ФИЗИКА Часброј 11 - Dobrodošlitesla.pmf.ni.ac.rs/people/nesiclj/predavanja/biologija/2009z/fizika-11... · 2 28-Дец-09 Физика, 2009 ЉубишаНешић 4

1

28-Дец-09 Физика, 2009Љубиша Нешић

1

ФИЗИКАЧас број 11

Понедељак, 28. децембар, 2009

• Електростатика


2

• Рок за семинарски је 11. јануар 2010. године


3

Електричне и магнетне појаве• Електростатика

– Раздвајање наелектрисања у атомима– Проводници и изолатори. Наелектрисање контактном ииндукцијом

• Електрична струја• Магнети• Електромагненти таласи

2


4

Електростатика• античка грчка, 500 п.н.е. – ћилибарпривлачи комаде сламе када сепротрља

• трење ђонова обуће о вунени тепих• сушење веша у машинама• кесе у Темпу• 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


5

Наелектрисања, електрони, протониИзноси масе и нелектрисања електрона су билинепознати све до краја 19 века.

np

ep

pe

mm

mm

qq

≈

=

=

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!!!!!!..


6

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?

3


7

У акцелераторима

• креирањеелектронско-позитронског пара

• и обрнуто• али и у тим

процесима сеодржаванелектрисање!


8

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?


9

Наелектрисање контактом

• Електроскоп

4


10

Наелектрисање индукцијом. Поларизација

• наелектрисање без додира – први начин


11

Наелектрисање индукцијом. Поларизација

• наелектрисање без додира – други начин


12

Кулонов закон

5


13

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

⋅×=

=

−


14

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


15

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.

6


16

Електрично поље

• Јачина електричног поља је дефинисана преко односа силеи позитивног пробног наелектрисања на које делује


17

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


18

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

+ -

7


19

Eлектрично поље два позитивнатачкаста наелектрисања

+

+


20

Eлектрично поље једног позитивног и једногнегативног тачкастог наелектрисања

+

-


21

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.

8


22


23


24

• 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.

9


25

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)


26

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)

+ + +

+ + + + + + + + ++ ++


27

Електрично поље велике “-”равномерно наелектрисане плоче

-- -

- - -- - -- - -- --

10


28

Електрично поље пара паралелнихсупротно наелектрисаних плоча

+ + +

+ + + + + + + + ++ ++

-- -

- - -- - -- - -- --

+ + +

+ + + + + + + + ++ ++

-- -

- - -- - -- - -- --


29

+ + +

+ + + + + + + + ++ ++

-- -

- - -- - -- - -- --


30

• да ли је поље између две наелектрисанеплоче баш скроз хомогено?

11


31

• Расподела наелектрисања на неуниформномпроводнику


32

• што је шиљак већи јаче јеи поље око тог делапроводника

• тела са шиљком -громобрани


33

Примене електростатике

• Ксерографија – машине за фотокопирање• пречишћавање дима, електростатичкочишћење ваздуха

12


34


35


36

Електрични потенцијал и напон• електрично поље убрзава наелектрисање• оно добија кинетичку енергију• механичка аналогија

13


37

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


38

Електрични потенцијал и напон

• напон је једнак разлици потенцијала

• добија се електрични потенцијал


39

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

14


40

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

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


41

Електрични потенцијал у униформномелектричном пољу

• постоји веза напона и енергије• да ли постоји и веза напона и јачине електричног поља?


42

Електрични потенцијал у униформномелектричном пољу

• рад који изврши електростатичка силапри померању наелектрисања из зачкеА у тачку В униформног поља је

15


43

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


44

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


45

Равни кондензатори

• диелектчна пропустљивост (константа, пермеабилност) вакуума

16


46

Диелектрици• На плоче кондензатора се може нагомилати

лимитирана количина електрицитета• при напону од 3х103V/mm долази до пражњења у

ваздуху па ће се кондензатор измђу 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


47

Диелектрици


48

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

17


49

Објашњење поларизација


50

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


51

Енергија плочастог кондезатора

• густина енергија електричног пољакондензатора

18


52

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


53

Јачина електричне струје

• јединица 1 А (Ампер)


54

Просто струјно коло

19


55

Физички и технички смер струје


56

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 изностисвега 10-4m/s

• како то?


57

20


58


59

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


60

Брзина дрифта-наставак

• Брзина дрифта је у типичним проводницимареда 10-4 м/с!

• То је изузетно мала вредност

21


61

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)


62

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!


63

Коло са два отпорника

• збир пада напона на отпорницима је једнакнапону извора – његовој електромоторнојсили

22


64

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


65


66

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

23


67


68

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!


69

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

24


70

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


71

Наизменична струја


72

• Потенцијална разлика између полова изворанаизменичног напона флуктуира као на слици

25


73

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


74

Снага и ефективне вредности струје инапона


75

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

26


76

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


77

Унутрашњи отпор извора

• Отпорност коју протоку наелектрисања пружасам извор струје


78

Галвански елементи

• Батерије – металне плочице потопљене уелектролит

• долази до хемијских реакција услед којих се одвајајунаелектрисања и ствара потенцијална разлика

• пример – плиочица од цинка потопљена у воду илинеки њен раствор киселина, база или соли(електролит)

• ствара се двојни електрични слој

27


79

• 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


80

• вредност контактног напона зависи одкомбинације метала и електролита

Documents

ФИЗИКА Часброј 11 - Dobrodošlitesla.pmf.ni.ac.rs/people/nesiclj/predavanja/biologija/2009z/fizika-11... · 2 28-Дец-09 Физика, 2009 ЉубишаНешић 4