólie se suchými kousky papíru 6. století př. n. l. : Thales z Milétu – přitažlivé síly vzniklé třením jantaru (řecky elektron), odtud název elektrické jevy Příčina: Elektrická síla, kterou na sebe působí elektricky nabitá tělesa Atomy = jádro (protony, neutrony) + elektronový obal Nabité těleso – narušená rovnováha Elektrony – záporný náboj, protony – kladný náboj, neutrony – neutrální (žádný) náboj Video: Prokop Diviš (13 minut) http: //www. ceskatelevize. cz/porady/10169539755 -dvaasedmdesat-jmen-ceskehistorie/209572232200003 -prokop-divis/

Náboj • Jak moc je těleso nabité? Základní jednotkou je 1 coulomb (C), který v základních jednotkách vyjádříme jako 1 C = 1 A * s (ampér * sekunda). • Náboj 1 C odpovídá 6, 241 5 * 1018 (šest a čtvrt triliónu) chybějících elektronů • Náboj -1 C odpovídá 6, 241 5 * 1018 (šest a čtvrt triliónu) přebývajících elektronů • Pro náboj odpovídající jednomu elektronu se používá pojem elementární náboj • 1 elektron má záporný náboj -1 e , 1 proton má kladný náboj +1 e • PŘENOS ELEKTRICKÉHO NÁBOJE: Pomocí přemístění elektronů v pevných látkách nebo iontů v plynech a kapalinách

Náboj • Zákon zachování elektrického náboje: Elektrický náboj soustavy, která z okolí nepřijímá částice ani mu je nepředává, je stálý. • Elektrická síla • • • Souhlasné náboje (souhlasně nabitá tělesa) se přitahují Opačné náboje (opačně nabitá tělesa) se odpuzují Vzájemné síly rostou se součinem nábojů a klesají s druhou mocninou vzdálenosti • Bodové náboje: Elektrické náboje těles nebo částic, jejichž rozměry jsou značně menší než vzdálenosti mezi nimi, tj. jejich rozměry můžeme zanedbat. :

Charles-Augustin de Coulomb (1736 - 1806) Zakladatel elektrostatiky

Coulombův zákon – jednodušší znění • 1) Dva bodové elektrické náboje se přitahují, jsou-li odlišné a odpuzují, jsou-li shodné. (, , Protiklady se přitahují. ´´) • 2) Síla mezi dvěma náboji je přímo úměrná součinu velikostí a nepřímo úměrná druhé mocnině vzdálenosti. • Příklad 1: Jak se změní odpudivá síla mezi náboji, jestliže jeden zmenšíme 2 x, druhý zmenšíme 3 x, ale náboje k sobě 3 x přiblížíme? • Řešení: Součin nábojů se zmenší 6 x (přímá úměrnost – musíme dělit 6 x), druhá mocnina vzdálenosti se zmenší 9 x (nepřímá úměrnost – musíme násobit 9 x). 9/6 = 1, 5, tedy odpudivá síla mezi náboji vzroste o polovinu.

Elektrické pole • Elektrické pole: Silové pole, v němž na tělesa nebo částice s elektrickým nábojem působí elektrická síla. Elektrické pole existuje kolem každého elektricky nabitého tělesa nebo částice s elektrickým nábojem • • Intenzita elektrického pole počítá jako poměr síly působící na bodový náboj k tomuto náboji Vzorec • Směr intenzity elektrického pole odpovídá směru síly působící na kladný náboj do elektrického pole vložený

Radiální (centrální) elektrické pole • Radiální (centrální) elektrické pole najdeme v okolí osamoceného bodového náboje Q. • Intenzita radiálního pole – pro kladný náboj směrem od něj, pro záporný náboj směrem k němu

Radiální (centrální) elektrické pole • Radiální (centrální) elektrické pole najdeme v okolí osamoceného bodového náboje Q • Intenzita radiálního pole – pro kladný náboj směrem od něj, pro záporný náboj směrem k němu • Velikost intenzity radiálního elektrického pole ve vzdálenosti r od bodového náboje Q • Jednodušeji: Velikost intenzity radiálního elektrického pole je přímo úměrná velikosti bodového náboje a nepřímo úměrná druhé mocnině vzdálenosti od tohoto náboje Příklad 1: Jak daleko se musíme vzdálit od bodového náboje Q, aby intenzita radiálního elektrického pole klesla 9 x? Odpověď: Velikost intenzity klesne 9 x, pokud se vzdálenosti zvětší 3 x (nepřímá úměrnost k druhé mocnině vzdálenosti) Příklad 2: Jak se změní intenzita radiálního pole, pokud zvětšíme 2 x bodový náboj? Odpověď : Také 2 x, jde o přímou úměrnost. • •

Radiální el. pole - dokončení • Elektrické pole vytvořené bodovým nábojem Q působí na náboj q nacházející se v tomto poli elektrickou silou , jejíž velikost je dána vztahem • Což samozřejmě odpovídá vzorci pro dva bodové náboje

Homogenní elektrické pole • • Homogenní elektrické pole – mezi rovnoběžnými, dostatečně velikými a opačně nabitými rovnoběžnými vodivými deskami Intenzita homogenního elektrického pole má ve všech místech stejnou velikost i směr

Siločáry • Vědecky: Siločára elektrického pole je myšlená čára, v jejímž každém bodě má vektor intenzity elektrického pole směr její tečny (tudíž i elektrická síla má směr tečny siločáry) • Lidově: Siločáru si můžeme představit jako záznam letu kladně nabité částice umístěné do elektrického pole. • Důsledek: Siločáry vedou od kladných bodových nábojů k záporným, neboť od kladných je kladná částice odpuzována a k záporným je přitahována

Elektrický proud jako podíl náboje a času - (Elektrický) proud = Přenesený náboj / Čas

Ohmův zákon • Tři důležité ukazatele pro elektrické obvody: napětí (odpovídá práci přenosu náboje), proud (přenesený náboj v poměru k času) a odpor (poměr napětí vůči proudu) • • Verze 1: (Proud je napětí dělené odporem) • • Verze 2: (Napětí je součin proudu s odporem)

Elektrické obvody • • • Elektrické obvody jsou obvody, v nichž probíhá elektrický proud Základní položkou elektrického obvodu je BATERIE Nejjednodušší baterií, jak ji zpravidla známe, je baterie coby skupina galvanických článků Typická devítivoltová baterie obsahuje 6 galvanických článků o napětí 1, 5 V (jeden a půl voltu) GALVANICKÝ ČLÁNEK = část baterie nebo jednoduchá baterie

El. obvody - galvanický článek • Galvanický článek • • Na zinkové elektrodě se shromáždí větší množství elektronů, nežli na měděné Poté můžeme pomocí drátů vést proud elektronů ze zinkové elektrody na měděnou

El. obvody - galvanické články • Baterii (galvanický članek o velmi nízkém napětí) si můžeme vyrobit pomocí zapíchnutí dvou hřebíků z různých kovů do jablka nebo citrónu

Elektrické obvody: Žárovka • Další složkou elektrického obvodu je ŽÁROVKA • Žárovka je jednoduché zařízení na přemenu elektrické energie na svetlo, princip zahrivání tenkého (obvykle wolframového) vodiče elektrickým proudem, který jím protéká • Výhodou wolframu je, že se ani při vysokých teplotách neroztaví (teplota tání je 3422 °C, teplota vypařování dokonce až 5660 °C) • Žárovku patentoval Thomas Alva Edison roku 1879 • Ve skutečnosti se žárovkou zabýval Heinrich Göbel a teoreticky napadla již Humphry Davyho

Elektrické obvody: Žárovka • Obvod (jen) se žárovkou – diagram

Elektrické obvody: Další součástky • Pro měření napětí v elektrickém obvodu využíváme VOLTMETR • Pro měření proudu v elektrickém obvodu využíváme AMPÉRMETR • Pro vypínání a zapínání elektrického proudu používáme spínač (vypínač)

Elektrické obvody: Rezistory • Do elektrických obvodů umisťujeme často také REZISTOR elektrotechnickou součástku s pevně stanoveným odporem • Rezistor - elektrotechnická součástka s pevně stanoveným (fixním) odporem • Při sériovém zapojení rezistorů (za sebe) se odpory sčítají • Při paralelním zapojení je výpočet celkového odporu složitější

Ohmův zákon - opakování • • Ohmův zákon popisuje vztah mezi třemi veličinami: Napětím: Napětí popisuje práci vykonanou na přenos jedné elektrické částice mezi dvěma místy. Jednotkou je 1 V (1 volt ) Proudem: Proud popisuje rychlost přenosu elektrických částic. Jednotkou je 1 A (1 ampér) Odporem: Odpor popisuje, jak se látka brání průchodu elektrických částic. Jednotkou je 1 Ω (1 ohm) • Základní tvar Ohmova zákona: • Často upravíme do tvaru: • Můžeme získat i tvar:

Aplikace Ohmova zákona - příklad V okamžiku, kdy má vlákno žárovky odpor 611 Ω, jím prochází proud 360 m. A. Na jaké napětí je žárovka připojena? • Řešení: Základní tvar Ohmova zákona upravíme do výhodnějšího tvaru • Nyní můžeme dosazovat R = 611 Ω, I = 360 m. A = 0, 36 A Odpověď: Žárovka je připojena na napětí 220 voltů.

Rezistory • Rezistor - elektrotechnická součástka s pevně stanoveným (fixním) odporem • Při sériovém zapojení rezistorů (za sebe) se odpory scitaji • Při paralelním zapojení je výpočet celkového odporu složitější

Rezistory - příklad • Určete výsledný odpor 3 el. Spotřebičů o odporech 40 Ω, 80 Ω, 160 Ω, jsou-li zapojeny a) za sebou, b) vedle sebe Řešení a) Jde o sériové zapojení, takže odpory jednoduše sečteme • Řešení b) Jde o paralelní zapojení, takže počítáme • Odpověď: Při sériovém zapojení (za sebou) máme celkový odpor 280 ohmů, při paralelním zapojení máme celkový odpor 22, 9 ohmu. •

Vodiče, polovodiče, izolanty • • Vodiče: Látky s dostatkem volných elektronů (nebo jiných volných částic s nábojem), proto vhodné pro přenos elektrického náboje (proudu). Vysoká vodivost, tedy nízký odpor. Např. kovy, roztoky solí. Nevodiče (izolanty): Látky, které nemají volné elektrony (ani jiné volné částice s nábojem), proto nevhodné pro přenos elektrického proudu. Nízká vodivost, tedy vysoký odpor. Např. plasty, dřevo. Polovodiče: Při nízkých teplotách se chovají jako izolanty, při vysokých jako vodiče (odpor se s růstem teploty rychle zmenšuje) Polovodiči jsou např. křemík (Si), germanium (Ge), uhlík (C), selen (Se), telur (Te). Příčina – vnější vrstva atomu je elektrony naplněna přesně z poloviny, proto , , nemá snahu´´ elektrony doplňovat ani půjčovat okolním atomům

Vodiče • Vodiče: Látky s dostatkem volných elektronů (nebo jiných volných částic s nábojem), proto vhodné pro přenos elektrického náboje (proudu). Vysoká vodivost, tedy nízký odpor • Např. kovy, roztoky solí

Nevodiče (izolanty, dielektrika) • Izolanty (nevodiče, dielektrika): Látky, které nemají volné elektrony (ani jiné volné částice s nábojem), proto nevhodné pro přenos elektrického proudu. Nízká vodivost, tedy vysoký odpor. • Např. plasty, dřevo.

Polovodiče • Polovodiče: Při nízkých teplotách se chovají jako izolanty, při vysokých jako vodiče (odpor se s růstem teploty rychle zmenšuje) • Polovodiči jsou např. křemík (Si), germanium (Ge), uhlík (C), selen (Se), telur (Te) • Příčina – vnější vrstva atomu je elektrony naplněna přesně z poloviny, proto , , nemá snahu´´ elektrony doplňovat ani půjčovat okolním atomům

Polovodiče • Video: Jak fungují polovodiče • https: //www. youtube. com/watch? v=P 138 KQn-SQ 4

Vlastní polovodiče • • • Vlastní polovodič = Čistá látka, např. křemík Nositeli náboje jsou jen elektrony a díry vzniklé jejich vyskočením. (Takové jevy vznikají až při rozkmitání, spojeném např. s vysokou teplotou. ) Při zahřátí vzniká stejné množství elektronů (záporný náboj) a děr (kladný náboj) Nastávají pohyby mezi elektrony a dírami Generace = vznik páru elektron – díra Rekombinace = zánik páru elektron – díra

Příměsové polovodiče • Elektrická vodivost je zde vytvářena příměsemi • • Donory: Atomy s 5 z 8 možných elektronů ve vnější vrstvě – schopné 1 elektron půjčit Např. fosfor P, arsen As, antimon Sb, telur Te Výsledkem je elektronová vodivost – náboj přenášen převážně elektrony Elektron – záporný (negativní) náboj polovodiče typu N

Příměsové polovodiče • • • Elektrická vodivost je zde vytvářena příměsemi Akceptory: Atomy se 3 z 8 možných elektronů ve vnější vrstvě – schopné 1 elektron přijmout Např. bor B, galium Ga, indium In Výsledkem je děrová vodivost – náboj přenášen převážně děrami Díra – kladný (pozitivní) náboj �polovodiče typu P

Jak funguje dioda • Video – Přechod PN – polovodičová dioda • https: //www. youtube. com/watch? v=Hpx 5 y. XTUj 44 • Příměsová polovodivost • https: //www. youtube. com/watch? v=Dvjbv. Jfs. HYg • Nezkreslená věda: Polovodiče (10, 5 minuty) • https: //www. youtube. com/watch? v=P 138 KQn-SQ 4

Polovodičová dioda • Polovodičová dioda je součástka skládající se z polovodiče typu P a poloviče typu N • Ve směru P N elektrický proud propouští (propustný směr) • Ve směru N P elektrický proud nepropouští (závěrný směr) • Tato závislost diody na orientaci přiloženého napětí se nazývá diodový jev

Využití polovodičových diod • LED (light emiting diode, světelná dioda) – polovodičová dioda vyráběná z průhledného arsenidu galia Ga. As. Proud způsobí emisi světelného záření (LED v blikačkách kol) • Fotodioda – polovodičová dioda, která vytváří páry elektron – díra pod světlem, využívá se v solárních článcích

Použité zdroje • Hoffmann, J. : Elektřina a magnetismus (prezentace z předchozích let) • Odmaturuj z fyziky, Didaktis • http: //old. zsnamesti. cz/dum/VY_32_INOVACE_36. pdf • http: //cs. wikipedia. org • http: //en. wikipedia. org • Naučná videa na youtube

Další videa k elektřině a magnetismu Byl jednou jeden vynálezce (14/26): Faraday a elektřina, 26 minut https: //www. youtube. com/watch? v=We. Uu. Pe. Bq 9 a. I&index=19&list=PLbt 36 do_Wfu. Bm 5 Biel 8 Dv. O T 2 h 66 RDZhe. G Byl jednou jeden vynálezce (18/26): Thomas Edison a aplikované vědy, 26 minut https: //www. youtube. com/watch? v=z. Dd-x. Vl. Lx. U&index=23&list=PLbt 36 do_Wfu. Bm 5 Biel 8 Dv. OT 2 h 66 RDZhe. G Byl jednou jeden vynálezce (19/26): Marconi a elektromagnetické vlny, 26 minut https: //www. youtube. com/watch? v=z 6 Lt. Cq. Hr. D 8&list=PLbt 36 do_Wfu. Bm 5 Biel 8 Dv. OT 2 h 66 RDZhe. G&index=24

Další videa k elektřině a magnetismu Generátor stejnoměrného proudu (1 minuta) https: //www. youtube. com/watch? v=DSVBo. Vl 4 QBw Generátor střídavého proudu (1 minuta) https: //www. youtube. com/watch? v=JG-iwy. VHZSs Jak vyrobit elektřinu (6 minut) https: //www. youtube. com/watch? v=2 q. JADRPp 9 D 4 Malá vodní elektrárna (21 minut) https: //www. youtube. com/watch? v=h. IZa. H 2 DYEF 8