Електростатика ФИЗИКА Час број 11 Понедељак, 5. децембар, 2010 1 Електричне и магнетне појаве Електростатика Раздвајање наелектрисања у атомима Проводници и изолатори. Наелектрисање контактном и индукцијом Електрична струја Магнети Електромагненти таласи 2 античка грчка, 500 п.н.е. ћилибар привлачи комаде сламе када се протрља трењеђоноваобућеовуненитепих сушење веша у машинама кесе у продавници балони када се протрљају лепе се за зид у свим појавама имамо посла са статичким електрицитетом наелектрисањима објашњење: у супстанци постоје наелектрисања постоје два типа позитивно (стакло када се протрља свиленом тканином) и негативно (свилена тканина након трљања о стакло) истоимена се одбијају а разноимена привлаче сила између њих опада са растојањем Електростатика 3 1
Наелектрисања, електрони, протони Износи масе и нелектрисања електрона су били непознати све до краја 19 века. m = 9.1 10 q = e= 1.6 10 e e q m m e p p = q m 31 n p kg 19 C = 1836m e 1C (Coulomb=Кулон)= 6.25 x 10 18 електрона!!!!!!. Неутрони нису наелектрисани 4 Раздвајање наелектрисања у атомима Атом је неутралан Раздвајање наелектрисања трењем у батеријама услед хемијских процеса битно је да се не креирају ни уништавају већ само одвајају закон одржања: укупна количина наелектрисања је константна да ли овај закон важи увек? 5 У акцелераторима креирање електронскопозитронског пара иобрнуто алииутим процесима се одржава нелектрисање! 6 2
Проводници и изолатори проводник има слободне носиоце електрицитета који могу да се крећу кроз њега изолатор нема слободне носиоце... полупроводник има али не толико колико има проводник суперпроводник проводи наелектрисања без губитака проводници метали проводници прве врсте проводници електролити и гасови проводници друге врсте? 7 Наелектрисање контактом Електроскоп 8 Наелектрисање индукцијом. Поларизација наелектрисање без додира први начин 9 3
Наелектрисање индукцијом. Поларизација наелектрисање бездодира други начин 10 Кулонов закон 11 Електростатичка и гравитациона сила Електростатика Гравитациона сила Дватипанелектрисања(q): позитивно и негативно Један тип масе (m): позитивна маса!!! Привлачна (код разноимених наелектрисања) или одбојна (истоимена наелектрисања) Привлачна (за сва масивна тела у свемиру) F: q1q 2 F = k 2 r 9 2 k = 8.99 10 N m / C F: 2 m1m2 F = G 2 r 11 2 G = 6.67 10 N m / kg 12 2 4
Кулонова сила и гравитација водоников атом растојање честица 0,530x10 10 m али Кулонова је и привлачна и одбојна а гравитација само привлачна на великој скали је доминантна ипак гравитација 13 Електрично поље тела не морају да буду у контакту да би интераговала интерагују путем поља поље Кулонове силе? тело наелектрисања Q делује на друго тело наелектрисања q на растојању r од њега. 14 Електрично поље Јачина електричног поља је дефинисана преко односа силе и позитивног пробног наелектрисања на које делује 15 5
Линије електричног поља Линије електричног поља : a. Смер је у смеру E у свакој тачки. E је тангента на линију. b. Почињу од () или бесконачности и имају крај у () или бесконачности c. Број линија је пропорционалан јачини електричног поља d. За хомогено поље, линије су паралелне и на једнаким растојањима e. Линије електричног поља се не секу. то значи да једнозначно дефинишу електрично поље 16 тачкасто наелектрисање тачкасто наелектрисање Линије поља су Усмерене радијално од наелектрисање Централно симетричне у односу на наелектрисање Растојање суседних линија расте са повећањем растојања од наелектрисања (поље постаје слабије) Линије поља су 17 Eлектрично поље два позитивна тачкаста наелектрисања 18 6
Eлектрично поље једног позитивног и једног негативног тачкастог наелектрисања 19 Проводници и електрично поље у стању статичке равнотеже проводници имају слободна наелектрисања ако се у неком делу појаве у вишку или се пак проводник нађе у спољашњем електричном пољу она се прерасподеле тако да то компензују успоставља се електростатичка равнотежа. 20 21 7
22 Проводник у електростатичкој равнотежи има следеће особине Електрично поље је једнако нули унутар њега Линије електричног поља ван проводника су нормалне у односу на његову површину, почињу и завршавају се на наелектрисањима на површини проводника наелектрисања било које врсте, акосуувишкуу проводнику, распоређују се равномерно по његовој површини. 23 Проводник у електричном пољу E r = 0 r r r E = E E' 0 E = E E' 0 E r ' E r 0 E индуковано електрично поље Овопољерастесведокпотпуно не компензује спољње ел. поље, тако да је унутар проводника Е=0 (фарадејев кавез) 24 8
Електрично поље за велику равномерно наелектрисану плочу Линије поља су праве Под правим углом усмерене према споља Простор између суседних је константан (поље је константно тј. униформно) 25 Електрично поље велике равномерно наелектрисане плоче 26 Електрично поље пара паралелних супротно наелектрисаних плоча 27 9
28 да ли је поље између две наелектрисане плоче баш скроз хомогено? 29 Расподела наелектрисања на неуниформном проводнику 30 10
штојешиљаквећијачеје и поље око тог дела проводника тела са шиљком громобрани 31 Примене електростатике Ксерографија машине за фотокопирање пречишћавање дима, електростатичко чишћење ваздуха 32 33 11
34 Електрични потенцијал и напон електрично поље убрзава наелектрисање оно добија кинетичку енергију механичка аналогија 35 Електрични потенцијал и напон Кулонова сила је конзервативна постоји потенцијална енергија рад је једнак њеној негативној промени рад ће зависити од величине наелектрисања ако желимо величину која неће зависити од њега треба поделити потенцијалну енергију наелектрисањем 36 12
Електрични потенцијал и напон добија се електрични потенцијал напон је једнак разлици потенцијала 37 Електрон волт енергија за преношење једног електрона кроз проводник је мала у макроразмерама на микроскопској скали то је значајна вредност зато се уводи нова величина за енергију као енергија коју стекне електрон када га убрза потенцијална разлика 1 волта 38 Електрон волт Шта се изражава у електронволтима? енергија везе електрона у атомима енергије везе у молекулима стога је енергија која је потребна да би се разорила веза у неким органским молекулима око 5 ev. 30 kev поседује протон убрзан напоном од 30 kv 500 MeV се ослобађа у нуклеарним распадима 7ТeV (10 12 ) у CERNу има протонски сноп 39 13
Електрични потенцијал у униформном електричном пољу постоји веза напона и енергије да ли постоји и веза напона и јачине електричног поља? 40 Електрични потенцијал у униформном електричном пољу рад који изврши електростатичка сила при померању наелектрисања из тачке АутачкуВуниформногпољаје 41 Кондензатори уређаји за складиштење наелектрисања (радио апарати, компјутери, блицеви, за дефибрилацију у медицини,...) електронеутрални су у целини од чега зависи количина електрицитета на плочама? од напона од физичких карактеристика самог кондензатора 42 14
Кондензатори одчегазависи Q на облогама кондензатора? од јачине поља, јер свака линија полази са наелектрисања а завршава се на наелектрисању, E~Q како је U=Ed следи да је U~E, односно Q~U за исти напон Q зависи и од физичких особина кондезнатора што се описује његовом капацитивношћу капацитивност је количина наелектрисања која се ускладишти на облогама кондензатора при промени његовог напона за један волт. Јединица је Фарад 43 Равни кондензатори диелектрична пропустљивост (константа, пермеабилност) вакуума 44 Диелектрици На плоче кондензатора се може нагомилати лимитирана количина електрицитета при напону од 3х10 3 V/mm долази до пражњења у ваздуху па ће се кондензатор између чијих плоча је ваздух спонтано испразнити (пробијање) како да му повећамо капацитет? даље смањење растојања плоча доводи до лакшег пробијања решење између плоча се убацује диелектрик па је капацитивност већа 45 15
Диелектрици 46 Диелектрици повећање капацитивности кондензатора поларизација молекули диелектрика се поларизују. диелектрик смањује услед услед тога се на површини диелектрика поларизације јачину поља између ближој облогама кондензатора формира плоча кондензатора смањује се и слој супротних наелектрисања услед чега напон између њих при истој количини на плоче долазе додатна наелектрисања наелектрисања на плочама. следи да 5Дец10 повећава јој се капацитивност Физика, 2010 47 има већу капацитивност Објашњење поларизација 48 16
Енергија ускладиштена у кондензатору Потенцијална енергија честице у електричном пољу је E p =qu како напон расте од 0 до U не може да се примени ова формула одмах треба га усредњити U sr =(0U)/2 енергија кондензатора је 49 Енергија плочастог кондезатора густина енергија електричног поља кондензатора 50 Електрична струја настаје услед кретања слободних носиоца електрицитета кроз проводну средину примери акумулатор аутомобила, џепни калкулатор битна разлика? у броју наелектрисања која се у јединици времена пренесу стога се уводи величина под називом јачина електричне струје I 51 17
Јачина електричне струје јединица 1 А (Ампер) 52 Просто струјно коло 53 Физичкиитехничкисмерструје 54 18
Брзина дрифта електрони у проводнику врше две врсте кретања термално хаотично и усмерено под дејством спољашњег поља дрифт брзина преношења електричних сигнала је скоро па једнака брзини светлости 10 8 m/s абрзинадрифтаизноси свега 10 4 m/s како то? 55 56 57 19
Брзина дрифтанаставак ако је концентрација слободних наелектрисања у проводнику n, њихов број у осенченом делу проводника је N=nSx како сваки од њих носи наелектрисање q, у том делу проводника се налази Q=qN=qnSx јачина струје је 58 Брзина дрифтанаставак Брзина дрифта је у типичним проводницима реда 10 4 м/с! То је изузетно мала вредност 59 Омов закон Каквајевезаизмеђуелектричногнапона примењеног у колу (U), струје која протиче кроз њега (I) и отпора (R)? I = U R ; [ U ] [ I] = ; [ R] V A = Ω Georg Simon Ohm (17891854) 60 20
Смисао Омовог закона U I = ; R [ U ] [ I] = ; [ R] V A = Ω 1. Електрична струја и напон су пропорционални једно другом. 2. Да ли Омов закон може да се примени на све отпорнике? НЕ. Нису сви отпорници омски! 61 Коло са два отпорника збир пада напона на отпорницима је једнак напону извора његовој електромоторној сили 62 Специфична отпорност L R = ρ S Ω m [ρ] = m 2 = Ω m 1 ρ = σ R L L = ρ = S σs ρ Специфична отпорност σ Специфична проводност Специфична отпорност (ρ) је карактеристика материјала. Специфична отпорност неког материјала (у SI) је отпор жице дужине 1 m попречног пресека 1 m 2 направљеној од њега. 63 21
64 Температурна зависност отпорности ρ ρ = ρ T [ α ] 1 = o C [ α ( T T )] 0 1 0 1 K ρ 0 t α температурски коефицијент отпорности. Tемпературска зависност отпорности се користи у отпорним термометрима, у термисторима и у другим уређајима где је потребно да се измери мала промена температуре. 65 66 22
Суперпроводност Испод критичне температуре T C отпорност неких метала постаје нула. Tај феномен се зове СУПЕРПРОВОДНОСТ. Нулта отпорност значи да бесконачно велика струја може да протиче кроз такав проводник чак иако је примењени напон релативно мали. BSSCO Бизмут Стронцијум Калцијум Бакар Оксид Температура кључања T C течног азота је 77 K, неки суперпроводници имају Tc изнад 67 90 K! Електрична снага и енергија све сијалице у кући раде на напону од 220 Волти али немају исту снагу енергија коју наелектрисања стекну у електричном пољу зависи и од величине наелектрисања и од напона а снага је однос енергије и времена брзина преношења енергије јединица Ват= 1 Волт х 1 Ампер потрошња и цена електричне енергије? 68 Наизменична струја батерије извор једносмерне струје константан напон и струја све док се батерија не испразни у кућној мрежи имамо наизменичну напон варира са временом нпр као синусоидна функција 69 23
Наизменична струја 70 Потенцијална разлика између полова извора наизменичног напона флуктуира као на слици 71 Снага и ефективне вредности струје и напона ако флуктуира напон, флуктуира и светлост сијалица. како да то не видимо? па превише је често да би наше око то регистровало алитозначидаиснагафлуктуира 72 24
Снага и ефективне вредности струје и напона 73 Електромоторна сила када заборавимо фарове на колима упаљене након неког времена ће се лагано угасити када се акумулатор испразни зашто се не угасе одједном? закључујемо да се напон који даје акумулатор смањује са временом ако га оптеретимо паралелном везом више сијалицапотрошача брже ће се испразнити закључујемо да му се напон смањује брже када је оптерећен са више потрошача две основне караткеристике акумулатора он је извор електричне енергије и има унутрашњи отпор 74 Батерије као извор електричне енергије постоје различити извори ел. енергије у погледу тога шта изазива разлику потенцијала у њима (соларне ћелије,...) разлика потенцијала која се направи је веома битна величина уводи се појам електромоторне силе = потенцијална разлика извора када нема протока струје у колу у коме се он налази Скраћеница EMS аознакаε 75 25
Унутрашњи отпор извора Отпорност коју протоку наелектрисања пружа сам извор струје 76 Галвански елементи Батерије металне плочице потопљене у електролит долази до хемијских реакција услед којих се одвајају наелектрисања и ствара потенцијална разлика пример плочица од цинка потопљена у воду или неки њен раствор киселина, база или соли (електролит) ствара се двојни електрични слој 77 у решетци цинка налазе се његови (2) јони које привлаче поларни молекули воде и одваја их од метала плочица постане негативна а околина позитивна ствара се контактни напон 78 26
вредност контактног напона зависиод комбинације метала и електролита 79 27