FÜÜSIKA II

PÕHIVARA

Abimaterjal mõeldud üliõpilastele õppeprotsessis kasutamiseks aines FÜÜSIKA II .

Koostas õppejõud P.Otsnik

2

FÜÜSIKA II

SISSEJUHATUS

A. ELEKTER

1.Elektriväli2. Alalisvool

3. Magnetism

4. Elektromagnetiline induktsioon

5. Pooljuhid ja nende rakendusi

6. Elektrolüüs

7. Vahelduvvool

8. Transformaator

B. OPTIKA

1. Optika põhiseadused

2. Valguse parameetrid

3. Valguse interferents

4. Valguse difraktsioon

5. Valguse dispersioon

6. Valguse polarisatsioon

7. Soojuskiirgus

8. Fotoefekt

4

e = 1,6 10-19C - elementaarlaeng

Elementaarosakesed: - elektron - prooton - neutron

q = +/- N e

juhid pooljuhid dielektrikud

!

10-8 10-5 0 107 1016 "m

Dipoolid - +

- - + + - - + +

- - + +

5

Sissejuhatus.

Elementaarosakesed: elektron (- ), prooton ( +), neutron (0). Tavaliselt on kehas negatiivseid ja positiivseid laenguid võrdselt ja keha on neutraalne. Kui aga mingil viisil luua kehas teatud elementaarosakeste ülejääk osutub keha laetuks. Elektrilaengud on mateeria primaarseks omaduseks, elementaarosakeste lahu- tamatuks omaduseks. Elektriliselt isoleeritud süsteemi (kui vool ei saa läbida teda piiravat pinda ) summaarne laeng ei saa muutuda s.o. elektrilaengu jäävuse seadus. Vastavalt võimele elektrivoolu juhtida jagunevad kõik ained dielektrikuteks(e.isolaatoriteks), juhtideks ja pooljuhtideks.

1. ELEKTRIVÄLI. Elektriväli vaakumis. Punktlaenguks nimetatakse laetud keha , mille mõõtmed võib jätta arvestamata võrreldes tema kaugusega teistest elektrilaenguid kandvatest kehadest. Coulomb`i seadus: Jõud millega üks punktlaeng mõjub teisele , on võrdeline mõlema laengu suurusega ja pöördvõrdeline laengute vahe- kauguse ruuduga (vt.lk. ). Ühenimeliste laengute korral on jõud positiivne (tõukuvad) ja erinimeliste puhul negatiivne (tõmbuvad). Elektrivälja tugevus. Laengud mõjustavad üksteist elektrivälja vahendusel. Iga laeng muudab ümbritseva ruumi omadusi : tekitab seal elektrivälja. Elektrivälja iseloomustavat suurust E nimetatakse elektrivälja tugevuseks antud punktis. Elektrivälja tugevus on arvuliselt võrdne jõuga, mis mõjub antud väljapunktis asuvale ühikulisele punktlaengule. (vt. lk.5 ). Punktlaengu väljatugevus on võrdeline laengu (q ) suurusega ning pöördvõrdeline laengu ja antud väljapunkti vahelise kauguse (r ) ruuduga. Vektor ( E ) on suunatud piki laengut ja antud väljapunkti läbivat sirget ( + ) laengust eemale ja ( - ) laengu poole. Laengute süsteemi väljatugevus on võrdne nende väljatugevuste vektorsummaga mida tekitavad kõik süsteemi kuuluvad laengud üksikult.

6

q1 r q2 f q = Ne

e = 1,6.10-19C f =kq1

q2

r2

# ;

f =kq1

r2

r

r

$#

q2 ; f = 9.109 N ; k =

1

40

%&

&%

=1

4 9 109$$ '

()*+,

=0,885 10-11F

m

f

r qp f = qp

q

r2

1

4

r

r%&0

$ $-./

012

q+

E =f

qp

; E =1

40

%&$ $q

r2

r

r

E = E1 + E2 + .... = Ei3

7

Elektrostaatilise välja jõudude töö. Potensiaal. Elektrostaatilise välja jõudude töö laengu transportimisel ei sõltu teepikkusest, vaid ainult selle laengu alg- ja lõppasendist ( r1 ja r2 ).

221

0//.

-4

210

12

1—

1

·4

`·

rr

qqA

&%

dA = f·dl·cos5

drr

qqdA

²

`·

4

1

0%&4

Kui f = 3fI , siis A = 3AI A12 = Wp1 — Wp2

Välja potensiaal mingis punktis on võrdeline välja tekitanud laenguga ja pöörd- võrdeline punkti kaugusega sellest laengust.

kui q`- ks qp , siis Wp / qp = const r

qqW p

`·

4

1

0%&4

6 = W

p /q - välja potensiaal. Potensiaal on arvuliselt võrdne tööga , mida teevad elektrostaatilise välja jõud positiivse ühiklaengu eemaldamisel vaadeldavast punktist lõpmatusse. Ühikuks on volt ( V ).

Wp = q · 6 ; A = q · 6 1J = 1C · 1V

8

Elektriväli dielektrikutes. Aatom on elektriliselt neutraalne. Aatom on mittepolaarne s.o. ei oma poolusi. Kui aga aatomitest moodustub molekul , siis ei tarvitse erimärgiliste laengute raskuskeskmed kokku langeda. Selliseid molekule nimetatakse polaarseteks. Kui poolusi on kaks, siis nimetatakse laengusüsteemi dipooliks.Kõige lihtsam dipool on lineaarne dipool. Igat molekuli saab iseloomustada tema dipoolmomendiga ( p ). Mittepolaarsel molekulil on p = 0 . - q +q

d p = q · d - dipoolmoment lineaarne dipool Dielektrikuks nimetatakse ainet, milles vabade laengute hulk on normaaltingimustel kaduvväike. Dielektriku polarisatsioon. Polaarsetes dielektrikutes on molekulide dipoolmomendid tavaliselt orienteeritud täiesti ebakorrapäraselt. Kogu keha summaarse dipoolmomendi arvutamisel saame tulemuseks 0 . Kui dielektrik asetada välisesse elektrivälja muutub dielektrik polaarseks ja omandab dipoolmomendi. Elektriväli püüab korrapärastada dipoolmomente, soojusliikumine segab seda. Polarisatsiooni tugevust iseloomustatakse aine ruumiühiku dipoolmomendiga P = 1/7V3p Väljatugevuse nõrgenemist iseloomustatakse aine dielektrilise läbitavusega

ehk konstandiga & ,milline on alati suurem kui üks.

& = E0 /E 8 1 kus E0 on välise elektrivälja tugevus ja E on materjali sisese elektrivälja tugevus, milline on tingitud dipoolide poolt moodustatud potensiaalide vahest.

9

Senjettelektrikud ja piesoelektrline efekt. Senjettelektrik on eri liik dielektrik, milles polarisatsioon võib tekkida iseeneslikult, välise elektrivälja mõjuta. Senjettelektriku omadused võivad esineda ainult kristallilistel ainetel. Kristall jaguneb piirkondadeks (kõik piirkonnad ei ole ), millised on ideaalselt polariseerunud. Neid piirkondi nimetatakse doomeniteks. Kui tavalistel dielektrikutel on & suurusjärgus 10 , siis senjettelektrikutel on & suurusjärgus 10000 ÷ 100000 .

Lisaks öeldule võib polarisatsioon tekkida senjettelektrilistes ainetes ka mehaanilise mõjutamise teel. Nähtust nimetatakse piesoelektriliseks efektiks ( kr.k. pieso – rõhk ). Piesoelektriline efekt on ka räni kristallidel, mida kasutatakse ka tehnikas, näit. kvartsgeneraatorid. Juhid elektriväljas. Elektrijuhis on vabade elektronide hulk väga suur – ligikaudu 1022 1/cm3 . Tekib vabade elektronide liikumine elektrivälja tugevuse vektoriga vastupidises suunas. Jõudes juhi pinnale püüavad elektronid sealt väljuda. Neid tõmmatakse juhisse tagasi. Juhi pinna vahetus läheduses on alati elektronide pilv, milline on alati negatiivse laenguga, juhi pind aga positiivne. Laadimata keha puhul kaksik- kihi summaarne laeng on 0 . Vabade elektronide külluse tõttu saab väli juhi sees alati võrdseks välise väljaga ja summaarne väljatugevus kahaneb nullini. Välja nõrgenemist nullini kasutatakse varjestamisel. Kogu juht asub sama potensiaali juures ning elektriväljatugevus juhi sees on null.

E = 0 Kui laengutihedus juhi sees kasvab väga suureks hakkavad laengud juhist välja voolama. Tekib laengute ja gaasi liikumine nn. elektrituul.

10

Elektrimahtuvus. Elektrostaatikas tähendab elektrimahtuvuse mõiste laengut, mis kulub keha laadimiseks teatud potensiaalini. Keha potensiaal kasvab võrdeliselt talle antud laenguga. 6 ~ q. Võrdeteguriks on 1/C , seega saame

6 = q / C ehk C = q / 6

järelikult : Elektrimahtuvus on laeng , mis tuleb anda juhile , et muuta selle potensiaali ühe ühiku võrra.

1 C / V = 1 F (Farad – mahtuvuse ühik ) Kera mahtuvuse valem : C = 4%&0 &R

Kondensaator. (vt.lk.10 ) Kondensaatoriks nimetatakse teineteise lähedale asetatud ja teineteisest isoleeritud elektrijuhi paari.

Juhipaari mahtuvus on C = q / (61 - 62)

Kondensaatori mahtuvus on laeng , mis tuleb viia kondensaatori ühelt juhilt teisele , et muuta nende potensiaalide vahet ühiku võrra. Plaatkondensaatori elektrimahtuvus on võrdeline dielektriku läbitavusega , plaadi pindalaga ja pöördvõrdeline plaatidevahelise kaugusega. (vt.ka lk.10 ).

C = &0 &S / d

Laetud juhi energia võrdub laadimisel tehtud tööga. dA = 6 dq

Kogu töö keha laadimisel laenguni q on A = 6 q / 2

2

2

CUW 4Kondensaatori energia võrdub :

11

PLAATKONDENSAATOR

+9 -9

&

+ -

S

S

d

61 +

61 C1

C1 C2 C3 C2

62

C3

q = :qk = :Ck(61 - 62) = (61 - 62):Ck

62 -

C = :Ck

Uk = q / Ck

E k

Cq S

Ed

S

k d

S

kd

CS

kdC

S

d

4

4;

4 4 4

4 4

4

4 4

4

1

1 2

0

%9&

6 69 9

%9&

&%

&%

& &%

& ehk

(4 k =

1

0

)

6 6

6 6

1 2

1 2

1

1 1

; 4 : 4 : 4 :

;4 4 :

<

Uq

Cq

C

q C C

U

k

k k

k

MAX

U ( kond.)k

1 1

C Ck

4 :

12

2.ALALISVOOL.

Elektrivool. Asetades elektrijuhi elektrivälja hakkab juhis olevatele vabadele laengutele mõjuma elektriline jõud f = q E .See tekitab laengute korrapärase liikumise välja sihis (positiivsed välja suunas, negatiivsed vastassuunas). Seda nimetatakse elektrivooluks. Metallides, pooljuhtides on laengukandjateks elektronid. Elektrolüütides, ioniseeritud gaasides lisanduvad veel ioonid. Vool juhis kestab hetkeni, millal juhi kõigi punktide potensiaalid on võrdsustunud ja väljatugevus juhi sees kahanenud nullini. Et vool ei lakkaks peab juhi osade potensiaalide vahet säilitama.Selleks peab äravoolanud laengud mingit teist teed mööda endisele kohale tagasi viima. Neid tagasiviivaid jõude nimetatakse kõrvalisteks jõududeks.

Kõrvalisi jõude tekitav seadeldis kannab vooluallika nime.

Juhte, millede potensiaalide vahet säilitatakse, nimetatakse vooluallika klemmideks.Need jaotavad vooluringi sise- ja välisosaks.Vooluallikas asub sise osas. Voolusuunaks loetakse positiivsete laengute liikumise suunda (liiguvad tegelikult negatiivsed laengud). Kui voolu suund juhis ei muutu ajas , siis nimetatakse voolu alalisvooluks. Elektrivoolu iseloomustatakse tugevusega. Voolutugevus on võrdne ajaühikus juhi ristlõiget läbiva laenguga.

I = dq / dt Voolutugevuse ühikuks on amper ( A ). Voolutihedus on antud kohas vooluga risti asuvat pindalaühikut läbiv voolutugevus.

j = dI / dS ; j = e n v , kus e - laengukandjate laeng n - laengukandjate arv v - laengukandjate suunatud liikumise kiirus.

13

Elektromotoorjõud. Suurust , mis on võrdne positiivse ühiklaengu ümberpaigutamiseks tuleva kõrvaljõudude tööga nimetatakse elektromotoorjõuks ( emj.) =.

= A / q

Emj. ühikuks on volt ( V ).

Suurust, mis on arvuliselt võrdne elektrostaatiliste ja kõrvaljõudude poolt positiivse ühiklaengu ümberpaigutamisel tehtud tööga, nimetatakse pingelanguks ehk lihtsalt pingeks U antud ahela osal.

U12 = 61 – 62 + 12

Kõrvaljõudude puudumisel pinge U langeb kokku potensiaalide vahega 61–62 .

U12 = 61 – 62

Ohmi seadus. Ohm,Georg Simon tegi eksperimentaalselt kindlaks seaduse , millele vastavalt mööda homogeenset metallijuhti kulgeva voolu tugevus ( I ) on võrdeline pingelanguga ( U ) juhil.

I = U / R , kus suurust R nimetatakse juhi elektritakistuseks. Takistuse mõõtühikuks on oom ( " ).

R = !l / S , kus l – juhi pikkus S – juhi ristlõike pindala ! - juhi elektriline eritakistus 9 = 1 / ! on juhi erijuhtivus

Ohmi seadus diferentsiaalkujul j = 9 E

14

Enamikel metallidel kasvab tema eritakistus temperatuuri suurenedes. Joule`I – Lenzi seadus. Juhis eralduva soojuse hulk on võrdeline tema takistusega ,volutugevuse ruudu ja ajaga. Q = RI2 t Kirchhoffi seadused. 1. Sõlmes koonduvate voolude algebraline summa on võrdne nulliga.

: Ik = 0 Ahela sõlmeks nimetatakse punkti, kus koondub rohkem,kui kaks juhet. 2. Kinnises kontuuris võrdub emj. algebraline summa pingelangude (IR)

algebralise summaga.

I1R1 = 61 – 62 + &1

I2R2 = 62 – 63 + &2

I3R3 = 63 – 64 + &3

I4R4 = 64 – 61 + &4

: IkRk = : Ek

15

Vooluallika kasutegur. Elektriahel koosneb reeglina vooluallikast, ühendusjuhtmetest ja voolutarbijast ehk koormusest.

RRI

>4

0

&

kus R0 - vooluallika sisetakistus R - koormuse takistus & - vooluallika elektromotoorjõud

RR

RIRU

>44

0

&

Kui R = ? , siis U = & seega on pinge ahelast lahtiühendatud vooluallika klemmidel võrdne tema elektromotoorjõuga.

RR

RU

P

Pk

>444

0&@

P = &I on vooluallika kogu võimsus Pk = UI on vooluallika kasulik võimsus Kasuliku võimsuse suhe vooluallika kogu võimsusesse määrab vooluallika kasuteguri ( @ ). Kasuliku võimsuse ja kasuteguri funktsioon takistuste suhtest, mis näitab, et maksimaalse kasuliku võimsuse saame takistuste suhte juures R/R = 1 ning kasu- tegur @ võrdub siis 50% .

16

3.MAGNETISM. Magnetväli vaakumis. Amper`i seadus. Paigalseisva laengu puhul magnetvälja ei täheldata.Magnetväli tekib koos liikuvate laengute ehk elektrivooluga.

Magnetvälja põhiomadus on, et ta mõjutab välja asetatud liikuvat laengut ehk elektrivoolu jõuga. Seda nimetatakse magnetiliseks jõuks. Seega: Elektrivool on nii magnetvälja tekitaja kui ka selle mõju vastuvõtja. Amper`i seadus: Juhile avalduv jõud on võrdeline voolutugevusega ja juhi pikkusega ning oleneb juhi asendist magnetväljas ja magnetvälja tugevusest.

F = k1BIlsin5 , kus võrdetegur k1 = 1. (vt.ka lk. 16 ). Biot`- Savart`i– Laplace`i seadus: Mis tahes volu magnetväli on arvutatav selle voolu elementide poolt põhjustatud magnetvälja tugevuste vektoriaalse summana , kusjuures vooluelementide väljatugevus arvutatakse valemi

dB = k2Idlsin5 × 1/r2

abil, kus 5 on nurk vooluelemendi vektori Idl ja sellelt väljapunkti viiva raadiusvektori r vahel ning dB vektori suund on risti mõlema vektoriga.

(vt.ka lk. 17 )

K2 = A0 / 4% ja magnetvälja konstant µ0 = 4% 10-7 H / m H – induktiivsuse ühik hendri. Sirg – ja ringvoolu magnetväli.

R

IB

20A4

b

IB

%A

204

17

AMPER`i seadus.

N N I

l

F

B

S

F ~ BIlsin5 F = k1IlBsin5

k1= 1 B – induktsioon ( ühik 1 Tesla )

F = k1Il × B

18

Biot`- Savart`- Laplace`i seadus.

I

Idl A r dB 5

dB = k2 Idl sin51/r k2 =

A/4% = 10

-7 H

/m

H (henri) – induktiivsuse ühik

dB = k2 Idl × r/r

r /r – ühik vektor

19

Magneetikud. Aine magnetilisi omadusi iseloomustatakse magnetilise vastuvõtlikusega ( B ). Magneetikud jaotatakse sõltuvalt B - st vastavalt: - Diamagneetikud Bkm ~ 10-8 ÷ 10-7 m³/kmool (negat.) - Paramagneetikud Bkm ~ 10-7 ÷ 10-6 m³/kmool (posit.) - Ferromagneetikud Bkm ~ 103 m³/kmool (posit.) ( 1 + B ) = A - materjali magneetiline läbitavus Bkm = C / T , kus C on Curie` konstant Ferromagnetism. Erilise magneetikute klassi moodustavad ained, mis on võimelised magneetuma isegi välise magnetvälja puudumisel.Kõige levinuma esindaja raua järgi said nad nimeks ferromagneetikud. Siia kuuluvad raud ,nikkel,koobalt, nende sulamid, mangaani ja kroomi sulamid. On samuti ferromagneetilised pooljuhid, mida nimetatakse ferriitideks. Nõrgalt magnetiliste ainete magneetumus sõltub väljatugevusest lineaarselt. Ferromagneetikute magneetumus sõltub väljatugevusest keerulisel viisil.Vaata hüstereesisilmust.

B = A0(H + I) , kus I on magneetuvus

BBr - jääk induktsioon Ir - jääk magneetuvus Hc - koertsitiivsus

20

Ferromagneetiku põhikarakteristikud: BBr , Hc ja Amax

Ferromagneetikute magnetilised omadused on tingitud elektronide omamagnetmomentidest. Kristallilises struktuuris võivad need moodustada piirkonnad mida nimetatakse domeenideks. Teatud temperatuuril Tc kaotab aine ferromagnetilised omadused. Seda punkti nimetatakse Curie` punktiks. ( raual ~ 768 °C , niklil ~ 365 °C ) Kui Hc suur, siis ferromagneetik on kalk ja hüstereesi silmus on lai. Kui Hc väike, siis ferromagneetik on pehme ja hüstereesi silmus on kitsas.

Püsimagnetite jaoks kasutatakse kalke ferromagneetikuid, nende jääk induktsioon on suur.

Trafode, el.mootorite, generaatorite jm. südamikud valmistatakse pehmestferromagneetikust, millede jääkinduktsioon on hästi väike.

21

4.ELEKTROMAGNETILINE INDUKTSIOON. “ induktio “ - ergutamine.

Michael Faraday (1791 – 1867) Emil Lenz (1804 – 1865)

Galvanomeetri ahelas (kinnises vooluallikata kontuuris ) tekkivat voolu nimetatakse induktsioonivooluks. Selle põhjustaja on magnetvoo muutumine ajas. Elektromagnetilise induktsiooni seadus (Faraday seadus): Igas kinnises kontuuris indutseeritakse elektrivool, kui muutub kontuuri poolt aheldatud magnetvoog ajas. Lenz`i seadus: Induktsioonivoolul on alati selline suund, et tema magnetväli takistab induktsioonivoolu esilekutsuvat magnetvoo muutust.

Induktsioonvoolu , nagu igasugust elektrivoolu , tekitab mingi elektromotoorjõud. Vastavad kõrvaljõud on magnetjõud.Need tekitavad

induktsiooni elektromotoorjõu &i .

El.magn.induktsiooniseadus: Kontuuris indutseeritud elektromotoorjõud on võrdeline kontuuri läbiva magnetvoo muutumise kiirusega.

dt

di

C4 –&

Seni oli induktsiooninähtuse tekitajaks väline magnetväli. Kui nähtuse põhjustajaks on juhi enda magnetväli, siis niisugusel juhul nimetatakse nähtust eneseinduktsiooniks. Igasugune magnetvoog on võrdeline magnetilise induktsiooniga B . Kuna B on võrdeline omakorda teda tekitava voolutugevusega, siis on ka järelikult voolukontuuri läbiv, tema enda voolust tingitud magnetvoog samuti võrdeline vooluga.

D = LI , kusjuures võrdetegurit L nimetatakse induktiivsuseks . Induktiivsuse ühikuks on hendri ( H ).

22

5. POOLJUHID JA NENDE RAKENDUSI.

Pooljuhtmaterjalide elektrijuhtivus.

Pooljuhtideks nimetatakse materjale, mis jäävad oma elektriliste omaduste poolest juhtide ja dielektrikute vahele. ( ! = 10-5 ÷ 10-7 " m ) Pooljuhtidel on tugev juhtivuse sõltuvus temperatuurist, elektrivälja tugevusest, valgustatusest, mehaanilisest survest , vm. Pooljuhtides on nii elektronjuhtivus (vabad elektronid) kui ka aukjuhtivus (vabad augud). Materjalideks on : seleen, germaanium, räni, galliumarseniid, jm. Konstantsel temperatuuril on elektron-auk paaride keskmine arv pooljuhtkristalli ruumala ühikus muutumatu. Pooljuhtide takistuse temperatuuritegurid on negatiivsed ning absoluutväärtuselt 10 ÷ 20 korda suuremad kui metallidel. Pooljuhte, kus on ülekaalus elektronjuhtivus nimetatakse n – pooljuhtideks. Pooljuhte, kus valdavaks on aukjuhtivus nimetatakse p – pooljuhtideks. Lisanditega võime muuta juhtivust: Doonorlisandid – muudavad valdavaks elektronjuhtivuse. Aktseptorlisandid – muudavad valdavaks aukjuhtivuse. Pooljuhtventiil ehk diood. ( vt.lk. 22 ) Pooljuhtventiiliks on pooljuhtkristall, kus on loodud auk- ja elektronjuhtivusega piirkonnad ning nende puutepinnal asuv tõkkekiht ehk pn – siire. Poljuhtventiil on selgelt ühesuunalise juhtivusega .Selgitav joonis ja karakteristikud vaata lk. .

23

DIOODID

doonorlisandid

KOVALENTSSIDE n - pooljuhid ( elektronjuht. )

p - pooljuhid ( aukjuhtiv. )

aktseptorlisandid

Ev

Es Es

p n p n

A +I pooljuhtventiili karakteristik

-U 200 +U

1

20 V

AA -I

Ka

päri

vastu

I

I4

Põhi parameetrid: Ipäri(max) ; Upäri=f(Ipäri)

Uvastu(max) ; Ivastu(max) Pmax ; fmax

24

Pooljuhttriood ehk transistor.

p – n – p Baas - elektronjuhtivus

Emitter, Kollektor - aukjuhtivus

Tansistor on kahe pn – siirdega kristall. Sõltuvalt juhtivustüübist on kas p-n-p tüüpi või n-p-n tüüpi transistorid. Transistori keskmist osa nimetatakse baasiks , äärmisi osasid vastavalt emiteriks ja kollektoriks. Transistori efekti avastasid J. Bardeen ja W. Brattain 23.dets. 1947.a. ( Nobeli preemia 1956.a. ).

Türistorid.

Türistoriks nimetatakse tüüritavat pooljuhtventiili, kus nelja vaheldumisi oleva p ja n piirkonna vahel asub kolm pn-siiret. Türistoril on kolm elektroodi: - anood A

- katood K - juhtelektrood JE

25

6. ELEKTROLÜÜS. Molekulide lagunemine lahustes. Aineid, milles elektrivool põhjustab keemilisi muutusi, nimetatakse teist liiki juhtideks ehk elektrolüütideks.Nende hulka kuuluvad soolade, hapete või leeliste vesilahused või lahused mõne teise vedelikuga.

_____ lahustuva aine molekul + – katioonid -------- lahusti molekulid - – anioonid Voolukandjateks on elektrolüüdis ioonid , milleks lahuses lagunevad lahustatava aine molekulid. Vedelikest suurima - ga on vesi ( = 81 ). Elektrolüüs. Kui asetada elektrolüüti tahkest juhist plaadid (elektroodid) ja rakendada neile pinge hakkavad ioonid suunatult liikuma tekitades elektrivoolu.

Katood - negatiivne elektrood Anood - positiivne elektrood Katoodile liikuvaid positiivseid ioone nimetatakse katioonideks. Anoodile liikuvaid negatiivseid ioone nimetatakse anioonideks. Elektrolüüti läbiva vooluga kaasneb elektrolüüdi koostisosade eraldumine elektroodidel. Seda nähtust nimetatakse elektrolüüsiks.

26

Faraday seadused : 1.seadus. Elektroodil eraldunud aine hulk on võrdeline elektrolüüti läbinud laenguga .

m = k q kus m – aine mass k - elektrokeemiline ekvivalent 2.seadus. Kõikide ainete elektrokeemilised ekvivalendid on võrdelised nende keemiliste ekvivalentidega.

k = A / F·z kus A – aatomimass F – Faraday arv ( F = 96,5·106 C/kg ekv

) Z - aine valents Temperatuuri tõustes ioonide liikuvus suureneb ning seetõttu suureneb ka elektrolüütide elektrijuhtivus.

Elektrolüüsi kasutamine tehnikas. 1. Galvanoplastika. 2. Galvanosteegia. 3. Elektrometallurgia. 4. Elektrolüütiline poleerimine. 5. Elektrolüütkondensaatorid. 6. Keemilised vooluallikad.

- batareid - akumulaatorid pliiakud leelisakud dryfit,geel ja AGM tüüpi akud

- kütuse element

27

7.VAHELDUVVOOL.

Üldmõisted.

Vahelduvvoolu laialdase kasutamise põhjuseks on see, et teda on võimalik lihtsalt ja ökonoomselt transformeerida ning saada sel teel nii kõrge- kui ka madalpinge elektrivõrke.

Vahelduvvooluks nimetatakse perioodiliselt muutuvat voolu, mille väärtused korduvad teatud muutumatu ajavahemiku järel, mida nimetatakse perioodiks (T).

Vahelduvvoolu, - pinge, - emj väärtust mingil suvalisel hetkel (t) nimetatakse vastava suuruse hetkväärtuseks ja tähistatakse väikeste tähtedega i , u ja .

Perioodi kestel esinevat suurimat hetkväärtust nimetatakse amplituudväärtuseks.

Näiteks Im , Um , m .

Elektromotoorsejõu hetkväärtus = m sin(!t + ")

Ohmi seadus ja Kirchhoffi seadused jäävad õigeks ka muutuva pinge ja voolu hetkväärtuste jaoks, kui need muutused pole liiga kiired.

u = Umsin !t

tItR

U

R

ui m

m !! sinsin ###

R

UI m

m #

28

Induktiivpooli läbiv vahelduvvool.

Kui rakendame poolile vahelduva pinge ,tekib poolis vahelduvvool, mis indutseerib eneseinduktsiooni elektromotoorsejõu.

Kui eeldame, et poolis R ~ 0, siis vastavalt ohmi seadusele tekib takistus, mida nimetatakse induktiivseks reaktiivtakistuseks ja tähistatakse

xL = !L

= - L di / dt

tUdt

diL m !sin#0–sin #

dt

diLtUm !

tL

Ui m !

!cos#

tdtL

Udi m !sin#

L

UI m

m !#

Pingelang pooli otstel edestab pooli läbivat voolu faasis 90o võrra.

29

Kondensaatorit läbiv vahelduvvool.

Olgu vahelduvpinge rakendatud kondensaatorile C . Kondensaatori pideva ümberlaadimise tõttu kulgeb vooluringis vahelduvvool. Kui eeldada, et kondensaatoris R ~ 0, siis vastavalt ohmi seadusele tekib takistus, mida nimetatakse mahtuvuslikuks reaktiivtakistuseks ja tähistatakse

Cxc !

1#

mm IC

U!1

#

tUC

qu mc !sin##

C

UCUI m

mm

!

!1

##tCUidt

dqm !! cos##

Pinge kondensaatoril jääb teda läbivast voolust faasis maha 900 võrra .

30

Kondensaatorit, induktiivpooli ja takistit sisaldav vahelduvvooluahel.

$ %2

2

2 1– mmm UI

CLRI #&

'

()*

+,-

./0

12!

!

u = Umsin !t ; i = Imsin(!t - ")

22 1– ,

-

./0

12

#

CLR

UI m

m

!!

$ %2222 1

CL xxRC

LRz 32#,-

./0

1 32#!

!

Kogu takistus Z on aktiivtakistuse R ja reaktiivtakistuste XL ning XC vektoriaalne summa.

31

Sõltuvalt sellest, milline on XL ja XC vahekord, vool kas jääb pingest maha või edestab pinget.

Kui !L 4 1/!C , siis jääb vool pingest maha.

Kui !L 5 1/!C , siis edestab vool pinget.

Kui !L = 1/!C , siis muutuvad vool ja pinge faasis

Vahelduvvooluahelas eralduv võimsus.

Võimsuse hetkväärtus on pinge ja voolu hetkväärtuste korrutis.

Praktilist huvi pakub ajas keskmistatud P(t) väärtus, mille tähistame lihtsalt P.

P = 0,5UmImcos"

Voolu efektiivväärtus I = Im / 2

Pinge efektiivväärtus U = Um / 2

Eelpool toodust võime kirjutada , et P = UIcos"

Võimsuse valemis cos" nimetatakse võimsusteguriks.

Kui X = 0 , siis cos" = 1 ja P = U I

Kui R = 0 , siis cos" = 0 ja P = 0

Tehnikas püütakse cos" muuta võimalikult suureks.Tööstuses kasutatakse cos" parandamiseks kondensaatorpatareisid.

Kolmefaasilised ahelad.

Kolmefaasiliseks pingesüsteemiks nimetatakse kolmest ühel ja samal sagedusel töötavast vahelduvvooluahelast koosnevat süsteemi, kus energiaallikas tekitab kõigi ahelate emj , mis on üksteisest erineva algfaasiga.

Kolmefaasilise süsteemi üksikahelaid nimetatakse faasideks.

Faaside vaheline nihe on 26 / 3 ehk 120 0 .

32

8.TRANSFORMAATOR.

Transformaatoriks nimetatakse elektromagnetilist seadet, mis on mõeldud teatud pingega vahelduvvoolu muundamiseks sama sagedusega , kuid teistsuguse pingega vahelduvvooluks.

Trafo ülekandearvuks kutsutakse trafo sekundaar- ja primaarmähise keerdude arvu suhet.

Autotrafoks nimetatkse trafot, mille alampingemähiseks on osa ülempingemähisest.

Iax = I1 – I2

Iax 5 I1 w1 4 w2

33

O P T I K A.

1. OPTIKA PÕHISEADUSED.

Valgus on dualistliku loomuga: temas on nii laine kui ka korpuskulaarsed omadused.

Nähtustes nagu interferents, difraktsioon, polarisatsioon - käitub valgus kui laine.

Nähtustes nagu fotoefekt, röntgenefekt jt. - käitub valgus kui osakeste (footonite) voog.

Põhiseadused:

1) Valguse sirgjoonelise levimise seadus. Valgus levib homogeenses keskkonnas sirgjooneliselt.

2) Valguskiirte sõltumatuse seadus. Valguskiirte levimisel, nende lõikumisel nad ei mõjusta üksteist

3) Valguse peegeldumisseadus. Peegeldunud kiir, langev kiir ja selle langemispunktist keskondade lahutuspinnale tõmmatud normaal asuvad ühes tasandis ning peegeldumisnurk on võrdne ja vastasmärgiline langemisnurgaga. (vt.joonis)

Peegeldunud kiir Langev kiir

- 71 71 | - 71| = |71| Aine 1 Aine 2

72 12

2

1

sin

sinn#

77

Murdunud kiir

34

4) Valguse murdumisseadus. Murdunud kiir, langev kiir ja selle langemispunktist keskkondade lahutuspinnale tõmmatudnormaal asuvad ühes tasandis ning langemisnurga ja murdumisnurga siinuste suhe on antud keskkondade jaoks konstantne suurus.(vaata joonis)

n12 – teise keskkonna murdumisnäitaja esimese keskkonna suhtes ehk

suhteline murdumisnäitaja.

Mingi aine murdumisnäitajat vaakumi suhtes nimetatakse teme absoluutseks murdumisnäitajaks ( n1 ja n 2 )

5) Valguskiire pööratavuse seadus. Kui korduvalt peegeldunud ja murdunud kiirele vastassuunas lasta langeda teine kiir , siis see läbib sama tee, mis esimenegi kiir, kuid vastupidises suunas.

Langeva kiire energia jaotub peegeldunud ja murdunud kiire energiaks.

Kui peegeldunud kiire intensiivsus on võrdne langeva kiire intensiivsusega, siis seda nimetatakse täielikuks peegeldumiseks.

2.VALGUSE PARAMEETRID.

Valguse parametrid on: valguse kiirus, valgusvoog, valgustugevus, valgustatus, valgsus, heledus ( seosed ja ühikud vaata lk.34 ).

Valgusvoog on kiirgusvoog, mille suurust hinnatakse tekitatud valgusaistingu tugevuse järgi.

Valgustugevus on ühikulise ruuminurga kohta tulev valgusvoog

Valgustatust iseloomustatakse pinnaühikule langeva valgusvooga.

Valgsuseks nimetatakse pinnaühikult kõikides suundades kiiratud valgusvoogu.

Valgsus iseloomustab valgusallikat.

Heledus iseloomustab valguse kiirgamist (peegeldamist) mingis antud suunas.

35

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75

v

v ( ) - silma suhtelise tundlikuse funktsioon

valguse kiirus c = 299792,5 km/s, valgusvoog ! luumen ( lm )

valgustugevus I = d!/d" kandela ( cd )

valgustatus E = d!/dS luks ( lx )

valgsus R = d!/dS luks ( lx )

heledus B = I /#S cos$ nitt ( nt )

36

3.VALGUSE INTERFERENTS.

Ideaalne monokromaatiline tasalaine on laine, millel on täpselt üks kindel lainepikkus, sagedus ja võnkeperiood.

Reaalne elektromagnetiline laine on märksa keerulisem, ta koosneb suurest hulgast sinosoidaalsetest lainetest erinevate sageduste, amplituutide ja faasidega.Ka levimissuunad võivad neil olla erinevad.

Lainepikkuste vahemik 89 = 9max – 9min iseloomustab laine monokromaatilisust.

Ideaalsel juhul 89 = 0 . Suure 89 puhul on laine vähe monokromaatiline ehk polükromaatiline.(s.o. mitmevärviline )

Valguse puhul meie silm edastab eri lainepikkustega lainetest erinevaid värvusaistinguid vahemikus:

0,4 ÷ 0,75 :m

Need on valguse spektri värvid. Vaata lk. .

Polükromaatiline kiirgus ei oma kindlat lainepikkust, sagedust ja perioodi.

Selliste lainete liitumisel ei teki püsivat interferentsipilti.

Lained on vähe koherentsed. Seega lainete küllaldane monokromaatilisus on koherentsuse eeltingimus.

Interferents õhukestes kiledes. (vaata joonis ja seosed lk.36 )

8 – geomeetriline käiguvahe 80 – optiline teepikkuste vahe

Seega on olemas nagu ikka lainete korral :

- interferentsi maksimum, kus valguslained tugevdavad teineteist - interferentsi miinimum, kus valguslained kustutavad teineteist

Interferentsinähtuse rakendusi:

- gaasi murdumisnäitajate määramiseks - väga täpseks pikkuse ja nurkade mõõtmiseks - pindade töötluse kvaliteedi hindamiseks

Riistu interferentsi mõõtmiseks nimetatakse interferomeetreiks.

37

Valguse interferents.

Geomeetriline hilinemine AC + CD – AB = 8

Optiline hilinemine 8o = n (AC + CD) – 1×AB

Kui 8o= 2m9

/2 - tugevdavad teineteist

8o = (2m + 1)9/2 - kustutavad teineteist

m = 1, 2, 3,……

0,390 ÷ 0,425 µm VIOLETNE aisting0,425 ÷ 0,445 µm SININE aisting 0,445 ÷ 0,500 µm HELESININE aisting 0,500 ÷ 0,575 µm ROHELINE aisting 0,575 ÷ 0,585 µm KOLLANE aisting 0,585 ÷ 0,620 µm ORANZ aisting 0,620 ÷ o,740 µm PUNANE aisting

38

4.VALGUSE DIFRAKTSIOON.

Difraktsiooniks nimetatakse geomeetrilise optika seaduspärasustest kõrvalekaldumise nähtust valguse levimisel, mis on tingitud valgusele ette jäävatest tõketest.

See avaldub kõige selgemini valguse levimises geomeetrilise varju piirkonda.

Juhul kui lainepikkus on märgatavalt väiksem tõkke mõõtmetest, siis on difraktsioon nõrk ja raskesti avastatav. Just niisugune on olukord valguse kasutamisel.

Difraktsiooninähtused on seletatavad Huygensi – Fresneli printsiibi abil, mis kehtib kõikide lainete puhul.(vaata joonis lk.38 )

Printsiip: Kõiki valguslaine frondi punkte võib vaadelda uute valgusallikatena, millest kiirgunud lainete interfereerumise tulemusena määratakse lainefrondi iga uus asend.

Lainefrondi punktidest väljunud laineid nimetatakse sekundaarlaineteks.

Kui võnkumine on jõudnud mingisugusesse ruumipunkti, siis see punkt muutub uueks võnkumiste levitajaks.

Nii ongi iga lainefrondi punkt sekundaarlaine allikaks.

Sekundaarlainete interfereerumise tulemusena tekib uus lainefrondi asend.

Lõpmatu hulga lainete liitmise lihtsustamise eesmärgil jaotas prantsuse teadlane Fresnel (1788-1827) lainefrondi tsoonideks. (vt.lk. 38 )

Tsoonide asetus lainefrondil aa oleneb väljapunkti P asukohast, milles sekundaarseid laineid liidetakse.

Tsoonid joonistatakse punkti O ümber, mis on vaatluskohale P kõige lähem punkt lainefrondil.

Naabertsoonidest tulevate lainete käiguvahe on 9/2 ,Need lained kustutavad teineteist.

Kui tõketest vabal lainefrondi osal saab joonistada täpselt paarisarv Fresneli tsoone, siis punktis P tekib difraktsiooni miinimum.

Paaritu arvu puhul jäävad ühe tsooni piirest tulevad lained kustutamata, mis tõttu tekib difraktsiooni maksimum.

See meetod ei arvesta valguslainete intensiivsuste erinevust.

Fresneli tsoonide meetodiga saab määrata difraktsiooni ümaral aval ja kettal.(vt.lk.38 )

Valguse sirgjoonelisel levimisel valgusallikast S peab ekraanil tekkima ketta AB vari CD ; tegelikult tekib ekraanil hele täpp ja selle ümber vahelduvad tumedad ning heledad rõngad.

Difraktsioonivõreks nimetatakse üksteisega paralleelsete pilude süsteemi.

Praktilisi rakendusi:

- valguse lahutamist spektriks difraktsioonivõre abil - difraktsiooni nähtus määrab ka optiliste riistade lahutusvõime.Ei ole võimalik eristada

objekti punkte, mis asuvad üksteisele lähemal, kui on valguse lainepikkusega määratud mõõde.

- Röntgeni kiirguse puhul.

39

Fresneli tsoonid :

bm = b + m 9/2

kui m on paaritu arv kui m on paaris arv

40

5.VALGUSE DISPERSIOON.

Dispersiooniks nimetatakse aine murdumisnäitaja olenevust elektromagnetlaine sagedusest ( lainepikkusest ).

Aine murdumisnäitajat võib defineerida kahel viisil:

Üks neist on geomeetriline määratlus, mille järgi aine murdumisnäitaja on valguse langemis- ja murdumisnurga siinuste suhe, kui valgus langeb ainele vaakumist.

Teine määrab murdumisnäitaja levimiskiiruste järgi samades keskkondades.

n = sin7/sin; = c/v

kus c - valguse levimise kiirus vaakumis

v - valguse levimise kiirus aines

Murdumise füüsikaline põhjus on kiiruse muutus üleminekul ühest keskkonnast teise.

Maxwelli järgi n = :

Seega on murdumisnäitaja määratud keskkonna (aine) elektrilise ja magnetilise läbitavusega.

Optiliste sageduste juures ( 1014 Hz ) on tavaliselt : = 1 .Seega tuleb leida olenevus sagedusest.

Normaalse dispersiooni nähtusest tuleneb valguse lagunemine spektriks prismast läbiminekul. Seda kasutatakse aine kiirgus- ja neeldumisspektrite uurimisel.

Vastavaid riistu nimetatakse prismaspektrograafideks.

Valguse hajumine.

Klassikalise füüsika seisukohast, tekib valguse hajumine sellest, et ainet läbiv valguslaine paneb aatomeis olevad elektronid võnkuma.Homogeenses keskkonnas sekundaarlained kustutavad üksteist täielikult kõikides suundades, väljaarvatud primaarlaine levimise suund.Seepärast valguse hajumist ei esine.

Valguse hajumine tekib ainult heterogeenses keskkonnas. Selliseid keskkondi nimetatakse sogasteks keskkondadeks:

- suits s.o. gaas, kus hõljuvad tahke aine väikesed osakesed; - udu s.o. gaas, kus on väikesed vedeliku piisad; - suspensioon s.o. vedelik, kus hõljuvad tahke aine väikesed osad; - emulsioon s.o. vedelik, kus hõljuvad teise vedeliku väikesed osakesed (mis ei lahustu

selles vedelikus); - tahked ained , nagu piimklaas, pärlmutter, opaal jt.

41

6.VALGUSE POLARISATSIOON.

Nagu juba varem öeldud on valgus üks elektromagnetilise kiirguse eriliike.

Kiirgajst suurel kaugusel on laine tasapinnaline.

Nii E kui ka H vektor võngub risti laine levimise suunaga s.t. valgus on ristlainetus. Oluline osa on E vektoril, mida kutsutakse ka valgusvektoriks.

E võnkumise sihi ja kiiruse v poolt (levimise suund) määratud tasandit nimetatakse polarisatsioonitasandiks.

Loomulikus valguses vahelduvad erisihilised võnkumised üksteisega kiiresti ja korrapäratult.

Valgust, milles võnkumiste sihid on mingil viisil korrastatud nimetatakse polariseerituks.

Kui valgusvektor võngub ainult ühes tasandis, siis nimetatakse valgust lineaarselt polariseerituks.

Turmaliini anisotroopsus, ta polariseerib valgust.

Malus` seadus: I = I0 cos2"

I - valguse intensiivsus

minmax

minmax

II

IIP

3

3#

P - polarisatsiooni aste

42

7.SOOJUSKIIRGUS.

Kiirgava keha poolt kulutatav energia võib täieneda erinevatest energiaallikatest.

- keemilise reaktsiooni tagajärjel eralduva energia arvel tekkiv helendus s.o. kemoluminestsents.

- helendus, mis tekib sõltumatu gaaslahenduse erinevate vormide korral, ni-

metatakse elektroluminestsentsiks.

- tahkete kehade helendust, mis tekib elektronidega pommitamise tagajärjel nimetatakse katoodluminestsentsiks.

Luminestsentsiks nimetatakse antud temperatuuril keha soojuskiirgust ületavat kiirgust, mille kestus on märgatavalt suurem kiiratavate lainete perioodist s.o.

mittesoojuslik helendamine.

Luminestseerivaid aineid nimetatakse luminofoorideks.

Kõige levinum on kehade soojendamisest tingitud helendumine. Seda helendumise liiki nimetatakse soojuskiirguseks.

Ainus kiirgusliik, mis võib kiirgava kehaga olla tasakaalus on soojuskiirgus.

Soojuskiirgus esineb mistahes temperatuuril, kuid madalate temperatuuride korral kiiratakse praktiliselt ainult pikalainelisi (infrapunaseid) elektromagnetlaineid.

Soojuskiirgust iseloomustatakse energiavooga, mille suurust mõõdame vattides.

Kiirgava keha pinnaühikult kõikides suundades (ruuminurk 46 ) kiiratud energiavoogu nimetatakse keha energeetiliseks valgsuseks Re .

ReT = ( r!Td! ) , kus r!T - kiirgamisvõime

Kiirgamisvõime sõltub õige tugevasti keha temperatuurist.

Langegu keha elementaarsele pinnatükile energiavoog d<e . Sellest osa neeldub kehas d<e .

Dimensioonita suurust a!T = d<e / d<e nimetatakse keha neelamisvõimeks. See sõltub keha temperatuurist.

a!T =1,siis abs.must keha ; a!T 5 1,siis hall keha.

Kirchhoffi seadus: Kiirgamis- ja neelamisvõime suhe ei sõltu kehast, see on kõigi kehade jaoks ühesugune sageduse ja temperatuuri funktsioon.

r!T / a!T = f ( !,T)

Mida suurem on keha kiirgamisvõime, seda suurem on ka keha neeldumisvõime.

Hõõguvate kehade temperatuuri määramiseks kasutatakse mõõteriistu, milliseid nimetatakse optilisteks püromeetriteks.

Need jaotatakse kolme rühma:

- kiirguspüromeetrid - heleduspüromeetrid - värvuspüromeetrid

43

8.FOTOEFEKT.

Fotoelektriliseks efektiks e. fotoefektiks nimetatakse elektronide väljumist ainest valguse toimel.

Selle nähtuse avastas H.Hertz 1887.a.

Fotoefekti tagajärjel vabanenud elektronid liiguvad elektrivälja mõjul anoodile.

Selle tulemusena tekib ahelas fotovool , mille tugevust saab mõõta galvanomeetriga.

Selleks, et fotovoolu tugevus saaks nulliks, tuleb kasutada pidurdavat välja, mille tekitame pidurduspingega Up .

A.Stoletovi seadused:

- valguse toimel eralduvad laengud on negatiivsed; - suurim mõju on ultraviolettvalgusel; - kehast eraldunud laengu suurus on võrdeline neeldunud valgusenergia hulgaga s.o. kvantide arvuga.

Katoodist väljunud elektronide arv on võrdeline valgusvooga.

Ik ~ <

Suur osa kvantide energiast läheb valgust neelava aine soojendamiseks ja ainult väike osa fotoelektronidele.

Peale käsitletud välisfotoefekti on olemas ka sisefotoefekt, mida täheldatakse dielektrikutes ja pooljuhtides.

Siin toimub elektronide ümberpaiknemine valentsitsoonist juhtivustsooni.

Esimesel tekib auk-, teisel elektronfotojuhtivus.

Sisefotoefektil põhineb nn. fototakistite töötamise põhimõte.Moodustuvate laengukandjate arv on võrdeline langeva valgusvoo suurusega.Fototakisteid kasutatakse fotomeetrias ning paljudes automaatika skeemides.

Mõnikümmend järjestikku lülitatud räni pn – siiret moodustavad juba nn.

päikesepatarei.