Zaujal vás nějaký fyzikální jev? Nevíte si rady s jeho vysvětlením? Neváhejte a napište nám svůj dotaz!
nalezeno 170 dotazů obsahujících »elektric«
65) Délka elektrického náboje
08. 04. 2004
Dotaz: Jak dlouhý výboj může mít napětí 60 000 V? Existuje nějaká úměra mezi délkou
výboje ve vzduchu a napětím? (dan)
Odpověď:
Pro vznik tohoto druhu nesamostatného výboje v dielektriku je rozhodující velikost intenzity elektrického pole. U každého materiálu existuje mezní hodnota E (tzv. dielektrická pevnost), je-li překročena, dochází k výboji.
U vzduchu to je asi 30 kV/cm (ano, i kV/cm jednotkou elektrické intenzity, jak je to s úměrou mezi délkou výboje a napětím je nyní jasné). 60 kV je schopno prorazit asi 2 cm vzduchu.
Bohužel, dielektrická pevnost není příliš dobře definovaná materiálová konstanta. Závisí na mnoha parametrech jako teplota, vlhkost, doba vystavení materiálu napětí apod. Např. u vlhkého vzduchu může být pevnost klidně 10 kV/cm, takže stejným napětím prorazíme trojnásobnou vzdálenost.
Proražení dielektrického materiálu se anglicky řekne "dielectric breakdown", dielektrická pevnost je "dielectric strength". Zadáním těchto hesel na Google lze najít mnoho dalších informací.
66) Magnetická síla a vztažná soustava pozorovatele
17. 03. 2004
Dotaz: Dva vodiče, jimiž prochází stejně orientovaný el. proud, se přitahují a magnetická síla přitahování je úměrná procházejícímu proudu, tedy trochu nepřesně "rychlosti" nosilelů náboje... Mám dvě otázky: 1.Co se stane v
případě, že spojím svou pozorovací soustavu s náboji? Zmizí síla, zmizí
magnetismus? 2.Analogicky, spojím svou pozorovací soustavu s urychlujícími se náboji, které vyzařují fotony. Budou pak fotony nebo bude "tma", resp. bude pro někoho "tma", pro někoho "světlo"? Je tedy existence fotonu určená soustavou
pozorovatele? (PK)
Odpověď: Odpovím na něco jiného a z hlediska odpovědi jednoduššího: věřím že vám to
pomůže pochopit problém lépe. (Pokud ne, tak se klidně zeptejte znova,
podrobněji.) Přenesu-li se mezi dvěma inerciálními vztažnými systémy, když v
jednom bylo jen elektrické pole, pak ve druhém bude vedle (trošku změněného)
elektrického pole také pole magnetické. (Přenos musím popsat relativistickou
Lorentzovou transformací, nikoli klasickou Galileovou.) Proto se také mluví vždy
o elektromagnetickém poli, majícím v daném vztažném systému složku
elektrickou a složku magnetickou. Stejně jako x-ová a y-ová složka vektoru bude
jiná ve vztažných systémech, které jsou vůči sobě natočené, a ve vhodném systému
může jedna z nich vymizet, tak také budou jiné elektrické a magnetické složky
téhož elektromagnetického pole, pozorujeme-li je z navzájem se pohybujících
vztažných systémů. Mám-li tedy např. dva elektrické náboje vůči sobě v klidu a
popisuji-li je ve vztažné soustavě, která je vůči nim v klidu, pak snadno určím
jejich vzájemnou sílu z Coulombova zákona, a nic jiného nepotřebuji. Pozoruji-li
však totéž ze systému, který se kolmo vůči nábojům pohybuje, pak vidím dva
letící náboje (letící rovnoběžně a stejně rychle, pochopitelně), které na sebe
nejenom působí elektrostaticky (jejich náboje q jsou invarianty a nemění se s
pohybem, rovněž jejich vzdálenost zůstává stejná. Navíc je tu ale magnetické
působení: pohybující se náboj je jakoby "element" elektrického proudu,
vyvolává tedy magnetické pole. A obráceně, druhý náboj se proto tako pohybuje v
magnetickém poli (prvního náboje).
Co se týče druhého dotazu, uvažujte raději o elektromagnetické vlně (světlu) než o fotonech; jimi byste tam vnášel kvantování, a to pro naše účely není podstatné. Letíte-li i statickým elektrickým polem se zrychlením, pak pozorujete záření. Problematika je složitá sama o sobě mj. tím, jakou část energie vlastně připíšu záření. (Názorně řečeno, dva obrazy záření, kde ve druhém navíc proudí energie v uzavřených kruzích, jsou nerozlišitelé.) Partie klasické elektrodynamiky popisující záření nejsou jednoduché (hesla: retardované potenciálny, Liénardovy - Wiechertovy potenciály, Hertzův dipól). Najdete je v klasické literatuře, úvod je např. v Sedlák, Štoll:
Elektřina a magnetismus (Karolinum, Praha 1993). Podrobně vysvětleny a
propočítány budou na mé webové stránce koncem dubna v Klasické elektrodynamice.
Dotaz: Když je elektrický náboj urychlovaný, tak vyzařuje elektromagnetické
vlny. Podle obecné teorie relativity je v laboratoři fyzikálně
nerozlišitelné, jestli je laboratoř urychlovaná se zrychlením "a", nebo
je v klidu v gravitačním poli, kde působí tíže g=a. To ale znamená, že
nabité těleso, které je v klidu v gravitačním poli by také mělo
vyzařovat(?). V tom případě by ale bylo v principu nevyčerpatelným
zdrojem energie (např. když by bylo umístěno v uzavřeném prostoru ve
vakuu, aby se jeho náboj nezmenšoval), takže perpetum mobile. Někde je v
úvaze chyba ....? (František Kříž)
Odpověď: Řešení vašeho "paradoxu", totiž že i těleso stojící v klidu v
homogenním gravitačním poli vyzařuje elektromagnetické a gravitační vlny, spočívá v tom, že "záření" je GLOBÁLNÍ pojem, který není definovatelný jen
pomoci čistě lokálních úvah a charakteristik. Proto nelze v tomto případě
použít argumentů opírajícího se o princip ekvivalence: ten totiž právě
platí POUZE LOKÁLNĚ.
Abychom mohli hovořit o záření, je nutno vyšetřovat asymptotické chování
polí (elektromagnetických nebo gravitačních) dostatečně daleko od
zdrojů. Musíme tedy především vědět, kde se nekonečno nachází (to není v
obecné relativitě vůbec triviální otázka), a pak zkoumat, jak rychle
klesá velikost příslušného pole, když se do takového nekonečna blížíme.
Prakticky většinou uvažujeme situaci, kdy zdroj je izolovaný (jedná se
například o elektrony pohybující se ve vysílací anténě, anebo o
dvojhvězdný systém, který periodicky deformuje prostoročas). Pak
"zářivé" složky pole jsou takové, které klesají jako 1/r, kde r je
vzdálenost od těžiště zdroje. Abychom tedy mohli hovořit o záření,
používáme speciálně zvolenou nerotující vztažnou soustavu, ve které se
dají příslušné složky pole dobře a snadno analyzovat. Konkrétně: pokud
jde o gravitační pole, platí, že každé těleso, které se pohybuje
zrychleně vůči této speciální soustavě, bude vyzařovat gravitační vlny,
jež budou odnášet část energie zdroje. Bude-li například těleso padat
volným pádem v gravitačním poli Země, bude se pohybovat ze zrychlením
VŮČI zemskému středu, který je totožný s počátkem výše zmíněné speciální
soustavy. Proto bude vyzařovat gravitační vlny, jejichž energie bude
úměrná hmotnosti tělesa, jeho zrychlení a gravitační konstantě, a
nepřímo úměrná páté mocnině rychlosti světla (což je nesmírně malé
číslo, a proto budou takové vlny velmi slabé). Podobně také družice
obíhající po kruhové dráze okolo Země bude vyzařovat (rovněž slabě)
gravitační vlny. Naproti tomu těleso, které bude vůči centru v klidu nebo
pohybu rovnoměrně přímočarém, zářit nebude.
Náboj stojící na jednom místě v gravitačním poli Země tedy nebude
vyzařovat elektromagnetické vlny (zanedbáme-li ovšem malé zrychlení
způsobené rotací Země či oběhem Země kolem Slunce), nelze ho tedy použít
coby "perpetum mobile".
68) Proč se dvě tělesa přitahují? Jak rychle se šíří gravitace?
27. 02. 2004
Dotaz: Nikde se mi doposud nepodařilo najít sebemenší informaci o principu gravitační
síly. Proč se vůbec dvě hmotná tělesa přitahují? Jakou rychlostí se gravitační
síla (nebo změna gravitační síly) šíří a zda se vůbec šíří? Pokud se gravitace
šíří rychlostí světla, jak to že "uniká" z černé díry, která jak známo nepustí
díky obrovské gravitaci ani foton... Existuje graviton? Existuje-li je hmotný
podobně jako foton? (Ondřej Hasman)
Odpověď: Princip gravitační síly + proč se tělesa přitahují: Ptám-li se na PRINCIP
něčeho ("co to je ...", "proč se to děje ...") pak
to chci převést na nějaké jiné jevy, které pokládám za ZNÁMÉ. Takže např. na
otázku "Co to je zvuk?" odpovídám třebas: "Sluchový vjem,
který vznikl ve tvém středním uchu tím, že se ti tam chvěje bubínek pod vlivem
vln střídavě stlačeného a zředěného vzduchu ....". Doufám, že víš
a bereš jako známé, co je to vjem, střední ucho, bubínek, vlna, stlačení,
zředění atd. Potíž nastane u "základních" pojmů, jako je čas,
prostor, síla atp., které nemám na co jednoduššího převést. Zpravidla se tam pak
točíme v kruhu tím, že je několik vzájemně svázaných pojmů, a my popisujeme
jejich vzájemné vztahy (síla, práce, energie...).
Tedy: zabývejme se ve fyzice nejprve popisem toho, jak se tělesa chovají. Zjistíme, že se (mj.) všechna tělesa přitahují silou, která ... atd. Tato síla je univerzální v tom smyslu, že je dána výhradně hmotností m, nikoli např. materiálem (obecným jazykem: gravitace působí na všechny předměty stejně"). Einstein si uvědomil, že tuto vlastnost mají jinak jen setrvačné síly (odstředivá, Coriolisova...), které lze převést na geometrii prostoru, v němž děj popisuji. Podařilo se mu pak i gravitaci vyjádřit jako goemetrickou vlastnost prostoru. Změna gravitace se šíří rychlostí světla. (Podrobnější rozbor tohoto tvrzení ovšem vyřaduje porozumění
geometrie prostoročasu v obecné teorii relativity.)
Gravitace je vlastností všech hmot ve všech stavech, tedy i černé díry, a neuniká z ní. Představa unikání předpokládá kvantování gravitačního pole (graviton) a chování gravitonu jako částice. Představa gravitonu, popisujícího gravitaci, by v případě, že by měl sám nenulovou hmotnost a podléhal tak svému působení, je pochopitelně značně složitější, než např. představa klasického elektrického náboje. Kvantování gravitačního pole, není pokud vím dosud důsledně zvládnuto: umíme perfektně kvantovat lineární teorie (např. elmg. pole), ale rovnice gravitačního pole jsou nelineární. Podaří-li se ti to, máš Nobelovu cenu prakticky jistou. Ovšem k tomu, abys přišel na něco, co ještě lidi neznají, je dobře vědět to, co už znají, abys neobjevoval objevené.
Dotaz: Není mi zcela jasné, proč se v distribučních trafech (3x400V) uzel vinutí
(nulák) musí spojit ze zemí (zakopaná Cu deska). Nebylo by bezpečnější, kdyby
zem byla galvanicky oddělena od výstupu trafa? Předešlo by se úrazu proudem
dotykem fázového vodiče. Nevím, zda je to z ekonomických důvodů nebo ochrana
před bleskem... Nebylo by bezpečnější pro každou domácnost oddělovací trafo, kde
by se žádná svorka sekundáru neuzemnila? (Jirka)
Odpověď: S tím „jednopólovým dotykem“ fázového vodiče (označme L1) by to byla pravda pouze do té doby, než by na jiném místě síte došlo (např. v důsledku poruchy) ke spojení některého z ostatních fázových vodičů (L2, L3) resp. středního vodiče (N) se zemí. Pak by se na tomto vodiči (L1) objevilo napětí vůči zemi až 400V resp. 230V. Tato porucha by navíc mohla přežívat při izolovaném uzlu vinutí velmi dlouho, protože nevznikne žádný zkratový proud (neuzavře se obvod), který by přerušil pojistku a tím odpojil vodič s poruchou od zdroje.
(Někdy je to však žádoucí - např. v průmyslových sítích (IT), kde je potřeba nepřetržitý chod, i když dojde k poruše izolace na jedné fázi - není to však případ distribučních sítí.)
Spojení uzlu vinutí transformátoru se zemí principielně umožňuje činnost ochrany zemněním (sítě TT) resp. nulováním (sítě TN-S, TN-C) (dnes souhrnně ochrana samočinným odpojením od zdroje) neživých částí elektrických zařízení (např. kovová skříň ledničky, pračky, kostra žehličky...) před nebezpečným dotykovým napětím vůči zemi. Činnost této ochrany znázorňuje přiložený obrázek a následující text: V důsledku poruchy došlo ke spojení fázového vodiče s kostrou přístroje. Díky jejímu spojení přes ochranný vodič (PE) s uzlem vinutí transformátoru dojde okamžitě k přepálení pojistky a tím i k odpojení poškozeného přístroje od sítě. Spojení uzlu vinutí transformátoru (resp. také ochranného vodiče PE v rozvadeči) se zemí zajistí, že na vodivé kostře přístroje nevznikne větší dotykové napětí vůči zemi než je úbytek napětí na ochranném vodiči (PE) při zkratovém proudu. Velikost tohoto dotykového napětí a dobu odpojení spotřebiče pojistkou stanovují normy.
Co se týče toho transformátoru pro domácnost - platí totéž co bylo napsáno pro „velkou síť“. Oddělovací transformátor (1:1) se však používá např. při opravách el. přístrojů, kde by byla větší pravděpodobnost dotyku fázového vodiče. V tomto případě je však na sekundární vinutí transformátoru připojen pouze jeden přístroj.
Další a související informace (např. ochrana pomocí proudových a napěťových chráničů) je možno najít např. v knize Václav Honys: Nová příručka pro zkoušky elektrotechniků 1997-8
(nebo v některém jejím aktualizovaném vydání) nebo na serveru www.elektrika.cz.
