Elektricitet i magnetizam. 1. Elektricitet

Transcript

1 1. Elektricitet

2 Podsjetnik Dodatna literatura:, E.M.Purcel. Udžbenik fizike Sveučilišta u Berkeleyu. Najelementarnije: Fizika 2. V. Paar i V. Šips. Školska knjiga. 2

3 Povijest elektriciteta Tales iz Mileta uočio da jantar nakon trljanja suknom privlači komadide slame. Elektron -> grčka riječ za jantar Tales je 545. godine prije Krista uspješno predvidio pomrčinu Sunca 3

4 Očuvanje električnog naboja Ukupni električni naboj izdvojenog sustava ne mijenja se u vremenu. Izdvojen znači da nema izmjene tvari kroz granicu sustava Unutar izdvojenog sustava mogudi su procesi u kojima se stvaraju ili poništavaju električno nabijene čestice. Međutim, u svim tim procesima stvaranje određenog broja pozitivnih naboja pradeno je stvaranjem istog broja negativnih naboja. Promjena električnog naboja je nula! Kako znamo? Još nije opažen drugačiji događaj! Vrlo točna mjerenja pokazuju da su apsolutne vrijednosti električnih naboja pozitrona i elektrona jednake! 4

5 Kvantizacija električnog naboja Električni naboj se nalazi samo kao višekratnik jedne količine naboja. Tu količinu, jednaku apsolutnoj vrijednosti električnog naboja elektrona, nazivamo kvant elektriciteta (e) Električni naboj elektrona -e= C. Električni naboj protona e= C. Iznos pozitivno nabijenog naboja PROTONA točno je jednak apsolutnoj vrijednosti negativnog naboja ELEKTRONA. Ove dvije čestice jako se razlikuju u drugim svojstvima. 5

6 Kvantizacija električnog naboja Pojam kvantizacije! Što to znači? Primjeri kvantiziranih pojava i onih koje to nisu! Brzina vjetra i automobila? Masa i visina čovjeka? Skala u kojoj se promatraju pojave 6

7 Coulombov zakon Dva se MIRNA električna naboja odbijaju ili privlače silom koja je razmjerna umnošku njihovih naboja, a obrnuto je razmjerna kvadratu udaljenosti između njih. Konstanta proporcionalnosti. Ovisi o sustavu jedinica u kojima se izražavju naboji. U SI sustavu ona iznosi k= Nm 2 /C 2 k F e k permitivnost q q 1 Jedinični vektor usmjeren od naboja 1 k naboju 2 vakuuma 2 rˆ r

8 Coulombov zakon Columbov zakon vrijedi u golemom rasponu udaljenosti između tijela, od atomskih do svemirskih dimenzija (veličina) Columbov zakon izražava da se istoimeni naboji odbijaju, a raznoimeni privlače. (predznak sile, obratiti pažnju kako je usmjeren jedinični vektor, kako se to može izvesti ) Za Columbovu silu vrijedi III Newtonov zakon, tj. F 2 =-F 1 F e k q q 1 2 rˆ r

9 Coulombov zakon F e k q q 1 2 rˆ r Sila kojom dva električna naboja međusobno djeluju ne mijenja se zbog prisutnosti tredeg naboja. Ovo je važan eksperimentalan rezultat koji se ne može izvesti na osnovu logičkog zaključivanja i simetrije Bez obzira koliko naboja ima u promatranom sustavu Columbov zakon vrijedi za svaki par 9

10 Inducirani naboj Koja svojstva elektriciteta su potrebna da se opiše pojava na slici? Zakon očuvanja naboja? Privlačenje različitih naboja?.. 10

11 11

12 Energija električnog naboja Električna sila je konzervativna. Rad je neovisan o putu kojim se naboj q 2 iz beskonačnosti (iz područja gdje se ne osjeda djelovanje naboja q 1 ) dovodi na udaljenost r 12. Promatramo rad koji moraju izvršiti vanjske sile (F v ) da bi se neki broj električno nabijenih tijela doveo u određeni razmještaj. W F v ds F ds rr r 12 ˆ k q q 1 Skalarni produkt -> dr (nema više vektora) 2 r dr 21 2 r21 kq1q r

13 Energija električnog naboja Rad potreban za postavljanje naboja u određeni razmještaj neovisan je o redoslijedu kojim se oni postavljaju. Također rad je neovisan i o putu kojim se dovode u određeni razmještaj. Rad utrošen na razmještaj naboja je jednoznačno svojstvo konačnog razmještaja naboja. Stoga ga možemo nazivati: ELEKTRIČNOM POTENCIONALNOM ENERGIJOM 13

14 Polje u fizici Pojam polja u fizici (i opdenito) Skalarno polje, vektorsko polje Polje temperature i vjetra u ovoj učionici. 14

15 Električno polje Zamislimo da imamo neko elektricitetom nabijeno tijelo. Ne interesiraju nas sile koje djeluju unutar samog tijela ved nas zanima sila koja bi djelovala na neki novi testni naboj koji bi se pokušao približiti nabijenom tijelu. Ta sila bit de proporcionalna električnom polju u nekoj točci. Električno polje pridružuje svakoj točci prostora lokalno svojstvo. Ako poznamo to polje modi demo odrediti što de se dogoditi s nabojem u toj točci prostora. 15

16 Električno polje 16

17 Električno polje Koji je smjer električnog polja homogeno nabijenog prstena? 17

18 Električno polje Na što vas podsjeda gibanje prikazano na donjoj slici? (Gibanje nabijene čestice u homogenom električnom polju. ) Horizontalni hitac? Kako je radila televizija nekad 18

19 Tok električnog polja i Gaussov zakon Što je tôk rijeke? To je obujam tekudine koji prođe kroz neku površinu u jedinici vremena. GAUSSOV zakon: Tok električnog polja E kroz bilo koju zatvorenu plohu (tj. integral po toj plohi) jednak je ukupnom električnom naboju obuhvaden tom plohom podijeljenom s ε 0. S E da Gaussov zakon proizlazi iz recipročno-kvadratne ovisnosti o udaljenosti sile te iz aditivnosti (pridodavanja) nabojnih djelovanja. 1 0 ( i q i ) 19

20 Razlika potencijala i potencijal Razlika električnog potencijala (U) je rad utrošen na prenošenje nekog električnog naboja između dvije točke u električnom polju. Treba razlikovati razliku električnog potencijala (razlika potencijala) i potencijalne energije sustava. Potencijalna energija sustava je rad potreban da se naboji iz beskonačnosti dovedu u promatrani sustav. Razlika potencijala je rad koji bi se izvršio da se probni naboj iz beskonačnosti dovede u neku točku. 20

21 Učinak šiljka Ekvipotencijale su izuzetno guste oko šiljka. Javlja se izuzetno jako električno polje. Dolazi do izbijanja elektrona sa šiljka. Električni uređaji su uglavnom obli. Ugasiti de se plamen! 21

22 Kapacitori (Kondezatori) i kapacitet Riječ kapacitor bolje opisuje pojavu od kondezatora. Kapacitor je uređaj koji može pohraniti naboj, a ne ga kondezirati. Kapacitor je uređaj koji se sastoji od dvaju bliskih i međusobno izoliranih vodida. Za određen par vodiča i njihov položaj omjer naboja (Q) i razlike potencijala (U 1 -U 2 ) je stalan. Tu veličinu nazivamo kapacitetom kapacitora (kondezatora) i označavamo sa C: C=Q/(U 1 -U 2 ) Jedinica za kapacitet kapacitora je farad [1F=1C/1V] 22

23 Kapacitori (Kondezatori) i kapacitet 23

24 Električne struje Električne struje su posljedica gibanja nositelja naboja (električno nabijenih elementarnih ili složenih čestica) Električna struja mjera je količine naboja koja prolazi presjekom žice u jedinici vremena. Vodičem teče struja od 1 A (Ampera) ako se kroz presjek vodiča prenosi naboj od 1 C (Kulona) u jednoj sekundi (1s) Npr., struja od 1A odgovara prolasku elektrona u sekundi kroz presjek vodiča. Na kojoj slici teče največa, a na kojoj najmanja struja! 24

25 Ohmov zakon i spajanje otpornika Jakost struje (I) koja teče kroz vodič razmjerna je naponu tj. razlici potencijala (U=U 1 -U 2 ) između krajeva vodiča: I~U OHMOV zakon: R=U/I Otpornost pojedinih materijala Boje na otpornicima: 25

26 Ohmov zakon i spajanje otpornika Stare i nove utičnice 26

27 Rad i snaga u strujnom krugu Prilikom prolaska električne energije kroz otpornik nastaje pretvorba energije: električna se energija smanji za iznos UIt. Ta se energija pretvori u unutarnju energiju kovine od koje je napravljen otpornik. W= UIt Jedinica: J= V A s Električna snaga: P=W/t Jedinica: W= V A Što je onda cijena jednog kilovatsata (HEP)? 27