Φυσική για Μηχανικούς

Transcript

1 Φυσική για Μηχανικούς Ηλεκτρικό Δυναμικό Εικόνα: Οι διαδικασίες που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας προκαλούν μεγάλες διαφορές ηλεκτρικού δυναμικού ανάμεσα στα σύννεφα και στο έδαφος. Το αποτέλεσμα αυτής της διαφοράς είναι μια ηλεκτρική εκφόρτιση που τη λέμε «κεραυνό», όπως στην εικόνα.

2 Φυσική για Μηχανικούς Ηλεκτρικό Δυναμικό Εικόνα: Οι διαδικασίες που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας προκαλούν μεγάλες διαφορές ηλεκτρικού δυναμικού ανάμεσα στα σύννεφα και στο έδαφος. Το αποτέλεσμα αυτής της διαφοράς είναι μια ηλεκτρική εκφόρτιση που τη λέμε «κεραυνό», όπως στην εικόνα.

3 Ηλεκτρικά Πεδία Επανάληψη. Διαφορά δυναμικής ενέργειας συστήματος φορτίων: για πεπερασμένη μετατόπιση από το σημείο (Α) στο (Β) Ηλεκτρικό δυναμικό : ΔU = q E d s V = U q Διαφορά δυναμικού : ΔV = ΔU q = E d s

4 Ηλεκτρικό Δυναμικό Ας θεωρήσουμε τώρα την περίπτωση όπου κάποια εξωτερική δύναμη μετακινεί το φορτίο στο πεδίο Από ένα σημείο (Α) σε ένα (Β) Χωρίς να αλλάζει την κινητική του ενέργεια Αλλάζει όμως η δυναμική ενέργεια! Το έργο αυτής της δύναμης θα είναι: W = qδv Το ηλεκτρικό δυναμικό μετρά δυναμική ενέργεια ανά μονάδα φορτίου: J/C = Volt (V)

5 Διαφορά Δυναμικού Ας απλοποιήσουμε τα πράγματα Έστω ένα ομογενές ηλεκτρικό πεδίο Ας υπολογίσουμε τη ΔV ανάμεσα στα σημεία (Α), (Β), απόστασης d H μετατόπιση s από το (Α) στο (Β) είναι παράλληλη στις δυναμικές γραμμές V V = ΔV = Άρα E d s = ΔV = Ed Eds cos 0 = E ds = Ed

6 Διαφορά Δυναμικού Ας θεωρήσουμε τώρα ένα φορτίο q που κινείται από το (Α) στο (Β) Τότε ΔU = qδv = qed Αν q > 0, τότε ΔU < 0 Αυτό σημαίνει ότι η δυναμική ενέργεια του συστήματος φθίνει όταν το φορτίο κατευθύνεται προς την κατεύθυνση των δυναμικών γραμμών Άρα, αν αφήσουμε στη θέση (Α) ένα φορτίο q > 0, αυτό θα κινηθεί προς τα «κάτω» λόγω ηλεκτρ. δύναμης Άρα επιταχύνεται αποκτά κινητική ενέργεια Όσο προχωρά προς τα κάτω, η δυναμική ενέργεια του συστήματος φορτίο-πεδίο μειώνεται! Σας εκπλήσσει αυτό; Γιατί συμβαίνει;

7 Διαφορά Δυναμικού Ας γενικεύσουμε τώρα Έστω ότι η μετατόπιση s από το (Α) στο (Β) ΔΕΝ είναι παράλληλη στις δυναμικές γραμμές Τότε ΔV 1 = Άρα Όμως E d s = E ΔV 2 = C d s = E s = Es cos θ = Ed ΔU = qe s = qed E d s = E C d s = E s = Ed Συμπέρασμα: όλα τα σημεία που βρίσκονται σε επίπεδο κάθετο στο πεδίο έχουν ίδιο δυναμικό

8 Διαφορά Δυναμικού (μικρό) Παράδειγμα: Ποιο το μέτρο του ηλεκτρικού πεδίου ανάμεσα στις πλάκες Α, Β, που απέχουν d=0.3 cm; Απάντηση: ΔV = Ed Ε = V V d = V m

9 Παράδειγμα: Ένα πρωτόνιο αφήνεται από το σημείο (Α) σε ομογενές ηλ. πεδίο μέτρου V m. Το πρωτόνιο υπόκειται σε μετατόπιση μέτρου d = 0.5 m στο σημείο (Β) στην κατεύθυνση του E. Βρείτε την ταχύτητα του πρωτονίου αμέσως μετά τη μετατόπισή του. Θεωρήστε ότι q = C και m p = kg.

10 Παράδειγμα - Λύση: Ένα πρωτόνιο αφήνεται από το σημείο (Α) σε ομογενές ηλ. πεδίο μέτρου V m. Το πρωτόνιο υπόκειται σε μετατόπιση μέτρου d = 0.5 m στο σημείο (Β) στην κατεύθυνση του E. Βρείτε την ταχύτητα του πρωτονίου αμέσως μετά τη μετατόπισή του. Θεωρήστε ότι q = C και m p = kg.

11 Ηλεκτρικό Δυναμικό από σημειακά φορτία Ας θεωρήσουμε τώρα ότι έχουμε ένα σημειακό φορτίο +q Ξέρουμε ότι υπάρχει ακτινικό ηλεκτρικό πεδίο γύρω του Ας βρούμε το δυναμικό σε απόσταση r απ το φορτίο, ξεκινώντας από το γενικό ορισμό της διαφοράς δυναμικού ΔV = = E d s = k e q r 2 ds cos θ = q k e r d s r2 k e q r 2 dr

12 Ηλεκτρικό Δυναμικό από σημειακά φορτία ΔV = Οπότε k e q r 2 dr = k eq ΔV = k e q 1 r 1 r dr r 2 = k e Βλέπετε ότι είναι ανεξάρτητο της διαδρομής Άρα το πεδίο είναι συντηρητικό Επίσης, εξαρτάται μόνο από τα r i q r

13 Ηλεκτρικό Δυναμικό από σημειακά φορτία Συνήθως θεωρούμε ότι V = 0 σε ένα σημείο (Α) όπου r = Το ηλεκτρικό δυναμικό λόγω σημειακού φορτίου σε απόσταση r από το φορτίο είναι q V = k e r Για πολλά φορτία, V = k e i q i r i

14 Ηλεκτρικό Δυναμικό από σημειακά φορτία Για ένα φορτίο q 2 που έρχεται στο πεδίο φορτίου q 1 σε απόσταση r 12 μέσω εξωτερικής δύναμης έργου W = q 2 ΔV Το έργο W μετατρέπεται σε δυναμική ενέργεια U του συστήματος των φορτίων Όμως W = ΔU, άρα η ηλεκτρική δυναμική ενέργεια ενός ζεύγους φορτίων είναι ΔU = W = q 2 ΔV U 0 = q 2 k e q 1 r 12 0 U = k e q 1 q 2 r 12 Αν U > 0, το έργο της δύναμης είναι θετικό Τα φορτία απωθούνται, άρα πρέπει να παραχθεί έργο από την εξωτερική δύναμη για να τα φέρει σε απόσταση r 12 Αν U < 0, το έργο της δύναμης είναι αρνητικό Χρειάζεται δύναμη αντίθετη στην έλξη των φορτίων

15 Ηλεκτρικό Δυναμικό από σημειακά φορτία Για ένα φορτίο q 2 που έρχεται στο πεδίο φορτίου q 1 σε απόσταση r 12 μέσω εξωτερικής δύναμης U = k e q 1 q 2 r 12 Για πολλά φορτία, U = k e q i q j r ij, i < j Αθροίζουμε όλες τις τιμές δυναμικής ενέργειας που οφείλονται σε ένα ζεύγος φορτίων

16 Παράδειγμα: Ένα φορτίο q 1 = 2 μc βρίσκεται στην αρχή των αξόνων, ενώ ένα φορτίο q 2 = 6 μc στη θέση 0, 3 m. ) Βρείτε το συνολικό ηλεκτρικό δυναμικό στο σημείο P με συντεταγμένες 4, 0 m. ) Βρείτε τη μεταβολή της δυναμικής ενέργειας του συστήματος των δυο φορτίων, συν ένα τρίτο φορτίο q 3 = 3 μc, όταν το τελευταίο έρχεται από το άπειρο στο σημείο P.

17 Παράδειγμα - Λύση: Ένα φορτίο q 1 = 2 μc βρίσκεται στην αρχή των αξόνων, ενώ ένα φορτίο q 2 = 6 μc στη θέση 0, 3 m. ) Βρείτε το συνολικό ηλεκτρικό δυναμικό στο σημείο P με συντεταγμένες 4, 0 m.

18 Παράδειγμα - Λύση: Ένα φορτίο q 1 = 2 μc βρίσκεται στην αρχή των αξόνων, ενώ ένα φορτίο q 2 = 6 μc στη θέση 0, 3 m. ) Βρείτε τη μεταβολή της δυναμικής ενέργειας του συστήματος των δυο φορτίων, συν ένα τρίτο φορτίο q 3 = 3 μc, όταν το τελευταίο έρχεται από το άπειρο στο σημείο P.

19 Παράδειγμα Εναλλακτική λύση: Ένα φορτίο q 1 = 2 μc βρίσκεται στην αρχή των αξόνων, ενώ ένα φορτίο q 2 = 6 μc στη θέση 0, 3 m. ) Βρείτε τη μεταβολή της δυναμικής ενέργειας του συστήματος των δυο φορτίων, συν ένα τρίτο φορτίο q 3 = 3 μc, όταν το τελευταίο έρχεται από το άπειρο στο σημείο P.

20 Ηλεκτρικό Πεδίο από Ηλεκτρικό Δυναμικό Μπορούμε να βρούμε το ηλεκτρικό πεδίο E από το δυναμικό ΔV; Αν θεωρήσουμε μια μικρή διαφορά δυναμικού ΔV μεταξύ δυο σημείων απόστασης Δ s, τότε ΔV = E Δ s Αν το ηλεκτρ. πεδίο έχει μόνο μια συνιστώσα (x), τότε E Δ s = E x Δx και άρα E x = ΔV Δx και οριακά ΔV E x = lim Δx 0 Δx = dv Τι σας θυμίζει?? dx

21 Τέλος Διάλεξης