ΚΑΛΩΣ ΗΛΘΑΤΕ ΣΤΟ ΜΑΘΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ

Transcript

1 ΚΑΛΩΣ ΗΛΘΑΤΕ ΣΤΟ ΜΑΘΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ

2 ΦΥΣΙΚΗ ΓΙΑ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ ΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ

3 ΦΥΣΙΚΗ ΓΙΑ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ ΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ

4 ΦΥΣΙΚΗ ΓΙΑ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ Βιβλιογραφία: H.D. Young Φυσική, Τόµος Β', (Εκδ. Παπαζήση) Randall Knight : Φυσική για επιστήμονες και μηχανικούς. Τόµος ΙΙ

5 ΦΥΣΙΚΗ ΓΙΑ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ Στο e-class θα βρίσκετε κάθε εβδομάδα τις: Διαφάνειες των διαλέξεων του μαθήματος Άλυτες ασκήσεις για εξάσκηση στο σπίτι Διευθύνσεις στο internet για ενδιαφέροντα θέματα που σχετίζονται με το μάθημα.

6 1η ΕΒΔΟΜΑΔΑ 1. Ηλεκτρικό φορτίο (electric charge). Αγωγοί Μονωτές (conductors - insulators) 3. Ηλεκτροστατική δύναμη Νόμος Coulomb 4. Ηλεκτρικό πεδίο 5. Ηλεκτρικές δυναμικές γραμμές

7 Ηλεκτρισμός παντού γύρω μας: ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΣΥΣΚΕΥΕΣ

8 Πλακέτα ηλεκτρονικού υπολογιστή

9 Ηλεκτρισμός παντού γύρω μας

10 Τίποτε δε θα κινούνταν χωρίς ηλεκτρισμό

11 Ηλεκτρισμός παντού γύρω μας: ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΚΥΜΑΤΑ

12 Ηλεκτρισμός παντού γύρω μας: ΦΥΣΙΚΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ

13 Ηλεκτρισμός παντού μέσα μας: Βλέπω ακούω αισθάνομαι σκέφτομαι

14 Europe light pollution

15 Ήλεκτρο (κεχριμπάρι) Θαλής : 600 π.χ.

16 ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ Γυάλινη ράβδος μετάξι ηλεκτρικό φορτίο Υπάρχουν δύο κατηγορίες: θετικό και αρνητικό. Τα ομώνυμα φορτία απωθούνται Tα ετερώνυμα έλκονται.

17 ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ Benjamin Franklin October 18, 1785 November 5, 1788 ηλεκτρικό φορτίο Υπάρχουν δύο κατηγορίες: θετικό και αρνητικό.

18 ΑΓΩΓΟΙ ΜΟΝΩΤΕΣ Οι αγωγοί είναι υλικά που επιτρέπουν την κίνηση ηλεκτρικού φορτίου στο εσωτερικό τους. Τα περισσότερα μέταλλα είναι καλοί αγωγοί του ηλεκτρισμού τα περισσότερα αμέταλλα είναι μονωτές. Ο σίδηρος είναι καλός αγωγός του ηλεκτρισμού το ξύλο είναι μονωτής. Μέσω του καρφιού μεταφέρεται φορτίο μεταξύ μεταλλικών σφαιρών. Αν αντίθετα χρησιμοποιήσω ξύλο (wood) η δεξιά σφαίρα παραμένει αφόρτιστη (neutral).

19 Μοντέλο ατόμου Θεμελιώδης οντότητα είναι το ηλεκτρικό φορτίο Υπάρχουν δύο κατηγορίες: θετικό και αρνητικό. m p m n =1,7x10-7 Kg m e =9,1x10-31 Kg Πυρήνας: πρωτόνια (p + ) και νετρόνια (n) Γύρω από τον πυρήνα νέφος ηλεκτρονίων (e - ) Άτομο ουδέτερο

20 Άτομο ηλίου Μοντέλο ατόμου m p m n =1,7x10-7 Kg m e =9,1x10-31 Kg Πυρήνας: πρωτόνια (p + ) και νετρόνια (n) Γύρω από τον πυρήνα νέφος ηλεκτρονίων (e - ) Άτομο ουδέτερο

21 ΤΡΟΠΟΙ ΦΟΡΤΙΣΗΣ ΣΩΜΑΤΩΝ Φόρτιση με τριβή Αρχή διατήρησης του φορτίου Το φορτίο διατηρείται το ολικό φορτίο απομονωμένου συστήματος είναι σταθερό. Το φορτίο μπορεί να μεταφέρεται από ένα σώμα σε άλλο αλλά δεν μπορεί να δημιουργείται ή να καταστρέφεται.

22 Τα ηλεκτρόνια είναι χαλαρά προσδεδεμένα Τα ηλεκτρόνια είναι σφικτά προσδεδεμένα

23 ΤΡΟΠΟΙ ΦΟΡΤΙΣΗΣ ΣΩΜΑΤΩΝ Αγώγιμη σφαίρα Πλαστική ράβδος Η αρνητικά φορτισμένη ράβδος απωθεί τα ηλεκτρόνια της σφαίρας Μετά την επαφή ράβδου σφαίρας, ηλεκτρόνια από τη ράβδο εισέρχονται στη σφαίρα Φόρτιση με επαφή Με την απομάκρυνση της ράβδου το αρνητικό φορτίο της σφαίρας κατανέμεται ομοιόμορφα στην επιφάνειά της

24 ΤΡΟΠΟΙ ΦΟΡΤΙΣΗΣ ΣΩΜΑΤΩΝ Φόρτιση με επαγωγή

25 Charles Augustine Coulomb

26 ΔΥΝΑΜΗ COULOMB Ο νόμος του Coulomb είναι ο βασικός νόμος αλληλεπίδρασης σημειακών ηλεκτρικών φορτίων. Το μέτρο της δύναμης μεταξύ των φορτίων q 1 και q σε απόσταση r είναι: F = k όπου k είναι σταθερά αναλογίας της οποίας η αριθμητική τιμή εξαρτάται από το σύστημα μονάδων, που χρησιμοποιείται. q q r 1

27 ΔΥΝΑΜΗ COULOMB F = k q q 1 r Η δύναμη πάνω σε καθένα φορτίο είναι συγγραμμική με την ευθεία που ενώνει τα φορτία, απωστική αν τα q 1 και q έχουν το ίδιο πρόσημο, ελκτική αν αυτά έχουν αντίθετα πρόσημα. Οι δύο δυνάμεις αποτελούν δράση - αντίδραση και υπακούουν στον τρίτο νόμο του Νεύτωνα.

28 ΔΥΝΑΜΗ COULOMB F = k q q 1 Σε μονάδες SI η σταθερά k γράφεται σαν 1/4πε 0, όπου ε 0 είναι μια άλλη σταθερά (επιτρεπτότητα του κενού) 1 F = 4 πε0 r q q 1 r k = 8, N m /C ε 0 = -1 8, C /N m

29 ΔΥΝΑΜΗ COULOMB Ηλεκτρική δύναμη σε ηλεκτρόνιο από πρωτόνιο. Ποια η ηλεκτρική δύναμη που ασκείται από τον πυρήνα ατόμου υδρογόνου στο ηλεκτρόνιο. Θεωρείστε τη μέση απόστασή τους 0,53x10-10 m Ποια δύναμη είναι μεγαλύτερη; Αυτή που ασκεί το πρωτόνιο στο ηλεκτρόνιο ή το ανάποδο; F = k Q Q 1 ηλ r = Nm / C 1,6 10 (0, C m) 1, C F ηλ = 8, 10 8 N

30 ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΠΕΔΙΟ Η αρχή της επαλληλίας καθορίζει πως όταν δύο ή περισσότερα φορτία εξασκούν δύναμη σε κάποιο άλλο φορτίο, η ολική δύναμη σε αυτό το άλλο φορτίο είναι το διανυσματικό άθροισμα των δυνάμεων που του εξασκεί καθένα φορτίο ξεχωριστά.

31 ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΠΕΔΙΟ Στην εικόνα φαίνονται πρωτόνια και ένα ηλεκτρόνιο πάνω σε άξονα. Σχεδιάστε τη δύναμη στο κεντρικό πρωτόνιο εξαιτίας του ηλεκτρονίου Σχεδιάστε τη δύναμη στο κεντρικό πρωτόνιο εξαιτίας του άλλου πρωτονίου F = k e e r F pe F pp Δύναμη στο κεντρικό p από e Δύναμη στο κεντρικό p από το άλλο p F total Συνολική δύναμη στο κεντρικό p

32 ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΠΕΔΙΟ Στην εικόνα φαίνονται 4 σωματίδια πάνω σε άξονα x σε αποστάσεις d=cm μεταξύ τους. Τα φορτία τους είναι q 1 =+e, q =-e, q 3 =+e και q 4 =+4e όπου e=1,6x10-19 C. Ποια η συνολική ηλεκτροστατική δύναμη στο σωμάτιο 1 και στο σωμάτιο εξαιτίας των άλλων σωματίων; F F F 1 F 1 = F F F F = = = F k k 13 F e e d e d k Nm C e e (d) 4 9 k F 1 19 ( 1,6 10 C) ( 10 e 4e (3d) = ) k e d F 1 = 3, N

33 ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΠΕΔΙΟ Στην εικόνα φαίνονται 4 σωματίδια πάνω σε άξονα x σε αποστάσεις d=cm μεταξύ τους. Τα φορτία τους είναι q 1 =+e, q =-e, q 3 =+e και q 4 =+4e όπου e=1,6x10-19 C. Ποια η συνολική ηλεκτροστατική δύναμη στο σωμάτιο 1 και στο σωμάτιο εξαιτίας των άλλων σωματίων; F 4 F 1 F 3 F F F = F 1 + = k e = k d F 3 + F 4 e e + k d e e d e 4e + k (d) ( ) F = 0

34 Εφαρμογές ηλεκτροστατικής Ηλεκτροστατικός διαχωρισμός Ηλεκτροστατικός καθαρισμός (φίλτρα) Ηλεκτροστατική επίστρωση (βαφή) Παραγωγή φωτοτυπιών Λειτουργία εκτυπωτών Ηλεκτρονικό μελάνι (electronic ink)

35 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΦΩΤΟΤΥΠΙΚΟΥ ΜΗΧΑΝΗΜΑΤΟΣ

36 Ηλεκτροστατική επίστρωση (βαφή)

37 Ηλεκτρονικό μελάνι (Ε Ink): Αρχή λειτουργίας διαφανής επιφάνεια όπου κοιτά ο αναγνώστης Αδιαφανής βάση Σκούρο υγρό μικροκάπσουλες Χάντρες αρνητικά φορτισμένες Pixel βάσης Κάθε pixel στη βάση φορτίζεται είτε θετικά οπότε έλκει τις χάντρες και ο αναγνώστης βλέπει το σκούρο υγρό είτε φορτίζεται αρνητικά οπότε οι χάντρες απωθούνται και ο αναγνώστης βλέπει λευκό.

38 Ηλεκτρονικό μελάνι (Ε Ink) Το ηλεκτρονικό χαρτί δεν καταναλώνει πολύ ενέργεια (όσο δεν άλλάζουμε σελίδα η οθόνη δε χρειάζεται να ανανεωθεί όπως στις LCD οθόνες). Επίσης δε χρειάζεται οπίσθιος φωτισμός (που καταναλώνει ένα 30-40% της ενέργειας στις LCD οθόνες) με εμφανή πλεονεκτήματα στη διάρκεια χρήσης της μπαταρίας αλλά επίσης στη φωτεινότητά του υπό συνθήκες έντονου ηλιακού φωτός.

39 ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ LASER PRINTER

40 ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΠΕΔΙΟ Ό χώρος γύρω από φορτισμένο σώμα αποκτά μια ιδιότητα: Ασκεί δύναμη σε οποιοδήποτε άλλο φορτισμένο σώμα βρεθεί σε αυτόν. Λέμε ότι στο χώρο γύρω από φορτισμένο σώμα υπάρχει ηλεκτρικό πεδίο.

41 ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΠΕΔΙΟ Για να ορίσουμε το ηλεκτρικό πεδίο σε οποιοδήποτε σημείο, τοποθετούμε σε εκείνο το σημείο ένα δοκιμαστικό φορτίο q' και μετράμε την ηλεκτρική δύναμη ' F που δέχεται. Ορίζουμε το E σε εκείνο το σημείο ίσο με ' δια q': E = ' F q' Μονάδα Ηλεκτρικού πεδίου: [E]=N/C F E

42 ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΠΕΔΙΟ Μερικά ηλεκτρικά πεδία Εσωτερικό ατόμου υδρογόνου σε απόσταση 0,5Α ο από τον πυρήνα Σε ηλεκτρική κατάρρευση στον ξηρό αέρα Κοντά στο φορτισμένο τύμπανο φωτοτυπικού Κοντά σε φορτισμένη χτένα 5x10 11 N/C 3x10 6 N/C 10 5 N/C 10 3 N/C

43 ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΠΕΔΙΟ Ηλεκτρική κατάρρευση αέρα Κατάσταση κατά την οποία ο αέρας αν και μονωτής γίνεται αγώγιμος δηλαδή υπάρχει η δυνατότητα κίνησης φορτίων μέσα σ αυτόν.

44 ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΠΕΔΙΟ Ηλεκτρική κατάρρευση αέρα

45 ΟΠΤΙΚΟΠΟΙΗΣΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ

46 Πως σχεδιάζουμε το ηλεκτρικό πεδίο Ηλεκτρικό πεδίο γύρω από σημειακό θετικό φορτίο Οπτικοποίηση ηλεκτρικού διανυσματικού πεδίου Ηλεκτρικό πεδίο γύρω από σημειακό αρνητικό φορτίο

47 Οπτικοποίηση ηλεκτρικού πεδίου Μια δυναμική γραμμή ηλεκτρικού πεδίου είναι μια φανταστική γραμμή που σχεδιάζουμε σε μια περιοχή του χώρου έτσι ώστε σε κάθε σημείο να εφάπτεται στο διάνυσμα του ηλεκτρικού πεδίου σε εκείνο το σημείο. Σε κάθε σημείο, η κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου εφάπτεται οτη δυναμική γραμμή που περνάει από εκείνο το σημείο.

48 Ηλεκτρικές δυναμικές γραμμές Οι δυναμικές γραμμές παρέχουν γραφικές αναπαραστάσεις των πεδίων. Ο αριθμός δυναμικών γραμμών ανά μονάδα επιφάνειας (κάθετα στη διεύθυνσή τους) είναι ανάλογος του μέτρου του Ε στη συγκεκριμένη περιοχή.

49 Ηλεκτρικές δυναμικές γραμμές Οι δυναμικές γραμμές παρέχουν γραφικές αναπαραστάσεις των πεδίων.

50 Ηλεκτρικές δυναμικές γραμμές Προσδιορίστε το πρόσημο των φορτίων q a, q b και q c

51 Ηλεκτρικές δυναμικές γραμμές Ένα μονωτικό φύλλο απείρων διαστάσεων θετικά φορτισμένο.

52 Ηλεκτρικές δυναμικές γραμμές Οι δυναμικές γραμμές απέχουν ίσες αποστάσεις μεταξύ τους. Το ηλεκτρικό πεδίο ανάμεσα σε δύο φορτισμένα φύλλα με αντίθετα φορτία και με μεγάλες διαστάσεις σε σχέση με τη μεταξύ τους απόσταση είναι ομογενές. Ομογενές σημαίνει ότι το μέτρο η διεύθυνση και η φορά του ηλεκτρικού πεδίου είναι η ίδια σε όλα τα σημεία ανάμεσα στις δύο πλάκες.

53 Ηλεκτρικό πεδίο γύρω από σημειακό φορτίο Αν θέσουμε ένα μικρό δοκιμαστικό φορτίο q στο σημείο P του πεδίου σε απόσταση r από το φορτίο Q που το δημιουργεί, η δύναμη F δίνεται από τον νόμο του Coulomb: ' E = 1 Qq F = 4 πε 0 r F q' r Q P Άρα το ηλεκτρικό πεδίο σε απόσταση r από σημειακό φορτίο Q είναι: E = F q' = 1 Q 4πε ο r

54 Ηλεκτρικό πεδίο γύρω από σημειακό φορτίο Ηλεκτρικό πεδίο στο εσωτερικό ατόμου υδρογόνου σε απόσταση από τον πυρήνα όση η μέση απόσταση που περιφέρεται το ηλεκτρόνιο (0,53x10-10 m) p A r q 9 10 Nm / C (0, e EA = k = r 1, m) 19 C E A = 5, N / C

55 Ηλεκτρικό πεδίο γύρω από σημειακό φορτίο Δύο σημειακά φορτία -5μC και 50μC απέχουν μεταξύ τους 10cm. Ποιο το ηλεκτρικό πεδίο σε σημείο P της ευθείας που τα ενώνει και απέχει cm από το αρνητικό φορτίο;

56 ΦΟΡΤΙΣΗ ΣΩΜΑΤΩΝ Τρίβοντας με το μεταξένιο ύφασμα τη γυάλινη ράβδο, εκατομμύρια e μεταφέρονται στο μετάξι. α) Ποιο το φορτίο των σωμάτων; (πρόσημο και τιμή). β) άλλαξε η μάζα των σωμάτων; α) μετάξι : αρνητικό, ράβδος : θετική, Τιμή φορτίου ίδια q: q = 10 q 6 e = 3, q = 10 Cb 6 1,6 10 β) Μάζα γυάλινης ράβδου ελαττώθηκε Μάζα μεταξένιου υφάσματος αυξήθηκε 19 Cb

57 ΦΟΡΤΙΣΗ ΣΩΜΑΤΩΝ Φέρνουμε φορτισμένη ράβδο κοντά σε όμοιες μεταλλικές σφαίρες που βρίσκονται σε επαφή. Τις απομακρύνουμε με τη βοήθεια μονωτικού και έπειτα απομακρύνουμε και τη ράβδο. Τι από τα παρακάτω ισχύει: α) m Α =m B, β) m Α >m B, αν η ράβδος είναι θετικά φορτισμένη γ) m Α <m B, αν η ράβδος είναι θετικά φορτισμένη δ) m Α >m B, αν η ράβδος είναι αρνητικά φορτισμένη ε) m Α <m B, αν η ράβδος είναι αρνητικά φορτισμένη Σωστά τα β και ε