Elektřina
Elektřina (3/8) · 13:33

Vodiče a izolanty V některých materiálech se může náboj volně pohybovat, a v jiných zase vůbec.

Je uřitečné předstírat, že všechny látky na světě můžeme rozdělit na elektrické izolanty, nebo vodiče. To není úplná pravda. Jsou tu polovodiče a supravodiče a jiné zvláštní elektrické materiály, ale pro většinu úvodních kurzů a úloh rozdělení na vodiče a izolanty postačí. Než začnu mluvit o rozdílech mezi nimi, mám tu dvojici válců, z nichž jeden je z vodivého materiálu a druhý z dielektrika. Než začnu mluvit o rozdílech, mají jedno společné, a sice že dielektrika i vodiče tvoří velké množství atomů a molekul a tyto atomy a molekuly, ať už tvoří dielektrikum či vodivou látku, se skládají z kladně nabitého jádra a záporně nabitého oblaku elektronů, které jádro obklopují. Další podobnost je, že kladně nabité jádro se nemůže volně pohybovat. Může se tetelit na svém místě, ale nemůže se volně pohybovat po látce, ani ve vodiči, ani v dielektriku, pokud jde o pevnou látku. V tekutině se pohybovat může, ale v pevné látce je zafixováno na místě. Je tam uvězněno. Co se pohybovat může jsou záporně nabité elektrony, a zde tkví hlavní rozdíl. Elektrony vodiče se mohou pohybovat celkem volně. Pohybují se bez většího odporu, kdežto v dielektrickém materiálu se elektrony volně pohybovat nemohou. Nemají potřebné úrovně a pásma energií, která by elektronům umožnila volný pohyb. Jsou také uvězněny na místě. U dielektrik je všechno připoutáno na své místo. Tyto elektrony se mohou pohybovat po svých atomech, nebo být sdíleny sousedícími atomy, ale nemohou volně skákat z atomu na atom a pohybovat se po dielektriku. U vodičů to elektrony dělat mohou. V tom tkví klíčový rozdíl. Ale samy od sebe to ty elektrony nedělají, musejí být k pohybu přiměny, zpravidla připojením baterie nebo jiným druhem elektrického pole či síly. Když se tak stane, elektrony ve vodiči se začnou pohybovat, zatímco ty v izolantu zůstávají na svých místech, takže si můžete říct, "no tak co se elektrických vlastností látek týče, "jde nám hlavně o vodiče. "Izolanty použijeme jen když nebudeme chtít elektrickou interakci." Což je trochu pravda, ale ne úplně, protože když připojím tento izolant k baterii, nebo tu zařídím nějaké elektrické pole, ač v dielektriku nemohou elektrony skákat z atomu na atom, mohou se vychylovat. Toto jádro a elektronový oblak se mohou tak trochu vychýlí. Kladné náboje tudy a záporné na opačnou stranu, takže tahle strana atomu bude zápornější a tahle strana kladnější. I když se elektrony vyloženě nepohybují, teď když je kladné a záporné vzájemně vychýleno, pokud to udělají všechny, nebo aspoň velká část, získá tento izolant schopnost působit silami na elektrické náboje ve svém okolí. Ač náboje izolantem nemohou procházet, mohou pořád elektricky působit. Podívejme se, co se stane, když do izolantů a vodičů přidáme náboj. Na začátku jsme měli stejný počet kladných nábojů v jádře jako záporných v obalu a to platí pro vodivé i dielektrické materiály. Co když nějaký náboj přidáme? Třeba sem přidáme záporný náboj. Co se bude dít? Kdybychom kreslili všechny atomy, bylo by to velmi nepřehledné. Takže protože jejich náboje se vyruší, nebudu kreslit každý atom a jádro. Budu předtírat, že tu jsou, a že se vzájemně ruší. Nakreslím jen náboj, co je navíc. Řekněme, že přidáme do tohoto izolantu záporný náboj. Co se stane? Řekněme, že ho nanesu sem a sem… Přidal jsem hodně záporného náboje. Co se bude dít? Víme, že tento náboj se izolantem nemůže šířit. Náboje nemohou izolantem protékat, zůstávají na místě, takže kdybych chtěl, mohl bych jej celý nabít rovnoměrně, aby byl rozprostřen po celém izolantu, nebo vše nahromadit na jedno místo a náboj by tam zůstal. Nemůže se pohybovat. Co by se stalo, kdybych dal záporný náboj sem a sem na vodič? Nemusí tu zůstávat, pokud nechce. Dáte-li záporné náboje sem, nebudou chtít zůstat, protože se odpuzují. Nesouhlasné náboje se přitahují, souhlasné se odpuzují. Co budou dělat? Tenhle záporný náboj se bude snažit dostat co nejdál od tohoto, takže půjde sem. Tenhle záporný náboj se bude snažit dostat co nejdál od tohoto. Nemůže vyskočit z vodiče, k tomu potřebuje mnohem víc energie. Ale může jít až na okraj. Tak to náboje ve vodiči dělají. Máte-li pevný vodivý materiál a dáte-li na něj náboj… Bude se zdržovat na vnějším okraji, ať už jste přidali kladný nebo záporný náboj, bude vždycky na nejzazší hraně. U vodiče můžete dát náboj jen na vnější stranu, protože kdyby nebyl na vnější straně, rychle si tam najde cestu, protože všechny tyto záporné náboje se odpuzují. Funguje to pro kladné i záporné náboje. Říkáte si, "jak přidáme kladný náboj?" Kladný náboj přidáváme odebráním záporného. Začnete-li s materiálem obsahujícím stejné množství kladného a záporného náboje a odeberete záporný náboj, je to jako byste přidali kladný. Celkový kladný či záporný náboj se ale vždy zdržuje na povrchu vodiče, protože se snaží dostat co nejdál od ostatních shodných nábojů. Jaké materiály tohle dělají? Jaké skutečné materiály jsou dielektrika? Dielektrickými materiály jsou sklo, dřevo a většina plastů. Všechny se chovají tak, že když na ně přivedete náboj, zůstane na jednom místě. Můžete ho tam přilepit. Můžete ho dát na povrch a on tam zůstane. Pak máme vodiče, to jsou hlavně kovy, například zlato, nebo měď. Měď používáme, protože je levná. Rozhodně levnější než zlato. Stříbro je také dobrý vodič. To jsou materiály, kterými se náboje pohybují volně. Teď když víme, jak fungují vodiče a izolanty, se můžeme podívat na příklad. Mějme dvě vodivé tyče. Jsou vyrobeny z kovu. Jedna z nich obsahuje celkový záporný náboj shromážděný na jejím povrchu, protože to celkový náboj na vodiči dělá. Tahle druhá tyč na sobě žádný celkový náboj nemá. Co by se stalo, kdybych se touto jednou tyčí dotknul této druhé tyče? Asi uhodnete, že náboje se snaží dostat co nejdál od sebe, takže si řeknou, "hele, pokud se rozdělíme, "některé z nás půjdou na u další tyč a ostatní zůstanou tady, "můžeme od sebe být ještě dál." To by udělaly. Jsou-li tyto tyče stejně velké, máte na obou stejné množství náboje. Kdyby druhá tyč byla větší, měli byste na ní větší náboj, protože by se na ní mohl více rozprostřít. Nějaký náboj by zůstal na té menší. Nabíjet se dá pouze dotykem. To je snadné. Také můžete být vychytralí a nabít něco jevem zvaným indukce. Co to znamená? Nabíjení indukcí vypadá takto: představte si, že tohle jenom přiblížím, ale nedotknu se. Jenom to přiblížím k tomuto kusu kovu, ale nedotknu se toho. Co se bude dít? Tady jsou záporné náboje. Nenakreslil jsem je. Jsou tu i kladné náboje. Záporné náboje se mohou pohybovat. Chtějí se pohybovat? Ano, chtějí! Tyto záporné náboje se blíží, a tyto od nich chtějí být co nejdál. I když už tady nějaký záporný náboj je, celkový záporný náboj se posune sem. Původně byly tady u svých atomů, ale teď utíkají před tímto záporným nábojem, takže se posunou sem a tady vznikne kladný náboj. Je tu nedostatek elektronů, takže tato strana má kladný náboj. Pomyslíte si, "no, to je divné, rozdělily se. Děje se ještě něco?" Ano, protože kladné náboje jsou teď blíž záporným, než záporné náboje. Záporné náboje v této vodivé tyči přitahují tyto kladné náboje, protože shodné náboje se odpuzují a rozdílné přitahují. Tyto záporné náboje také odpuzují tyto záporné náboje. Vyruší se ty síly? Nevyruší, protože čím blíž jste náboji, tím větší silou působí. Tato tyč by tedy byla přitahována k této. To je celkem husté. Vezmete-li nabitou tyč a přiblížíte ji k prázdné plechovce na stole, takto, aby se mohla kutálet, pokud tyč přiblížíte, plechovka se pohne směrem k ní. Měli byste to vyzkoušet. Ale to není nabíjení indukcí. Nabíjení indukcí je ještě o krok dál. Vezmete tento kus kovu a spojíte ho vodivě se zemí. Co je země? No, může to být země. Kdybyste vzali velkou kovovou trubku a vrazili ji do země, to by také šlo, nebo do jiného obřího zásobníku elektronů, kde si je smíte libovolně brát a ukládat. Karoserie auta, jeho kovová část, je třeba dobré uzemění, protože může poskytnout nebo pohltit velké množství elektronů. Nebo kovová trubka v zemi. Místo, kde můžete uložit nebo odebrat hodně elektronů, a ono si ani nevšimne. Co se bude dít teď? Přiblížím-li tuto záporně nabitou tyč k této, která byla původně nenabitá? Teď místo aby šly jen na opačnou stranu, si elektrony řeknou, "hej, můžu prostě odejít. Padám odtud." Záporné náboje mohou odejít. Hodně záporných nábojů prostě odejde a vaše tyč už není nenabitá. Má teď celkový náboj. Ne všechen náboj odejde. nestane se vám, že budete úplně bez elektronů. Nějaké tu zůstanou, ale ostatní odejdou, takže na této původně nenabité tyči vznikne celkový kladný náboj. Nabil jsem tyč, aniž bych se jí dotknul, protože jsem nechal elektrony odejít. Teď můžu přestřihnout tento drát a pak odebrat věc, která náboj indukovala. Pokud to teď odeberu, tyto záporné náboje by si řekly, "uf, to jsem rád, že to skončilo. Už se můžu vrátit ke svým kladným nábojům, "které mě zase přitahují." A tahle věc by se zase stala nenabitou. Ale ony se vrátit nemohou. Nemohou se vrátit, protože jsme jim zrušili cestu a trvale nabili tento kus kovu, aniž bychom se jej dotkli. Tomu se říká nabíjení indukcí. Je to rychlý způsob nabití. Ukážu ještě jeden příklad, každý to už zkoušel. Vezmete balonek. Co se bude dít? Jak jej nabijete? Budete si ho třít o vlasy. Nabere elektrony z vašich vlasů a získá záporný náboj. Co s ním uděláte? Víte, co s ním uděláte. Vezmete ho a dáte ke zdi nebo stropu, a, máte-li štěstí, on se tam uchytí. Což je super! Jak to funguje? Tohle je guma, dielektrický materiál. Strop je také tvořen dielektrikem. Elektrony se nepřesouvají, ale i v dielektriku se atomy mohou vychýlit a polarizovat. Záporné náboje v atomu se vychýlí na jednu stranu a druhá strana se stane kladnější, což způsobí celkovou sílu mezi stropem a balonkem, protože tyto kladné náboje jsou si trochu blíž. Kladné náboje přitahují záporné a záporné přitahují kladné trochu větší silou, než se záporné navzájem odpuzují. Kvůli tomu, protože strop také přitahuje balonek a balonek přitahuje strop větší silou než se je záporné náboje snaží oddělit, může balonek držet na stropě díky elektrickým vlastnostem dielektrika, jeho schopnosti se polarizovat a způsobovat elektrickou přitažlivost. To jsem říkal už dřív. I izolant může elektricky interagovat díky své schopnosti polarizace.
video