Tělesa mohou být kladně či záporně nabitá. V takovém případě nesou elektrický náboj.
Stavba atomu
Samotný atom je tvořen částicemi s různým nábojem. Právě ty stojí za vznikem náboje, který můžeme navenek pozorovat. Celkem můžeme v atomu najít tři různě nabité částice:
- Elektrony, které jsou záporně nabité a nesou náboj o velikosti jednoho elementárního náboje $e$.
- Protony, které se skládají ze dvou kvarků up, z nichž každý má náboj $\frac{2}{3}e$, a jednoho kvarku down, který má náboj $-\frac{1}{3}e$. V součtu tedy proton nese náboj $+e$.
- Neutrony, které jsou tvořeny jedním kvarkem up a dvěma kvarky down. To v součtu dává nulový náboj.
Z tohoto i plyne vodivost látek. Pakliže u dané látky elektrony vázány v atomech, látka nevede elektrický proud. Pokud se v ní ale nacházejí volné částice nesoucí náboj, ať už to jsou elektrony nebo ionty, mohou si tyto částice náboj předávat a tím pádem vést proud.
Elektrování těles
Tělesa lze elektrovat (tedy jim dát náboj) dvěma způsoby:
- Třením – pokud třeme např. kůži o plastovou tyč, přesunou se některé elektrony z kůže na tyč, čímž na ní vytvoří záporný náboj. Kdybychom však třeli kůži o skleněnou tyčku, byl by proces opačný a tyčka by byla nabitá kladně.
- Dotykem – pokud mají dvě tělesa rozdílný náboj, dotykem si jej předají tak, aby se náboj vyrovnal.
To, že je těleso nabité, můžeme následně zjistit pomocí elektroskopu.
chat_bubblePOJEM ELEKTRICKÝ NÁBOJ
Elektrický náboj je fyzikální veličina, která určuje, jak moc je daný předmět nabitý. Značí se $Q$ a jeho jednotkou je coulomb $C$. Již dříve jsme zmínili elementární náboj, tedy náboj, který nese jeden elektron. Ten má danou velikost, a to $e=1,6\cdot 10^{-19}C$.
infoZÁKON ZACHOVÁNÍ ELEKTRICKÉHO NÁBOJE
„Celkový elektrický náboj v izolované soustavě těles je konstantní.“
Silové působení mezi nabitými tělesy
Pokud máme dva předměty, které jsou oba kladně nabité, budou se odpuzovat. Stejná situace nastane, budou-li oba záporně nabité. Přitahovat se budou v případě, pokud budou jejich náboje nesouhlasné.
Coulombův zákon
Již víme, že dva nabité předměty na sebe silově působí. Chceme-li vypočítat velikost této síly, poslouží nám Coulombův zákon. Ten říká, že pokud máme dvě tělesa s náboji $Q_1$ a $Q_2$, které jsou od sebe ve vzdálenosti $r$, vypočítáme velikost síly působící na každé těleso
$F_e = \dfrac{1}{4\pi\epsilon}\dfrac{Q_1Q_2}{r^2}$
Co ovšem znamená $\epsilon$? To je tzv. permitivita prostředí. Je to konstanta a určuje, jak dobře na sebe mohou nabitá tělesa v daném prostředí působit. Pro vakuum má tato konstanta hodnotu $\epsilon_0 = 8,854\cdot 10^{-12}C^2N^{-1}m^{-2}$.
chat_bubblePOJEM RELATIVNÍ PERMITIVITA
Aby se nemusela udávat takováto složitá hodnota pro každou látku, zavádí se ještě jedna veličina, a to relativní permitivita prostředí. To je číslo, které určuje, kolikrát jsou působící síly v daném prostředí slabší než ve vakuu. Například pro sklo je relativní permitivita prostředí $\epsilon_r = 7,6$, což znamená, že jeho permitivita prostředí je
$\epsilon = \epsilon_0 \cdot \epsilon_r = 8,854\cdot 10^{-12}C^2N^{-1}m^{-2} \cdot 7,6 = 6,729\cdot 10^{-11}C^2N^{-1}m^{-2}$
V následující tabulce najdete hodnoty relativní permitivity pro některá prostředí:
| Prostředí | $\epsilon_r$ |
|---|---|
| Vzduch | $\approx 1$ |
| Polystyren | 2,6 |
| Papír | 3,5 |
| Porcelán | 6,5 |
| Sklo | 7,6 |
| Voda | 80 |
Řešený příklad
history_eduPŘÍKLAD 1
Dvě malé kuličky nesoucí náboje 80 nC a -20 nC jsou umístěny ve vakuu ve vzdálenosti 10 cm od sebe. Jak na sebe budou působit?
$r=10cm=0,1m\qquad$ $Q_1=80nC=80\cdot 10^{-9}C\qquad$ $Q_2=-20nC=-20\cdot 10^{-9}C$
$F_e = \dfrac{1}{4\pi\epsilon}\dfrac{Q_1Q_2}{r^2} =$ $\dfrac{80\cdot 10^{-9}\cdot 20\cdot 10^{-9}}{4\pi\cdot 8,854\cdot 10^{-12}\cdot 0,1^2}N \doteq$ $1440\cdot 10^{-6}N = 1,44\cdot 10^{-3}N$
Náboje byly nesouhlasné, kuličky tedy budou přitahovat, a to silou $1,44\cdot 10^{-3}N$.Nyní kuličky dáme k sobě tak, aby se dotkly, a poté je vrátíme do původní pozice. Jak na sebe budou působit nyní?
Když se kuličky dotknou, jejich náboj se vyrovná. Podle zákona zachování elektrického náboje přitom bude celkový náboj zachován.
$Q_1' = Q_2' =$ $\dfrac{Q_1+Q_2}{2} =$ $\dfrac{80nC-20nc}{2}=\dfrac{60nC}{2}=30nC$
Nyní stačí příklad vypočítat s novými hodnotami.
$F_e = \dfrac{1}{4\pi\epsilon}\dfrac{Q_1'Q_2'}{r^2} =$ $\dfrac{30\cdot 10^{-9}\cdot 30\cdot 10^{-9}}{4\pi\cdot 8,854\cdot 10^{-12}\cdot 0,1^2}N \doteq$ $810\cdot 10^{-6}N = 8,1\cdot 10^{-4}N$
V tomto případě již byly náboje souhlasné, kuličky se tedy po dotknutí budou odpuzovat silou o velikosti $8,1\cdot 10^{-4}N$.