ELEKTŘINA A MAGNETISMUS

Poznatky o elektřině a magnetismu se uplatňují téměř ve všech oborech lidské činnosti. Elektřina zajišťuje funkci nejrůznějších strojů a zařízení v podnicích, v dopravě, ve výzkumných laboratořích, ve školách, v nemocnicích, v domácnostech. Neocenitelné přednosti elektřiny si obvykle uvědomujeme např. při přerušení dodávky elektrické energie.
V učivu o elektřině a magnetismu se postupně seznámíme s fyzikální podstatou mnoha jevů. Budeme přitom velmi často využívat fyzikálního modelu (např. modelu atomu, modelu elektrického proudu v kovech a pod.). Proto si připomeňme, že fyzikální model je objekt, jev nebo myšlenková konstrukce nahrazující skutečný objekt, jev nebo děj, přičemž toto nahrazení nevystihuje všechny stránky skutečnosti. Skutečnost (realita) je vždy obsažnější a složitější než její model. Fyzikální model nemůžeme se skutečným jevem ztotožňovat, ale můžeme ho použít k popisu, pochopení a v konečném důsledku k využití daného fyzikálního jevu.

1. ELEKTRICKÝ NÁBOJ

1.1. Podstata a vlastnosti elektrického náboje

Ze zkušenosti víme, že pravítko z umělé hmoty třené vlněnou látkou přitahuje proužky tenkého papíru, hřeben při česání přitahuje vlasy, silonové prádlo ulpívá na povrchu těla. Někdy přitom můžeme pozorovat slabé praskání a drobné jiskření. Příčinou těchto jevů je elektrování těles.
Elektrovaná tělesa, i když se vzájemně nedotýkají, působí na sebe přitažlivou nebo odpudivou silou. Tělesa, která mají schopnost tohoto silového působení, jsou elektricky nabitá, jinak řečeno mají elektrický náboj. Tato vlastnost je měřitelná.
Fyzikální veličina elektrický náboj se označuje Q. Její jednotkou je coulomb. [Q]=C.
Protože 1 coulomb představuje poměrně velký elektrický náboj, používáme často menší jednotky : 1 mC = 10-3 C, 1 mC = 10-6 C
Vznik elektricky nabitých těles si vysvětlíme na základě modelů struktury látek, které známe už ze základní školy. Víme, že látky se skládají z molekul, molekuly z atomů. Přitom každý atom má jádro s kladným nábojem a elektronový obal, který má náboj záporný.
Jádro atomu se skládá z protonů a neutronů, které označujeme společným názvem nukleony. Obal atomu je složen z elektronů.
Nosičem elektrických nábojů jsou protony a elektrony. Elektrický náboj je základní vlastností těchto částic a vyjadřuje schopnost jejich silového působení. Elektrické silové působení protonu označujeme jako kladný elementární elektrický náboj, elektrické silové působení elektronu jako záporný elementární elektrický náboj. Neutrony jsou bez elektrického silového působení, tedy bez náboje. Kladné a záporné elementární náboje jsou co do velikosti stejné, liší se pouze směrem silového působení, což se označuje znaménkem. Podle současných představ je elementární elektrický náboj již dále nedělitelný a jeho velikost je e = 1,6.10-19 C. V atomu daného prvku je počet protonů v jádře a počet elektronů v obalu vždy stejný a jejich rozložení je takové, že atom se navenek jeví jako částice elektricky neutrální (obr. 1).
Protony a neutrony jsou v atomovém jádře vázány značnými přitažlivými silami (tyto síly jsou jiné povahy než mechanické a elektrické). Mnohem menšími přitažlivými silami jsou k jádru poutány elektrony v elektronovém obalu (jde o síly, které pozorujeme při elektrování těles). Velmi malé přitažlivé síly působí zejména na elektrony, které jsou od jádra v největší vzdálenosti.

Obr. 1	Obr. 2

U některých látek se mohou nejvzdálenější elektrony od atomu odpoutat, stávají se z nich volné elektrony. U zbývající části atomu pak převládne kladný náboj protonů v jádře a vzniká částice zvaná kladný iont. Jestliže se naopak volný elektron připojí k obalu jiného, původně elektricky neutrálního atomu, vzniká částice zvaná záporný iont.
Volné elektrony se mohou v tělese volně přemísťovat. U kovů jsou příčinou jejich dobré tepelné a elektrické vodivosti. Volné elektrony se mohou přemísťovat také z jednoho tělesa na jiné těleso, přičemž vznikají opačně elektrovaná tělesa. Těleso, které elektrony ztratilo, má kladný náboj, těleso, které elektrony získalo má záporný náboj. Opačně elektrovaná tělesa dostáváme např. při tření dvou těles (pravítka z umělé hmoty a vlněné látky, hřebene a vlasů apod.). Jestliže jsou v tělese kladné a záporné částice rozmístěny rovnoměrně, je celé těleso elektricky neutrální.
Tělesa můžeme elektrovat nejen třením, ale také dotykem s jiným elektrovaným tělesem. Dotkneme-li se např. elektrovaným pravítkem kovové desky elektrometru (obr. 2), přesuneme na něj z povrchu pravítka část elektrického náboje (část volných elektronů) a ručička elektrometru se vychýlí. Přitom velikost výchylky je přímo úměrná velikosti přeneseného náboje.

Otázky a úlohy

1. Jaký elektrický náboj má atom, který jeden elektron a) přijal, b) odevzdal ?
2. Určete náboj tělesa, které má a) méně elektronů než protonů, b) více elektronů než protonů.
3. Kolik volných elektronů musíme přibližně dodat původně elektricky neutrálnímu tělesu, aby získalo náboj a) 1 C, b) 1 mC ?
4. Proč jsou na křídlech letadel třepotavé štětečky ? (Jsou to bavlněná vlákna se stříbrným povlakem).
5. Proč je na přepravu benzínu zakázáno používat obyčejné kanystry z plastu ?
6. Jak pracují elektrostatické odlučovače prachu z kouřových plynů ?
7. Proč je nebezpečné praní umělých vláken v benzínu ?
8. Proč se ježí vlasy, češeme-li se za sucha hřebenem z plastu ? 10. Proč není možno třením elektrovat kovovou tyč, kterou držíme v ruce, ale plastovou tyč (např. novodurovou) ano ? 13. Působí elektricky nabitá tyč na magnetku ?
14. Proč se na gramofonovou desku chytá prach ?