ELEKTRINA

Zdrojom elektriny je elektrický náboj. Čo vieme o podstate elektrického náboja? Posúďte sami.

Americký fyzik Steven Hawking napísal v knihe „Ešte stručnejšia história času” o elektrickom náboji: „Elektrický náboj je vlastnosť častice, ktorá jej umožňuje odpudzovať (alebo priťahovať) iné častice, ktoré majú rovnaké (alebo opačné) znamienko.“

Slovenský fyzik, Július Krempaský napísal vo svojej učebnici „Fyzika“ v kapitole o elektrine: „Elektrický náboj je len vlastnosť reality. Nemá preto zmysel pýtať sa, čo je elektrický náboj.“

Z týchto vyjadrení vyplýva, že elektrický náboj je pre súčasnú fyziku vlastnosťou atómovej hmoty (častice, reality) , ktorej podstatu nielen že nepoznáme, ale ju ani nepotrebujeme poznať.

Coulombov zákon

V roku 1785 francúzsky fyzik Charles-Augustin de Coulomb uverejnil svoje prvé práce o elektrine a magnetizme. V tom čase ešte nebol objavený elektrón. Pri hľadaní odpovede na vzájomné silové účinky nabitých telies pracoval s elektricky nabitými guľovými telesami. Guľové telesá boli v kľude a nerotovali. Kladný alebo záporný elektrický náboj na povrchu gule bol realizovaný trením rôznych materiálov. Výsledkom jeho výskumu je zákon elektrického poľa v okolí elektrického náboja.

Poznámka: Polarita elektrického náboja sa menila iba prebytkom alebo úbytkom voľných elektrónov na povrchu gule. Elektrický náboj bol väčší alebo menší ako neutrálny.

Intenzita elektrického poľa v okolí guľového telesa, ktorý je v kľude, sa dodnes počíta na základe Coulombovho zákona, rovnica (1).

Fe=14π.ϵ0q2R2[N](1)\Large {F_e=\frac{1}{4\pi.\epsilon_0}\:\frac{q^2}{R^2}\quad [N]\qquad (1)}

q– elektrický náboj, ε0 – permitivita „vákua“, r– polomer telesa s nábojom

  • Konštanta 4π vyjadruje závislosť intenzity na ploche gule o polomere r. 
  • Permitivita ε0vyjadruje odpor vákua v okolí elektrického náboja.

Z uvedeného vidieť, že výpočet intenzity elektrického poľa je analogický s výpočtom intenzity gravitačného poľa (Newton). Ak porovnáme rovnicu (1) s Newtonovým zákonom pre gravitáciu vidíme, že sa líši iba použitím náboja namiesto hmotnosti telesa a konštánt.

Poznámka: Emitované prúdenie elektrickej látky (elektrické pole) v okolí nabitej gule, ktoré skúmal Coulomb, bolo rovnomerne rozložené. Tento predpoklad pre okolie elektrónu, protónu a neutrónu neplatí!

Výpočet pomeru elektrickej a gravitačnej sily

Náboj elektrónu bol zmeraný v roku 1909 (milikan). Naboj protónu bol určený dedukciou v roku 1917 (Rutherford). Jeho hodnota sa na základe dedukcie rovná opačnej hodnote náboja elektrónu. Na základe týchto hodnôt bol určený pomer elektrickej a gravitačnej sily.

Uvádzame výpočet pomeru elektrickej a gravitačnej sily v jadre vodíka, ktorý obsahuje text vysokoškolskej učebnice pre študentov MIT (Massachusetts Institute of Technology) v USA (str. 2-29).

http://web.mit.edu/viz/EM/visualizations/coursenotes/modules/guide02.pdf

Pri výpočte síl v jadre vodíka sú použité nasledovné hodnoty.

  1. Elektrický náboj protónu a elektrónu je rovnaký, ale opačnej polarity, e = 1,6×10-19 C
  2. Hmotnosť protónu, mp= 1,7×10-27 kg,
  3. Hmotnosť elektrónu, me= 9,1×10-31 kg.
  4. Vzdialenosť medzi protónom a elektrónom je R

Na základe Coulombovho zákona sa elektrická sila Fe medzi protónom a elektrónom v jadre vodíka   vypočíta podľa vzťahu:

Fe=14π.ϵ0e2R2[N](2)\Large {F_e=\frac{1}{4\pi.\epsilon_0}\:\frac{e^2}{R^2}\quad [N]\qquad (2)}

Na základe Newtonového zákona sa gravitačná sila Fg medzi protónom a elektrónom v jadre vodíka   vypočíta podľa vzťahu :

Fg=Gmp.meR2[N](3)\Large {F_g=G\:\frac{m_p.m_e}{R^2}\quad [N]\qquad (3)}

Pre pomer týchto síl platí:

FeFg=e24π.ϵ0.G.mp.me=2,2.1039(4)\Large {\frac{F_e}{F_g}=\frac{e^2}{4\pi.\epsilon_0.G.m_p.m_e}=2,2.10^{39}\quad \qquad (4)}

Na základe modelu prúdenia tvrdíme, že tento výpočet je nesprávny. Vysvetlenie spočíva v neznalosti podstaty elektrického náboja.

  1. Hmotnosť protónu je približne 1000-krát väčšia ako hmotnosť elektrónu. Tomu musí zodpovedať aj hmotnosť premenenej gravitačnej látky na elektrickú látku. Hodnota elektrického náboja protónu sa preto nemôže rovnať hodnote elektrického náboja elektrónu.
  2. Existuje len jedna polarita elektrického náboja. Záporný, alebo zápornejší.
  3. V okolí rotujúceho protónu a rotujúceho  elektrónu nie je intenzita elektrického poľa rovnomerne rozložená.
Výpočet pomeru uvedených síl je založený na nesprávnych predpokladoch.

Elektrické pole vodiča

Začneme pojednaním o jednosmernom elektrickom prúde vo vodiči. Dnes prevláda v povedomí ľudí názor, že elektrický prúd vo vodiči znamená tok voľných elektrónov. Predpoklad o existencii „prúdových motorov“ vytvorených prírodou (elektrón, protón, neutrón) osvetlí skutočný princíp elektrického prúdu vo vodiči.

Pole vodiča po pripojení elektrického napätia

Kovy sú dobrými vodičmi elektrického prúdu. Príčinou dobrej vodivosti sú voľné elektróny. Pozrime sa teda na úlohu voľných elektrónov vo vodiči elektrického prúdu. Voľné elektróny sa pohybujú chaoticky v kryštalickej mriežke kovu tak, že spolu s atómami vytvárajú energeticky minimálne elektrické pole.

Elektrické pole atómov a voľných elektrónov vodiča predstavuje odpor voči prúdeniu elektrickej látky zo zdroja. Po pripojení dostatočne veľkého elektrického napätia na konce vodiča sa poruší izotrópne elektrické pole a vodičom začne prúdiť elektrická látka zo zdroja. Osi voľných elektrónov vodiča sa vplyvom prúdenia natočia do smeru prúdenia elektrickej látky zo zdroja. Tým sa významne zníži „elektrický“ odpor. Prietok prúdenia elektrickej látky (prúdu) zo zdroja sa sčíta s prietokom emitovanej elektrickej látky častíc vodiča.

Obr. 1 zobrazuje nielen natočenie voľných  elektrónov vplyvom prúdenia elektrickej látky, ale aj rotáciu prúdenia emitovanej elektrickej látky vplyvom rotácie pravotočivých voľných elektrónov. Natočenie osí voľných elektrónov do jedného smeru sa dá prirovnať k natočeniu vlajok v smere prúdenia vetra.

e 1
Obr. 1 Elektrické pole v okolí vodiča, v ktorom prúdi elektrická látka (prúd).

Rýchlosť prúdenia elektrickej látky vo vodiči je výsledkom prietoku prúdenia emitovanej elektrickej látky častíc vodiča a prietoku prúdenia elektrickej látky zo zdroja. Pre rýchlosť prúdenia ve platí rovnica (5).

ve=q1+q2π.r2[m/s](5)\large{v_e=\frac{q_1+q_2}{\pi.r^2}}\qquad[m/s]\qquad(5)

q1 – prietok prúdenia emitovanej elektrickej látky častíc vodiča, q2 – prietok prúdenia elektrickej látky zo zdroja,
r – polomer vodiča

Prúdenie elektrického poľa zobrazené v okolí vodiča má samozrejme okrem orbitálnej zložky aj radiálnu a translačnú zložku rýchlosti. Prúdenie elektrickej látky vo vodiči je možné prirovnať k prúdeniu tornáda na povrchu Zeme.

Intenzita elektrického poľa okolo vodiča nie je nič iné, ako prúdenie elektrickej látky strhávanej prúdom (tornádo) elektrickej látky vo vodiči. Pre elektrické pole v okolí vodiča, v ktorom prúdi elektrická látka (elektrický prúd) platí pravidlo pravej ruky, pretože voľné elektróny sú pravotočivé.

Poznámka: V prúdení elektrickej látky vo vodiči dochádza aj k unášaniu voľných elektrónov, ale rýchlosť ich pohybu je malá. Iná je situácia pri zváraní elektrickým prúdom. V mieste zvaru dochádza nielen k pohybu voľných elektrónov, ale aj samotných atómov materiálu elektród.

Pole vodiča pri jeho pohybe

Vplyv pripojeného napätia na konce vodiča poznáme. Aký je však vplyv pohybu vodiča na jeho elektrické pole v otvorenom kozmickom priestore?

Predpokladáme, že s rastom vzájomnej rýchlosti medzi vodičom a prostredím elektrickej látky (tmavej hmoty) v smere osi vodiča rastie vplyv pohybu na elektrické pole vodiča nielen v jeho okolí, ale aj vo vnútri vodiča. Prúdenie elektrickej látky vo vnútri vodiča neovplyvní pevnú väzbu atómov. To však neplatí pre voľné elektróny. Pri rýchlosti blízkej rýchlosti ve, nastáva rovnaký jav ako po pripojení dostatočného napätia, obr. 2.

Poznámka: Tento  predpoklad bude potvrdený pri vysvetlení magnetického poľa Zeme v podmenu MAGNETIZMUS

Elektrická látka emitovaná z rotujúcich voľných elektrónov natočených proti smeru pohybu strháva (indukuje) elektrickú látku emitovanú z atómov vodiča. Výsledkom je rotujúce elektrické pole, tak ako po pripojení napätia zo zdroja.

e 2
Obr. 2 Elektrické pole v okolí vodiča, ktoré sa pohybuje rýchlosťou blízkou ve.

Poznámka: Pri výrobe permanentných magnetov sa využíva nasledujúca vlastnosť feromagnetických materiálov: Po natočení osí voľných elektrónov do jedného smeru elektrickým prúdom zo zdroja, sa po odpojení zdroja jednosmerného napätia natočenie osí elektrónov nevracia do pôvodného smeru.

Elektromagnetické pole

Medzi najťažšie predmety na elektrotechnických fakultách je „Teória elektromagnetického poľa“. Tvorcom teórie elektromagnetického poľa je škótsky fyzik James Clerk Maxwel.

Z názvu teórie je možné dedukovať, že elektromagnetické pole sa nachádza v prostredí jednej látky. V súčasnosti hovoríme, že ide o prostredie vákua. Na základe modelu tmavej hmoty tvrdíme, že vákuum je vyplnené druhou zložkou tmavej hmoty. Inými slovami druhá zložka tmavej hmoty tvorí vo vesmíre prostredie, v ktorom sa šíri elektromagnetické vlnenie. Ako to funguje v skutočnosti? Tu je vysvetlenie.

  1. Nositeľom najmenšieho elektrického náboja je elektrón, ktorý je približne 1000 krát väčší ako náboj protónu.
  2. Podstatou elektrického náboja elektrónu je emitované prúdenie druhej zložky tmavej hmoty v osi elektrónu.
  3. Vlnenie druhej zložky tmavej hmoty vyplňujúcej priestor vesmíru dokáže spôsobiť len pohyb elektrického náboja.
  4. Emitované prúdenie kmitajúceho náboja spôsobuje šírenie vlnenia v rovine kmitania.
  5. Kmitajúce častice šíriaceho sa vlnenia narážajú do častíc druhej zložky tmavej hmoty a výsledkom je kmitanie v smere kolmom na rovinu šíriaceho sa vlnenia. Výsledkom je tzv. magnetická vlna.

Je to samozrejme iba hypotéza. Fyzika dodnes nepozná podstatu elektrického náboja. Preto prezentujeme túto hypotézu, ktorá ukazuje cestu na pochopenie nepoznaných tajomstiev fyziky.