ФИЗИКА Часброј 11 -...
TRANSCRIPT
1
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
1
ФИЗИКАЧас број 11
Понедељак, 5. децембар, 2010
• Електростатика
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
2
Електричне и магнетне појаве• Електростатика
– Раздвајање наелектрисања у атомима– Проводници и изолатори. Наелектрисање контактном ииндукцијом
• Електрична струја• Магнети• Електромагненти таласи
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
3
Електростатика• античка грчка, 500 п.н.е. – ћилибарпривлачи комаде сламе када сепротрља
• трење ђонова обуће о вунени тепих• 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 постојенаелектрисања
– постоје два типа – позитивно (стаклокада се протрља свиленом тканином) инегативно (свилена тканина наконтрљања о стакло)
– истоимена се одбијају а разноименапривлаче
– сила између њих опада са растојањем
2
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
4
Наелектрисања, електрони, протониИзноси масе и нелектрисања електрона су билинепознати све до краја 19 века.
np
ep
pe
mm
mm
≈
=
=
1836
||||
Ceq
kgm
e
e19
31
106.1
101.9−
−
×==
×=
Неутрони нису наелектрисани
1C 1C ((CoulombCoulomb==КулонКулон))= = 6.25 x 106.25 x 101818 електронаелектрона!!!!!!..
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
5
Раздвајање наелектрисања у атомима
• Атом је неутралан• Раздвајање наелектрисања – трењем• у батеријама услед хемијских процеса• битно је да се не креирају ни уништавају већсамо одвајају – закон одржања: укупнаколичина наелектрисања је константна
• да ли овај закон важи увек?
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
6
У акцелераторима
• креирањеелектронско-позитронског пара
• и обрнуто• али и у тим
процесима сеодржаванелектрисање!
3
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
7
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?
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
8
Наелектрисање контактом
• Електроскоп
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
9
Наелектрисање индукцијом. Поларизација
• наелектрисање без додира – први начин
4
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
10
Наелектрисање индукцијом. Поларизација
• наелектрисање без додира – други начин
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
11
Кулонов закон
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
12
ЕлектростатичкаЕлектростатичка ии гравитационагравитациона силасила
F:F:FF:
Привлачна (за сва масивна тела усвемиру)
Привлачна (код разноименихнаелектрисања) или одбојна(истоимена наелектрисања)
Један тип масе (m): позитивнамаса!!!
Два типа нелектрисања (q): позитивно и негативно
Гравитациона силаЕлектростатика
229
221
/1099.8 CmNkrqqkF
⋅×=
=
2211
221
/1067.6 kgmNGrmmGF
⋅×=
=
−
5
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
13
Кулонова сила и гравитација
• али Кулонова је и привлачна и одбојна а гравитацијасамо привлачна – на великој скали је доминантнаипак гравитација
• водоников атом – растојање честица0,530x10-10m
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
14
Електрично поље
• тела не морају да буду у контакту да биинтераговала
• интерагују путем поља• поље Кулонове силе?• тело наелектрисања Q делује на друго телонаелектрисања q на растојању r од њега.
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
15
Електрично поље
• Јачина електричног поља је дефинисана преко односа силеи позитивног пробног наелектрисања на које делује
6
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
16
ЛинијеЛиније електричногелектричног пољапољаЛинијеЛиније електричногелектричног пољапоља ::a. Смер је у смеру E у свакој тачки. E је тангента на линију.b. Почињу од (+) или бесконачности и имају крај у (-) или бесконачностиc. Број линија је пропорционалан јачини електричног пољаd. За хомогено поље, линије су паралелне и на једнаким растојањимаe. Линије електричног поља се не секу. то значи да једнозначно
дефинишу електрично поље
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
17
Линије поља су• Усмерене радијално однаелектрисање
• Централно симетричне у односу нанаелектрисање
• Растојање суседних линија расте саповећањем растојања однаелектрисања (поље постајеслабије)
Линије поља су• ……• ……• ……
“+” тачкасто наелектрисање “-” тачкасто наелектрисање
+ -
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
18
Eлектрично поље два позитивнатачкаста наелектрисања
+
+
7
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
19
Eлектрично поље једног позитивног и једногнегативног тачкастог наелектрисања
+
-
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
20
Проводници и електрично поље устању статичке равнотеже
• проводници имају слободна наелектрисања• ако се у неком делу појаве у вишку или се пакпроводник нађе у спољашњем електричномпољу она се прерасподеле тако да токомпензују – успоставља се електростатичкаравнотежа.
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
21
8
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
22
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
23
• Проводник у електростатичкој равнотежи имаследеће особине– Електрично поље је једнако нули унутар њега– Линије електричног поља ван проводника су нормалне уодносу на његову површину, почињу и завршавају се нанаелектрисањима на површини проводника
– наелектрисања било које врсте, ако су у вишку упроводнику, распоређују се равномерно по његовојповршини.
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
24
Проводник у електричном пољу
''
0
0
EEEEEE
−=+=rrr
++
++
++
-
+
-
----
-
+
+
+
+-
-
-
-
-
+
0Er
'Er
0=Er
E’ – индуковано електрично поље
Ово поље расте све док потпуноне компензује спољње ел. поље, тако да је унутар проводника Е=0 (фарадејев кавез)
9
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
25
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)
+ + +
+ + + + + + + + ++ ++
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
26
Електрично поље велике “-”равномерно наелектрисане плоче
-- -
- - -- - -- - -- --
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
27
Електрично поље пара паралелнихсупротно наелектрисаних плоча
+ + +
+ + + + + + + + ++ ++
-- -
- - -- - -- - -- --
+ + +
+ + + + + + + + ++ ++
-- -
- - -- - -- - -- --
10
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
28
+ + +
+ + + + + + + + ++ ++
-- -
- - -- - -- - -- --
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
29
• да ли је поље између две наелектрисанеплоче баш скроз хомогено?
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
30
• Расподела наелектрисања на неуниформномпроводнику
11
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
31
• што је шиљак већи јаче јеи поље око тог делапроводника
• тела са шиљком -громобрани
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
32
Примене електростатике
• Ксерографија – машине за фотокопирање• пречишћавање дима, електростатичкочишћење ваздуха
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
33
12
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
34
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
35
Електрични потенцијал и напон• електрично поље убрзава наелектрисање• оно добија кинетичку енергију• механичка аналогија
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
36
Електрични потенцијал и напон
• рад ће зависити од величине наелектрисања• ако желимо величину која неће зависити од њега
треба поделити потенцијалну енергијунаелектрисањем
• Кулонова сила је конзервативна – постојипотенцијална енергија
• рад је једнак њеној негативној промени
13
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
37
Електрични потенцијал и напон
• напон је једнак разлици потенцијала
• добија се електрични потенцијал
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
38
Електрон волт• енергија за преношење једног електрона крозпроводник је мала у макроразмерама
• на микроскопској скали то је значајнавредност
• зато се уводи нова величина за енергију каоенергија коју стекне електрон када га убрзапотенцијална разлика 1 волта
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
39
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• 7 ТeV (1012) у CERN-у има протонски сноп
14
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
40
Електрични потенцијал у униформномелектричном пољу
• постоји веза напона и енергије• да ли постоји и веза напона и јачине електричног поља?
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
41
Електрични потенцијал у униформномелектричном пољу
• рад који изврши електростатичка силапри померању наелектрисања из тачкеА у тачку В униформног поља је
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
42
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
15
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
43
Кондензатори
капацитивност је количина наелектрисања којасе ускладишти на облогама кондензаторапри промени његовог напона за један волт.
Јединица је Фарад
• од чега зависи 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~UQ~U• за исти напон Q зависи и од физичких особина
кондезнатора што се описује његовомкапацитивношћу
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
44
Равни кондензатори
• диелектрична пропустљивост (константа, пермеабилност) вакуума
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
45
Диелектрици• На плоче кондензатора се може нагомилати
лимитирана количина електрицитета• при напону од 3х103V/mm долази до пражњења у
ваздуху па ће се кондензатор између чијих плоча јеваздух 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
16
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
46
Диелектрици
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
47
Диелектрици –повећање капацитивностикондензатора- поларизација
• диелектрик смањује уследполаризације јачину поља измеђуплоча кондензатора – смањује се инапон између њих при истој количининаелектрисања на плочама. следи даима већу капацитивност
• молекули диелектрика се поларизују. услед тога се на површини диелектрикаближој облогама кондензатора формираслој супротних наелектрисања услед чегана плоче долазе додатна наелектрисања– повећава јој се капацитивност
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
48
Објашњење поларизација
17
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
49
Енергија ускладиштена укондензатору
• Потенцијална енергија честице у електричномпољу је Ep=qU
• како напон расте од 0 до U не може да сепримени ова формула одмах
• треба га усредњити Usr=(0+U)/2• енергија кондензатора је
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
50
Енергија плочастог кондезатора
• густина енергија електричног пољакондензатора
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
51
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
18
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
52
Јачина електричне струје
• јединица 1 А (Ампер)
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
53
Просто струјно коло
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
54
Физички и технички смер струје
19
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
55
Брзина дрифта• електрони у проводнику
врше две врсте кретања– термално хаотично и– усмерено под дејством
спољашњег поља – дрифт• брзина преношења
електричних сигнала јескоро па једнака брзинисветлости 108m/s
• а брзина дрифта износисвега 10-4m/s
• како то?
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
56
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
57
20
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
58
Брзина дрифта-наставак
• ако је концентрација слободнихнаелектрисања у проводнику n, њихов број уосенченом делу проводника је N=nSx
• како сваки од њих носи наелектрисање q, утом делу проводника се налази ∆Q=qN=qnSx
• јачина струје је
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
59
Брзина дрифта-наставак
• Брзина дрифта је у типичним проводницимареда 10-4 м/с!
• То је изузетно мала вредност
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
60
Омов законКаква је веза између електричног напонапримењеног у колу (U), струје која протиче крозњега (I) и отпора (R)?
Ω===
VARUI
RUI ;
][][][ ;
Georg Simon Ohm(1789-1854)
21
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
61
Смисао Омовог закона
Ω===
VARUI
RUI ;
][][][ ;
1. Електрична струја и напонсу пропорционални једнодругом.
2. Да ли Омов закон може дасе примени на свеотпорнике? НЕ. Нису свиотпорници омски!
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
62
Коло са два отпорника
• збир пада напона на отпорницима је једнакнапону извора – његовој електромоторнојсили
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
63
Специфична отпорност
СпецифичнаСпецифична отпорностотпорност ((ρρ)) је карактеристика материјала. СпецифичнаСпецифична отпорностотпорност некогнеког материјаламатеријала (у SI) је отпор жицедужине 1 m попречног пресека 1 m2 направљеној од њега.
mmm
SLR ⋅Ω=
⋅Ω==
2
][ ρρ
SLR
σρ ==
SL
σρ 1
=ρρ -- СпецифичнаСпецифична отпорностотпорностσ σ −− СпецифичнаСпецифична проводностпроводност
22
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
64
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
65
Температурна зависност отпорности
[ ]
[ ]KC
TT
o
T
11)(1 00
≡=
−+=
α
αρρ
α– температурски коефицијент отпорности.Tемпературска зависност отпорности се користи у отпорнимтермометрима, у термисторима и у другим уређајима где јепотребно да се измери мала промена температуре.
t
ρ
ρ0
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
66
23
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
67
Суперпроводност
Испод критичнетемпературе TCотпорност неких металапостаје нула. Tај феноменсе зовеСУПЕРПРОВОДНОСТ.
Нулта отпорност значи дабесконачно велика струјаможе да протиче крозтакав проводник чак иакоје примењени напонрелативно мали.
BSSCO – Бизмут – Стронцијум –Калцијум – Бакар – Оксид
Температура кључања TC течногазота је 77 K, некисуперпроводници имају Tc изнад90 K!
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
68
Електрична снага и енергија
• јединица – Ват= 1 Волт х 1 Ампер• потрошња и цена електричне енергије?
• све сијалице у кући раде на напону од 220 Волти али немајуисту снагу
• енергија коју наелектрисања стекну у електричном пољузависи и од величине наелектрисања и од напона
• а снага је однос енергије и времена – брзина преношењаенергије
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
69
Наизменична струја
• батерије - извор једносмерне струје– константан напон и струја све док се батерија неиспразни
• у кућној мрежи имамо наизменичну– напон варира са временом – нпр као синусоиднафункција
24
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
70
Наизменична струја
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
71
• Потенцијална разлика између полова изворанаизменичног напона флуктуира као на слици
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
72
Снага и ефективне вредности струје инапона
• ако флуктуира напон, флуктуира и светлостсијалица.
• како да то не видимо?• па превише је често да би наше око торегистровало
• али то значи да и снага флуктуира
25
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
73
Снага и ефективне вредности струје инапона
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
74
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 сијалица-
потрошача – 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
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
75
Батерије као извор електричнеенергије
• постоје различити извори ел. енергије у погледу тогашта изазива разлику потенцијала у њима (соларнећелије, ...)
• разлика потенцијала која се направи је веома битнавеличина
• уводи се појам електромоторне силе = потенцијална разлика извора када нема протокаструје у колу у коме се он налази
• Скраћеница EMS а ознака ε
26
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
76
Унутрашњи отпор извора
• Отпорност коју протоку наелектрисања пружасам извор струје
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
77
Галвански елементи
• Батерије – металне плочице потопљене уелектролит
• долази до хемијских реакција услед којих се одвајајунаелектрисања и ствара потенцијална разлика
• пример – плочица од цинка потопљена у воду илинеки њен раствор киселина, база или соли(електролит)
• ствара се двојни електрични слој
5-Дец-10 Физика, 2010Љубиша Нешић
78
• у решетци цинка налазе се његови (2+) јоникоје привлаче поларни молекули воде иодваја их од метала
• плочица постане негативна а околинапозитивна – ствара се контактни напон