Elektrostatické a magnetické pole

16 b. Elektrostatické a magnetické pole

♦ pole - je časť priestoru, ktoré navzájom spája častice látky alebo telesa do jednej sústavy

Elektrostatické pole

♦ elektrostatické pole - (elektrický náboj Q) je silové pole; prejavujú sa v ňom účinky elektrického náboja Q; aj toto pole je prejavom hmoty. Vznikne tak, ze na jednej kovovej doske (guli) vytvoríme kladný náboj a na druhej doske v určitej vzdialenosti d opačný náboj (záporný). Existenciu silového pola znázorňuje siločiarami čo sú myslené čiary ukončené so sípkou vzdy + do -

a.) homogénne elektrostatické pole b.) radiálne elektrostatické pole

a.) homogénne elektrostatické pole - ak má intenzita vo vsetkých miestach poľa konstantnú hodnotu, rovnakú veľkosť a smer, napr. medzi dvoma rovnobeznými izolovanými kovovými elektródami, z ktorých jedna má kladný náboj a& 10510q1623k nbsp;druhá rovnako veľký záporný náboj

b.) radiálne elektrostatické pole - intenzita poľa nemá rovnakú hodnotu, smer alebo orientáciu, napr. v okolí bodového náboja má tvar lúčov vychádzajúcich z náboja

♦ coulombov zákon - vyjadruje veľkosť sily, ktorou na seba pôsobia dva statické bodové náboje, a to pre náboje telies a pre náboje častíc

F = k . Q1 . Q2 (N; Nm , C , C, C, m)

r

Q a Q sú bodové náboje

r - vzájomná vzdialenosť bodových nábojov Q a Q

k - konstanta → k = _1 _

4 π ε

permitivita dielektrika

veličiny elektrostatického poľa:

♦ intenzita elektrického poľa - je vektorová veličina; definujeme ju ako veľkosť sily F, ktorou pôsobíme na náboj Q

E = F (NC ; N, C) 

Q

E = U (Vm ; V, m)

d

♦ intenzita poľa bodového náboja: pouzitím coulombovho zákona

E = _1 _ . Q (NC ; Nm C , C, m)

4 π ε r

♦ elektrický potenciál - skalárová veličina; určitého bodu poľa sa rovná číselnej hodnote práce, ktorú musíme vykonať, aby sme preniesli kladný jednotkový náboj z miesta nulového potenciálu do uvazovaného bodu elektrického poľa; určujeme v jednom bode; je práca, ktorú vykoná jednotkový náboj

V = W (V; J, C)

Q

♦ potenciál elektrostatického poľa bodového náboja:

V =  _Q_

4 π ε

♦ elektrické napätie - rozdiel potenciálov medzi dvoma bodmi; (nazývame rozdiel potenciálov ΔV = VA - VB medzi dvoma miestami A a B poľa)

U = VA - VB

Elektrická práca W, ktorú musíme vykonať, aby sme preniesli elektrický náboj Q z jednej dosky zdroja na druhú

U = W (V; J, C)

Q

♦ elektrická indukcia - je vektorová veličina; je to schopnosť náboja Q nahromadiť sa na určitej ploche S

D = Q (Cm , C, m )

s

Ak pozijeme Gaussovu vetu Ψ = Q, mozno pre elektrickú indukciu D písať:

D = Ψ (Cm , C, m )

s

Z rovnice mozno vyjadriť aj Gaussovu vetu, ktorá má potom tvar:

Ψ = Ds = Q

Elektrický indukčný tok je daný veľkosťou indukovaného náboja na celom povrchu vodiča.

♦ kondenzátor - je typický predstaviteľ elektrostatiky; jeho základná primárna vlastnosť je jeho kapacita; kapacita - je schopnosť kondenzátora prijať určité mnozstvo náboja Q; skladá sa z dvoch kovových dosiek medzi, ktoré sa vsúva dielektrikum - izolácia - delíme - keramické, papierové, vzduchové, kvapôčkové, elektrické; dielektrikum - čím kvalitnejsie tým je kapacita väčsia, čím väčsia plocha tým väčsia kapacita, čím sú od seba ďalej tým mensia kapacita; je to pasívna súčiastka ako rezistor, energiu nevyrába len ju sprostredkuje; jeho úlohou je nahromadiť náboj; jednosmerný prúd neprepúsťa, ale striedavý čím má vyssiu frekvenciu, tým ho lepsie prepustí

Kondenzátory sú dvojpólové súčiastky konstruované tak, aby mali kapacitu pozadovanej veľkosti. Je to pasívna elektronická súčiastka vyuzívajúca efekt elektrostatického náboja vznikajúceho medzi dvoma odizolovanými vodivými plochami. Jednotka kapacity je F (Farad). Určujúcimi parametrami sú styčná plocha, druh izolácie a hrúbka izolácie. Konstrukčne sa kondenzátory riesia ako formy zvitkov. Stočené vodivé pláste môzu mať pomerne vysokú kapacitu. S rastúcou hodnotou kapacity rastú aj rozmery. Kvalita izolácie medzi vodivými plásťami určuje ako hodnotu, tak predovsetkým kvalitu kondenzátorov. Ideálnym dielektrikom (izoláciou) je vákum (aj vzduch), ale to spôsobuje nemalé konstrukčné problémy. Ako praktické dielektrikum sa u nizsích kapacít pouzíva sľuda, alebo keramika. Ta má dobré protiprierazové vlastnosti. Hovoríme o suchých kondenzátoroch. U kondenzátorov s vyssou kapacitou sa pouzívajú dielektrika tzv. elektrolyty. Hlavnou odlisnosťou týchto kondenzátorov je nutnosť dodrzania polarity. Polarita spravidla nemá vplyv na funkciu obvodu, ale pri otočenej polarite sa rozkladá elektrolyt a znizuje sa zivotnosť kondenzátora. V nízkofrekvenčných obvodoch sa pouzívajú na oddelenie jednosmernej zlozky signálu. V obvodoch spätnej väzby sa pouzívajú na úpravu frekvenčnej charakteristiky ako korekčné členy. Vo vysokofrekvenčných obvodoch sa pouzívajú ako prvky rezonančných obvodov. V napájacích obvodoch sa pouzívajú ako filtračné členy.

Charakteristické vlastnosti:

Menovitá kapacita kondenzátora a jej tolerancia- je výrobcom predpokladaná kapacita vyznačená na kondenzátore. Platia tie isté zásady ako pri rezistoroch.
Prevádzkové napätie - je najväčsie napätie, ktoré sa môze trvale pripojiť na kondenzátor. Ak teplota okolia neprekročí 40°C tak sa rovná menovitému napätiu. Potom treba napätie zníziť podľa grafu.

Izolačný odpor - je odpor medzi elektródami kondenzátora, meraný jednosmerným napätím pri teplote + 20°C. Tvorí ho odpor dielektrika a izolácie, ktorá obklopuje elektródy kondenzátora. So zvysujúcou teplotou sa izolačný odpor zmensuje. Nemeria sa pri elektrolytických kondenzátoroch.
Stratový činiteľ tg d straty energie, ktoré vznikajú v kondenzátore. Sú reprezentované dielektrickými stratami, ktoré závisia od frekvencie a stratami, zapríčinenými zvodom medzi elektródami.

Závislosť kapacity kondenzátora od teploty - vplyvom zmeny teploty sa menia vlastnosti aj rozmery dielektrika i plocha elektród. Zmenou kapacity zapríčinenou teplom vyjadruje pomocou teplotného súčiniteľa T_k, ktorý udáva zmenu kapacity vzťahujúci sa na 1K.

Indukčnosť kondenzátora - prívody a elektródy majú určitú indukčnosť, ktorá sa nepriaznivo prejavuje pri pouzití v obvodoch s vysokými frekvenciami. Spolu s kapacitou kondenzátora vytvára indukčnosť sériový rezonančný obvod, ktorý sa pri rezonancii správa ako rezistor a pri vyssích frekvenciách zapríčiňuje dokonca fázový posun induktívneho charakteru. Závisí od konstrukcie, rozmerov a kapacity.

Podľa konstrukcie rozdeľujeme kondenzátory na:

pevné

2. otočné

Podľa pouzitého dielektrika ich rozdeľujeme:
1. otočné - dielektrikum je vzduch
2. papierové - platne sú oddelené speciálnym kondenzátorovým papierom.
3. metalizované - dielektrikom je pokovovaný metalizovaný papier.
4. sľudové - dielektrikum je sľuda.
5. keramické - dielektrikum je keramické teliesko s vypálenou kovovou vrstvou.
6. plastikové - dielektrikum je plastík.
7. sklenené - dielektrikum je kalibrovaná sklenená rúrka.
8. elektrolytické - dielektrikom je vrstva oxidu.
9. tantalové.

Kondenzátory s meniteľnou kapacitou. 

Pouzívajú sa najmä na ladenie vstupných obvodov prijímačov a vysielačov, oscilátorov, pásmových filtrov a podobne. Rozdeľujeme ich na ladiace (časté, opakované zmeny kapacity) a dolaďovancie (trimre určené na občasnú zmenu kapacity).
Podľa dielektrika ich delíme na:
- vzduchové
- sklenené
- keramické
Kapacita ladiacich kondenzátorov je od xx pF az do 500pF. Zmena kapacity sa uskutočňuje zasúvaním pohyblivej skupiny dosiek rotora do pevnej skupiny dosiek statora.

Magnetické pole

♦ magnetické pole - (elektrický prúd) je prúdové pole; vzniká vzdy len pohybom elektrického náboja Q; v elektromagnete je jeho príčinou prúd, v permanentnom magnetu pohyb elektrónov v atómoch magnetu, ktorý mozno povazovať za malý (elementárny magnet); vzniká v kazdom prostredí (v kazdej látke); zdrojom magnetického pola, ktoré prejavuje silové účinky, na niektoré látky, môze byť:

a.) trvalý - permanentný magnet

b.) elektromagnet - magnet vybudený elektrickým prúdom

- tvary magnetov - podkova, tyč, obdĺznik ...

- druhy magnetov - umelý a prírodný

- sever (north) a juh (south) magnetu

- zobrazovanie magnetického pola - siločiary  

- magnetické pole reprezentuje magnetický tok "O" (fí) - je merateľná veličina, ktorá udáva celkový počet siločiar v uvazovanom priestore ; O (fí) má jednotku weber "Wb"

O = B . S (Wb; T, m )

veličiny magnetického poľa:

♦ magnetické napätie - skalárna veličina; vytvorí sa elektrickým prúdom I; na uzavretjej dráhe prostredia sa rovná súčtu prúdov obopnutých touto dráhou

Um = N . I (A; -,

N - počet vodičov, bezrorzmerné číslo

♦ intenzita magnetického pola - je vektorová veličina, v kazdom mieste poľa má okrem veľkosti aj svoj smer, ktorý je vyjadrený smerom magnetickej siločiary; je to magnetické napätie, ktorým pôsobíme na dĺzku strednej siločiary

H = N . I (Am ; A, m)

l

N . I - magnetické napätie

l - dĺzka magnetickej siločiary

N . I = H . l (-, A; Am , m)

♦ magnetická indukcia - predstavuje počet magnetických siločiar, ktoré pripadajú v danom prostredí na jednotku plochy

B = μ . H (T; Hm , Am )

o r

μ - permeabilita

o - permeabilita vákua (priblizne aj vzduchu)

o (Hm )

r - relatívna permeabilita (bezrozmerné číslo)

♦ cievka - jej základná primárna vlastnosť je indukčnosť; dvojpólová súčiastka konstruovaná tak, aby mala vlastnú indukčnosť pozadovanej veľkosti. Tvoria ju závity vodiča, ktoré sú ulozené v jednej alebo niekoľkých vrstvách. Závity majú zvyčajne kruhový, stvorcový alebo obdĺznikový tvar. Indukčnosť cievky závisí od počtu závitov, ich geometrického usporiadania a od magnetických vlastností prostredia, v ktorom sa cievka nachádza. Podľa konstrukcie cievky rozdeľujeme na dve veľké skupiny: cievky bez jadra a cievky s jadrom.

Cievky sú dvojpolové súčiastky konstruované tak, aby mali vlastnú indukčnosť pozadovanej veľkosti. Je to pasívna elektronická súčiastka s analogicky opačnou frekvenčnou závislosťou ako kondenzátor. Zjednodusene mozno konstrukciu cievky prirovnať k namotanému drôtu na nejaké jadro. Ale aj spôsob namotania určuje výsledné parametre cievky. Cievka je definovaná svojou indukčnosťou, ktorá sa udáva v H (Henry). Indukčnosť je dôsledok týchto parametrov: prierez a materiál vodiča (reálny odpor), hrúbka a materiál izolácia (parazitná medzizávitová kapacita), počet otáčok a spôsob namotania. Veľkosť prierezu je veľmi dôlezitá, lebo pri mensom priemeru sa zväčsuje reálny odpor cievky. Ideálna cievka by mala mať nulový vnútorný odpor. Cievky sa pouzívajú prevazne v obvodoch striedavých signálov. Tvoria hlavné časti motora a tu sú spravidla prúdovo namáhané. U vf techniky nie je nutne brať pozornosť na výkonové parametre cievky. V týchto obvodoch môze i malé mechanické poskodenie tvaru cievky spôsobiť zmenu parametrov v celom obvode. Pouzitie väčsieho mnozstva cievok prinása zlozitosť matematických výpočtov. Obecne platí: čím mensia hodnota indukčnosti (menej závitov) tím lepsie cievka prepúsťa nizsie frekvencie. Cievku tvoria závity vodiča, ktoré sú ulozené v jednej alebo niekoľkých vrstvách a majú zvyčajne kruhový, stvorcový alebo obdĺzníkový tvar. Indukčnosť cievky závisí od počtu závitov ich geometrického usporiadania a od magnetických vlastností prostredia v ktorom sa cievka nachádza. Ideálna cievka pre jednosmerné napätie predstavuje skrat (R=0). Striedavé napätie vsak vyvolá striedavý prúd, ktorý je príčinou indukovaného napätia v cievke. Prúd sa bude za jej napätím oneskorovať o 90°.

Podľa konstrukcie ich rozdeľujeme:
1. cievky s jadrom - 10-100mH, výnimočne 10H
2. cievky bez jadra - µH, výnimočne x mH