Věda a technika v pozadí
Výzkumný stůl

Teorie

Viskozita

Společnou vlastností kapalin a plynů je tekutost. Proto kapaliny a plyny označujeme společným názvem tekutiny. Příčinou tekutosti je snadná změna vzájemné polohy částic, z nichž se těleso skládá. Tekutina, v níž se částice snáze posouvají, má větší tekutost. Příčinou různé tekutosti kapalin jsou odporové síly, které vznikají mezi navzájem se pohybujícími částmi kapaliny. Pozorovanému jevu říkáme vnitřní tření kapaliny neboli viskozita. Ve viskózní kapalině, jako je ropa nebo sirup, jsou molekuly vzájemně silně vázány. Nekloužou kolem sebe snadno a je poměrně obtížné takovou kapalinu přelévat. Zahřátím viskózní kapaliny se snižuje molekulární přitažlivost. Kapalina řídne a lze ji snadněji přelévat. Zvýšením tlaku se molekuly v kapalině vzájemně přiblíží a viskozita roste. To je významná vlastnost mazacích olejů, které se při vysokých tlacích mezi ozubenými koly a mezi po sobě klouzajícími součástmi strojů stávají viskóznějšími. Pokud by tomu tak nebylo, olej by byl vytlačen, k mazání by nedošlo a součásti by se zadřely.

Hustota

Důležitou charakteristikou každé látky je její hustota ρ. Pro stejnorodou látku ji definujeme jako podíl hmotnosti a objemu

Mění-li se objem tělesa, třeba stlačováním, roztahováním, zahříváním či ochlazováním, mění se i hustota látky, z níž je těleso utvořeno. Hustotu měříme v jednotkách kilogram na krychlový metr (kg m^-3).

Důsledkem Archimédova zákona je různé chování těles v kapalině. Na těleso působí vztlaková síla F_vz a tíhová síla F_g. Výslednice působících sil má směr síly větší a velikost rovnou rozdílu velikostí obou sil. Porovnáváme–li velikosti těchto sil, může nastat jeden ze tří případů:

F_G < F_vz, ρ_T < ρ – těleso plove na hladině

F_G > F_vz, ρ_T > ρ – těleso klesá ke dnu

F_G = F_vz, ρ_T = ρ – těleso se vznáší v kapalině.

Tyto případy platí i pro ohraničený objem plynu anebo kapaliny. Olej plave na vodě, voda plave na rtuti.

Plování těles.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.

Tak například ledovec o hustotě 939 kg m^–3 plující ve slané vodě o hustotě 1 024 kg m^–3 bude ponořený z 939/1024 = 91,7 %. Podle různého ponoření tělesa do kapaliny se určuje hustota kapalin hustoměry. V kapalině s větší hustotou působí na hustoměr větší vztlaková síla, proto se hustoměr méně ponoří. Hustoměr se používá k měření tučnosti mléka, obsahu cukru ve vodě, ke zjištění nabití akumulátoru podle hustoty kyseliny sírové, množství alkoholu v lihovině apod.

Elektrický proud

Látky podle elektrické vodivosti rozdělujeme na vodiče a nevodiče. Podmínkou, aby látka byla dobrým vodičem je přítomnost volných elektricky nabitých částic. V kovech jsou to volné elektrony, v kapalinách a ionizovaných plynech kladné a záporné ionty, ve vakuu jakékoli nabité částice. Ke vzniku elektrického proudu nestačí jen přítomnost nabitých částic. Je nutné, aby se částice daly do pohybu. K tomu je donutí přítomnost elektrického pole. Tato podmínka je splněna, je–li na koncích vodičů rozdíl elektrických potenciálů. Elektrický proud je tedy usměrněný pohyb částic s elektrickým nábojem v určité látce.

Podle elektronové teorie jsou kovy polykrystalické látky s kovovou vazbou. Valenční elektrony jsou k atomu slabě poutány a lze je dost snadno odtrhnout. Z každého krystalu se tak stal kladně nabitý iont a volné elektrony, které se neustále chaoticky pohybují. Jakmile připojíme konce vodiče k pólům zdroje napětí, uvedou síly elektrického pole volné elektrony do usměrněného pohybu v jednom směru, a to ve směru od záporného pólu zdroje k pólu kladnému. Elektrony tak současně konají dva pohyby: usměrněný pohyb v elektrickém poli a chaotický tepelný pohyb.

Částice ve vodiči bez elektrického proudu (vlevo) a s elektrickým proudem.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.

Rychlost usměrněného pohybu elektronů vytvářejících elektrický proud je neočekávaně malá, činí jen několik mm/s. Nabízí se otázka, proč se usměrněný pohyb elektronů projevuje ve všech částech vodiče již v okamžiku jeho připojení ke zdroji elektrického napětí. Zapneme–li například vypínačem žárovku, okamžitě se rozsvítí. To je dáno tím, že působením elektrického pole, které se šíří rychlostí světla (tj. 3 · 10⁸ m/s), jsou uvedeny volné elektrony do uspořádaného pohybu prakticky současně v celém vedení. Ve vodiči pak převládá uspořádaný pohyb volných elektronů v jednom směru.

André Maria Ampére.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Autor: Ambrose Tardieu. Public domain.

Magnety a elektromagnety

Nerosty nalezené v přírodě, které vykazují magnetické vlastnosti, nazýváme přirozené magnety. Používaly se jako magnetické střelky až do 18. století. Od té doby se pomalu začalo používat umělých magnetů nejčastěji ve tvaru tyče, podkovy nebo střelky. Nejběžnějším materiálem umělých magnetů jsou ferity vyrobené z oceli, stroncia a bóru. Jsou černé, tvrdé a křehké, elektricky nevodivé, vydrží vysoké teploty, nedají se řezat ani krájet, lze je jen obtížně brousit. Dnes se od magnetů z tvrdé oceli přešlo k magnetům slitinovým, z nichž nejznámějším je slitina Al, Ni a Co, používaná pod názvem ALNICO. Nová generace permanentních magnetů se nazývá RARE EARTH a jsou vyrobeny ze slitin prvků vzácných zemin, nejčastěji samarium nebo neodym. Poskytují velmi silná magnetická pole. Používají se například v cd–romkách nebo v pevných discích.

Brzy bylo známo, že magnetické účinky se na povrchu magnetu jeví nestejnoměrně, někde velmi silně, jinde téměř vůbec. Místa, kde se nejvíce projevují magnetické účinky, nazýváme póly. Jestliže magnetku volně zavěsíme v magnetickém poli Země, tak konec směřující k severu nazveme severní (N) a ten, který směřuje k jihu nazveme jižní (S) pól magnetu (označení je z anglických slov north = sever, south = jih). Místo kde magnet s železnými pilinami téměř nereaguje, se nazývá netečné pásmo. Při rozdělení tyčového magnetu na dvě části zjistíme, že každá polovina má na svých koncích opět severní a jižní pól. V dělení můžeme pokračovat a i ten sebemenší dílek představuje magnet se dvěma opačnými póly. Jinými slovy – severní a jižní pól nemohou existovat odděleně od sebe.

Magnetické pole tyčového magnetu.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.

Dva různé póly magnetu se přitahují, dva stejné póly magnetu se odpuzují. Základním projevem magnetického pole je magnetická síla. Magnetické pole znázorňujeme pomocí magnetických indukčních čar, které tvoří soustavu uzavřených křivek. Vycházejí ze severního pólu, procházejí prostorem kolem magnetu a vcházejí u jižního pólu a uvnitř se uzavírají.

Řemeslník William Surgeon už v roce 1825 objevil jednoduchý trik, jak znásobit magnetické účinky elektrického proudu. Jeho vynálezem byl drát navinutý na válcové ploše – cívka (solenoid, z řeckého solén – trubice a eidos - podoba). Jeho práce zůstala jen na úrovni hraček, protože používal holý drát, a proto se závity nemohly dotýkat. Jeho cívka tedy měla jen velmi málo závitů. Teprve cívka s hustým vinutím z izolovaného drátu představuje soustavu mnoha proudových smyček. Je–li cívka dostatečně dlouhá a hustě navinutá, vytvoří se při průchodu proudu uvnitř homogenní magnetické pole s rovnoběžnými indukčními čarami. Na obrázku jsou znázorněny magnetické indukční čáry cívky, které jsou stejné jako u tyčového magnetu.

Poloha pólů cívky závisí na směru proudu v závitech cívky. Póly označujeme jako severní a jižní. Jestliže se směr proudu změní v opačný, změní se navzájem i póly cívky. Při daném směru proudu určíme polohu pólů opět Ampérovým pravidlem (pro cívku): Pravou ruku položíme na cívku tak, aby pokrčené prsty ukazovaly dohodnutý směr proudu v závitech cívky. Palec pak ukazuje polohu severního pólu cívky.

Směr silokřivek cívky.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.