Elektřina
Elektřina (3/13) · 13:33

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

Je užitečné předstírat, že všechny látky na světě můžeme rozdělit na elektrické izolanty a 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 látkou, 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 v 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. Můžeš si tedy říct, že 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 vychýlit. Kladné náboje tudy a záporné na opačnou stranu, tato strana atomu bude zápornější a tato 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 stále 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. Protože se jejich náboje vyruší, nebudu kreslit každý atom a jádro. Budu předstírat, že tu jsou, a že se vzájemně ruší. Nakreslím jen náboj, co je navíc. Řekněme, že do tohoto izolantu přidáme záporný náboj. Co se stane? Řekněme, že ho nanesu sem a sem… Přidal jsem hodně záporného náboje. Co se bude dít? Víme, že se tento náboj 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. Dáš-li záporné náboje sem, nebudou chtít zůstat, protože se odpuzují. Nesouhlasné náboje se přitahují, souhlasné se odpuzují. Co budou dělat? Tento záporný náboj se bude snažit dostat co nejdál od tohoto, půjde tedy sem. Tento 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. Máš-li pevný vodivý materiál a dáš-li na něj náboj, bude se zdržovat na vnějším okraji. Ať už přidáš kladný nebo záporný náboj, bude vždy na nejzazší hraně. U vodiče můžeš dát náboj jen na vnější stranu, protože pokud by nebyl na vnější straně, rychle si tam najde cestu, neboť se všechny tyto záporné náboje odpuzují. Funguje to pro kladné i záporné náboje. Přemýšlíš nad tím, jak přidat kladný náboj? Kladný náboj přidáváme odebráním záporného. Začneš-li s materiálem obsahujícím stejné množství kladného a záporného náboje a odebereš záporný náboj, je to jako když přidáš náboj kladný. Celkový kladný či záporný náboj se však vždy zdržuje na povrchu vodiče, neboť se snaží dostat co nejdál od ostatních shodných nábojů. Jaké materiály toto dělají? Jaké skutečné materiály jsou dielektrika? Dielektrickými materiály jsou sklo, dřevo a většina plastů. Všechny se chovají tak, že když na ně přivedeš náboj, zůstane na jednom místě. Můžeš ho tam přilepit. Můžeš 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, můžeme se 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. Tato druhá tyč na sobě žádný celkový náboj nemá. Co by se stalo, kdybych se touto jednou tyčí dotknul této druhé tyče? Asi uhodneš, že náboje se snaží dostat co nejdál od sebe, takže si řeknou, že pokud se rozdělí, některé z nich půjdou na další tyč a ostatní zůstanou zde, mohou být od sebe ještě dál. To by udělaly. Jsou-li tyto tyče stejně velké, dostaneš na obou stejný náboj. Kdyby byla druhá tyč delší, dostaneš 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 můžeš být vychytralý a nabít něco jevem zvaným indukce. Co to znamená? Nabíjení indukcí vypadá takto: Představ si, že toto jen přiblížím, ale nedotknu se. Jen 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, posunou se tedy sem a tady vznikne kladný náboj. Je tu nedostatek elektronů, tato strana má tedy kladný náboj. Pomyslíš si, že je to 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 se přitahují. Tyto záporné náboje také odpuzují tyto záporné náboje. Vyruší se ty síly? Nevyruší, protože čím blíž jsou náboji, tím větší silou působí. Tato tyč by tedy byla přitahována k této. To je celkem husté. Vezmeš-li nabitou tyč a přiblížíš ji k prázdné plechovce na stole, takto, aby se mohla kutálet, pokud tyč přiblížíš, plechovka se pohne směrem k ní. Zkus si to vyzkoušet. To však není nabíjení indukcí. Nabíjení indukcí je ještě o krok dál. Vezmi tento kus kovu a spoj ho vodivě se zemí. Co je země? No, může to být země. Vezmeš-li velkou kovovou trubku a vrazíš ji do země, to by šlo. Nebo do jiného obřího zásobníku elektronů, kde si je smíš 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 můžeš 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, že mohou odejít. „Padám odtud.“ Záporné náboje mohou odejít. Hodně záporných nábojů prostě odejde a tvá tyč už není nenabitá. Má teď celkový náboj. Ne všechen náboj odejde. nestane se ti, že budeš 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.“ Tato věc by se pak opět stala nenabitou. Ony se však 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. Vezmi si balonek. Co se bude dít? Jak jej nabiješ? Budeš si ho třít o vlasy. Nabere elektrony z tvých vlasů a získá záporný náboj. Co s ním uděláš? Víš, co s ním uděláš. Vezmeš ho a dáš ke zdi nebo stropu, a, máš-li štěstí, balonek 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 kladnou, 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