Elektrické a magnetické pole – zdroje polí Podstata elektromagnetických jevů Elementární částice s ohledem na elektromagnetické působení Elektrické a magnetické síly a jejich povaha Elektrický náboj a jeho vlastnosti, elementární náboj, bodový náboj Mechanizmus vytvoření elektrického pole z makroskopického pohledu Volné náboje ve vodičích a elektricky nabitá vodivá tělesa Vázané náboje v dielektriku – elektrické dipóly Mechanizmus vytvoření magnetického pole v okolí pohybujících se nábojů Kondukční proud jako tok volných nábojů, vázané proudy v magnetiku – magnetické dipóly Nestacionární elektromagnetické pole, vznik elektromagnetické vlny Formulace vztahu pro elektrickou a magnetickou sílu mezi bodovými náboji, Lorenzova síla jako výsledná síla působící na náboj v elektromagnetickém poli
Elektromagnetické jevy
jsou svázány se samotnými vlastnostmi hmoty a částic, ze kterých je tvořena. Mezi určitým typem částic můžeme pozorovat specifický druh sil, které se nazývají elektromagnetické. V souvislostí s těmito silami hovoříme o existenci elektromagnetického silového pole.
Elektromagnetické síly se projevují mezi částicemi, které jsou v klidu, ale i mezi částicemi, které jsou v pohybu. Z hlediska charakteru rozdělujeme síly na elektrické a magnetické.
Elektrické síly se projevují mezi nabitými částicemi bez ohledu na to, zda se pohybují. Magnetické síly se projevují pouze mezi pohybujícími se nabitými částicemi.
Elektrická síla Elektrickými silami jsou elektrony a protony navzájem přitahovány či odpuzovány
proton
proton elektron
elektron proton
elektron
Magnetická síla Magnetickými silami jsou zakřivovány dráhy pohybu částic
Elektrický náboj Při popisu chování částic s ohledem na elektromagnetické silové působení jim přisuzujeme určitou vlastnost tím, když říkáme, že nesou elektrický náboj. S ohledem na elektromagnetické působení existují dva základní typy částic a tedy i dva typy náboje. Částice kladně nabité nesoucí kladný náboj a částice záporně nabité nesoucí záporný náboj. Ke kladně nabitým patří například proton, k záporně nabitým elektron. Jednotkou elektrického náboje je Coulomb. V elektrickém poli se náboje stejného znaménka odpuzují, náboje různých znamének přitahují.
Vlastnosti náboje Náboj protonu a elektronu je stejně velký, ale s opačným znaménkem, přisuzujeme mu s ohledem na volbu jednotek velikost 1.6*10-19C. Tento náboj nazýváme elementární protože předpokládáme, že už není možné ho dále dělit. Nebyly totiž prokázány jiné částice, které by vykazovaly s ohledem na silové působení v elektromagnetickém poli menší velikost náboje.
Náboje nikde nevznikají ani nezanikají, nabité částice se mohou v rámci určitých hmotných těles přemísťovat, posouvat, hromadit, čímž se elektromagnetické jevy projevují i v makroskopickém měřítku. V makroskopické teorii elektromagnetického pole nedělíme obvykle materiál na jednotlivé elektrony a protony, zabýváme se pouze jejich sumárními účinky
Elektrické pole pomyslně vytéká z kladných nábojů – zřídla a vstupuje do záporných -nory
F
F
F
F
F
Magnetické pole má podobu pomyslných vírů kolem letících nábojů
F
F
Magnetické pole má podobu pomyslných vírů kolem letících nábojů
F
F
Obrázek převzat z: http://www.gymbos.cz/Kabinety/Fyzika/Fotografiezfyziky /tabid/255/Default.aspx
Elektromagnetické pole objektivně existuje Kmitající elektrický dipól
Volné náboje Elektrické vodiče
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Elektricky nabitá vodivá tělesa
+Q
-Q
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
I
+Q
U
-Q
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
F F
Vázané náboje elektrické dipóly
Dielektrické materiály v elektrickém poli volných nábojů
Náboje na povrchu vodivého tělesa
Abstraktní pojem bodového náboje Za bodový náboj lze považovat náboj na elementu délky dl, na elementu plochy dS, nebo v elementu objemu dV Náboj rozmístěný na určité linii (například na vodiči) s liniovou hustotou
hustotou
dQ=.dl dl
Náboj rozmístěný na ploše (například na rovině) s plošnou
Náboj rozmístěný v objemu s objemovou hustotou
dQ=.dS dS
dQ=.dV
dV
Proud volných nosičů náboje kondukční proud
Pomyslné vázané proudy v magnetiku
Elektrická a magnetická síla působící na dva bodové náboje v1 v2 Elektrická síla r12 Q1
Q2
1 Q1Q2 el _ F r12 2 21 4 0 r
Magnetická síla
0 Q1Q2 mag _ F v2 v1 r12 2 21 4 r
v 2 v 1 r12
v 2 v1 r
12
Definice intenzity elektrického pole
F Q.E FQ 1 (Q 1).E E Vektor E [ V/m ]: • směr je dán směrem síly, která by působila na jednotkový bodový náboj • velikost je číselně rovna velikosti síly působící na jednotkový bodový náboj
Intenzita elektrického pole bodového náboje
Q1Q2 1 F r12 2 21 4 0 r • Intenzita elektrického pole buzená bodovým nábojem
Q1 1 E12 r r 2 12 4 0 r •
Siločáry – linie vektoru intenzity elektrického pole – ukazují směr, ve kterém by se pohyboval kladný bodový náboj, vektor intenzity elektrického pole je v každém bodě tečný k siločáře
F21 Q2 E12
Magnetická síla – směry vektorových veličin
0 Q1Q2 mag _ F v2 v1 r12 2 21 4 r
Definice magnetické indukce
F Qv B Síla působící na náboj, který se pohybuje rychlostí v v magnetickém poli o indukci B
Magnetická indukce bodového náboje
0 Q1Q2 F12 v2v1r0 4 r2 Magnetická indukce vybuzená nábojem, který se pohybuje rychlostí v :
0 Q B v r0 2 4 r Síla působící na náboj, který se pohybuje rychlostí v v magnetickém poli o indukci B
F Qv B
Celková elektrická a magnetická síla působící na elektrický náboj Q
• elektrická síla – centrální, působí ve směru po spojnici mezi náboji, je popsána veličinou, která se nazývá intenzita elektrického pole E, má velikost : F = Q.E
• magnetická síla – působí pouze na pohybující se náboje,
je
kolmá na směr dráhy letícího náboje i na veličinu popisující magnetické pole – magnetickou indukci B. Má velikost
F=Q (v x B)
Lorentzova síla – výsledná síla:
je součtem síly elektrické a
magnetické
F=Q.(E + v x B)
