Fyzika - Elektřina II.
První vědecké poznatky o elektrických nábojích pocházejí už z 18. století, ale teprve další rozvoj fyziky a chemie vedl k vytvoření ucelené teorie elektřiny a magnetismu. Ukázalo se, že je vhodné rozdělit zkoumání na dvě oblasti:
- elektrostatika je obor, který se zabývá působením elektrických nábojů, které se nepohybují, zůstávají v klidu
- elektrodynamika zkoumá jevy, vyvolané pohybujícími se elektrickými náboji (elektrický proud, magnetismus, vodiče v magnetickém poli)
Fyzikální základy
V tomto článku si ukážeme, že i tak starý obor, jakým je elektrostatika, má široké použití všude kolem nás.
Z široké palety vybíráme například:
Elektrostatický odlučovač
Jednen z typů odlučovačů prachu je v podstatě uzemněná kovová roura, kterou prochází čištěný plyn. V ose je izolovaně upevněn napnutý ocelový drát připojený ke zdroji o napětí několik desítek kV. Prachové částice jsou silně přitahovány k drátu, dotykem s ním se souhlasně zelektrují a následně jsou jím odpuzovány a přitahovány naopak ke stěnám roury. Protože jsou jen částečně vodivé, podrží si svůj elektrický náboj a usadí se na vnitřní stěně roury. Odtud se pak občas mechanicky sklepávají do zásobníku. Jiný typ odlučovače má uvnitř zděného komínového tělesa kladně nabitou kovovou síť, ve stěnách komínu jsou uzemněné kovové desky, na kterých se opět usazují prachové částice.
Třídění rud
Na různé elektrické vodivosti rudy a hlušiny je založeno elektrostatické třídění rud. Drobně roztlučený materiál se sype na otáčející se kladně nabitý válec. Zrnka hlušiny jsou málo vodivá a dotykem s válcem se zelektrují podobně jako se drobné kousky papíru nabijí skleněnou tyčí a jsou k ní přitahovány. Zrnka hlušiny ulpí na otáčejícím se válci. Teprve až jejich váha převýší přitažlivou elektrostatickou sílu, zrnka hlušiny od válce odpadnou do zásobníku hlušiny. Zrnka rudy jsou vodivější, dotykem s válcem se nabijí kladně a jsou proto válcem odpuzována. Pomocná záporně nabitá elektroda poblíž válce je přitahuje tak, aby padala do druhého zásobníku.
Kopírka a laserová tiskárna
Metodu elektrostatického kopírování vynalezl úředník amerického Úřadu pro patenty a vynálezy Chester Carlson, který vytvořil první elektrostatický obraz roku 1938. KopírkaPůvodní název elektrografie se příliš neujal, nový název xerografie navrhnul jeden z profesorů klasických jazyků na universitě v Ohiu jako odvozeninu z řeckých slov "suchý" a "psaní". Roku 1961 dodala na trh firma XEROX první kopírku na běžný kancelářský papír.
Základem kopírky je válec, pokrytý vrstvičkou elektricky nabitého světlocitlivého materiálu. Místa, na která dopadne světlo, se stanou elektricky vodivými a náboj se z nich odvede. Neosvětlená místa zůstanou nabitá a na válci tak vznikne neviditelný elektrostatický "obraz" kopírované předlohy. Na válec se rozpráší jemné práškové barvivo (toner), který se zachytí jen na nabitých místech a otáčením válce se barvivo přenese na procházející papír a vytvoří na něm černobílý obraz.
Zcela podobnou konstrukci i funkci má i laserová tiskárna. Hlavní rozdíl je v tom, že elektrostatický "obraz“ nevzniká odrazem světla od předlohy, ale dopadem uzoučkého laserového paprsku, řízeného počítačem. Zásobník toneru a světlocitlivý válec tvoří v laserové tiskárně jeden celek a při výměně toneru se nahrazují novou soupravou, zatímco v kopírce se doplňuje jenom toner.
Elektrostatické stříkání
Stříkací pistoleElektrostatická stříkací zařízení využívají toho, že se kladně a záporně nabité částice vzájemně přitahují. Barva ve stříkací pistoli prochází silným elektrickým polem. Všechny částice barvy se v něm nabijí záporným nábojem, vzájemně se odpuzují a vytvářejí kužel kapiček stříkané barvy. Kladným protějškem je uzemněný díl, na který se má nanést barva. Nabité částice se pohybují ve směru siločar elektrostatického pole a s minimálními ztrátami se zachycují na povrchu stříkaného předmětu. To znamená, že při jednodušším tvaru předmětu stačí často stříkat barvu jen v jednom směru a předmět je nalakován ze všech stran. Elektrostatickým nanášením barev se dosáhne vysoké kvality nátěru.
Piezoelektřina
Piezoelektřina má pestré využití v průmyslu, v nemocnicích i v běžných domácnostech. Piezoelektrický jev spočívá v tom, že při deformaci vhodně vybroušených krystalů některých látek (např. Seignettova sůl) vzniká mezi polepy na dvou protilehlých stranách krystalu elektrické napětí. Velikost a polarita tohoto napětí závisí na velikosti a směru deformace krystalu. Přivádíme-li naopak na polepy piezokrystalu elektrické napětí, krystal se deformuje a střídavým napětím se může rozkmitat.
1) Zvuková signalizace
Ještě před pár lety se piezoelektrický jev běžně využíval v gramofonových přenoskách (chvění hrotu se přenášelo na krystal, mechanické kmity se přeměňovaly na střídavé napětí a to se po zesílení reproduktorem přeměnilo na zvuk). Dnes se běžně setkáme s generátory zvuku, v nichž se na piezokrystal přivádí střídavé napětí vhodné frekvence. Tyto miniaturní zdroje zvuku najdeme v náramkových hodinkách, digitálních budících, vyzvánějí v mobilních telefonech a v různých signalizačních zařízeních.
2) Ultrazvukový generátor
Piezoelektrické prvky mohou vysílat a přijímat i neslyšitelný ultrazvuk, například v ultrazvukových defektoskopech ke zjišťování skrytých vad materiálu nebo v medicíně (ultrazvukové zobrazování lidského plodu, ultrazvukové mikromasáže, likvidace ledvinových a žlučníkových kamenů).
3) Zapalovač plynu
Piezoelektrickým zdrojem vysokého napětí je také zapalovač plynu: stisknutím tlačítka se silně stlačí krystal a přitom vznikne tak vysoké napětí, že mezi elektrodami přeskočí elektrická jiskra.
Urychlovače částic
Urychlovače částic patří k základní výzbroji jaderných fyziků. Ať mají konstrukci jakoukoliv, ve všech se nabité částice (protony, elektrony apod.) urychlují silným elektrickým polem. Nejstarším typem elektrostatického urychlovače je van de Graaffův generátor, který najdeme v každém fyzikálním kabinetu, kde slouží jako zdroj vysokého napětí pro pokusy z elektrostatiky.
1) Lineární urychlovač
LineárníLineární urychlovač je v podstatě dlouhá trubice se soustavou válcových elektrod, ve které je hluboké vákuum. Uvnitř elektrod se pohybují urychlované částice setrvačností (elektrické pole je v nich odstíněno jako ve Faradayově kleci), v mezerách mezi elektrodami jsou urychlovány. Válcové elektrody mají rostoucí délku, aby se vykompenzovala rostoucí rychlost částic. Konstrukci prvního lineárního urychlovače navrhnul roku 1930 norský inženýr Wideroe.
2) Cyklotron
CyklotronCyklotron má konstrukci složitější, ale nemusí mít tak velké rozměry jako urychlovač lineární. Skládá se ze tří hlavních částí: ze silného elektromagnetu, z vysokofrekvenčního zdroje a z urychlovací komory se dvěma duanty. Uvnitř duantů se urychlované částice pohybují setrvačností (Faradayova klec), v mezeře mezi duanty jsou urychlovány. Magnetické pole svým působením zakřivuje jejich dráhu, takže se pohybují po spirálové dráze. První cyklotron postavil roku 1931 americký fyzik Lawrence.
První fyzikové, kteří se zabývali elektrickými jevy, neměli ani tušení o jejich podstatě. Přesto se jim podařilo objevit mnoho zákonitostí, kterými se tyto jevy řídí. Dnes víme, že elektrické vlastnosti látek jsou ukryty v samém nitru atomu, který se skládá ze záporně nabitých elektronů a kladně nabitého jádra, složeného z kladných protonů a neutronů bez elektrického náboje. V atomu je počet elektronů a protonů stejný, proto je atom navenek elektricky neutrální.
- Elektron objevil roku 1869 W. Hittorf při studiu elektrických výbojů ve zředěných plynech. Samotný název „elektron“ pochází od Stoneye a všeobecně se ujal, když roku 1895 H. A. Lorentz vypracoval tzv. elektronovou teorii
- Proton je jádro „obyčejného“ vodíku H, jeho hmotnost je téměř 2000 x větší než hmotnost elektronu
- Neutron objevil při studiu radioaktivního záření roku 1932 americký fyzik J. Chadwick. Neutron má prakticky stejnou hmotnost jako proton
Různé látky mají různou schopnost přenášet elektrický náboj - říkáme, že mají různou vodivost. Vodivost látek závisí především na počtu volných nábojů v jejich struktuře - mohou jimi být buď volné elektrony (v kovech), nebo kladné a záporné ionty (v kapalinách a plynech). Podle vodivosti rozdělujeme látky do tří skupin:
- VODIČE - obsahují velké množství volných nábojů, které se mohou působením elektrického pole ve vodiči přemísťovat. Nejlepšími vodiči jsou kovy, zejména stříbro, měď a hliník. Dobrými vodiči jsou vodné roztoky solí a kyselin. Elektrický proud vede také lidské tělo. Za určitých okolností může proud procházet i v plynech.
- NEVODIČE - neobsahují téměř žádné volné náboje a proto mají nepatrnou vodivost. Nevodiče se také nazývají izolanty neboli dielektrika. Výbornými izolanty jsou sklo, porcelán, guma, některé plasty, suchý vzduch apod. Dokonalý vodič ani dokonalý izolant však neexistuje.
- POLOVODIČE - jejich vodivost leží mezi vodiči a nevodiči, počet volných nábojů v jejich struktuře se může měnit např. změnou teploty nebo osvětlením. Nejznámějším polovodičem je křemík, ze kterého se vyrábějí polovodičové součástky od nejjednodušších diod až po nejsložitější mikroprocesory.
Připojíme-li ke kovovému vodiči zdroj napětí, vznikne mezi konci vodiče elektrické pole. Původně neuspořádaný pohyb volných elektronů v kovu se změní - elektrony se začnou pohybovat uspořádaně od záporného ke kladnému pólu (ukaž myší na PROUD). Uspořádaný pohyb volných elektronů se nazývá elektrický proud.
V kapalinách se musí nejprve molekuly rozštěpit na kladné a záporné ionty (tento jev se nazývá disociace) a teprve pak může dojít působením vnějšího elektrického pole k jejich usměrněnému pohybu a průchodu elektrického proudu. Kladné ionty přitom směřují k zápornému pólu a záporné ionty k pólu kladnému.
Plyny jsou za normálních podmínek téměř dokonalými nevodiči. Elektrický proud v nich může procházet teprve po rozštěpení jejich molekul na ionty (tento jev se nazývá ionizace plynu). Ionizaci může způsobit například zahřátí plynu nebo silné elektrické pole.
