Fyzika – Základní pojmy I

Fyzika je sice fuj, ale něco je vcelku dobré vědět

Základní pojmy
1. Fyzikální veličiny
2. Technické veličiny
3. Formy hmoty
4. Stavba atomu
5. Rozdělení látek podle vodivosti
a)Vodiče 
b) Polovodiče 
 c) Nevodiče-izolanty
6. Elektrický náboj
7. Elektromagnetické pole
1. Fyzikální veličiny 
fyzikální veličiny jsou fyzikální pojmy, které je možno měřit
fyzikální pojem vyjadřuje fyzikální vlastnosti předmětů a jevů
měřit fyzikální veličinu, neboli určit její velikost znamená porovnávat ji s jednotkou fyzikální veličiny
jednotka fyzikální veličiny je pevně stanovené množství příslušné fyzikální veličiny
hodnota fyzikální veličiny se rovná počtu jednotek

Matematicky: hodnota fyzikální veličiny rovná se číselná hodnota krát jednotka

Příklad:

I = 30 · A
U = 8 · V
Skalární veličiny (skaláry) se určují pouze velikostí (např. čas, el. náboj).
Vektorové veličiny (vektory) se určují velikostí, směrem a orientací (např. síla, rychlost).

Kvůli přehlednosti vztahů mezi fyzikálními veličinami a jejich jednotkami z důvodu jednotnosti ve všech zemích byla stanovena soustava SI – Systeme international d’unites.

Soustava SI:
Základní jednotky
Název	Značka	Veličina
metr	m	délka
kilogram	kg	hmotnost
sekunda	s	čas
ampér	A	elektrický proud
kelvín	K	termodynamická teplota
mol	mol	látkové množství
kandela	cd	svítivost

 

Doplňkové jednotky
Název		Značka		Veličina
radián		rad		rovinný úhel
steradián		sr		prostorový úhel
Odvozené jednotky
Název	Značka		Veličina		Rozměr
čtverečný metr	m2		plošný obsah		m2
kubický metr	m3		objem		m3
newton	N		síla		kg·m·s-2
metr za sekundu	m·s-1		rychlost		m·s-1
joule	J		práce (energie)		kg·m2·s-2
watt	W		výkon		kg·m2·s-3
coloumb	C		elektrický náboj		A·s
volt	V		elektrické napětí		kg·m2·s-3·A-1
ohm	?		elektrický odpor		kg·m2·s-3·A-2
siemens	S		elektrická vodivost		kg-1·m-2·s3·A2
farad	F		elektrická kapacita		kg-1·m2·s4·A-2

 

Násobky a dílky jednotek (tvoří se přednostně podle 3. mocniny čísla 10)
Násobky jednotek:			Díly jednotek:
Násobek	Předpona	Značka	Díl	Předpona	Značka
10^3	kilo	k	10^-3	mili	m
10^6	mega	M	10^-6	mikro	µ
10^9	giga	G	10^-9	nano	n
10^12	tera	T	10^-12	piko	p
10^15	peta	P	10^-15	femto	f
10^18	exa	E	10^-18	atto	a

 

Jednotky, které používáme, ale nepatří do soustavy SI:
Název	Značka	Veličina
hodina	h	čas
minuta	min	čas
den	d	čas
tuna	t	hmotnost
litr	l	objem
Celsiův stupeň	°C	teplota
elektronvolt	eV	energie
úhlový stupeň	°	rovinný úhel
úhlová minuta	´	rovinný úhel
úhlová vteřina	˝	rovinný úhel

 

2. Technické veličiny

jsou to veličiny, které nejsou definovány fyzikálními vztahy

odvozují se experimentálně (např. pevnost, tvrdost, pružnost)
 3. Formy hmoty
všechny objekty a jevy jsou hmotné
hmota má dvě formy:

 a) látka
 b) pole
Vlastnosti předmětů a jevů jsou určeny vnitřní stavbou látky, popř. stavem pole. To platí i pro el. vlastnosti látek a polí, které zkoumá elektrotechnika.

Látky jsou hmotné objekty složené z částic.

látka -> molekuly -> atomy -> elektronový obal -> elektrony
-> jádro -> protony
-> neutrony

Pole spojuje navzájem částice látky nebo tělesa do jedné soustavy a zprostředkovává vzájemná silová působení částic nebo těles. Vzájemné účinky se přenáší s konečnou rychlostí. Popis pole se provádí matematickým modelem pomocí skalárních a vektorových veličin. Pole je trojrozměrné.

Příčina silového působení	Druh pole
hmotnost	gravitační
elektrický náboj	elektrostatické
elektrický proud	magnetické

 

4. Stavba atomu

Průměr atomu je 10-10m, průměr jádra je 10-15m až 10-14m. Náboj elektronu je -1,6·10-19C, náboj protonu je +1,6·10-19C a neutron náboj nemá. Počet protonů se rovná počtu elektronů, náboje se vyruší a atom je elektricky neutrální.
Každý elektron se nachází v určitém prostoru – oblasti kolem jádra. Těchto oblastí elektronů v atomu může být více (podle prvku). Oblasti výskytu elektronů se nazývají orbity (orbitaly). Výskyt elektronu je určen jeho energií. Když se energie elektronu mění, mění se i velikost, tvar a orientace oblasti, ve které se elektron vyskytuje. Elektrony mohou energii přijímat i ztrácet. Energetické úrovně energie elektronu v atomu můžeme vyjádřit pomocí čárového energetického modelu.

Energický stav elektronu popisují čtyři kvantová čísla:

 

Dva elektrony v atomu nemohou mít stejná všechna čtyři kvantová čísla.
V pevných látkách jsou atomy v těsné blízkosti, při tom dochází k posunu energetických hladin. K posunu dochází vzájemným silovým působením atomů na sebe. Jedná-li se o atomy v krystalové mřížce, dojde k vytvoření energetických pásem hladin.

Znázornění vzniku pásmové struktury energetických hladin:
a) osamoceného atom           b) dva blízké atomy            c) celá látka

	1. n – hlavní kvantové číslo, vyjadřuje dovolenou energetickou hladinu elektronu – velikost orbitu
	2. e – vedlejší kvantové číslo, vyjadřuje periodický pohyb elektronu kolem jádra – tvar orbitu
	3. m – magnetické kvantové číslo, určuje prostorovou orientaci pohybu elektronu kolem jádra -orientaci orbitu
	4. s – spinové kvantové číslo, udává otáčivý pohyb elektronu kolem vlastní osy

W		V pásmovém energetickém modelu tuhých látek máme pásma dovolených energií a pásma zakázaná. V zakázaném pásmu se nemohou elektrony vyskytovat nastálo.
[eV]	Vodivostní pásmo
	Zakázané pásmo
	Dovolené pásmo valenční
	Zakázané pásmo
	Dovolené pásmo

5. Rozdělení látek podle vodivosti
O elektrické vodivosti látek rozhoduje obsazení valenčního a vodivostního pásma.
V pásmu vodivostním jsou elektrony, které jsou vázány k jádrům jen nepatrnou silou. Tyto elektrony se zúčastňují elektrického proudu.

Vodiče

W		U vodičů se vodivostní a valenční pásma dotýkají nebo se překrývají. Valenční pásmo není plně obsazeno elektrony a zakázané pásmo v podstatě chybí. Příklad: kovy a uhlík
[eV]	Vodivostní pásmo
	Dovolené pásmo valenční

 

 

 

 

Polovodiče

 

W		Polovodiče mají valenční pásmo úplně obsazené. Mezi vodivostním a valenčním pásmem je pásmo zakázané, které je ale velmi úzké, takže hoelektrony mohou (už při zvýšení světla, tepla…) překonávat. Příklad: Křemík, Germanium, Galiumarzenid
[eV]	Vodivostní pásmo
	Zakázané pásmo
	Dovolené pásmo valenční

Nevodiče

W		Izolanty mají plně obsazené valenční pásmo. Šířka zakázaného pásma jsou desítky eV. Nevodiče: Plasty, dřevo, sklo, slída, porcelán
[eV]	Vodivostní pásmo
	Zakázané pásmo
	Dovolené pásmo valenční

 

 

Získá-li elektron dostatečnou energii, stává se elektronem volným (platí pro vodiče a polovodiče a omezeně i pro izolanty). Tato vodivost je způsobena elektrony a proto se nazývá vodivost elektronová. Vodivost může být vyvolána ionty, které vzniknou při ztrátě nebo získání elektronu v atomu. S iontovou vodivostí se setkáváme v elektrolytech.

 6. Elektrický náboj
Elektrický náboj je charakteristickou vlastností částí látky. Elektrický náboj je vázán na částice. Částice musí mít buď záporný nebo kladný (nebo neutrální) elektrický náboj.
Elektrický náboj nelze ani vytvořit ani zničit, protože platí zákon elektrického náboje. Značka pro elektrický náboj je Q a jednotka elektrického náboje je 1 coulomb. Elektrický náboj Q se rovná součinu proudu a času. Pohybující se částice přenesou za čas t určité množství elektrického náboje. Jeden coulomb je náboj přenesený stálým proudem jeden ampér za dobu jedné sekundy.

 

Q	=	I · t
	[C]	=	[A]·[s]
	1C	=	1A·1s
	C	=	As

V praxi se pro určování množství el. náboje používá jednotka větší, např. ampérhodina (1Ah = 3600As = 3600C).
El. náboj zjišťujeme přístrojem elektroskop a měříme přístrojem elektrometr.

Vlastnosti elektrického náboje:
El. náboj je vázán na částice látky
 El. náboje jsou dva – kladné a záporné
 Elementární el. náboje nejde dál dělit (±1,6·10-19C)
 El. neutrální těleso má stejný počet obou druhů nábojů (elektronů i protonů) a ty jsou rovnoměrně rozmístěny
 Těleso je možno nabít kladně nebo záporně
 Přenášení el. náboje se děje dotykem nebo vedením uvnitř tělesa
 Platí zákon o zachování el. náboje – přebytek elektronů v jednom tělese se projevuje úbytkem v druhém
 Není možné nahromadit náboj jednoho druhu bez nashromáždění náboje opačného na jiném místě
 Dva souhlasné náboje se odpuzují a dva nesouhlasné přitahují
 Stejně velký náboj kladný a záporný se neutralizují
 Elektricky nabité těleso působí i na těleso nenabité
 Kolem každého náboje v klidu vyniká elektrostatické pole
 Kolem pohybujícího se náboje se vytváří pole magnetické

 7. Elektromagnetické pole

Má dvě složky: pole elektrické a pole magnetické.

 Elektrostatické pole: el. náboje jsou v klidu
 Elektrické pole proudové: el. náboje jsou v pohybu; vytváří se ve vodičích protékaných el. proudem
 Magnetické pole: vzniká kolem vodiče, který je protékán el. proudem; proměnné magnetické pole vytváří el. pole proudové

Dále se elektromagnetické pole dělí na:
Stacionální Pole: veličiny, které jej charakterizují nezávisí na čase, pole je v čase konstantní (např. pole elektrostatické, elektromagnetické pole vodičů protékaných konstantním proudem)
Nestacionální pole: veličiny jsou funkcí času, pole je v čase proměnné (např. pole elektromagnetické střídavého proudu s nízkou frekvencí, elektromagnetické vlnění s vysokou frekvencí)