FÜÜSIKA III

ELEKTRODÜNAAMIKA

FÜÜSIKA III

TÖÖKORRALDUS

• Esmalt tutvustan loengu vormis teemade teoreetilisi aspekte. (Hoiatan ette, et käsitlen teemasid sisulisemalt kui õpikus, mistõttu loengutel aktiivselt osalemine tuleb kasuks)

• Paralleelselt käsitletavate teemadega lahendame ülesandeid, kui võimalik, siis teeme ka laboratoorseid töid (ülesannete tekstid saate trükitult, palun need säilitada)

• Valemeid ei ole vaja pähe õppida. Saate mult valemete lehed, palun ka need säilitada

• Mõne teema puhul valmistan ette elektroonilised töölehed, nende täitmine enne kontrolltööd on kohustuslik (NB! Palun mulle avalikustada oma e-posti aadressid. Minu omad on [email protected] või [email protected])

• Enam kui 1/3 tundidest põhjuseta puudunutele kursuse hinnet välja ei panda.

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

KURSUSE HINDAMINE

• Kursuse hinne pannakse välja jõuluvaheaja alguseks. • Kursuse hinne kujuneb 3-4 kontrolltöö hinde koondina.

Kõigi kontrolltööde tegemine on kohustuslik!• Kontrolltööst informeerin teid vähemalt 1 nädal ette,

annan kordamisküsimused ja kordamisülesanded. Vähemalt ühe kontrolltöö eelse tunni kulutame konsultatsioonile.

• Töös küsin täpselt neidsamu küsimusi ja samatüübilisi ülesandeid.

• Kontrolltöö ülesannete punktikaal on teada. Hindamise skaala: 90 ... 100% - „5“; 75 ... 89% - „4“; 45 ... 74% - „3“; 20 ... 44% - „2“; 0 ... 19% - „1“

• Kõik kontrolltööst põhjuseta puudujad saavad automaatselt hinde „1“

KURSUSE HINDAMINE

• UUENDUS! Mitterahuldavaid hindeid EI OLE VÕIMALIK jooksvalt parandada. Tööd saavad järgi vastata AINULT PÕHJUSEGA puudujad. Reeglina toimub järlevastamine füüsikatunni ajal.

• Kursuse lõpus on tervet kursuse materjali hõlmav arvestustöö. See on KOHUSTUSLIK nendele, kellel on kaks või enam mitterahuldavat hinnet. Kursuse tööd võivad soovi korral teha ka need, kes tahaksid oma kursusehinnet parandada. Arvestustöö hinde kaal on kursuse hindest 50%

• Arvestustöö koostamisel võtan näidiseks füüsika riigieksami vormi st selle sooritamisel eeldan kursusel õpitu mõistmist, mitte pähe õpitud teksti ettekandmist

KURSUSEL KÄSITLETAVAD TEEMAD

I. ELEKTROSTAATIKA• Elektrilaeng• Coulomb’i seadus• Elektrilised jõud• Elektriväli• Elektriline pinge• Aine elektriväljas• Kondensaatorid


II.ALALISVOOL• Elektrivool metallides• Ohmi seadus• Millest sõltub juhi takistus?• Juhtide jada-ja rööpühendus• Alalisvoolu töö ja võimsus• Elektrivool vedelikes• Elektrivool gaasides


III.MAGNETISM• Püsimagnetid• Magnetväli• Voolu magnetväli• Ampere’i seadus• Lorenzi jõud• Laetud osakeste liikumine magnetväljas• Aine magnetväljas

F Ü Ü S I KA I I I

ELEKTROSTAATIKA

ELEKTRILAENGE L E KT R O S TA AT I K A

F Ü Ü S I K A I I I

ELEKTRILAENG

• Milline muudatus toimub kehaga, kui temale anda või temas tekitada ELEKTRILAENG?

• Elektrilaengut omavatel kehadel on võime astuda teiste kehadega elektrilisse vastasmõjusse

• ELEKTRILAENG on füüsikaline suurus, mis iseloomustab keha omadust astuda teiste kehadega elektrilisse vastasmõjusse

• Millised on kehade elektriseerimise viisid?1. Kehad elektriseeruvad omavahelisel hõõrdumisel,

kusjuures elektriseeruvad mõlemad hõõrdumisest osa võtvad kehad

2. Kehad elektriseeruvad kokkupuutel teiste elektrilaengut omavate kehadega

http://www.fyysika.ee/opik/index.php?tase=asi&idex=432&idse=440


KAHTE LIIKI ELEKTRILAENGUD

• Kuna elektrilaengut omavad kehad võivad omavahel nii tõukuda kui ka tõmbuda, siis järeldub sellest, et looduses eksisteerib kahte liiki elektrilaenguid

• Laenguid liigitatakse „positiivseteks“ ja „negatiivseteks“ laenguteks

• Samaliigilised elektrilaengud tõukuvad, eriliigilised tõmbuvad



+ +

- -

+-

KEHADE LAADUMISMEHHANISM

• Kõik kehad koosnevad AATOMITEST• Aatomid koosnevad posiivselt laetud

AATOMITUUMAST ja negatiivselt laetud ELEKTRONKATTEST

• Aatomituum sisaldab vähima võimaliku positiivse laenguga PROOTONEID, elektronkate vähima võimaliku negatiivse laenguga ELEKTRONE

• Pootoni positiivne laeng on absoluutväärtuselt võrdne elektroni negatiivse laenguga

• Prootonite ja elektronide laengut nimetatakse ELEMENTAARLAENGUKS

• Tuumas sisalduvate prootonite arv on normaaltingimustel võrdne elektronide arvuga elektronkattes – aatom on tervikuna elektrilaenguta


• Selleks, et keha omandaks elektrilaengu, tuleb muuta kehas sisalduvate elektronide arvu

Prootonite arv N1 prootonite kogulaeng q1=N1·

e+

Elektronide arv N2 elektronide kogulaeng

q2=N2· e-

Normaaltingimustes on N1=N2 ja et ka q1=q2, siis

Σq=0


• Kehale negatiivse elektrilaengu andmiseks tuleb suurendada elektronide arvu kehas


e+


q2=N2· e-

Kui N1<N2 siis Σq<0KEHAL ON NEGATIIVNE

LAENG


• Kehale positiivse elektrilaengu andmiseks tuleb vähendada elektronide arvu kehas


e+


q2=N2· e-

Kui N1>N2 siis Σq>0KEHAL ON POSITIIVNE

LAENG

LAENGU ÜHIKUD

• Laengu suurust mõõdetakse KULONITES (1C)

• Kui voolutugevus juhis on 1A, siis läbib igas sekundis juhi ristlõiget 1C suurune elektrilaeng

1C=1A· 1s ehk 1 C = 1 A· s

• Elementaarlaengu suurus on e = 1,6021773·10-19 C

• NB! Akude „eluiga“ mõõdetakse ampertundides. Mida tähendab aku laengu seisukohalt, et aku eluiga on 2100 mAh?

2100 mAh = 2100 mA·1h = 2,1A·3600s = 7560 As (ehk C)

ELEKTRILAENGU JÄÄVUSE SEADUS

• Elektriliselt isoleerituks nimetatakse sellist süsteemi, kus laengute hulk iseenesest ei muutu

• Elektriliselt isoleeritud süsteemis on elektrilaeng jääv suurus

Σq = Σq’

• kus Σq – süsteemi kogulaeng mingi protsessi alguses ja Σq’ - süsteemi kogulaeng pärast mingi protsessi toimumist

LAENGU JÄÄVUS KEHADE LAADUMISEL (HÕÕRUMINE)

KEHA I

KEHA II

Keha I laeng vaatluse alghetkel on 0

Keha II laeng vaatluse alghetkel on 0

Seega süsteemi kogulaeng on samuti 0


KEHA I

KEHA II

Hõõrume kehi omavahel


KEHA I

KEHA II

Keha I omandab hõõrdumise tagajärjel laengu q

siis peab teine keha omandama samal ajal laengu -q

sest kehtib laengu jäävuse seadus ja süsteemi kogulaeng peab olema

jätkuvalt 0 q + (-q) =0

LAENGU JÄÄVUS KEHADE LAADUMISEL (PUUTEL)

KEHA I

KEHA II

Keha I laeng vaatluse alghetkel on 0

Keha II laeng vaatluse alghetkel on q2

Seega süsteemi kogulaeng on samuti q2


KEHA I

KEHA II

Viime kehad kokkupuutesse ja eemaldame siis

teineteisest


KEHA I

KEHA II

Keha I omandab kokkupuute tagajärjel laengu q1’

siis peab teine keha omandama samal ajal laengu q2’=q2-q1’

sest kehtib laengu jäävuse seadus ja süsteemi kogulaeng peab olema

jätkuvalt q2 (q2 – q1’) + q1’ = q2

COULOMB’I SEADUS

• Laetud kehi, mille mõõtmed võib kehade suurust ja kehadevahelist kaugust silmas pidades jätta arvesse võtmata, nimetatakse punktlaenguteks.

• Punktlaengute vahel võivad mõjuda nii tõmbe- kui tõukejõud, nende elektriliste jõudude suurus määratakse Coulomb’i seadusega

• Coulomb’i seadus:Kaks punktlaengut mõjutavad teineteist vaakumis jõududega, mis on võrdelised laengute suurustega ja pöördvõrdelised nende vahelise kauguse ruuduga.

COULOMB’I SEADUS

• kus Fc – elektriline jõud (N), q1 – I laengu suurus, q2 – II laengu suurus (mõl. C), r – laengute vaheline kaugus (m), k = 9·109 m2 /(N· C2) – elektriline konstant

• Osakestele mõjuvad elektrilised jõud on suunatud pikki laenguid ühendavat sirget.

q1 q2

�⃗�𝟏𝟐 �⃗�𝟐𝟏

Kaks keha (punktlaengut) mõjutavad teineteist jõududega, mis on sama suured, kuid suunalt

vastupidised (Newtoni III seadus)

F12=F21

VEKTORIAALSED SUURUSED

F Ü Ü S I KA I I I

VEKTORIAALSED SUURUSED

• Füüsikalisi suurusi, millel lisaks suurusele on olemas ka suund, nimetatakse vektoriaalseteks.• Vektoriaalsed suurused on näiteks: kiirus,

kiirendus, jõud jpt.• Vektoriaalseid suurusi kirjeldatakse VEKTORITE abil

•Vektor on suunatud sirglõik • Vektoriaalset suurust iseloomustava vektori pikkus ühtib vektoriaalse suuruse arvväärtusega, suund aga selle suuruse suunaga

N

Keha liigub kiirusega 4 m/s põhja

suunas

𝐯=𝟒𝐦𝐬

VEKTORI KOORDINAADID

x

y

𝒂ሬሬԦ

𝒂𝒙

𝒂𝒚

𝒂ሬሬԦ= (𝒂𝒙;𝒂𝒚;𝒂𝒛)

a 𝒂 = ට𝒂𝒙𝟐 + 𝒂𝒚𝟐

VEKTORITE LIITMINE (GRAAFILINE)

�⃗�

�⃗�

�⃗�

�⃗�+ �⃗�

VEKTORITE LIITMINE (KOORDINAATIDE MEETOD)

𝒂ሬሬԦ= (𝒂𝒙;𝒂𝒚;𝒂𝒛)

𝒃ሬሬԦ= (𝒃𝒙;𝒃𝒚;𝒃𝒛)

𝒂ሬሬԦ+ 𝒃ሬሬԦ= (𝒂𝒙+ 𝒃𝒙;𝒂𝒚+ 𝒃𝒚;𝒂𝒛+ 𝒃𝒛;)

ห𝒂ሬሬԦ+ 𝒃ሬሬԦห= ට(𝒂𝒙+ 𝒃𝒙)𝟐 + (𝒂𝒚+ 𝒃𝒚)𝟐 + (𝒂𝒛+ 𝒃𝒛)𝟐

LIITMISE ERIJUHUD

ห𝐚 ሬሬሬԦ+ 𝐛 ሬሬሬԦห= 𝒂+ 𝒃,𝒌𝒖𝒊 𝐚 ሬሬሬԦ↑↑ 𝐛 ሬሬሬԦ ห𝐚 ሬሬሬԦ+ 𝐛 ሬሬሬԦห= 𝒂− 𝒃,𝒌𝒖𝒊 𝐚 ሬሬሬԦ↑↓ 𝐛 ሬሬሬԦ

VEKTORI KORRUTAMINE ARVUGA

• Vektori korrutamisel positiivse arvuga muutub vektori pikkus korrutatava arvuga võrdne arv korda, vektori suund ei muutu.• Vektori korrutamisel negatiivse arvuga muutub vektori pikkus korrutatava arvuga võrdne arv korda ning vektori suund muutub esialgsega võrreldes vastupidiseks• Vektorit, mida on korrutatud arvuga (-1), nimetatakse selle vektori vastandvektoriks

ühik

𝒂ሬሬԦ

−𝒂ሬሬԦ

𝟐𝐚ሬԦ

−𝟑𝐚ሬԦ

𝟒𝐚ሬԦ

VEKTORITE LAHUTAMINE (GRAAFILINE)

�⃗�

�⃗�

�⃗�−�⃗�

−𝐛 ሬሬሬԦ

−𝐛 ሬሬሬԦ

Vektorite lahutamisel liidetakse vähendatavale vähendaja vastandvektor

VEKTORI KOORDINAADID JA SUUND

x

y

𝒂𝒙

𝒂𝒚

α

𝑠𝑖𝑛𝛼= 𝑎𝑦𝑎 → 𝑎𝑦 = 𝑎∙𝑠𝑖𝑛𝛼

𝑐𝑜𝑠𝛼= 𝑎𝑥𝑎 → 𝑎𝑥 = 𝑎∙𝑐𝑜𝑠𝛼

𝑡𝑎𝑛𝛼= 𝑎𝑦𝑎𝑥 𝒂𝒚

a𝒂ሬሬԦ= (𝒂𝒙;𝒂𝒚)

ARVUTA

ANTUD:

_________________Arvuta:• ja suund

• Vastus: • =3,6 ja α=-34°• =12,4 ja α=76°

ELEKTRIVÄLIFÜÜSIKA I I I

VASTASTIKMÕJU VAHENDAJAD

Kehadevaheline vastastikmõju võib:1) olla vahetu ...

... so vastastikmõjus olevad kehad on omavahel vahetus kokkupuutes.

2) toimuda läbi vahendaja

• Vahendajaks on kas:• mingi kolmas keha so aine• eriline mateeria vorm – väli

ELEKTRIVÄLI

• Elektrilise vastastikmõju vahendajaks so kuloni-liste jõudude tekkepõhjuseks on ELEKTRIVÄLI

• Elektrivälja omadused:• elektriväli on materiaalne objekt – ta eksisteerib alati elektrilaengute ümber• elektriväli mõjutab teisi temas asuvaid laenguid elektriliste jõududega• elektriväli levib ruumis lõpliku kiirusega

(elektrivälja levimise kiirus on 300 000 km/s)• ühes ja samas ruumipunktis võib olla samaaegselt mitu välja

ELEKTRIVÄLJA TUGEVUS

• Elektrivälja iseloomustatakse temasse asetatud punktlaengule mõjuva jõu abil.

• Punktlaengule elektriväljas mõjuv jõud on võrdeline tema elektrilaenguga:

• kus - laengule mõjuv jõud (N); q – punktlaengu elektrilaeng (C) ja - elektrivälja tugevus selles punktis

𝐅Ԧ= 𝐄ሬԦ𝐪

ELEKTRIVÄLJA SUUND

• Elektrivälja tugevuse vektori suunaks loetakse selles ruumipunktis positiivse laenguga punktlaengule mõjuva jõuga ühtivat suunda

• Kui väljas asub negatiivse laenguga punktlaeng, siis on elektrivälja tugevuse suund sellele mõjuva jõuga vastassuunaline

ELEKTRIVÄLJA SUPERPOSITSIOONI PRINTSIIP

• Kui mingis ruumipunktis on korraga mitme laengu poolt tekitatud elektriväljad, siis liituvad need üheks resultantväljaks

või• Kui mingis punktis on korraga mitu elektrivälja, siis liituvad nende väljade tugevused selles ruumipunktis nagu vektorid

�⃗�=𝐄𝟏+�⃗�𝟐+𝐄𝟑+…𝐄𝐍=∑𝐢=𝟏

𝐍

𝐄𝐢

ELEKTRIVÄLJA JÕUJOONED

• Elektrivälja jõujooned on mõttelised jooned, mille igas punktis on elektrivälja tugevus suunatud pikki selle joone puutujat

𝐄𝟏

𝐄𝟐

𝐄𝟑

ELEKTRIVÄLJADE JÕUJOONTE PILDID

•Punktlaengu elektriväli (joonis)•Kahe punktlaengu elektriväli (joonis)•Kahe laetud plaadi vaheline elektriväli (joonis)•Teraviku elektriväli•Elektriväli elektrijuhi sees • Elektrijuhi sees elektriväli puudub! Seda nähtust nimetatakse varjestamiseks







TÖÖ LAENGU LIIKUMISEL ELEKTRIVÄLJAS

FÜÜSIKA I I I

TÖÖ MÕISTE

• kus A – jõu poolt keha liigutamisel tehtav töö (J), – kehale mõjuv jõud, keha poolt sooritatav nihe (m); – nurk vektorite ja vahel (rad või kraadi)

• Kui 0°≤α < 90° või 270° < α ≤ 360°, siis A>0 – öeldakse jõud teeb tööd

• Kui 90°>α>270°, siis A<0 – öeldakse tööd tehakse jõu ületamiseks

• Kui α=90° või α=270°, siis A=0 – keha liigutamiseks jõud tööd ei tee

α�⃗�

�⃗�

ELEKTRIVÄLJA JÕUDUDE TÖÖ LAENGU LIIKUMISEL HOMOGEENSES

ELEKTRIVÄLJAS

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

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

+⃗𝒔

�⃗�

𝒅𝟏

𝒅𝟐

+ 𝑨=�⃗� �⃗� 𝐜𝐨𝐬𝜶

𝑭=𝑬𝒒

�⃗�𝐜𝐨𝐬𝛂=𝐝𝟏−𝐝𝟐

𝑨=𝑬𝒒 (𝐝𝟏−𝐝𝟐)

Elektrivälja jõudude töö ei sõltu keha liikumise trajektoorist!!

d1 – d2

ELEKTRIVÄLJA POTENTSIAALNE ENERGIA

• Elektrivälja asetatud keha (punktlaengu) potentsi-aalne energia iseloomustab selle laengu võimet teha tööd elektriväljas

kus Wp – elektrivälja potentsiaalne energia (J), E – elekrivälja tugevus (V/m), q – elektrilaengu suurus (C), d, (ka d1 ja d2) – kaugus potentsiaalse energia nullnivoost (m)

• Elektrivälja jõudude poolt laengu ümber paigutamiseks tehtav töö on võrdne punktlaengu potentsiaalse energia muudu vastandväärtusega

ELEKTRIVÄLJA POTENTSIAAL

• Elektrivälja potentsiaal φ iseloomustab sellesse väljapunkti asetatud ühikulise posi-tiivse elektrilaenguga keha potentsiaalset energiat

• kus φ – elektrivälja potentsiaal (V), Wp – potentsiaalne energia (J), q – laeng (C), E – elektrivälja tugevus (V/m), d – kaugus potentsiaalse energia null-nivoost (m)

PINGE

• Kahe elektrivälja punkti vaheline pinge iseloomus-tab väljajõudude poolt selle laengu ühest punktist teise liigutamisel tehtavat tööd.

• Kahe elektrivälja punkti vaheline pinge on võrdne nende punktide potentsiaalide vahega

• kus U – potentsiaalide vahe ehk pinge (V), φ1, φ2 – el. välja potentsiaalid (V)

KURSUSE HINDE KUJUNEMINE

1. Näide 1Kontrolltööde hinded 3, 4, 3, 5 KT-de keskmine hinne AVRG (3;4;3;5) = 3,75 Kursuse hinne 4Kontrolltööde hinded 3, 3, 3, 5 AVRG = 3,5 Kursuse hinne 4Kontrolltööde hinded 2, 4, 3, 5 AVRG = 3,5 Kursuse hinne 3, sest sisaldab puudulikku hinnet

2. Näide 2Kontrolltööde hinded 2, 3, 3, 5 AVRG = 3,25 kursus 3Arvestustöö hinne 4 AVRG(3,25; 4) = 3,6 kursus 4Arvestustöö hinne 5 AVRG(3,25; 5) = 4,125 kursus 4

3. Näide 3Kontrolltööde hinded 1, 2, 3, 1 AVRG = 1,75 Kursus 2Arvestustöö hinne 3 AVRG (1,75; 3) = 2,375 Kursus 2Arvestustöö hinne 4 AVRG (1,75; 4) = 2,875 Kursus 3Arvestustöö hinne 5 AVRG (1,75; 5) = 3,375 Kursus 3

AATOM

VAHETU VASTASTIKMÕJU

VAHENDATUD VASTASTIKMÕJU

AINE POOLT VAHENDATUD VASTASTIKMÕJU

ELEKTRIVÄLJA TUGEVUS

+

ELEKTRIVÄLI

ELEKTRIVÄLI

ELEKTRIVÄLI

ELEKTRIVÄLI

ELEKTRIVÄLI

ELEKTRIVÄLI

ELEKTRIVÄLI

+

ELEKTRIVÄLI

ELEKTRIVÄLI

ELEKTRIVÄLI

ELEKTRIVÄLI

ELEKTRIVÄLI

ELEKTRIVÄLI

ELEKTRIVÄLI

�⃗�

�⃗�

PUNKTLAENGU ELEKTRIVÄLJA JÕUJOONED

Jõujooned

LAENGUPAARI ELEKTRIVÄLI

KAHE PLAADI VAHELINE ELEKTRIVÄLI

• Sellist välja, mille jõujooned on paralleelsed sirged, nimetatakse homogeenseks väljaks.

• Homogeenses elektriväljas on elektrivälja tugevuse vektori suurus ja suund igal pool ühesugune

Documents

FÜÜSIKA III