Elektrický náboj, vodiče a izolanty

Vyzlečieš v tme mikinu a zapraská to, preskočí iskrička. Tá istá „vec“, ktorá spraví iskričku, nabíja tvoj mobil a ťahá elektromobil: elektrický náboj. Zo ZŠ vieš, že atóm má kladné jadro a záporné elektróny. Teraz s nábojom začneš počítať — ako elektrikár.

Elementárny náboj

Elektrický náboj $Q$ má jednotku coulomb (C). Najmenší náboj, ktorý sa voľne vyskytuje, je elementárny náboj:

e = 1{,}602 \cdot 10^{-19}\,\mathrm{C}

Protón má náboj $+e$ , elektrón $-e$ . Náboj každého telesa je celistvý násobok $e$ :

Q = n \cdot e

kde $n$ je počet elektrónov navyše (záporné teleso) alebo chýbajúcich (kladné teleso). Teleso je nabité vtedy, keď v ňom nie je rovnako veľa elektrónov ako protónov.

Koľko elektrónov je 1 C?

$n = \dfrac{Q}{e} = \dfrac{1\,\mathrm{C}}{1{,}602 \cdot 10^{-19}\,\mathrm{C}}$
$n \approx 6{,}24 \cdot 10^{18}$ elektrónov — vyše šesť miliárd miliárd.

Balón po trení o vlasy má náboj napríklad $-10\,\mathrm{nC} = -10^{-8}\,\mathrm{C}$ . Elektrónov navyše: $n = 10^{-8} : (1{,}602 \cdot 10^{-19}) \approx$ $6{,}24 \cdot 10^{10}$ .

Vodiče, izolanty, polovodiče

Vodič má voľné nosiče náboja, ktoré sa môžu pohybovať. V kovoch sú to voľné elektróny — meď, hliník, striebro. V roztokoch solí (aj slaná voda, pot) sú to ióny, preto voda a elektrina nejdú dokopy.

Izolant voľné nosiče takmer nemá: PVC izolácia kábla, guma, sklo, porcelán, suché drevo. Kábel v byte je presne táto dvojica — medené jadro a PVC plášť.

Polovodič (kremík, germánium) je medzi nimi. Jeho vodivosť sa dá výrazne meniť prímesami a teplotou — preto sú z neho diódy, LED, tranzistory aj procesory. Podrobne sa k nim dostaneš v ďalších ročníkoch.

Striebro vedie prúd najlepšie zo všetkých kovov, meď je tesne za ním a je oveľa lacnejšia. Preto sú káble medené a strieborné alebo pozlátené sú len kontakty.

Elektrizovanie trením

Keď trieš balón o vlasy, časť elektrónov prejde z vlasov na balón. Balón má elektróny navyše — je záporný. Vlasy ich majú menej — sú kladné. Nič nové nevzniklo, náboj sa len presunul.

Zákon zachovania náboja: v izolovanej sústave sa celkový náboj nemení. Náboj nevzniká ani nezaniká, len sa presúva.

Dve rovnaké kovové guľôčky majú náboje $+6\,\mathrm{nC}$ a $-2\,\mathrm{nC}$ . Dotkneš sa nimi. Aký náboj má potom každá?

Celkový náboj: $6 + (-2) = 4\,\mathrm{nC}$ — zachová sa.
Rovnaké guľôčky si ho rozdelia napoly: $+2\,\mathrm{nC}$ každá.

Kladné teleso nezískalo protóny. Protóny sú pevne v jadrách atómov a pri trení ani dotyku sa nepresúvajú. Kladné teleso elektróny stratilo. Presúvajú sa vždy len elektróny.

Prečo to elektrikár potrebuje: iskra statickej elektriny z tvojho tela môže zničiť citlivú elektroniku. Preto sa pri práci s doskami plošných spojov nosí antistatický náramok spojený so zemou.

Pokus a precvičenie

🧪 Pokus: skúšačka vodivosti (dielňa alebo laboratórium)

Pomôcky: plochá batéria 4,5 V, LED, rezistor 220 Ω, tri vodiče s krokosvorkami.

Zapoj za sebou: + batérie → rezistor → LED (dlhšia nožička k rezistoru) → voľný vodič A. Druhý voľný vodič B veď od − batérie.
Konce A a B prilož ku kľúču, medenému drôtu, gume, plastu, ceruzke (tuhe) a suchému drevu.
Kde LED svieti, materiál vedie.

Bezpečnosť: len batéria 4,5 V, nikdy zásuvka. Bez rezistora by si LED zničil.

Čo uvidíš

Pri kovoch LED svieti naplno (tečie asi 11 mA). Pri tuhe ceruzky môže svietiť slabšie (podľa dĺžky a hrúbky tuhy) — grafit vedie, ale horšie ako kov. Guma, plast a suché drevo LED nerozsvietia — sú to izolanty.

Kvapôčka oleja nesie náboj $-3{,}204 \cdot 10^{-18}\,\mathrm{C}$ . Koľko elektrónov má navyše?

Ukáž riešenie

$n = \dfrac{|Q|}{e} = \dfrac{3{,}204 \cdot 10^{-18}}{1{,}602 \cdot 10^{-19}} =$ 20 elektrónov.

Pri $Q = n \cdot e$ násobíš a delíš mocniny desiatich. Teraz ty — 10 príkladov:

Zapamätaj si

Náboj $Q$ sa meria v coulomboch (C); elementárny náboj $e = 1{,}602 \cdot 10^{-19}\,\mathrm{C}$ .
Náboj telesa je celistvý násobok $e$ : $Q = n \cdot e$ .
Vodič má voľné nosiče náboja (kovy — voľné elektróny), izolant ich takmer nemá, polovodič je medzi nimi.
Pri elektrizovaní sa presúvajú len elektróny: prebytok = záporné teleso, nedostatok = kladné.
Zákon zachovania náboja: celkový náboj izolovanej sústavy sa nemení.

Elektrický náboj, vodiče a izolanty

Elementárny náboj

Vodiče, izolanty, polovodiče

Elektrizovanie trením

Pokus a precvičenie

Zapamätaj si

🧠 Kvíz — over si, či to sedí