ΦΥΣΙΚΗ ΓΙΑ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ ΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ

Transcript

1 ΦΥΣΙΚΗ ΓΙΑ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ ΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ

2

3

4

5 Μοντέλο ατόμου m p m n =1,7x10-27 Kg m e =9,1x10-31 Kg Πυρήνας: πρωτόνια (p + ) και νετρόνια (n) Γύρω από τον πυρήνα νέφος ηλεκτρονίων (e - ) Άτομο ουδέτερο

6 Γυάλινη ράβδος μετάξι Η θεμελιώδης οντότητα στην ηλεκτροστατική είναι το ηλεκτρικό φορτίο Υπάρχουν δύο κατηγορίες: θετικό και αρνητικό. Τα ομώνυμα φορτία απωθούνται τα ετερώνυμα έλκονται.

7 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.

8 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 χαλκός είναι καλός αγωγός του ηλεκτρισμού το γυαλί και το νάιλον είναι μονωτές. To σύρμα μεταφέρει φορτίο μεταξύ μεταλλικής σφαίρας και φορτισμένης πλαστικής ράβδου, φορτίζοντας τη σφαίρα αρνητικά.

9 Αγώγιμη σφαίρα Πλαστική ράβδος Ηαρνητικάφορτισμένη 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

10 Φόρτιση με επαγωγή

11 Φόρτιση με επαγωγή

12 Ο νόμος του Coulomb είναι ο βασικός νόμος αλληλεπίδρασης σημειακών ηλεκτρικών φορτίων. Το μέτρο της δύναμης μεταξύ των φορτίων q 1 και q 2 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

13 F = k q q r Η δύναμη πάνω σε καθένα φορτίο είναι συγγραμμική με την ευθεία που ενώνει τα φορτία, απωστική αν τα q 1 και q 2 έχουν το ίδιο πρόσημο, ελκτική αν αυτά έχουν αντίθετα πρόσημα. Οι δύο δυνάμεις αποτελούν δράση - αντίδραση και υπακούουν στον τρίτο νόμο του Νεύτωνα.

14 F = k q q Η τιμή της σταθεράς αναλογίας k στον νόμο του Coulomb εξαρτάται από το σύστημα μονάδων που χρησιμοποιούμε. Οι ηλεκτρικές μονάδες του συστήματος SI περιλαμβάνουν πολλές γνωστές μονάδες, όπως είναι το volt (V), το ampere (Α), το ohm (Ω) και το watt (W). ΗμονάδαSI του ηλεκτρικού φορτίου είναι το coulomb (C): 1C=1A s. r

15 F = k q q Σε μονάδες SI ησταθεράk γράφεται σαν 1/4πε 0, όπου ε 0 είναι μια άλλη σταθερά (επιτρεπτότητα του κενού) 1 F = 4 πε 0 r q q r k = 8, N 2 2 m /C ε 0 = , C /N m 2

16 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. Παράδειγμα: F είναι η δύναμη στο Q που οφείλεται στο πάνω φορτίο q.

17 Για να ανακαλύψουμε πειραματικά αν υπάρχει ηλεκτρικό πεδίο σε κάποιο σημείο, τοποθετούμε φορτισμένο σώμα, που αποκαλούμε δοκιμαστικό φορτίο, σε εκείνο το σημείο. Αν το δοκιμαστικό φορτίο υποστεί ηλεκτρική δύναμη, υπάρχει ηλεκτρικό πεδίο στο σημείο εκείνο.

18 Γιαναορίσουμετοηλεκτρικόπεδίο 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' [E]=N/C F E

19 Αν θέσουμε ένα μικρό δοκιμαστικό φορτίο q στο σημείο P τουπεδίουσεαπόστασηr από το σημείο της πηγής, η δύναμη ' F δίνεται από τον νόμο του Coulomb: E = ' F q' 1 F = 4 πε 0 E = qq ' 2 r F' q' = 1 4πε 0 q 2 r

20 Η αρχή της επαλληλίας ορίζει ότι το ηλεκτρικό πεδίο οποιουδήποτε συνδυασμού φορτίων είναι το διανυσματικό άθροισμα των πεδίων των επιμέρους φορτίων. q1=+12 nc q2=-12 nc

21 Για να υπολογίσουμε το πεδίο συνεχούς κατανομής φορτίων, διαμερίζουμε την κατανομή σε μικρά στοιχεία, υπολογίζουμε το πεδίο καθενός στοιχείου και βρίσκουμε το διανυσματικό άθροισμα, ή το άθροισμα για καθεμιά συνιστώσα ξεχωριστά, συνήθως ολοκληρώνοντας.

22

23 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 τουηλεκτρικούπεδίου εφάπτεται οτη δυναμική γραμμή που περνάει από εκείνο το σημείο.

24 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. Ηλεκτρικές δυναμικές γραμμές για ορισμένες κατανομές φορτίων.

25 Παράδειγμα: Τροχιά ηλεκτρονίου. Αν ένα ηλεκτρόνιο εισχωρήσει στο ηλεκτρικό πεδίο του σχήματος, εξίσωση της τροχιάς που ακολουθεί θα είναι: y = ee mv 2 0 x 2

26 ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΡΟΗ (ΡΟΗ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ) Ο ορισμός της ηλεκτρικής ροής περιλαμβάνει: - μία επιφάνεια εμβαδού Α (δεν χρειάζεται να ανήκει σε ένα πραγματικό σώμα στην πραγματικότητα είναι συνήθως μία φανταστική επιφάνεια στον χώρο) - ένα ηλεκτρικό πεδίο σε διάφορα σημεία της επιφάνειας. Έστω μία μικρή, επίπεδη επιφάνεια εμβαδού Α είναι κάθετη σε ομογενές ηλεκτρικό πεδίο E. Ορίζουμε, ότι η ηλεκτρική ροή Φ Ε δια μέσου της επιφάνειας Α είναι ίση με το γινόμενο της έντασης του πεδίου Ε επί το εμβαδόν Α της επιφάνειας: Φ Ε =Ε Α

27 ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΡΟΗ (ΡΟΗ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ) Γενικεύουμε τον ορισμό της ηλεκτρικής ροής για ένα ομογενές ηλεκτρικό πεδίο E και μεγάλη επιφάνεια A με την σχέση: Φ E =EAcosφ Φ Ε = Ε Α

28 ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΡΟΗ (ΡΟΗ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ) -Όταν το ηλεκτρικό πεδίο Ε δεν είναι ομογενές αλλά μεταβάλλεται από σημείο σε σημείο πάνω στην επιφάνεια Α -Όταν η Α είναι τμήμα καμπύλης επιφάνειας Φ Ε = Εcosφ da = Ε dα

29

30 ΤΕΛΟΣ