Elektrické pole a telesá v ňom sú základnými pojmami v oblasti elektrostatiky. Zelektrizované telesá pôsobia na iné telesá s elektrickým nábojom. Okolo každého zelektrizovaného telesa je elektrické pole. S približovaním zelektrizovaných telies sa pôsobenie elektrickej sily prejaví intenzívnejšie a naopak, ich vzájomným vzďaľovaním táto sila slabne.
Do nádoby vložíme kruhovú platničku, nalejeme olej a opatrne posypeme krupicou. Zrniečka krupice sa po nabití platničky (kladne alebo záporne) usporiadajú do reťazcov. Tieto čiary modelujú silové pôsobenie v okolí telesa s kladným alebo záporným nábojom. Názývame ich SILOČIARY elektrického poľa.
Pojem "polarizácia" sa často spája s pojmom "polarita", čo nie je vôbec náhodou. Latinské slovo "polaris" totiž doslova znamená "polárny". V kontexte elektroniky, respektíve v širšom zmysle fyziky pevných látok a elektromagnetizmu, je polarizácia základným javom, bez ktorého by tieto oblasti nemohli existovať a rozvíjať sa.
Polarizácia je rozdelenie prvkov daného systému do dvoch skupín opačného charakteru. To je presne to, s čím máme do činenia, keď analyzujeme definíciu elektrického napätia, chápaného ako rozdiel elektrických potenciálov medzi dvoma bodmi daného elektrického obvodu. Tieto dva body predstavujú polarizované (protiľahlé) oblasti, z ktorých jedna je charakterizovaná výraznou akumuláciou záporne nabitých elektrónov a druhá ich nedostatkom.
Dá sa to prirovnať k dvom koncom batérie AA, z ktorých je jeden označený symbolom „+“ a druhý symbolom „-“. Ako je možné sa domyslieť, ide o opačné póly, teda polarizované body, pričom záporný koniec batérie predstavuje oblasť akumulácie elektrónov, zatiaľ čo kladný je oblasťou, v ktorej elektróny chýbajú. Polarizácia je v prípade batérie konštantná, nakoľko tu máme do činenia s jednosmerným prúdom pretekajúcim vždy rovnakým smerom - od kladného pólu k zápornému pólu.
V prípade striedavého prúdu (takého, ktorý máme v našich domácich elektrických zásuvkách) máme tiež do činenia s polarizáciou, tá sa však pravidelne mení. O periodicite (frekvencii) zmien polarizácie striedavého prúdu hovorí symbol "Hz", pri ktorom sa (v diskutovanom prípade) nachádza hodnota 50, čo znamená, že za jednu sekundu prebehne 50 cyklov zmeny polarity. V každom z týchto cyklov sa pritom elektróny pohybujú najprv jedným a potom druhým smerom, následne sa všetko vráti späť na začiatok a začína sa ďalší cyklus.
Bez polarizácie, teda rozdelenia elektrónov, nie je možné získať tok elektrického prúdu. Tu treba poznamenať, že v ďalšej časti článku budeme vždy hovoriť o jednosmernom prúde, ktorý využívajú prakticky všetky elektronické súčiastky, a ktorý generujú všetky batérie, akumulátory, či sieťové adaptéry, používané napríklad na nabíjanie smartfónov. V jeho prípade preteká prúd elektrónov v smere z kladného pólu "+" smerom k tomu zápornému "-" a periodicky svoj smer ani hodnotu nemení. Je konštantný a na grafe sa zobrazuje ako priamka rovnobežná s časovou osou.
Typy polarizácie v materiáloch
Na úvod je tiež dobré pripomenúť, že niektoré materiály sú vynikajúcimi vodičmi a vyvolanie polarizácie náboja v nich nespôsobuje žiadne ťažkosti, zatiaľ čo iné sú izolantami (dielektrikami), v ktorých je dosiahnutie polarizácie veľmi ťažké, aj keď do istej miery nie úplne nemožné.
Elektrónová polarizácia
Prvá skupina zahŕňa napr. kovy (železo, zlato, striebro, meď), iónové vodiče (slaná voda) a mnohé plasty (PVC, polyamid, polyetylén, polyuretán). Aplikáciou elektrického poľa v prípade tých prvých menovaných (napríklad v prípade kusu kovu) vyvoláme elektrónovú polarizáciu, čo znamená, že oblaky záporne nabitých voľných elektrónov sa oddelia od kladne nabitých atómových jadier a hromadia sa v jednej oblasti - na stene vodiča, zahusťujúc tak pól záporného náboja. Atómové jadrá bez elektrónov predstavujú na druhej strane kladný pól.
Atómová polarizácia
V dielektrických materiáloch vyvolá aplikácia elektrického poľa oveľa slabšiu polarizáciu, ktorú nazývame atómovou, pretože je výsledkom jemného vzájomného presúvania sa celých atómov líšiacich sa elektrickým nábojom okolo seba, a nie voľne sa pohybujúcich voľných elektrónov. Sila polarizácie, teda usporiadaného rozdelenia elektrických nábojov, je v ich prípade tak malá, že sa jednoducho zanedbáva.
Špeciálne typy polarizácie
Okrem typických dielektrík existujú aj ich špeciálne varianty, ako napr. piezoelektriká alebo pyroelektriká, v ktorých sa polarizácia vyvoláva mechanickým namáhaním (tie prvé) alebo zmenami teploty (tie druhé).
Označovanie polarizovaných súčiastok a rizík
Polarizácia je preto mimoriadne bežným javom. Kľúčovým označením je v tomto prípade symbol jednosmerného prúdu DC. Užívateľ je o tomto informovaný prostredníctvom medzinárodných kódov AC alebo DC. Dobrým príkladom je nabíjačka telefónu, ktorú zapájame do napájacej siete AC 230V / 50Hz v našej zásuvke a ku ktorej naopak pripájame mobilný telefón, prijímajúci z jej výstupu jednosmerný prúd DC.
Stručne povedané: každé zariadenie alebo komponent pracujúci na základe jednosmerného prúdu by mal byť označený skratkou DC, prípadne jej grafickým ekvivalentom „...“.
Rozlíšenie polarít
Pokiaľ ide o vodiče pre jednosmerné prúdy, treba mať na pamäti, že v tomto prípade máme do činenia s kladným "+" a záporným "-" potenciálom, čo znamená, že vodič každého z týchto potenciálov sa musí dať určitým spôsobom odlíšiť od toho druhého. Podľa aktuálnych noriem platných od unifikácie v roku 2007 musia byť vodiče s kladným potenciálom červenej farby, zatiaľ čo vodiče so záporným potenciálom musia byť modrej alebo čiernej farby (v podstate ide o izoláciu týchto vodičov). Veľa výrobcov používa aj dodatočné označenia vo forme potlače so symbolmi "+" a "-" alebo "L+" a "L-".
Riziká a ich predchádzanie
Kľúčovou hrozbou v prípade napájania elektronických súčiastok jednosmerným prúdom je riziko opačného zapojenia potenciálov a následného poškodenia pracujúcich systémov. Výrobcovia preto používajú určité patenty, vďaka ktorým je možné rozpoznať polaritu a rozlíšiť kladný potenciál od záporného.
- Prvým a najzrejmejším spôsobom je označenie vodičov farbami alebo symbolmi.
- Druhým spôsobom je použitie symbolov "+" a "-", umiestnených na príslušných miestach.
- Tretím je zmena dĺžky vodičov alebo vývodov (v prípade komponentov, ako sú kondenzátory a LED diódy). Dlhší vývod označuje kladný pól (anódu), kratší vývod záporný pól (katódu).
Všetky takéto označenia sa však aj tak môžu ukázať ako nespoľahlivé: potlač sa môže opotrebovať, vývody sa môžu skrátiť alebo zlomiť a vodiče môžu byť medzitým nahradené inými s úplne inými farbami a úplne inej dĺžky atď. Z toho vyplýva potreba siahnuť po ochranných prvkoch poskytujúcich ochranu pred následkami nesprávnej polarizácie, napríklad takých, ktoré umožňujú tok prúdu len jedným smerom.
Inside Wireless: Polarizácia antény
Jedným z takýchto ochranných prvkov, ktorý sa dá použiť už pri návrhu zariadení, je obvod s polovodičovou diódou, ktorou pri správnej polarizácii prúd preteká a umožňuje tak napájanie prijímača, zatiaľ čo pri prepólovaní spôsobuje výrazný pokles napätia a umožňuje ochranu prijímača. Používajú sa aj obvody s diódami, ktoré nespôsobujú žiadny pokles napätia, ale pri opačnom zapojení napájacieho zdroja (napr. batérie) odoberajú celý prúd a vedú k prepáleniu poistky chrániacej prijímač.
Polarizácia v napájacích konektoroch a komponentoch
Cez napájací konektor prúdi do elektronického obvodu polarizovaný jednosmerný prúd DC. Aj keď stále častejšie takéto konektory plnia súčasne funkciu prenosu signálu, ich primárnou úlohou je umožniť tok elektrického náboja zo zdroja energie do pripojeného zariadenia alebo elektronického systému vyžadujúceho jednosmerný prúd. Napájací konektor preto nesmie byť ľubovoľnej konštrukcie, musí sa skladať z jasne označených prvkov pre kladný potenciál a samostatných prvkov pre záporný potenciál.
V dôsledku toho musia byť všetky napájacie konektory v elektronike polarizované, čoho vynikajúcim príkladom sú napájacie zástrčky (aj zásuvky) mnohých elektronických zariadení, napr. televíznych dekodérov, kamier, smartfónov a mnohých ďalších. Ich napájacie zástrčky sú takmer vždy vybavené "mínusom" v strede (v podobe vnútorného kolíka) a "plusom" na vonkajšej strane (vo forme vonkajšej príruby). Vo väčšine prípadov sa takáto udalosť skončí bez poškodenia, nakoľko sú napájacie vstupy bežne vybavené ochrannými prvkami blokujúcimi opačne pripojené jednosmerné napätie.
Komponenty elektronických systémov sú polarizovanými prvkami, čo je v podstate samozrejmé, keďže „pracujú” s polarizovaným jednosmerným prúdom. Najlepším príkladom sú LED diódy, ktoré musia byť k vodičom jednosmerného prúdu správne pripojené: každá z ich dvoch elektród (katóda a anóda) musí byť pripojená príslušne k „plusu“, respektíve k „mínusu“. Inak nie je ani v prípade polarizovaných kondenzátorov, ktoré sa na rozdiel od bipolárnych, pri ktorých nezáleží na tom, akým spôsobom sú zapojené, vyznačujú špecifickou polaritou, ktorú treba dodržiavať.
Najčastejšie ide o elektrolytické kondenzátory značnej kapacity, ktoré sú však v prípade ich chybného pripojenia k zdroju energie veľmi náchylné na poškodenie. Ich polarita je samozrejme príslušným spôsobom označená, napr. rôznymi dĺžkami vývodov.
Na záver ešte stoja za zmienku samotné elektrolyty a ich iónová vodivosť. Tieto látky sa nachádzajú napr. v kondenzátoroch a batériách. Základom javu iónovej vodivosti elektrolytov je presun iónov, ku ktorému dochádza vplyvom elektrolýzy vyvolanej tokom elektrického prúdu.
tags: #polarizacia #izolantu #krupica