Obsah
1. Odkud se bere elekt ina 5
1.1 Elektrický náboj 5
1.2 K emu dochází p i elektrování t les 7
1.3 Elektrické pole 11
1.4 Elektrické nap tí 14
1.5 Chemické zdroje stejnosm rného elektrického nap tí 15
2. Elektrický proud 20
2.1 Co to je elektrický proud 20
2.2 Jak znázor ovat jednotlivá zapojení 22
2.3 Zapojení m icích p ístroj 24
3. Vodi e a nevodi e elektrického proudu 27
3.1 Vodivost pevných látek 27
3.2 Vodivost kapalin 28
3.3 Vodivost plyn 31
3.4 Vodivost polovodi 34
4. Na em závisí velikost elektrického proudu 39
4.1 Elektrický odpor 39
4.2 Na em závisí odpor vodi e 40
4.3 Ohm v zákon pro kovy 42
4.4 Sériové zapojení 44
4.5 Paralelní zapojení 46 4.6 ešení jednoduchých elektrických obvod 48
4.7 Regulace proudu a nap tí v elektrickém obvodu 51
4.8 Ochrana elektrických obvod p ed zkratem a p etížením 53
5. P íkon a energie elektrického proudu 56
5.1 Tepelné ú inky elektrického proudu 56
5.2 P íkon a energie elektrického proudu 57
5.3 Jak je možné snížit spot ebu elektrické energie v domácnosti 60
6. Souvislost elekt iny a magnetismu 63
6.1 Magnetické pole trvalého magnetu 63 6.2 Magnetické pole Zem 67 6.3 Elektromagnet 70 6.4 Elektromagnetická indukce 73
7. Jak se vyrábí a p enáší elekt ina 76
7.1 Zdroje st ídavého elektrického nap tí 76 7.2 Jak m níme velikost st ídavého elektrického nap tí 80
7.3 Transformace stejnosm rného nap tí 85 7.4 Výroba a p enos elektrické energie 86 7.5 Fotovoltaický lánek – ekologický zdroj elektrické energie 89
8. Jak pracují n která elektrická za ízení 91 8.1 Žárovka a tepelná za ízení 91 8.2 Induk ní va i 92 8.3 Sv telné zdroje 93 8.4 Dotyková zkouše ka 94 8.5 Jednoduchý elektromotor na stejnosm rný proud 95
9. Elekt ina v atmosfé e 96
10. Bezpe nost p i práci s elektrickými za ízeními 100
11. Shrnutí 102 12. Laboratorní práce 103 12.1 Laboratorní práce . 8 103 12.2 Laboratorní práce . 9 104
13. Nám ty na projekty 105
14. Výsledky v domostních a kvantitativních úloh 108 15. Rejst ík 112
3
Se sírovou koulí d lal i další pokus: K nabité kouli p iblížil lehká t líska. Ta po dotyku s ní získala náboj souhlasný s nábojem koule a od koule odsko ila.
Prove te postupn dva následující pokusy.
FT ením nabijte plastovou ty a p eneste její náboj na elektroskop. P enos náboje n kolikrát opakujte. Co pozorujete?
Elektroskop byl vždy nabit nábojem ty e. V obou p ípadech se jeho raménko vychýlilo. Protože k jeho vychýlení je t eba síla a elektroskop byl nabit bu kladn , nebo záporn , znamená to, že mezi souhlasnými náboji p sobí síla odpudivá. Pokusy také ukázaly, že náboj na elektroskop lze p enášet postupn . Nyní oba pokusy zkombinujeme.
FPomocí plastové ty e nabijte elektroskop. Potom t ete sklen nou ty a dotkn te se jí nabitého elektroskopu. Co pozorujete? Opakujte p enášení náboje pomocí sklen né ty e. Co pozorujete p i opakovaném dotyku ty í?
Také p i t ení kapaliny (nap . benzinu) o st ny cisterny, která je pneumatikami dobe izolovaná od zem , dochází k zelektrování jejích ástí. P ípadnému výboji je však nutno soustavn bránit – p i p eskoku jiskry by došlo k výbuchu cisterny. Ochrana spo ívá v tom, že celé za ízení cisterny je uzemn no, nap . voln visícím etízkem, který se stále dotýká zem .
Plastovou ty í jsme na elektroskop p enesli záporný náboj. Dotyk sklen nou ty í znamenal odvedení elektron z elektroskopu do ty e. P i prvním dotyku kladn zelektrovanou ty í se výchylka na elektroskopu nejprve zmenšila. To proto, že ty z elektroskopu p itáhla jeho nadbyte né elektrony a jejich p ebytek na elektroskopu se výrazn zmenšil nebo dokonce zanikl. Op tovným provedením pokusu p ešly z elektroskopu na ty další a další elektrony, takže na n m potom p evládal kladný náboj. Ty inka elektroskopu se op t vychýlila.
FDo záv su (obr. 5) dejte sklen nou ty a zelektrujte ji. Potom se k ní p ibližujte a) zelektrovanou sklen nou ty í, b) zelektrovanou ty í z plastu. Co pozorujete?
uzemn ní
Uzemn ní cisterny p i p e erpávání
5. Pokus s nabitými ty emi Pokus potvrdil, že zelektrovaná t lesa na sebe p sobí silou. Souhlasn zelektrovaná se odpuzují, nesouhlasn zelektrovaná se p itahují. Vzájemné p itahování zelektrovaného a nezelektrovaného t lesa jsme již vid li p i t ení proužku z mikroténového sá ku, který se p itahoval k nenabitým prst m.
8
Náboj mohou nést i vodivá t lesa.
FNa nevodivou podložku (polystyren) postavte hrnec (obr. 6). Na jeho okraj položte p ehnuté lístky z hliníkové fólie. T ete ty z plastu a n kolikrát s ní p eje te p es hranu hrnce. Postupn nabijete hrnec. Co se stane s lístky hliníkové fólie?
6. P enesení náboje na hrnec
Ty í jste p enesli záporný náboj na hrnec. Protože souhlasné (v tomto p ípad záporné) náboje se mezi sebou odpuzují, došlo k jejich rozmíst ní v hrnci tak, aby byly co nejdále od sebe. Náboje se rozmístily na vn jším povrchu hrnce. Proto se lístky hliníkové fólie vychýlily pouze na vn jší stran hrnce, uvnit nikoli.
K ZAPAMATOVÁNÍ:
P i elektrování t les dochází k p echodu elektron mezi t lesy.
T leso nabité záporn má nadbytek elektron , t leso nabité kladn má nedostatek elektron .
Souhlasn zelektrovaná t lesa se odpuzují, nesouhlasn zelektrovaná t lesa se p itahují.
T lesa zelektrovaná a t lesa nezelektrovaná se p itahují.
P i spalování pevných paliv vzniká popílek, jehož úlet z komína je v okolí nežádoucí. Velké množství popílku lze zachytit pom rn jednoduchým zp sobem (obr. 7). Do proudu kou e je vložena elektroda, ze které vyletují elektrony. Ty se usazují na áste kách popílku a p enesou na n záporný náboj. Kou potom prochází kolem kladných elektrod, které popílek p itahují. Popílek se p i vybití elektrod shromaž uje v jíma i.
T ením o vzduch také docházelo k vytvo ení náboje na povrchu vzducholodí. ada nešt stí se stala p i jejich p istávání, kdy po dotyku vzducholodi s kotvícím lanem došlo k p eskoku jiskry a výbuchu vodíku, jímž bývaly vzducholodi pln ny. Obrázek zachycuje zkázu vzducholodi Hindenburg 5. kv tna 1937. Z tohoto d vodu bylo pozd ji k pln ní balon a vzducholodí místo vodíku používáno neho lavé helium.
Požár vzducholodi Hindenburg
9
7. Schéma elektrostatického
ltru
Dnes se již v tšinou používají digitální m icí p ístroje, na kterých displej ukazuje p íslušnou hodnotu (na obrázku jsou r zné druhy provedení m icích p ístroj ).
ÚLOHY
1. V kterých jednotkách se m í elektrické nap tí? V kterých jednotkách se m í elektrický proud?
2. Kterým p ístrojem se m í nap tí? Kterým p ístrojem se m í proud?
3. V jednoduchém elektrickém obvodu je zapojen zvonek. Nakreslete schéma zapojení a dokreslete p ipojení voltmetru tak, abyste zjistili nap tí na zvonku. Zapojení prove te a velikost nap tí zm te.
4. V jednoduchém elektrickém obvodu jsou zapojeny t i žárovky. Nakreslete schéma zapojení a dokreslete p ipojení ampérmetru. Zapojení prove te a zjist te velikost proudu. Je možné jedno, nebo více zapojení ampérmetru?
1. Prove te zapojení podle schématu na obrázku 29. Zm te nap tí na žárovce a na zdroji. Co jste zjistili?
29. Obrázek k úloze 1 30. Obrázek k úloze 2
2. Prove te zapojení podle schématu na obrázku 30. M te proud postupn v r zných místech obvodu. Co jste zjistili?
26
3. VODI E A NEVODI E ELEKTRICKÉHO PROUDU
D íve se v domovních rozvodech používaly vodi e hliníkové. Hliník však pod tlakem šroub ve spojích tzv. te e, ímž se spoj uvoluje. V míst spoje dochází potom k jisk ení a opalování sou ástek, což je jednak nebezpe né, a jednak to m že zp sobit p erušení spoje. Proto bylo po ur ité dob nutné šrouby ve spojích dotahovat. Nyní se v rozvodech užívají vodi e m d né.
Ze zkušenosti víme, že n které látky vedou elektrický proud a jiné nikoli. K sestavování elektrického obvodu jsme užívali kovové dráty, nikoli nap íklad provázky.
Jak je to s vodivostí kapalin a plyn ? Na n kterých elektrických za ízeních je tabulka s nápisem NEHASIT VODOU. Pro ? Také blesk, tj. elektrický výboj mezi mraky, p esko í a p i tom je nespojuje nic jiného než vzduch. Proto si v této ásti vysv tlíme, jak to s vodivostí látek vlastn je.
3.1 Vodivost pevných látek
Ze zkušenosti víme, že elektrický proud vedou kovy. Ale jsou to jen kovy?
FSestavte elektrický obvod podle schématu na obrázku 31a i podle uspoádání na obrázku 31b. Do mezery AB mezi svislými ty kami postupn vkládejte ty ky z r zných kov , d ev nou špejli, ty ku ze skla, tuhu z tužky, plastové „br ko“ na pití, provázek, vlnu na pletení apod. Sledujte, které z látek „uzav ely“ elektrický obvod, což se projevilo rozsvícením žárovky.
ab
+
A B
31. P íprava pokusu na vodivost látek –a) schéma, b) praktické provedení
ím v tší proud je vodi em veden, tím musí být pr ez vodi e v tší. Pro sv telné obvody s n kolika málo žárovkami posta ují vodie o pr ezu 1,5 mm2. Pro obvody zásuvkové (kam lze p ipojit nap . varnou konev, pra ku apod.) se používají vodi e o pr ezu 2,5 mm2 Vodi e ke sporák m, topným t les m mají pr ez 4 mm2
• Vypo ítejte, jaké jsou pr m ry vodi s uvedenými pr ezy. Sv j výpo et ovte zm ením na vzorcích vodi
27
M d né vodi e
P i paralelním zapojení zdroj se nezvyšuje nap tí, ale lze dosáhnout možnosti v tšího proudu v obvodu. Vyzkoušejte pro konkrétní elektrické obvody se žárovkami použití sériového a paralelního zapojení zdroj V t chto obvodech prove te n která m ení proudu a nap tí.
1. Nakreslete schéma sériového zapojení dvou zvonk . Zjist te p edem, jaké nap tí zdroje použijete. Obvod zapojte.
2. Nakreslete schéma takového zapojení, aby dv žárovky byly zapojeny sériov a t etí k nim paraleln . Zapojení prove te.
3. Kolika r znými zp soby m žete zapojit ty i stejné žárovky? Nakreslete schéma a zapojení vždy prove te.
4. V sériovém zapojení více žárovek jedna praskla. Jak poznáte, která to je?
5. V zapojení t í žárovek jedna praskla, a zbylé dv z staly svítit. Jak bylo asi zapojení provedeno? Mohlo být zapojení provedeno více zp soby?
1. Zjist te po et žárovek na osv tlení vašeho váno ního stromku. Na jak velké nap tí je konstruována každá žárovka?
2. Jak musí být zapojeny žárovky obou p edních sv tel automobilu? Sériov , nebo paraleln ? Pro ?
3. Prohlédn te si domácí lustr. V p ípad , že je v n m více žárovek, jak musí být zapojeny? M že v takovém lustru svítit pouze jediná žárovka?
Všimn te si, že adíme-li rezistory sériov , jejich celkový odpor se zv tšuje, adíme-li je paraleln , jejich celkový odpor se zmenšuje. Odhadn te a poté ov te výpo tem, jaký je výsledný odpor, zapojíte-li 2, 3, 4, …n rezistor o stejném odporu sériov a jaký p i paralelním zapojení. Nakreslete schéma obou zapojení.
P íklad 1
Na žárovce jsou uvedeny údaje 6,3 V/0,3 A . Jaký odpor má vlákno této žárovky?
Rozbor úlohy:
Odpor žárovky ur íme ze vztahu R IU = Úpravou tohoto vztahu a ze známých hodnot proudu a nap tí m žeme ur it velikost odporu R.
U = 6,3 V I U R = I = 0,3 A 0,3 6,3 =R R = ? R = 21
P íklad 2
Odpor žárovky je 21 .
Na obrázku 53 je sériové zapojení dvou rezistor . Na základ nam ených hodnot na m icích p ístrojích ur ete velikosti odpor obou rezistor a odvo te vztah pro celkový odpor obvodu.
53. Schéma k p íkladu 2
48
4.6 ešení jednoduchých elektrických obvod
1 1 2 2
Rozbor úlohy:
P íklad neobsahuje žádné hodnoty veli in. Budeme proto p i jeho ešení postupovat obecn .
Veli iny zm ené ozna íme: U, U1, U2, I.
Veli iny hledané ozna íme: R1, R2, R.
Ob ma rezistory prochází stejný proud I. Velikosti odpor ur íme úpravou vztahu pro velikost proudu:
I U R 1 1 = . 2 2 I U R =
Celkový odpor je ur en vztahem I U R = . Protože celkové nap tí (nap tí zdroje) je rovno sou tu nap tí na rezistorech, m žeme zapsat: 12. 1212 RR I U I U I UU I U R =+=+ + ==
Celkový odpor p i sériovém zapojení je roven sou tu obou odpor . Tento poznatek lze zobecnit: Celkový odpor rezistor zapojených sériov je roven sou tu jejich odpor . I2 R2
P íklad 3
Na obrázku 54 je paralelní zapojení dvou rezistor . Na základ údaj m icích p ístroj ur ete velikosti odpor obou rezistor a odvo te vztah pro celkový odpor obvodu.
54. Schéma k p íkladu 3
Rozbor úlohy:
I1 R1
Ozna íme-li celkový odpor R c a jednotlivé odpory R dostaneme pro sériové zapojení 5 stejných rezistor následující vztah: R c = R + R + R + R + R R c = 5
+
Také tento p íklad neobsahuje žádné hodnoty veli in. Budeme proto p i jeho ešení postupovat obecn . Veli iny zm ené ozna íme: U, I, I1, I2 Veli iny hledané ozna íme: R1, R2, R. Na obou rezistorech je stejné nap tí, takové jako na zdroji. Celkový proud I je roven sou tu velikostí proud ve v tvích:
I = I1 + I2
Jednotlivé proudy m žeme vyjád it podle vztahu R IU = jako podíl p íslušného nap tí a odporu:
12 R U R U R U =+
Po vyd lení rovnice stejným íslem U dostáváme vztah mezi jednotlivými odpory a celkovým odporem:
111 RRR =+
12
Bude-li paraleln azeno více rezistor , bude mít uvedený fyzikální vztah na pravé stran více len .
Sériové zapojení rezistor
P i stejném ozna ení dostaneme pro paralelní zapojení 5 rezistor vztah: RRRRRR c
111111 =++++ RR c
15 = 5 RR c =
R
R
R
R R
Paralelní zapojení rezistor
49
-+
R R R R R
V sou asné dob je v tšina elektrických spot ebi v prodejnách ozna ena tzv. energetickou ú inností (úsporností). Nejúsporn jší na spot ebu elektrické energie, ale také nejvyšší funknost mají spot ebi e, které jsou ozna eny písmenem A. (viz obr.). Toto ozna ení je na ízeno zákonem a p ikládají ho všichni výrobci. Je platné pro všechny zem Evropské unie.
Ke snížení spot eby elektrické energie vedou i n které drobnosti: Pokud necháte zbyte n dlouhou dobu otev enou ledni ku nebo mrazni ku, povšimn te si, že termostat spustí chladicí agregát a trvá ur itý as, než je vnit ek ledni ky op t ochlazen. Do varné konvice dávejte jen tolik vody, kolik budete pot ebovat k p íprav nápoje. Pokud máte doma spot ebi e, které ovládáte dálkov (televizor, p ehráva , rádio apod.), uv domte si, že v pohotovostním režimu, tzv. „režim STAND BY“ stále spot ebovávají elektrickou energii. V klidovém režimu iní jejich p íkon od 0,5 do 8 W (p i režimu rychlého spušt ni nebo u starších p ístroj až 20 W) podle druhu spot ebi e. U n kterých spot ebi je dokonce jejich spot eba v klidovém režimu vyšší, než je spot eba elekt iny na samotný provoz. Jedná se p edevším o malé spot ebi e, které zapínáme denn pouze na n kolik málo minut! Vzdalujete-li se na delší dobu, je vhodné i tyto spot ebi e vypnout.
Jedním z domácích spot ebi , který odebírá zna né množství elektrické energie, je chladni ka. Její p íkon není velký – jen asi 150 W. P i provozu si ale povšimn te, že agregát chladni ky se celkem v pravidelných intervalech zapíná – pracuje až 12 hodin denn . Ke snížení spot eby energie chladni ky výrazn p isp jete tím, že ji nebudete p íliš asto zbyte n otevírat.
ÚLOHY
1. Vypo ítejte m sí ní úsporu elektrické energie dosaženou jedním svítidlem v obývacím pokoji, jsou-li t i 75wattové žárovky nahrazeny úspornými (každá o p íkonu 15 W), jestliže se v pokoji každý den svítí 3 hodiny.
2. Vypo ítejte velikost proudu, který prochází n kterými kompaktními zá ivkami a porovnejte s proudem procházejícím odpovídajícími žárovkami (využijte tabulku na str. 61)
3. Na váno ním strom na nám stí bylo instalováno 150 žárovek s ozna ením 230 V, 60 W.
a) Nakreslete ást schématu zapojení. b) Vypo ítejte p íkon celé soustavy.
c) Vypo ítejte celkovou spot ebu elektrické energie, jestliže žárovky svítily po dobu t í týdn každý den 14 hodin.
Energetický štítek LED žárovky
d) Vypo ítejte proud, který prochází nerozv tvenou ástí elektrického obvodu.
e) Posta uje jišt ní pojistkou (jisti em) 25 A?
1. Pohybem aktivujte idlo u domovních dve í. Co se stane, z stanete-li chvíli bez hnutí stát?
2. B hem jednoho týdne zjist te, které domácí spot ebi e byly zapnuty zbyte n a ur ete p ibližn , po jakou dobu.
62
6. SOUVISLOST ELEKT INY A MAGNETISMU
Když anglickému u enci Williamu Gilbertovi námo níci vypráv li, jak na mo i udržují sm r plavby pomocí kompasu, za al se o magnetismus hloub ji zajímat. Objevil, že železo lze trvale zmagnetovat t ením o magnet a že každý úlomek magnetu má vždy oba magnetické póly. P išel také na to, že železná ty se zmagnetuje, leží-li dlouho ve sm ru zemského poledníku. Napsal objemnou knihu O magnetu, zmagnetovaných t lesech a velkém magnetu Zemi, (viz obr.) v níž popsal na 600 r zných pokus .
6.1 Magnetické pole trvalého magnetu
Magnet jste ur it již m li v rukou. Zaujal vás zvláštní vlastností – p itahuje totiž n které látky. P i h e s více magnety zjistíme, že mezi nimi existují síly, které bu magnety p itahují, nebo naopak od sebe odpuzují. Provedeme nyní n kolik pokus , abychom vlastnosti t chto t les poznali podrobn ji.
FVezm te magnet ve tvaru ty ky a zkoušejte, která t lesa p itahuje. Užijte nap . d evo, železo, hliník, zlato (náušnice, prstýnek), plast, ocel, vodu aj. Zjistili jsme, že na v tšinu látek, které jsou kolem nás, magnet nijak nereaguje. P itahuje pouze p edm ty železné, pop ípad ocelové, z mén užívaných kov nap íklad nikl, kobalt. Na nekovové p edm ty magnet nijak nep sobí. Také p edm ty z drahých kov , hliníku, m di ani zinku nep itahuje.
FRozprost ete po lavici v tší množství špendlík a pohybujte nad nimi magnetem (obr. 68). Všechny špendlíky takto magnetem posbírejte. Prohlédn te si jejich uspo ádání na magnetu.
Nejvíce špendlík se zachytilo na koncích magnetu. Tam je jeho silový ú inek nejsiln jší.
63
68. Magnet p itahuje špendlíky
W. Gilbert (1544–1603)
Dílo W. Gilberta
Zemským magnetismem se zabýval již zmín ný W. Gilbert. Vyrobil si kovový model Zem , který zmagnetoval a d lal na n m r zné pokusy.
1 – jižní magnetický pól, 2 – severní zem pisný pól, 3 – severní magnetický pól, 4 – jižní zem pisný pól
Když v polovin 18. století vym ovali na st eše jednoho z oxfordských chrám po t i sta letech ty s korouhvi kou, požádal Benjamin Franklin (pozd ji jeden z vynálezc hromosvodu) opata, aby ty sejmuli ve svislé poloze. Když se k ní pak p iblížil s kompasem, ukázal, že horní konec ty e má severní magnetický pól a dolní konec ty e jižní magnetický pól.
• Zjist te, kde se nachází m sto Oxford a ím je v historii významné.
• Vyzkoušejte, zda n které staré železné konstrukce ve vašem okolí (zábradlí, železné m íže apod.) jsou zmagnetovány.
76. Magnetické induk ní áry v okolí Zem
Z pravidel o p itahování magnet však vyvodíme, že poblíž severního zem pisného pólu se nachází jižní magnetický pól. Jižní pól st elky ukazuje k zem pisnému jihu, poblíž kterého je severní magnetický pól. Stanovení názv pól je v c dohody, z praktických d vod je výhodné, když ten pól st elky, který ukazuje p ibližn k zem pisnému severu, nazveme severním pólem magnetky.
Stejn jako ozna ujeme póly severní a jižní na st elce, budeme je takto ozna ovat i na každém magnetu. Pro severní pól magnetu se užívá znaka N (z anglického north = sever), jižní pól magnetu ozna ujeme S (z anglického south = jih). Když jsme se nau ili póly magnetu ozna ovat, m žeme obrázek 72 ze str. 65 doplnit o toto ozna ení (obr. 77). Dohodou je stanoveno, že magnetické induk ní áry ze severního pólu magnetu vystupují a do jižního magnetického pólu vstupují.
77. Magnetické induk ní áry v okolí ty ového magnetu
FNa magnetech, jejichž póly jsou barevn rozlišeny, ur ete pól severní a pól jižní.
P i ešení této úlohy m žeme využít znalosti pól st elky nebo upevnit magnet uprost ed na záv s a po kat, až se jeho poloha v prostoru ustálí. Magnetické pole Zem m žeme – stejn jako magnetické pole ty ového magnetu – také znázornit pomocí magnetických induk ních ar. Magnetka zaujímá vždy polohu ve sm ru magnetické induk ní áry.
68
1 3 2 4
Gilbert v model Zem
S využitím buzoly a vlastností magnetického pole Zem dokážeme v terénu snadno zorientovat mapu. Na mapu (na níž je sever vždy naho e) položíme buzolu, na které jsme zna ku severu (N, tj. 0) na oto ném kotou i nastavili proti ukazateli na podélné ose buzoly (viz. obr. 78a). Otá íme pak mapu i s buzolou tak, aby severojižní sm r splynul s p ímkou st elky (obr. 78b).
ab
Ocelové p edm ty, které leží na povrchu Zem dlouho na stejném míst , se vlivem magnetického pole Zem zmagnetují (konstrukce most , zábradlí, radiátory topení, kolejnice apod.).
78. Orientace mapy ve vodorovné poloze: a) nezorientovaná mapa b) zorientovaná mapa
K ZAPAMATOVÁNÍ:
Kolem Zem a kolem n kterých planet je magnetické pole. Magnetické póly Zem jsou poblíž zem pisných pól , ale nesplývají s nimi.
U severního zem pisného pólu Zem je jižní magnetický pól, u jižního zem pisného pólu Zem je severní magnetický pól. Základní orientaci v terénu podle sv tových stran provádíme kompasem nebo buzolou.
ÚLOHY
1. Pomocí magnetky ur ete magnetické póly neznámého magnetu.
2. Pomocí kompasu ur ete sv tové strany.
3. Na glóbu ur ete p ibližn jižní magnetický pól Zem .
1. Jaké nebezpe í znamenalo d íve pro námo níky položení magnetu blízko lodního kompasu?
2. Kte í živo ichové se orientují pomocí magnetického pole Zem ?
1. P j ete si ze soupravy pro magnetismus dom st elku a zjist te, která železná za ízení v byt jsou zmagnetována.
2. Vezm te magnetickou st elku a p ibližte ji nejprve k horní ásti radiátoru topení a pak k jeho dolní ásti. Co pozorujete? Dokážete jev vysv tlit?
• Pomocí magnetky se p esv d te, zda jsou zmagnetovány nap . radiátory úst edního topení ve vaší t íd
Kompas využívali na svých cestách mo eplavci. Flotila portugalského mo eplavce Fernãa Magalhãese dokázala v letech 1519–1522 poprvé obeplout Zemi. Denitivn vyvrátila pochybnosti o kulatosti Zem . Najd te n které informace o této pozoruhodné plavb .
69
Fernão Magalhães
(1480–1521)
První významné pokusy s atmosférickou elekt inou provád l Ameri an Benjamin Franklin. Vycházel z toho, že blesk má mnoho spole ných vlastností s jiskrovým výbojem, kterého lze dosáhnout v laborato i (ve škole nap . výbojem mezi hrotem a deskou Ruhmkorffova induktoru). Roku 1752 uskute nil se svým synem pokus k d kazu toho, že v oblacích jsou skute n oblasti elektricky nabité. Do bou kového mraku vypustil draka upevn ného na konopném vláknu, na jehož dolním konci byl kovový klí . Volná vlákna konopného provazu se ježila, což sv d ilo o tom, že se nabíjejí. Mezi klí em a rukou za aly p eskakovat jiskry. (viz obr.)
Tento pokus byl ovšem nesmírn nebezpe ný, nebo mohl p enést bleskový výboj p ímo do rukou experimentátora, a jen velký odpor konopného provazu zabra oval smrteln nebezpe nému výboji.
9. ELEKT INA V ATMOSFÉ E
B. Franklin se synem p i pokusech s atmosférickou elekt inou
P i pozorování bou ky nám neuniknou dlouhé a oslnivé blesky. Co vyvolává tak mohutné výboje? Z našich pokus víme, že jiskra p esko í mezi dv ma vodivými p edm ty, mezi nimiž je elektrické nap tí. Samovolné vybití elektroskopu prokazuje, že ve vzduchu se v ur itém množství pohybují ionty. Jejich po et jsme výrazn zv tšili nap . plamenem. Pozorovali jsme potom mnohem rychlejší vybití elektroskopu. Nej ast ji se v atmosfé e vyskytují ionty dusíku, kyslíku i molekulární ionty vodních par. V d sledku p sobení kosmického zá ení je vzduch více vodivý ve vyšších vrstvách než p i zemském povrchu. Ve výškách kolem 50 – 60 km nad zemí je vzduch pom rn dobrý vodi . Vodivost vzduchu p i zemi, kterou jsme pokusem s elektroskopem prokázali, je mnohem menší. Ionty se do ovzduší dostávají i z mo e. P i p íbojích na mo ském pob eží z stávají ve vzduchu malinké kapi ky vody, která, když se odpa í, zanechává v atmosfé e krystalky NaCl. Ionizaci vzduchu p i povrchu Zem vyvolává také radioaktivní zá ení pocházející z látek obsažených v Zemi.
Zem je na svém povrchu nabitá záporn (obr. 113). Odkud se bere tento náboj a ím je udržován, když se zdá, že práv p i bou kách dochází k vybíjení náboje jak Zem , tak i oblak ? Záporný náboj Zem je však práv udržován bou kami, p esn ji e eno blesky, které je provázejí. Na celé zem kouli dochází denn k n kolika desetitisíc m bou ek, z nichž asi 90 % p i výbojích p ináší do zem záporný elektrický náboj.
113. Elektrické pole v okolí Zem
96
Záporný náboj se do Zem dostává nejen bleskem, ale i p i hrotovém výboji, který je mnohem mén nápadný než blesk a není ani provázen výraznými zvukovými efekty. Projevuje se sv télkováním ostrých hran n kterých kovových p edm t , nap . u st ech, stožár na lodích apod. N kdy je tento výboj doprovázený praskáním. V klidném a bezbou kovém po así se záporný náboj Zem postupn vybíjí vodivostí vzduchu. K elektrickým výboj m dochází mezi oblaky a zemí nebo mezi oblaky navzájem, ale také uvnit jednoho oblaku. Elektrické jevy v atmosfé e jsou vyvolávány srážkovými oblaky, v nichž je sou asn elektrický náboj kladný i záporný, avšak jeho rozd lení je takové jako na obrázku 114. Bou kový mrak*) mívá spodní okraj 1 až 2 kilometry nad zemí a rozprostírá se do zna né výšky – asi 12 až 15 kilometr . Uvnit bou kového mraku je pom r n velký rozdíl teplot, což je patrn jednou z p í in rozd lení p íslušn nabitých iont . Spodní vrstva oblaku obsahuje p evážn záporný náboj. Jen v míst , odkud klesají srážky, je náboj kladný. Rozsáhlá horní vrstva oblaku je nabita kladn . Nesrážkové oblaky tyto vlastnosti tém nemají. P ímé pozorování nás p esv d uje, že k elektrickým výboj m dochází vždy za mohutné obla nosti. Tato obla nost je v tšinou doprovázená mohutnými deš ovými srážkami.
B. Franklin (1706–1790)
Na základ poznání, že blesk je elektrický výboj, hledal Franklin možnosti, jak ochránit budovy p ed jeho ú inky. Od Franklina pocházejí dnešní hromosvody – ty e vodiv spojené s kovovými sou ástmi st ech (okapy, anténami apod.) a dokonale uzemn né. P i úderu blesku prochází bleskový kanál hromosvodem a zemnícími vodi i a probíhající proud míjí ostatní ásti budovy.
Mezi oblakem a zemí je elektrické pole. Z oblasti pod oblakem jsou na zemi odpuzeny záporné náboje, v tomto míst tedy p evládají kladné náboje. Mezi oblakem a zemí se nachází elektrické pole, pr b h jeho elektrických silo ar je znázorn n na obrázku 115 . Vložíme-li do tohoto pole hrot vodiv spojený se zemí, elektrické silo áry se deformují tak, že v okolí hrotu jsou hustší, což znamená, že elektrické pole je zde siln jší. Hrot odvádí náboj z mraku do zem . D j se nazývá hrotový výboj. Je provázen jemným jisk ením a n kdy i praskotem. Podobný jev m žeme pozorovat nap íklad kolem vodi vysokého nap tí za mlhy.
*) Meteorologové tento typ mraku nazývají kumulonimbus.
Franklin se za al o elekt inu zajímat až od svých 40 let, kdy tuto innost považoval za zábavu. Velmi se zajímal o matematiku, p írodní v dy a techniku. Mimo jiné nakreslil první mapu Golfského proudu. P i svých plavbách p es Atlantský oceán p išel s návrhem, jak ochránit lodi p ed potopením p i jejich poškození: Rozd lit je na n kolik vzájemn vodot sn odd lených ástí. Tato myšlenka byla potom b žn p i stavb lodí využívána.
97
115. Elektrické pole mezi oblakem a Zemí
114. Bou kový oblak
Tato učebnice je čtvrtou částí šestidílné řady tematicky zaměřených učebnic fyziky pro výuku na 2. stupni ZŠ (případně v nižších ročnících víceletých gymnázií).
Učebnice jsou zpracovány v souladu s požadavky RVP pro základní vzdělávání. Kladou důraz na rozlišení základního a rozšiřujícího učiva, naplňují mezipředmětové vztahy, přiměřeně zohledňují průřezová témata formulovaná v RVP. Pozornost věnují praktickému aspektu výuky, uvádějí množství úkolů a pokusů vhodných k realizaci ve školních podmínkách. Všechny díly řady vycházejí se schvalovací doložkou MŠMT. Vhodným doplňkem učebnic jsou publikace Seminář a praktikum z fyziky a Sbírka úloh z fyziky pro 6.–9. ročník ZŠ.
Celá řada je tvořena těmito tematickými učebnicemi: Fyzika 1 (Fyzikální veličiny a jejich měření) Fyzika 2 (Síla a její účinky – pohyb těles)
Fyzika 3 (Světelné jevy l Mechanické vlastnosti látek)
Fyzika 4 (Elektromagnetické děje)
Fyzika 5 (Energie)
Fyzika 6 (Zvukové jevy l Vesmír)
978-80-7235-645-4
5912 ISBN
