18) Vzájemné působení látky a pole

Elektrický proud v látkách - stručný přehled

LÁTKA EL. PROUD ZPŮSOBEN PLATNÉ ZÁKONY

DŮLEŽITÉ POJMY

POUŽITÍ

POZNÁMKA

PEVNÁ

IZOLANT

- elektrické dipóly, polarizace dielektrika zeslabuje elektrické pole

PEVNÁ

POLOVODIČ

elektrony

dírami

vlastní a nevlastní (příměsová) vodivost, příměsové polovodiče typu P a N,

přechod PN v elektrickém obvodu, VA charakteristika diody, tranzistorový jev

diody (usměrňovače)

tranzistory (zesilovače, spínače)

integrované obvody a další

PEVNÁ

VODIČ (KOV)

elektrony Ohmův zákon pro část obvodu, elektrický odpor, Ohmův zákon pro uzavřený

obvod, Kirchhoffovy zákony a jejich využití

sestavování klasických elektrických obvodů

KAPALINA ionty

(kationty, anionty)

elektrolytická disociace, elektrolyt, katoda, anoda, Faradayovy zákony

elektrolýzy, kapacita akumulátoru

galvanické články

akumulátory

PLYN elektrony

ionty

ionizace plynů, ionizátor, samostatný a nesamostatný výboj, VA charakteristika

výboje, ionizační energie, obloukový výboj, jiskrový výboj, koróna, doutnavý

výboj, katodové záření

svařování, osvětlovací přístroje, veřejné

osvětlení, horské slunce, doutnavka,

reklamní trubice, elektronový paprsek

Vliv vodiče a nevodiče na elektrické pole

A) VODIČ V ELEKTRICKÉM POLI

vodič

látka dobře vedoucí el. proud

obsahuje volné částice s nábojem (elektrony)

vložení vodiče do elektrického pole:

dojde k zelektrování vodiče - tento jev se nazývá

ELEKTROSTATICKÁ INDUKCE

(jev, při kterém se protilehlé části povrchu vodiče vloženého do elektrického pole zelektrují náboji stejné velikosti ale

opačného znaménka)

- probíhá tak dlouho, dokud intenzita el. pole uvnitř vodiče není nulová

- takto indukované náboje ve vodiči můžeme potom od sebe oddělit rozdělením vodiče na dvě části

Využití elektrostatické indukce: elektrostatické stínění (Faradayova klec) - sklady s výbušninami

B) IZOLANT V ELEKTRICKÉM POLI

izolant (dielektrikum, nevodič)

neobsahují volné částice s nábojem (elektrony)

ty jsou pevně vázány ke svým atomům a molekulám

vložení izolantu do elektrického pole:

nastane jev, který se nazývá

POLARIZACE DIELEKTRIKA

(atomy a molekuly dielektrika se stávají elektrickými dipóly)

E = E

- E

/E = ε

(relativní permitivita)

číslo udávající, kolikrát je intenzita původního pole větší než intenzita pole výsledného

shrnutí:

protože E < E

izolant účinky elektrického pole zeslabuje

Vliv látek na magnetické pole

Magnetické pole - základní poznatky

Základní pokusy s magnety

Kolem trvalého (permanentního) magnetu existuje magnetické pole, které silově působí na ocelové

předměty (přitahuje je).

Permanentní magnet se skládá se dvou pólů (severního N - North, jižního S - South), přičemž souhlasné

póly se odpuzují a nesouhlasné přitahují.

Magnetka = otáčivý, tyčový magnet upevněný ve středu

Osa magnetky, která je umístěna v různých místech pilinového obrazce, má vždy směr tečny k dané čáře.

Magnetická indukční čára = prostorová orientovaná křivka, jejíž tečna v daném bodě má směr osy velmi malé magnetky, umístěné v tomto bodě

Základní vlastnosti:

Slouží k prostorovému znázornění magnetického pole.1.

Jedná se vždy o uzavřené křivky, které se nikdy neprotínají. (srovnej s elektrickými siločárami)2.

Orientace je určena dohodou. (Vně magnetu od severního pólu k jižnímu, uvnitř magnetu od jižního pólu k severnímu.)3.

železné piliny znázorňující magnetické pole trvalého magnetu

Vodič s proudem - pokusy

Magnetka umístěná v blízkosti vodiče se vychýlí, jakmile vodičem začne procházet proud. (pohybující se částice s nábojem budí ve svém okolí magnetické pole)

V okolí cívky s proudem se magnetka chová obdobně jako v okolí trvalého magnetu.

Magnetické indukční čáry přímého vodiče s proudem mají tvar soustředných kružnic rozložených v rovině kolmé k vodiči a se středem v místě průchodu vodiče

rovinou.

V tomto případě je orientace mag. induk. čar určena tzv.

AMPÉROVÝM PRAVIDLEM PRAVÉ RUKY

Naznačíme uchopení vodiče do pravé ruky tak, aby palec ukazoval dohodnutý směr proudu ve vodiči, zahnuté prsty pak ukazují orientaci magnetic. indukčních čar.

Magnetická síla

Pokus : mezi póly magnetu umístíme vodič, který připojíme ke zdroji napětí.

Podle směru proudu a orientace magnetických indukčních čar se vodič vychýlí vlevo nebo vpravo.

změna směru proudu - změna výchylky v opačnou

na vodič s proudem působí magnetická síla - F

síla je vektor - má směr (orientaci)

v tomto případě je směr určen

FLEMINGOVÝM PRAVIDLEM LEVÉ RUKY

Položíme-li otevřenou levou ruku k přímému vodiči tak, aby prsty ukazovaly směr proudu a indukční čáry vstupovaly do dlaně, ukazuje odtažený palec

směr síly, kterou působí magnetické pole na vodič s proudem.

Magnetická indukce

Víme : mag. pole trvalého magnetu působí na vodič s proudem silou F

l ....... aktivní délka vodiče

I ....... proud procházející vodičem

α ....... úhel, který svírá vodič s indukčními čarami

je přímo uměrná I

je přímo úměrná l

α = 0°C potom F

= 0

α = 90°C potom F

= max

= k . I . l . sinα k = B

= B . I . l . sin α

B ... MAGNETICKÁ INDUKCE

vektorová fyzikální veličina

charakterizující magnetické pole

Vlastnosti magnetické indukce :

je to vektorová fyzikální veličina (směr je určen tečnou k dané indukční čáře)

charakterizuje silové působení magnetického pole na vodič s proudem

pro dané homogenní pole je konstantní

jednotkou je Tesla značka T ( T = N.A

-1

)

homogenní mag. pole má magnetickou indukci 1 T, působí-li na přímý vodič s aktivní délkou 1 m kolmý k indukčním čarám a protékaným stálým

proudem 1 A silou 1 N

magnetické pole Země v našich zeměpisných šířkách B = 10

-5

Silové působení magnetického pole na vodič s proudem

Víme :

- v okolí vodiče s proudem se vytváří magnetické pole

- magnetické pole působí na vodič s proudem silou

dva přímé rovnoběžné vodiče s proudem umístěné blízko sebe musí na sebe působit silou

mohou nastat 2 případy

A B

vodiči procházejí proudy stejného směru vodiči procházejí proudy různého směru

vodič 1 vytváří kolem sebe magnetické pole, kterým působí na vodič 2

orientace indukčních čar ja dána Ampérovým pravidlem pravé ruky

směr síly, kterou bude působit magnetické pole 1. vodiče na 2. vodič, je dán Flemingovým pravidlem levé ruky

vodiče se navzájem přitahují vodiče se navzájem odpuzují

vodič 2 také vytváří kolem sebe magnetické pole a obdobným způsobem působí na vodič 1

silové působení je vzájemné

Určení velikosti působící síly :

l ..... délka vodiče

F ..... síla, kterou na sebe navzájem působí vodiče s proudem

d ..... vzájemná vzdálenost vodičů

, I

..... velikost proudů procházející vodiči

F je přímo úměrná I

, I

, l

F je nepřímo úměrná d

µ ... permeabilita prostředí

(charakterizuje prostředí, v němž elektrický proud vytváří magnetické pole)

pro vakuum (vzduch): µ

= 4.π. 10

-7

N.A

-2

platí : µ = µ

. µ

kde µ

je relativní permeabilita

(udává, kolikrát je magnetická indukce magnet. pole v dané látce větší (nebo menší) než magnetická indukce B

magnetického pole stejného proudu ve

vakuu - B = µ

. B

)

DEFINICE AMPÉRU (základní jednotky soustavy SI)

Ampér je stálý proud, který při průchodu dvěma přímými rovnoběžnými nekonečně dlouhými vodiči zanedbatelného průřezu umístěnými

ve vakuu ve vzdálenosti 1 m od sebe

vyvolá mezi vodiči sílu o velikosti 2.10

-7

N na 1 m délky vodiče.

Užití magnetických materiálů v praxi

Magnetické vlastnosti látek

Magnetické momenty atomů a molekul

- pohyb elektronů po uzavřených drahách kolem jádra - vznik proudové smyčky - existence tz. ORBITÁLNÍHO MAGNETICKÉHO MOMENTU

- každý elektron má tzv. VLASTNÍ (SPINOVÝ) MAGNETICKÝ MOMENT (způsoben rotací elektronu kolem vlastní osy)

Potom

VÝSLEDNÝ MAGNETICKÝ MOMENT je dán vektorovým součtem orbitálních a spinových magnetických momentů elektronů v atomu

Shrnutí : Každý atom můžeme považovat za malý elementární magnet

Magnetické pole uvnitř solenoidu

Úvaha

dlouhý solenoid s proudem .......... B

= velikost magnetické indukce uvnitř solenoidu

vložení látky dovnitř solenoidu .......... výsledná indukce B ; B <> B

Vysvětlení :

látka uvnitř solenoidu se zmagnetovala (vytvořila si vlastní magnetické pole s indukcí B´)

Závěr : Výsledná indukce uvnitř látky v cívce

B = B

+ B´

poměr B/B

= µ

... relativní permeabilita

Rozdělení magnetických látek

DIAMAGNETICKÉ PARAMAGNETICKÉ FEROMAGNETICKÉ

< 1 µ

> 1 µ

>> 1

slabě zeslabují původní magnetické pole slabě zesilují původní magnetické pole výrazně zesilují původní magnetické pole

inertní plyny, zlato, měď, rtuť sodík, draslík, hliník železo, kobalt, nikl

NEFEROMAGNETICKÉ LÁTKY

výsledný magnetický moment atomů je

nulový

výsledný magnetický moment atomů je

různý od nuly

výsledný magnetický moment atomů je

různý od nuly

diamagnetické atomy paramagnetické atomy

náhodná orientace jednotlivých atomů existence mikroskopických oblastí, které jsou

zmagnetovány i bez přítomnosti vnějšího

magnetického pole

WEISSOVY MAGNETICKÉ DOMÉNY

Poznámka: Pro každou feromagnetickou látku existuje tzv. CURIEOVA TEPLOTA t

- dosáhne-li ferom. látka této teploty, ztrácí feromagnetické

vlastnosti a stává se látkou paramagnetickou (např. t

(Fe) = 770°C )

Magnetizace látky

domény orientovány nahodile - vložení látky do vnějšího magnetického pole - souhlasná orientace domén - látka magneticky nasycena

Magnetické materiály v technické praxi

Elektromagnet = cívka navinutá na feromagnetickém jádře

princip činnosti :

cívkou nepochází proud - jádro je nemagnetické (nepřitahuje drobné ocelové předměty)1.

cívkou prochází proud - magnetování jádra (jádro se stane magnetem - přitahuje drobné ocelové předměty)2.

přerušení proudu v cívce - magnetické pole jádra zaniká3.

pozor : jádro zůstává ale částečně zmagnetováno (jeho magnetické pole má remarentní (zbytkovou) magnetickou indukci B

Rozdělení magnetických materiálů podle velikosti B

Látky magneticky tvrdé (velká hodnota B

)

- po přerušení proudu v cívce zůstává jádro v cívce permanentním magnetem

- tyto materiály se využívají pro výrobu permanentních magnetů

Látky magneticky měkké (malá hodnota B

)

- po přerušení proudu v cívce magnetické pole cívky téměř zaniká

- tyto materiály se využívají pro výrobu jader do cívek

Praktické využití elektromagnetů

ELEKTROMAGNETICKÉ RELÉ1.

ELEKTRICKÝ ZVONEK2.

ELEKTROMAGNETICKÝ REPRODUKTOR3.

ELEKTROMAGNETICKÝ JEŘÁB4.

ELEKTROMAGNETICKÉ UPÍNÁNÍ OCELOVÝCH PŘEDMĚTŮ 5.