Linnulennuline

ülevaade kursusest Sissejuhatus

Matemaatiline põhivara

Liikumine

Energia ja entroopia

Elekteromagnetism ja optika

Elektrilaeng, elektriväli ja elektrivälja tugevus

Elektriline potentsiaalne energia, potentsiaal ja pinge

Elektrivälja töö ja võimsus

Magnetväli

Elektromagnetiline induktsioon

Valgus ja praktiline optika

Bioelektromagnetism (iseseisvalt)

Eesmärgiks on saada ettekujutus molekulaarse (sh bioloogilise) aine ehitusest ja funktsioneerimise üldistest seaduspärasustest

Bioloogiline füüsika kitsamalt uurib füüsika põhipostulaatide kehtivust ja asjakohasust bioloogiliste küsimuste lahendamisel

Elektriõpetus

• Füüsika osa, mis käsitleb

seisvate ja liikuvate

elektrilaengutega seotud

nähtusi

• Jaguneb • elektrostaatikaks, mis käsitleb

paigalasuvate laengute

vastastikmõju ja asetumist

• elektrodünaamikaks, mis uurib

liikuvate laengutega toimuvat • Vrdl staatika ja dünaamika

mehaanikas

Põhimõisteid

Elektrilaeng: mõnede oskeste omadus, mis määrab nende

elektromagnetilise vastastikmõju.

Laengu jäävuse seadus:

Katsed näitavad, et suletud süsteemis kogulaeng (st + ja –

laengute summa) ei muutu

Elektrivool: elektrilaenguga osakeste voog

Elektriväli: elektrilaengu mõjuväli teistele elektrilaengutele

Elektriline potentsiaal: iseloomustab elektrivälja võimet

sooritada laengutega tööd

Laengutevahelised jõud

Ühemärgiliste laengute vahel

mõjuv tõukejõud (nn Coulomb’i

seadus)

2

G

MF(r) ma mG

r

Charles Augustin de Coulomb (1736 –1806)

Elektroni laeng on -e

Positroni laeng +e

2 2 2e e e e

qQ Q QF k qk qa qk

r r r

Võrdle gravitatsioonijõuga &

gravitatsioonilise kiirendusega,

mis iseloomustab välja tugevust 𝐹

𝑞= 𝑘𝑒

𝑄

𝑟2

𝐹

𝑚= 𝐺

𝑀

𝑟2

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Charles_de_coulomb.jpghttp://en.wikipedia.org/wiki/January_27http://en.wikipedia.org/wiki/1880

Publish or perish: Coulomb’i seaduse

avastas hoopis Henry Cavendish

Henry Cavendish (1731-1810)

Ei avalikustanud, oli nii töösse

süvenenud, et suhtles isegi

kodustega kirja teel

Elektrilaengu ühik on kulon (C)

Kulon on väga suur ühik. Vastab

6.25 *1018 elektroni laengule

Mitu mooli laenguid on 1 C?

Ühe elektroni laeng on

1/ 6.25 *1018 =1.6*10-19 C

Defineeritakse Coulomb’i seaduse

kaudu:

2

9

2

2

9

2

1 19.0 10

1

9.0 10

e

e

e

qQF k

r

k N

mk N

C

1 m

Võrdle

gravitatsioonikonstandiga

2G

mMF k

r

1C 1C

Keskonna dielektiline

läbitavus (SI süsteemis)

Vaakumis: Numbriline väärtus tingitud

ajalooliselt valitud ühikutest

Keskkonnas räägitakse

keskkonna suhtelisest

dielektrilisest läbitavusest:

Dimensioonitu suurus, mis

varieerub 1 (vaakum) ja 81

(destilleeritud vesi) vahel

Valkudes 2-3

Lipiidides 2

ja keskkonna dielektrilisest

läbitavusest:

konkreetne väärtus sõltub

temperatuurist!

0

12 2 2

2

9

2

1

4

1

4 *8.8542*10 / ( )

9*10

ek

C m N

Nm

C

0

1

4

1

4

e

s

Keskkonnas

k

0

s

2e

qQF k

r

0 s

Keskonna suhtelise dielektilise

läbitavuse füüsikaline sisu

Dielektriliseks nimetatakse

keskkonda, kus ei ole vabu laenguid

Dielektrikud on halvad elektrijuhid,

kuid nad on elektriliselt

polariseeritavad

Suhteline dielektriline läbitavus

kirjeldab, mitu korda nõrgeneb

laengute vahel mõjuv jõud, kui

laengud asuvad (vaakumist erinevas)

dielektrilises keskkonnas, nt raku

vedelikus või vees

samuti, mitu korda väheneb laengute

omavahelise interaktsiooni

potentsiaalne energia (seda mõistet

õpime hiljem)

0

1

4

1

4

e

s

k

:

ln :

pot

e

pot e

E QPotentsiaal V k

q r

QPotentsiaa e energia E qV qk

r

2

0

1

4s

qQF

r

Dielektriline konstant

bioloogias

Mida suurem on dielektriline konstant, seda väiksem on

laenute omavahelise interaktsiooni potentsiaalne energia

Seepärast kogunevad ioonid, makromolekulide ioniseeritud

osad ja polaarsed molekulid üldse kõrge dielektrilise

läbitavusega piirkondadesse (nt tsütoplasmasse), kus

nende energia on väiksem

Samal energeetilisel põhjusel tõrjutakse elektrilist laengut

omavad molekulid ja/või nende osad välja madala

dielektrilise läbitavusega keskkondadest (nt lipiididest), kus

nende energia on kõrge

0

ln :

1

4pot

s

Potentsiaa e energia

QE qV q

r

Kus on jõud laengute vahel

suuremad, vaakumis või vees?

Vaakum

Polaarne keskkond,

nt vesi

Elektrivool

Voolutugevus on

suurus, mida

mõõdetakse elektrijuhet

ajaühikus läbinud

laenguühikute arvuga

Voolutugevuse ühikuks

on Amper (A)

Voolutugevus on üks A,

kui juhet läbib üks C

laetud osakesi sekundis,

1 A=1 C/ 1 s

André-Marie Ampère (1775 –1836)

QI

t

1C=1A*s

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Ampere_Andre_1825.jpg

Elektrivoolu

suund Voolu suund on positiivse laengu

liikumise suund

Benjamin Franklini eksliku arvamise

järgi, et metallis liiguvad +

laengukandjad

Osutab potentsiaalide erinevusele

kahe meelevaldse ruumipunkti vahel

Joonisel on kujutatud ioonide voog

läbi rakumembraani.

Määrake voolu suund

Määrake

elektroni

liikumise

suund +

-

0

I

Elementaarvooluring

Tinglik skeem

Tehniline realisatsioon

Ohmi seadus: I = U/R

Takistuse ühik on oom

(Ω)

1 oom on juhtme

takistus, milles pingel 1V

voolab vool 1 A

Kaugeltki mitte kõik

materjalid ei allu Ohmi

seadusele, head juhid

aga küll

I

Georg Simon Ohm

(1789-1854)

Elektrilise

pinge

allikas

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Ohms_law_voltage_source.svghttp://en.wikipedia.org/wiki/File:Ohm3.gif

Etteruttavalt: Ainete liigitus

elektrilijuhtivuse järgi

Isolaatorid (dielektrikud)

ideaalseid isolaatoreid pole olemas

pooljuhid

metallid

Kehi (sh laetud kehi) ümbritsevad

väljad

Kehad ei eksisteeri tühjuses. Neid ümbritsevad väljad

Need väljad avastas Faraday

Keha/osakese tunneme ära sellest, et tal on olemas mass, mis samaaegselt väljendub nii liikumise inertsis kui ka keha ümbritsevas gravitatsiooniväljas

Kehal võib samuti olla elektrilaeng, mis põhjustab teda ümbritseva elektri- ja magnetvälja Joonis kujutab kahte (N ja S)

magnetpoolust ümbritsevat jõuvälja,

mida aitab näitlikustada paberile

raputatud rauapulber.

Skalaarsed väljad ja vektorväljad

Väljad võivad olla nii skalaarsed kui ka vektoriaalsed

Skalaarsed on potentsiaalse energia väljad Potentsiaalse energia

väljad, sest nende energia sõltub vaid kehade omavahelisest asendist ruumis

Vektorväljad on

jõudude väljad

Energiaväljad ja

jõuväljad on üksteisega

üks-üheselt seotud

F gradE

Elektriväli ja tema

jõujooned

Elektrivälja allikaks on elektrilaeng (+ või -)

Punktlaengu, mille väärtuseks on Q, poolt

tekitatud elektrivälja tugevus on ühikulisele

positiivsele + laengule mõjuv jõud (vektor!)

Elektrivälja tugevus ei sõltu proovilaengust

(samuti nagu gravitatsioonivälja tugevus

(kiirendus) ei sõltu teda proovivast massist)

Elektriväli on samasuunaline + märgiga

(proovi)laengule mõjuva jõuga

2e r

r

F QE k u

q r

u on F suunaline

ühikvektor

FE

q

- q q Jõud on suunatud

välja jõujoone

puutuja suunas

Elektriväljad laetud

kehade vahel

Välja jõujooned algavad +

laengult ja suubuvad – laengule

Elektrivälja tugevuse vektor E

välja igas punktis on jõujoone

puutuja suunaline näidates +

laengule mõjuva jõu suunda

Ükski välja jõujoon ei tohi

teisega lõikuda

Välja jõujoonte tihedus läbi

joontega ristioleva ühikulise

pinna on proportsionaalne välja

tugevusega (ehk seda välja

põhjustavate laengute arvuga)

Väljade näiteid

𝐹

𝑞= 𝑘𝑒

𝑄

𝑟2

𝐹

𝑚= 𝐺

𝑀

𝑟2

FE

q

Elektrivälja tugevus

on jõud

Ühik:

1 N/C =1 J/mC=1 J/Cm

=1 V/m

J/C=V; J=CV

Ühikulise laengu viimisel välja

ühest punktist teise, kui nende

punktide potentsiaalide vahe

on 1 V, tehakse töö 1J

Paneme tähele analoogiat

gravitatsioonivälja

tugevusega (ehk

kiirendusega), kus

ühikulise laengu asemel

seisab ühikuline mass

Ühik:

N/kg=J/mkg=J/kgm

Eraldi tähistust sellele aga

mehaanikas ei omistata

2e

F QE k

q r

F qE

2

2

mMF G

r

F MG

m r

Elektriväljade liitmine:

Jõud liituvad vektoriaalselt

Kahe positiivse

punktlaengu poolt

tekitatud summaarne

elektriväli ühes

punktis

Äike ehk

pikne

• Elektriväljas mõjub laengu q

elektrivälja jõujoonte puutuja

suunaline jõud

• Kui õhus olev elektriväli ületab

teatud kriitilise väärtuse, siis

toimub elektriline läbilöök –

protsess, milles elektriväli rebib

elektrone õhu aatomitest välja.

• Õhk hakkab elektrit juhtima.

Liikuvad elektronid põrkuvad oma

teekonnal teiste õhu aatomitega,

pannes neid valgust kiirgama.

• Pikne on seega vabade elektronide

liikumisjälg õhus. Artificially generated lightning crackles around Nikola Tesla's Colorado laboratory.

Elektrivälja

potentsiaalne energia

Tööd, mida tehakse laengu q nihutamisel teise laengu Q väljas

lõpmatusest antud välja punkti r nimetatakse selle punkti

potentsiaalseks energiaks

Välja tugevus sõltub koordinaadist, seega tulen töö leidmiseks

väikestel nihetel leitud tööd kokku liita (integreerida)

Elementaartöö, mida tuleb teha ehk kulutada (st töö on negatiivne)

selleks, et suurendada laengute vahelist kaugust dr võrra

2

( )

e

dA dr qEF r

qQk

dr

rr

d

,

( )

,

e

pot

e

qQk laengusamamärgilised

rr

erimärgili

d

A EqQ

k laengudsedr

NB! Tõmbuvate laengute potentsiaalne energia on negatiivne, tõukuvatel positiivne

Elektrivälja potentsiaal Igat välja punkti iseloomustab tema

potentsiaal

Tööd, mida tehakse ühikulise

positiivse laengu q nihutamisel teise +

laengu Q väljas lõpmatusest antud

välja punkti r nimetatakse selle punkti

potentsiaaliks

Elektrivälja potentsiaali mõõdetakse

voltides: 1V=1J/1 C

Siit on näha, et elektrivälja potentsiaal

on elektrivälja energia 1 laengu ühiku

(C) kohta

NB! Jõud on pöördvõrdeline kauguse

ruuduga, potentsiaal ja/või energia

aga pöördvõrdeline kaugusega

pot

e

E QV k

J

q

C

r

V

Alessandro Volta (1745 – 1827)

0,00 0,05 0,10 0,15

-80

-40

0

40

80

TÕMBUV

En

erg

ia/la

en

g (

V)

Kaugus, r

y=1/r

y=-1/r

TÕUKUV

2e

F QE k

q r

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/52/Alessandro_Volta.jpeg

Elektrivälja tugevus ja potentsiaal

elektrit juhtiva kera ümber ja sees

Laetud elektrijuhis tõrjuvad

ühemärgilised laengud üksteist juhi

pinnale

Homogeenses keras on laengud

jaotunud kera pinnal ühtlaselt

Kera sees väli puudub (E=0)

Kerast väljas on aga välja tugevus

(jõud!) samasugune, kui kera

keskpunkti koondunud laengu Q puhul

Potentsiaal kera pinnal

Potentsiaal kerast eemal 0 e

QV k

R

eQ

V r R kr

2( )

e

QE r R k

r

Miks on

tüdruku

juuksed

harali?

0,00 0,05 0,10 0,15

-80

-40

0

40

80

TÕMBUV

En

erg

ia

Kaugus, r

y=1/r

y=-1/r

TÕUKUV

Elektrivälja potentsiaal ja

potentsiaalne energia

sama

p

eri

pot

ot

e

e

T

Tõukuv

QE

õ

r qkr

mbuv

QE r qk

r

:

ln :

pot

e

pot e

E QPotentsiaal V k

q r

QPotentsiaa e energia E qV qk

r

Gravitatsiooniväli vs elektriväli Gravitatsioonjõud on alati

tõmbejõud, elektrilised jõud võivad olla nii tõmbe- kui tõukejõud

Elektrilised jõud on ka väga tugevad, ületades aatomi osakeste puhul gravitatsioonijõude peaaegu 40 suurusjärgu võrra

Miks ei kuku elektron tuumale nagu õun Maa pinnale?

0,00 0,05 0,10 0,15

-80

-40

0

40

80

TÕMBUVEn

erg

ia ja

/võ

i p

ote

nts

iaa

l

Kaugus keskpunktist

y=1/r

y=-1/r

TÕUKUV

Kodune ülesanne: Võrrelge 1 nm kaugusel asuvate prootoni ja elektroni vahelise elektrilise ja gravitatsioonilise tõmbejõu tugevust

Vajalikud laengute ja masside andmed leiate käsiraamatutest

Mitme laetud osakese välja

tugevus ja potentsiaal

Välja tugevused (mis

on vektorid-jõud!)

liituvad vektoriaalselt

Välja potentsiaalid

(mis on skalaarid)

liituvad algebraliselt

i

i

ei

QV

rk

1 2

1 2

1 2

1

4

V V V

Q Q

r r

Näide: Elektrilise

dipooli tekitatud väli

Elektrilise dipooli

moodustavad kaks

teineteise lähedal olevat

vastasmärgilist elektrilaengut

Dipooli tekitatud elektrivälja

potentsiaal punktis P:

VQ

r

Q

r

Q r r

r rp

1

4 41 2

2 1

1 2

Elektriline

dipool

Paljud molekulid on elektrilised dipoolid

Dipool tekib kui molekuli + ja - laengu keskmed ei lange kokku

Elektrilist dipooli iseloomustab tema dipoolmoment (- laengult + laengule suunatud vektor)

Dipoolmoment võib olla nii püsiv kui ka ajas muutuv ehk dünaamiline (nt kvantsiirdeid iseloomustavad dipoolmomendid)

SI ühik: C x m Traditsiooniline ühik: Debye

(D) 1D=3.336 10-30 Cm

Kaks 1 A (0.1 nm) kaugusel asuvat 1 elektroni laenguga võrdset erinimelist laengut moodustavad dipooli, mille moment 4.8 D p q r

1.84 D

Elektreet: Püsiv (makroskoopiline) elektriline dipool

Elektreet on dielektrik, mille ümber on püsiv

elektriväli, püsimagneti elektriline analoog.

Valmistatakse sulatatud dielektrikust,

mida lastakse tarduda tugevas elektriväljas.

Teflonist valmistatud elektreedid võivad hoida

lisalaengut kümnendeid, koguni sajandeid.

Kasutus: elektreetmikrofon, tolmufiltrid,

õhu radioaktiivsuse mõõturid.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/57/Electret_condenser_microphone_capsules.jpg

Dipooli välises

elektriväljas

Elektriväljas orienteerub dipool välja

suunas, sest kummalegi laengule

mõjub jõud F=qE0.

Positiivsele laengule mõjub jõud välja

suunas, negatiivsele aga vastassuunas

Nende jõudude põhjustatud

pöördemomenti võib arvutada valemiga

(p on dipoolmoment):

Seega põhjustab elektriväli lahuse

polariseerumist

Välja suunas orienteeritud dipooli

potentsiaalne energia on minimaalne

(tasakaaluolek)

0M p E

p

0potE pE

Mikrolaineahi

Miks võib

mikrouunis

kuumutatud

moosipirukaga suu

kergesti ära

põletada?

Polariseerumine

elektriväljas Polariseerumisnähtuse tõttu

avalduvad elektrijõud ka elektriliselt neutraalsetes kehades

Elektronid saavad aines suhteliselt vabalt liikuda, positiivsed tuumad aga seisavad enamasti paigal

Keskkonna polariseerumine on nn

indutseeritud polariseerumise ind ning

orienteerumisest tuleneva

polariseerumise or summa.

Indutseeritud polariseerumisega on

seotud indutseeritud dipoolmoment

pind, mis on võrdeline elektrivälja

tugevusega pind=indE

Dipoolide täielikku

orientatsioonilist

polariseerumist takistab

reaalses elus (T>0 K)

osakeste soojusliikumine

Seepärast arvutatakse

orienteerumisest

põhjustatud polariseerumine

keskväärtusena:

ind or

2

3or

p p

E kT

ind

Õite tolmlemine põhineb elektrilisel

polarisatsioonil (elektrostaatikal)

Läbi õhu lendamisel omandab

mesilase keha + laengu

See laeng polariseerib õietolmu

terakesed, mis seetõttu mesilase

kõlge kleepuvad

Kui õietolmuga kaetud mesilane

teise taime – laetud (maandatud)

emakasuudme lähedusse satub,

siis tõmmatakse õietolm

elektrostaatiste jõududega

emakasse

+

+

-

-

Midagi perenaistele: Miks tolmuterad tolmurullideks kokku kogunevad?

Indutseeritud polariseerumine

(staatiline)

Van der Waalsi jõud

(dünaamiline)

Ekvipotentsiaalpinnad

Terrass-riisipõllud Hiinas

Liikumine

ekvipotentsiaalipinnal risti

elektrivälja jõujoonetega ei

kuluta energiat

Positiivse laengu

liikumise suund

Kuidas näevad välja

ekvipotentsiaalsed pinnad

joonisel kujutatud kondensaatori

plaatide vahel?

Elektriväli ei tungi metallist

puuri sisse Tasakaaluolekus oleva juhi sees

vabasid laenguid ei ole

Nad kõik koonduvad juhi pinnale

ehk üksteisest nii kaugele kui

võimalik (nagu tüüpiline eestlane)

Ohmi seadusest, R=U/I, järgneb, et

ideaalse juhi (R=0) korral on iga

juhi punkt sama potentsiaaliga ehk

ekvipotentsiaalne

Ekvipotentsiaalpinnal on

potentsiaalide vahe kahe suvalise

punkti vahel =0

Laengu liigutamisel piki

ekvipotentsiaalpinda tööd ei tehta Miks oleks kasulik puur maandada?

Kuidas saavad linnud häirimatult

kõrgepingekaablil puhata?

I*R=U

Atmosfäärielekter

ja kaitse pikse vastu

Miks piksekaitset vaja on?

Milles seisneb pikse ohtlikkus?

Kuidas tuleb piksekaitse paigutada,

et tast ka kasu oleks?

+++++++++++

_ _ _ _ _ _ _ _ _

_ _ _ _ _ _ _ _ _

Tööd, mida tehakse ühikulise positiivse laengu q nihutamisel teise laengu Q väljas lõpmatusest antud välja punkti r nimetatakse selle punkti potentsiaaliks

Pinge on potentsiaalide vahe kahe ruumipunkti vahel

Nii potentsiaali kui pinget mõõdetakse voltides

Ka gravitatsiooniväljas võib rääkida potentsiaalide vahest, kuid erilist sõna selle tähistamiseks ei kasutata

Teadused arenevad üksteisest sõltumata (ja tulevaste õppurite huvisid arvestamata)

Pinge =

potentsiaalide vahe

Kosk Colorado jõel

U

Pinge vooluvõrgus

Pinge on potentsiaalide vahe kahe ruumipunkti vahel

Elektrotehnikas võetakse mugavusest lähtudes üheks punktiks Maa pind (ja sellele vastav potentsiaal)

Tavaline võrgupinge: 230 V

Kõrgepinge: 103-106 V Elektrivälja kahe punkti

potentsiaalide vahe on 1 V, kui laengu 1 C viimisel ühest punktist teise tehakse tööd 1 J

maandus

Kui suur (ligikaudu) on elektrivälja

tugevus pistikus?

0.00 0.05 0.10 0.15

-80

-40

0

40

80

U TÕMBUVEne

rgia

/lae

ng

(V

)

Kaugus, r

y=1/r

y=-1/r

TÕUKUV

Sammupinge

Pinge on

potentsiaalide

vahe kahe

ruumipunkti vahel

Kuidas on tark

mahalangenud

kõrgepingekaabli juures

hätta jäänud sõpra

aidates toimida?

Elektrivälja kahe punkti potentsiaalide vahe on 1 V kui laengu 1 C viimisel ühest punktist teise tehakse tööd 1 J Mitu J tööd teeb vooluvõrgust

võetud 1A vool 1s jooksul?

Ühe elektroni viimisel läbi potentsiaalide vahe 1 V tehakse tööd 1 elektronvolt (eV)

Energeetiliselt on elektronvolt džaulist niisama palju kordi väiksem kui elektroni laeng on väiksem kulonist

19

19

1 1 1.6 10

1.6 10

pEU

q

V

V

J

C

eV C

J

Volt ja elektronvolt on tööga

(energiaga) seotud mõisted

Elektrivälja töö laetud plaatide

korral: U=const.

Nihutades laengu q ühelt

plaadilt teisele tuleb teha

tööd:

W=qU

E d U

:

:

( )

:

Arutluskäik

Töö W Fd

Laengule q elektriväljas tugevusega E mõjuv jõud F qE

W qE d

Pinge Ed U

W qU

Elektrivälja võimsus

Teades pinget

(potentsiaalide vahet) U

ja erinevate välja

punktide vahel voolavat

voolu I, saame välja

arvutada ajaühikus

kulutatud energia ehk

võimsuse P

pot

I

qI

t

P U

PEU

t

q

t

Dimensioonid

J J C

s C s

22I

I I RW U q U t U

P Ut t t

R

R

U I

Elektrimahtuvus

Elektrilaenguid (ja nendega seotud energiat) saab edasiseks kasutamiseks salvestada

Oletame, et meil on 2 juhtivast materjalist plaati. Võtame vasakult elektrone ja lisame paremale. Plaatide vahele tekib siis pinge (potentsiaalide vahe) U, mis on proportsionaalne ülekantud laenguga q.

Suhe q/U iseloomustab sellise kondensaatori laadumisvõimet ja nimetatakse elektrimahtuvuseks, C

Mahtuvust võime seega defineerida kui antud pinge U juures kehas akumuleeritud laengute q mõõtu

Mida suuremat pinget kondensaator kannatab, seda rohkem laenguid (ja energiat) ta sama mahtuvuse korral mahutab

Mahtuvuse ühik on Farad (F), 1 F= 1C/V

1U q

C

qC

U

+q -q

Farad on päratult suur mahtuvus

Ühik F (Farad)=C/V

1F on mahtuvus, mille korral laeng 1C põhjustab potentsiaalide vahe 1V

Elektrit juhtiv kera, mille pinnal paikneb laeng Q, elektrimahtuvus on

Plaatkondensaatoril:

0

4C R

Õhus

C(maakera) ~ 0.71 mF

Kontrollige!

AC

d

Elektrienergia salvestamine: Kondensaator, patartei, aku

Kondenstaator (salvestab elektrilaenguid)

Patarei on (tavaliselt) ühekordselt kasutatav

elektrilaengute salvesti

Ühe patarei elemendi poolt genereeritav

pinge on 1.2-1.5 V

Patarei prototüübiks oli Volta sammas (1800)

(vahelduvad Zn ja Cu kettad, nende vahel

soolvees leotatud papitükid)

Aku on korduvalt laetav salvesti. Aku poolt

genereeritava pinge standard on 12 V

Patarei ja aku on elektrokeemilised seadmed,

millel rajaneb suur osa nüüdsest

elektroonikast

Patarei/aku muundavad keemilise energia

elektriliseks energiaks

+ -

Patareis/akus

salvestatud energia

Kui elektrivälja kahe

punkti potentsiaalide

vahe on 1 V, siis

tehakse laengu 1 C

viimisel ühest punktist

teise tööd 1 J

Elektrivälja töö

avaldatuna mahtuvuse kaudu

Arvutame patareis/akus/kondensaatoris

akumuleeritud energia mahtuvuse kaudu

Peame arvestama, et pinge muutub laadimise või

tühjenemise käigus pidevalt laengu muutumise tõttu

22

0

1 1

2

)

2

(

Q

dW U dq dq

q QW dq

q

CUC C

C

Q CU

q

Elekter/laeng ei ole energia! Loe: http://amasci.com/elect/elefaq1.html#ae

CHARGE flows in a circle.

The flow is measured in Amperes

It flows inside the wires.

It's provided by the metal.

Batteries pump it through themselves.

None is created, none is ever lost.

EM ENERGY flows from the battery to

the resistor.

The flow rate is measured in Watts

It flows in the space outside the wires.

It's made of invisible fields.

It's the same as light and radio, but

lower in frequency.

Batteries create it. Electric heaters

consume it.

Rakendusi:

Elektronmikroskoop Leiutajad Ernst Ruska ja Max Knoll

(1931)

Eristatakse

Läbivat elektronmikroskoopiat (TEM-Transmission Electron Microscopy)

Skaneerivat elektronmikroskoopiat (SEM- Scanning Electron Microscopy)

TEM lahutusvõime ~10 x parem kui SEM

Elektronmikroskoobi lahutusvõime on määratud elektronide kineetilise energiaga. Mida suurem energia, seda väiksemaid kaugusi saab kompida:

Rakendusi:

Elektrolüüs Elektrolüüs on elektrivoolu toimel kulgev (aineid

lagundav) redoksprotsess.

Redoksreaktsioonid toimuvad elektroodide pinnal

Negatiivselt laetud katoodil on tekitatud elektronide

küllus, seal toimub positiivsete ioonide

redutseerimine; positiivselt laetud anoodil on aga

elektrone puudu, seal toimub negatiivsete ioonide

oksüdeerimine.

Elektrolüüsil eraldunud aine mass (m) on võrdeline

elektrolüüti läbinud elektrilaenguga (It, kus I on

voolutugevus ja t on aeg):

m = kIt=kq Võrdetegurit k nimetatakse elektrokeemiliseks

ekvivalendiks mis on ainele omane konstant.

A

Mk

Fz

F eN

z valents

M mooli

mass

+ -

4H

2O

+ 4

e =

4O

H- +

2H

2

4 O

H- -

4e

= 2

H2O

+ O

2

http://et.wikipedia.org/wiki/Masshttp://et.wikipedia.org/wiki/Elektrilaeng

Faraday arv

(Faraday konstant) Faraday arv ehk Faraday konstant

(F, mitte segi ajada jõuga!) on füüsikas ja keemias kasutatav konstantne arv, mis näitab ühe mooli elektronide elektrilaengu absoluutväärtust

Faraday arv saadakse Avogadro arvu korrutamisel elektroni laenguga

Faraday konstandi väärtus on 96 485,3415 C/mol

Teiste sõnadega: 1 mool sisaldab ligikaudu 96 500 korda rohkem elektrone kui on neid 1 kulonis

Ühe elektroni viimisel läbi potentsiaalide vahe 1 V tehakse tööd 1 elektronvolt (eV)

Elektrivälja kahe punkti potentsiaalide vahe on 1 V kui laengu 1 C viimisel ühest punktist teise tehakse tööd 1 J

Siit: Kui läbi 1 V potentsiaalide vahe viiakse 1 mool elektrone, siis tehakse 96485.3 J tööd

Kui 1 mool ioone valentsiga z viiakse läbi potentsiaalide vahe U, siis arvutame töö järgmiselt:

19

19

1 1 1.6 10

1.6 10

pEU

q

V

V

J

C

eV C

J

W zFUAF eN

Kilde Eesti kultuuriloost: Moritz Hermann von Jacobi (1801-1874)

Saksa päritolu vene füüsik ja arhitekt.

Õppis Göttingenis ja Königsbergis

ehituskunsti.

Tartu Ülikooli professor 1835–1840, 1835–

1837 ühtlasi Tartu Ülikooli arhitekt.

Peterburi Teaduste Akadeemia akadeemik

(1847) .

Uuris elektromagnetismi, eriti masinaehituse

seisukohalt, samuti elektrimootoreid ja

traadiga telegraafi.

Leiutas galvanoplastika (galvanoplasty).

Galvanoplastika on keemiline meetod

metallist osade valmistamise etteantud

vormi järgi.

Positiivsed metalli ioonid redutseeritakse

katoodil ja sadenevad metallina välja

An electrical current flows from the

battery, through the copper anode,

the electrolyte, and the coated

mold. A copper film (the electrotype)

grows onto the electrically

conducting coating of the mold.

http://et.wikipedia.org/wiki/F%C3%BC%C3%BCsikhttp://et.wikipedia.org/wiki/Arhitekthttp://et.wikipedia.org/wiki/G%C3%B6ttingenhttp://et.wikipedia.org/wiki/K%C3%B6nigsberghttp://et.wikipedia.org/wiki/Tartu_%C3%9Clikoolhttp://et.wikipedia.org/wiki/1835http://et.wikipedia.org/w/index.php?title=Tartu_%C3%9Clikooli_arhitekt&action=edit&redlink=1http://et.wikipedia.org/wiki/Peterburi_Teaduste_Akadeemiahttp://et.wikipedia.org/wiki/Akadeemikhttp://et.wikipedia.org/wiki/1837http://et.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetismhttp://et.wikipedia.org/wiki/Masinaehitushttp://et.wikipedia.org/wiki/Elektrimootorhttp://et.wikipedia.org/w/index.php?title=Telegraaf&action=edit&redlink=1http://et.wikipedia.org/w/index.php?title=Galvanoplastika&action=edit&redlink=1

Molekulide transport elektriväljas:

Elektroforees

Paljudel molekulidel on elektrilaeng

(nende laengu jaotus võib olla

ebasümmeetriline).

Kui laengut pole, siis võib molekule

eesmärgipäraselt ioniseerida

Kui sellised molekulid liiguvad

elektriväljas, siis neile mõjuvad jõud.

+ -

( )

:

h

h

Elektrivälja mõju laetud molekulile

F zqE

Keskkonna hõõrdejõud väikestel kiirustel

F fv

Jõudude tasakaalu F F korral v const

zqEv

f

6f R

f on sisehõõrdejõud, mis

kerakujuliste molekulide

puhul avaldub molekuli

raadiuse ja keskkonna (nt geel) viskoossuse kaudu kui

Rakendusi:

Eletroforees

, mida nimetatakse liikuvuseks,

iseloomustab (ühe ja sama

levikeskkonna puhul, nt geel) vaid

molekuli

Sellel põhineb biomolekulide

lahutamise meetod - elektroforees

2/ / /:

/ ( / ) / ( / ) /

Tasakaalu tingimusest

zqEv

f

v zq

E f

m s m s m s mÜhik

N C J m C J C m Vs

Magnetväli

Manetvälja allikaks on

liikuvad elektrilaengud

ja laetud osakeste

(tuumad, elektronid)

spinniga seotud

sisemised

magnetmomendid

Spinni olemuse avab

kvantmehaanika Samanimelised poolused tõukuvad, erinimelised tõmbuvad

Voolu magnetväli

Vooluga juhet ümbritseb

magnetväli

Magnetvälja suunda saab

määrata parema käe reegliga

Tõestus: Magnetnõel pöördub

alati vooluga juhtme suhtes risti

Erinevalt elektrivälja

jõujoontest, magnetvälja

jooned ei alga ega lõpe

kusagil, vaid moodustavad

suletud kontuure

Voolu magnetvälja

tugevus Katseliselt on leitud, et magnetvälja tugevus

(ka magnetvoo tihedus või magnetiline

induktsioon, B) kaugusel r vooluga juhtmest

avaldub valemiga:

B mõõdetakse teslades (T)

Tihti kasutatakse ka süsteemivälist gaussi (G)

ühikut: 1T=104 G=10 kG

Magnetvoo ühik on veeber (1 Wb=1 Txm2)

1

2B I

A r

Magnetvoog

BA

• on juhet ümbritseva

keskkonna magnetiline

läbitavus. • Ühik []=1 Vs/Am

• Magnetilist läbitavust võib

avaldada kui =r0, kus

0=410-7 Vs/Am on

vaakumi magnetiline

läbitavus.

Tavaliselt r1, kuid

ferromagnetilistel ainetel

võib see ulatuda kümnete

tuhandeteni

1 1F Ns

B TQ v Cm

Segav mõistete paljusus

Alternative names for B

Magnetic flux density

Magnetic induction

Magnetic field

Alternative names for H

Magnetic field intensity

Magnetic field strength

Magnetic field

Magnetizing field

Gravitatsiooni-, elektri-

ja magnetvälja võrdlus

2

F Ma G

m r

2e

F QE k

q r

Põhi, N

Lõuna, S

1

2

Magnetvoo

tihedus

B Ir

Välja tugevust iseloomustavad suurused:

Maa magnetväli

Magnetilised jõud

Magnetilised jõud avalduvad

liikuvate laengute vahel, lisaks

elektrilistele interaktsioonidele

Need jõud on proportsionaalsed

laengute liikumise kiirusega

Mõjuvad alati laengute

liikumisega ristisuunas

Kasutusnäiteid:

Kineskoobiga televiisorites

kasutatakse elektronkiire

kallutamiseks/skaneerimiseks

Samuti laetud oskeste kiirendites,

sh LHC

1820

Hans Christian Ørsted

(1777-1851)

laengu korral

F

Magnetiline jõu

qv B

laengu korral

F q

d

v B

( )

Elektrilise ja magnetilise jõu

koosmõjul saadakse Lorentzi jõ

F q v B

d

E

u

Laetud osakesed magnetväljas:

Mass-spektromeetria

Kuna jõu vektor on risti kiiruse vektoriga,

siis muutub vaid liikumise suund

Osake liigub mööda ringi raadiusega R

2

r

laengu korral

F ma qv B

Osakese kiirendus

qvBa a

m

qvB v

m R

mvR m

qB

m

v

Pildil on mõjuva jõu suund vastupidine

meie konventsioonile!

Maa magnetväli

ja biosfäär Maa magnetvälja põhjuseks on tema

vedela tuuma konvektsioonvoolud tugevusega kuni 2x1012 A

Maa magnetvälja tugevus ekvaatoril ~0.5*10-4 T=0.5 G

Ajus kulgevate voolude m-välja B~1 pT

Dipolaarne magnetväli kaitseb Maa atmosfääri ja biosfääri kosmosest (eelkõige Päikeselt) tulevate kõrge energiaga laetud osakeste (nn päikesetuule) eest

Kuidas?

Magnetvälja puudumisel pühiks päikesetuul atmosfääri ajaga lihtsalt minema

Nii on juhtunud nt Marsil

laengu korral

F qv B

B

F

Virmalised

(Aurora/nothern lights)

Miks on virmalised jälgitavad vaid poolustel? Vastust vt siit:

http://www.kmg.tartu.ee:8000/~aare/virmalised/virmalised.htm

Maa magnetväli

muutub ajas

Magnetvälja allikaks on

elektrivool

Maa magnetvälja põhjuseks on

tema vedela tuuma

konvektsioonvoolud tugevusega

kuni 2x1012 A

Geograafiline põhi ja magnetiline

lõuna asuvad täna ühel pool

poolkera

Magnetilised poolused aga

vänderdavad ringi, vahetades

pooli keskmiselt kord 250000 a

kohta

Michael Faraday

(1791 –1867 ) Pärit käsitöölise (isa oli sepp) perest

Ei saanud formaalset (sh matemaatilist) haridust. Oma teaduslikud tööd esitas peamiselt jooniste ja graafikute kujul

Juhuse tahtel sattus kuulsa keemiku Davy assistendiks Royal Institution-is Londonis. Hiljem samas Davy järglane

Liigutades ühel päeval hajameelselt lapse magnetit pooli suhtes märkas ta, et pooli läbib elektrivool, st magnetit ümbritsevad väljad mõjutavad elektrone, ilma et magnet juhet puudutaks

Nii avastati elektromagnetism, milleta poleks tänapäevast elektril põhinevat moodsat ühiskonda

•Loe: E. Kilkson. Michael

Faraday. Iseõppija – füüsik,

kes on andnud maailmale rea

tähtsaid leiutisi. Tartu 1934

Faraday pärand:

•Elektromagnetilise

induktsiooni seadus

(1831)

U = N × dΦ/dt

•Elektrolüüsi seadused:

m = kIt=kq

•El. mahtuvuse ühik Farad

(F=C/V)

1

2B I

A r

Magnetvoog

BA

http://info.ee.surrey.ac.uk/Workshop/advice/coils/terms.html

Elektromagnetismi katseid, mis panid

aluse kaasaegsele elektrotehnikale

Magnetnõel pöördub vooluga juhtme suhtes risti (B suunas)

Magnetväljas asuv juhe hakkab liikuma, niipea kui teda läbib vool

Mähises tekib (indutseeritakse) elektrivool niipea, kui teda mõjutatakse magnetiga (pole vahet, kas liigutate magnetit või pooli)

F qE

qv B

Induktsioon

Liikuv elektrijuht statsionaarses

magnetväljas

Elektronile mõjuv jõud F

Elektronid liiguvad nii kaua, kuni

+ ja – laengute eraldamise tõttu

tekkinud elektrivälja poolt

põhjustatud jõud qE

tasakaalustab magnetilise jõu

Juhtme otste vahel

indutseeritud pinge, mis on

seotud elektrivälja vastu tehtud

tööga juhtme pikkusel l: U=El

elekter magnet

indutseeritud

F F

qE qv B

E v B

U vBl

sest U El

-e-le mõjuv jõud

+

-

U

Induktsiooniseadus

Pöörelgu ringjuhe, millega piiritletud

pindala on A, nurkkiirusega

magnetväljas tugevusega B .

Juhtmes indutseeritakse siis pinge

(Faraday induktsiooniseadus):

Lenzi reegli järgi on indutseeritud

voolu suund selline, et see takistaks

magnetvoo muutusi,

siit – märk valemis

0cos sinid d d

U B A BA BA tdt dt dt

Pindala A normaali suunaline vektor

Indutseeritud pinge ja

voolu suund muutuvad

perioodiliselt ajas.

Nii genereeritakse

vahelduvvoolu

Elektrigeneraator

ja -mootor

laengu korral

F qv B

Põhinevad elektromagnetilisel

induktsioonil (Faraday, 1831)

Tesla elektrigeneraatorid

0sinid

U BA tdt

http://www.walter-fendt.de/ph14ee/electricmotor_ee.htm

http://en.wikipedia.org/wiki/Thomas_Edisonhttp://www.pat2pdf.org/pat2pdf/foo.pl?number=0223898

Miks on alalisvoolumootoril

(generaatoril) palju pooluskingi?

Induktsiooniseaduse rakendus:

Transformaator (trafo)

Vp/Vs = Np/Ns

Miks elektri ülekandeliinides kõrgepinget madalpingele &

vahelduvvoolu alalisvoolule eelistatakse?

2

kaduP V I I R

IsVs = IpVp secondary s

primary p

V N

V N

Oka ääres asuvad Suhhovi

hüperboloid-püloonid (128 m) on maailmas ainulaadsed

Maapinnal asuv elektrijuht, sisuliselt suur ja

jäme kaabel, kus liigub vool tugevusega 200

miljonit amprit, tekitab magnetvälja, mille abil

lükatakse taeva poole vägev toru. (Startram)

Maglev (Magnetic levitation)

//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/dc/JR_Maglev-Lev.pnghttp://www.google.com/url?sa=i&rct=j&q=levitation&source=images&cd=&cad=rja&docid=na1Ds_Q5heyuyM&tbnid=muc2jo-CJZsHcM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.arvindguptatoys.com/toys/levitation.html&ei=XNg-UeX3NY-SswaovIGwDg&psig=AFQjCNHbuwOY_KXBZ-DCwmlDhN0BrekY6g&ust=1363159434627985//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c2/Maglev_Propulsion.svg

Tuleviku transport? Induktsioonimootorid 2013

Tesla Motorsi, PayPali ja SpaceXi asutaja Elon Musk tutvustas ülikiiret transpordiviisi

nimega Hyperloop, millega on tema sõnul võimalik jõuda 30 minutiga Los Angelesest San

Franciscosse.

Muski visiooni kohaselt koosneb Hyperloop vaakumis terastorust, mille sees asuvad

reisijateveoks mõeldud alumiiniumist kapslid. Kapslid paneb liikuma toru otstes asuvad

lineaarsed induktsioonmootorid.

Hyperloopi väljanägemine meenutab kaheraudset püssi, kuna terastorud asuvad kogu tee

pikkuses üksteisega paralleeelselt, sulgedes mõlemas linnas «silmuse».

Kapslid saavutavad torudes kiiruse kuni 1300 kilomeetrit tunnis ning võivad lisaks

inimestele kanda ka autosid.

«Sa sõidad lihtsalt kapslisse ning see lahkub jaamast,» ütles Musk.

Los Angelese ja San Francisco vahele jääva maa kohal rippuva ühenduse loomise

maksumuseks on Muski hinnangul 6-10 miljardit dollarit, olenevalt sellest, kas lisaks

inimestele soovitakse transportida ka sõidukeid.

Reisijatele peaks Hyperloopi kasutamine minema palju vähem maksma kui lennupilet ning

olema ka turbulentsi puudumise tõttu mugavam.

Kuna Hyperloopi energiatarbivus võrreldes konkureerivate transpodiviisidega on väike,

loodab Musk, et selle võivad katta ka süsteemiga integreeritavad päikesepaneelid.

Kokkuvõte: Elektromagnetism ja optika

Elektrilaeng, elektriväli ja elektrivälja tugevus

Keskkonna dielektrilise läbitavuse füüsikaline sisu

Elektriline potentsiaalne energia, potentsiaal ja pinge

Elektrivälja töö ja võimsus

Elektrilise dipooli mõiste ja polarisatsioon elektriväljas

Magnetväli

Elektromagnetiline induktsioon kui kaasaegse energeetika alus

Elektriliste ja magnetiliste nähtuste praktilisi rakendusi

Lihtsamad elektriahelad

Ohmi seadus

Milleks kulub toodetud

elekter?

25% India ja

57% Aafrika

elanikkonnast

ei omanud

veel 2014. a

alguses elektrit

Energiakaod on lubamatult suured Säästupirnid kuni 5x efektiivsemad

Kuidas elektrit toodetakse:

Hüdroenergia Impulsi jäävuse seadus töös

Probleemiks maa raiskamine

Vasakul maailma

võimsaima (14 GW)

Itaipu (Brasiilia) h-jaama

tamm, mida peetakse

üheks 7-st moodsa

maailma tehnoloogiliseks

imeks

Hooveri tamm Arizona ja Nevada piiril

Kuidas elektrit toodetakse:

Soojuselektrijaam

Tarbijani jõuab vaid veidi üle 30%!

Ülejäänu hajub (suures osas kasutu) soojusena

Kaasaegne lahendus: Kombijaamad

Tuumakatel

1 235 141 92 1

0 92 56 36 03 ?n U Ba Kr n MeV

Liitsüsteemide energia

Liit- või seotud osakeste energia koosneb koostisosade massist

nende liikumise kineetilisest energiast

liitosakesi siduva välja potentsiaalsest energiast (seoseenergiast)

Osa seisumassist konverteerub seoseenergiaks

Selliselt üldistatud massi ja energia jäävus kehtib nii mikro- kui ka makromaailmas

-0,20 -0,15 -0,10 -0,05 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

Y A

xis

Title

X Axis Title

r0

Eseos

Tuumaenergeetika

Osa nukleonide massist peitub nende seoseenergias

Stabiilseimad tuumad on massiarvuga 30-50

Energiat võib seega saada nii raskemate tuumade sünteesil kergematest kui ka raskemate tuumade killustumisel/lõhustumisel kergemateks

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

0

50

100

lõhustumine

Nu

kle

on

i m

ass (

su

hte

line

üh

ik)

Tuuma number

sünteeskeskmine vaba nukleoni mass

Skemaatiline, mitte täpne joonis

2E mc

𝛥𝑚

𝛥𝑚

Uraani rikastamine Looduslik: 99.3% 238U+0.7% 235U

Iraani president Mahmoud Ahmadinejad (esiplaanil)

uraanirikastamistehases Natanzis.

Foto: AFP / Scanpix

Looduses

Tuumakatlas

Pommis

Plutoonium, mitte uraan on põhiline tuumapommi materjal

Reactor-grade plutonium is produced in the core of a reactor when uranium-238 is irradiated with neutrons.

1 MW-day (thermal energy release (not electricity output) of operation produces 1 gram of plutonium in any reactor using 20-percent or lower enriched uranium

Consequently, a 100 MW reactor produces 100 grams of plutonium per day and could produce roughly enough plutonium (6 kg) for one weapon every 2 months.

Mis tants nende tuumajaamade

ümber käib?

F-22 Raptor

Tuumasünteesienergeetika

2 3 4 1

1 1 2 0 17.6H H He n MeV

Saasteoht

Jäätmete ladustamise probleem siiani lahendamata

Soojusreostus sama suur kui soojuselektri-jaamadel

(Termo)tuumaenergeetika

probleeme Fukushima tuumajaam

pärast 2011. a maavärinat

More than 180 million

people live within 50

miles of a nuclear

power plant in the US

— the radius the US

suggested be

evacuated during the

nuclear crisis at

Fukushima Daiichi.

Tsernobõli katastroof:

Maakera on avatud süsteem

Tsernobõli 137Cs Eesti pinnases mõõdetud

01.05.86 (Enn Realo andmetel) Soome laht

Venemaa

Läti

Eesti

kBq m-2

(1986)

21 -- 50

11 -- 21

5.1 -- 10

2.1 -- 5

1.1 -- 2

0.11 -- 1

Hinnatud 134Cs andmetest

(1991-3)

Radioaktiivsus

Paljud keemilised elemendid, millest koosneb maapind, veekogud ja õhk, on radioaktiivsed, st nad kiirgavad iseeneslikult suure energiaga osakesi.

Radioaktiivsetest ainetest väljub kolme liiki osakesi: alfa-, beeta- ja gammaosakesed.

Alfaosakesed (heeliumi aatomite tuumad) on kõige suurema massiga ja vähima läbitungimisvõimega.

Beetaosakestel (kiired elektronid) on mass väiksem ja läbitungimisvõime suurem.

Gammaosakestel (elektromagnetilise välja osakesed ehk footonid) ei olegi paigalseisumassi ning nende läbitungimisvõime on suurim.

Looduslikus õhus maapinna lähedal on ülalnimetatud neli kiirgusliiki peamisteks ioniseerijateks. Summaarselt põhjustavad nad 1 s umbes 10 neutraalse aatomi või molekuli lõhkumist 1 cm3.

Ioniseeriva kiirguse toimet keskkonnale väljendatakse doosiga, mida defineeritakse füüsikaliselt ioniseerivate osakeste energia neeldumise järgi. Neeldumisdoosi mõõdetakse kiiritatava aine massiühikus neeldunud kiirgusenergia hulgaga. Mõõduks on grei. 1 Gy = 1 J/kg.

Bioloogilist mõju väljendatakse ekvivalentdoosiga või efektiivdoosiga. Elundi või koe ekvivalentdoos saadakse neeldumisdoosi (mida mõõdetakse Gy) ja kiirgusfaktori korrutisena. Gammakiirguse kiirgusfaktoriks on 1. Efektiivdoos omakorda summeerub koefaktoriga korrutatud elundite ja kudede ekvivalentdoosidest ning iseloomustab inimese saadud doosi. Mõlema doosi ühikuks on siivert (Sv), mis on sama dimensiooniga kui Gy: 1 Sv = 1 J/kg.

Efektiiv- või ekvivalentdoosi kiirus väljendab, kui suure efektiiv- või ekvivalentdoosi saab inimene ajaühikus. Mõõtühikuks on mikrosiivert tunnis (µSv/h). Looduslik taustakiirgus maapinna lähedal on ~0.1 µSv/h. Võrdluseks: Tshernobõli avarii järel 1986 a mõõdeti Soomes maksimaalselt 5 µSv/h. Sama suur on doosikiirus lennukis 10 km kõrgusel.

Esimene

ühendteooria (1861)

Elekter ja

magnetism

Ühe ja sama näo

kaks poolt

Valgus on

elektromagnetiline

kiirgus 30 aastane geenius

Maxwell, James Clerk (1831-1879)

Maxwelli võrrandid

Stig Stenholm:

The discovery of

Maxwell’s equations

has already paid for all

fundamental research

for the following 500

years, because it laid

the foundations of most

of modern technology

ρ = laengutihedus

J = voolutihedus

Maxwell, James Clerk (1831-1879)

Elektromagnetiline

kiirgus ehk valgus

Kui materiaalsete lainete, nt merelainete, levimiseks on vaja

keskkonda, siis elektromagnetilised lained levivad ka vaakuumis

hcE h

c

Päevaküünal Kihnu kohal

Mark Soosaare foto

Elektromagnetilise kiirguse spekter ulatub 0-st

c

c

Kui sagedus muutub -st 0-ni, mis juhtub siis lainepikkusega?

c

Võrdle vahelduv-

ja alalisvoolu

Heli ei ole elektromagnetiline

kiirgus!

Heli rõhk on helilainete poolt põhjustatud rõhu kõrvalekalle lokaalsest keskkonnarõhust

Helilained erinevalt elektromagnetilistest lainetest vaakuumis ei levi

Kui elektromagnetilise kiirguse kvante nimetatakse footoniteks, siis helilainete kvandid on foononid, mis on tahkiste füüsika uurimisobjekt

Maailma helikindlaim ruum Orfieldi

laboratooriumis, kus inimene ei

suuda viibida kauem kui tund

Nähtav valgus

Inimese silmale nähtavaks valguseks loetakse kiirgust lainepikkuste vahemikus 380-780 nm

Inimene tajub spektri lühilainelist jagu sinise ja pikalainelist osa punase värvusena

Moonipõld Hollandis

Miks Päike kiirgab enamiku oma

kiirgusest nähtavas piirkonnas?

6000 K

Edisoni leiutise aeg

hakkab ümber saama

Sama valgusvoo juures

kulutab LED 80% vähem

energiat

Valgusvoo SI ühik on luumen (lm)

The unit of luminous flux, a

measure of the total "amount" of

visible light emitted by a source.

The flux density unit is lux: Lux is

one lumen per square meter.

Luminous flux differs from power

(radiant flux) in that luminous flux

measurements reflect the varying

sensitivity of the human eye to

different wavelengths of light, while

radiant flux measurements indicate

the total power of all light emitted,

independent of the eye's ability to

perceive it.

Silma

tundlikkus

Miks LED valgus (punane

joon) tundub külm?

Nägemise füüsika

& füsioloogia

Inimese silma võrkkest koosneb 125 miljonist kepikeset ja kuuest

miljonist kolvikesest.

See on võrdväärne digikaameraga, mille lahutusvõime on 130

megapikslit. Tavaliste digikaamerate lahutusvõime on 8, parematel

peegelkaameratel 20 megapikslit.

Viide iseõppimiseks:

P. Nelson www.physics.upenn.edu/~pcn

Leonardo DaVinci joonis

http://www.physics.upenn.edu/~pcn

Isia Levianti maal "Enigma“ (1981)

• "Enigma" on teadlastele korduvalt

huvi pakkunud, kuid nüüd

selgitasid Barrow’ neuroteaduste

instituudi teadlased Susana

Martinez-Conde juhtimisel välja, et

triki põhjustavad meie silmades

pidevalt toimuvad väikesed

liigutused ehk mikrosakaadid.

Nende liigutuste eesmärk pole

senini päris selge, küll on teada, et

nende liigutuste sagedus muutub

pidevalt.

• Kui liigutuste sagedus langes,

kadus ka illusioon.

New Scientist

luminous efficacy (lm/W) of a source

and efficiency for various light

sources

luminous efficacy () Overall

luminous efficiency[note 1] Combustion candle 0.3[note 3] 0.04% gas mantle 1–2[10] 0.15–0.3%

Incandescent 100–200 W tungsten incandescent (230 V) 13.8[11]–15.2[12] 2.0–2.2% 100–200–500 W

tungsten glass halogen (230 V) 16.7[13]–17.6[12]–19.8[12] 2.4–2.6–2.9% 5–40–100 W tungsten

incandescent (120 V) 5–12.6[14]–17.5[14] 0.7–1.8–2.6% 2.6 W tungsten glass halogen (5.2 V) 19.2[15]

2.8% tungsten quartz halogen (12–24 V) 24 3.5% photographic and projection lamps 35[16] 5.1%

Light-emitting diode white LED (raw, without power supply) 4.5–150 [17][18][19][20] 0.66–22.0% 4.1 W

LED screw base lamp (120 V) 58.5–82.9[21] 8.6–12.1% 5.4 W LED screw base lamp (100 V 50/60 Hz)

101.9[22] 14.9% 6.9 W LED screw base lamp (120 V) 55.1–81.9[21] 8.1–12.0% 7 W LED PAR20

(120 V) 28.6[23] 4.2% 7 W LED PAR30 (110-230 V) 60.0[24] 8.8% 8.7 W LED screw base lamp (120 V)

69.0–93.1[21][25] 10.1–13.6% Theoretical limit (white LED with phosphorescence color mixing) 260.0–

300.0[26] 38.1–43.9% Arc lamp xenon arc lamp 30–50[27][28] 4.4–7.3% mercury-xenon arc lamp 50–

55[27] 7.3–8.0% Fluorescent T12 tube with magnetic ballast 60[29] 9% 9–32 W compact fluorescent 46–

75[12][30][31] 8–11.45%[32] T8 tube with electronic ballast 80–100[29] 12–15% PL-S 11 W U-tube,

excluding ballast loss 82[33] 12% T5 tube 70–104.2[34][35] 10–15.63% Gas discharge 1400 W sulfur

lamp 100[36] 15% metal halide lamp 65–115[37] 9.5–17% high pressure sodium lamp 85–150[12] 12–

22% low pressure sodium lamp 100–200[12][38][39] 15–29% Plasma display panel 2-10[40] 0.3–1.5%

Cathodoluminescence electron stimulated luminescence 30[citation needed] 5% Ideal sources Truncated

5800 K blackbody[note 2] 251[7] 37% Green light at 555 nm (maximum possible luminous efficacy)

683.002[9] 100%

http://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Candlehttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Gas_mantlehttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Incandescent_light_bulbhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diodehttp://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diodehttp://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diodehttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Edison_screwhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Parabolic_aluminized_reflector_lighthttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Parabolic_aluminized_reflector_lighthttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Arc_lamphttp://en.wikipedia.org/wiki/Xenon_arc_lamphttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Mercury_(element)http://en.wikipedia.org/wiki/Xenonhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Fluorescent_lamphttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Compact_fluorescent_lamphttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Gas-discharge_lamphttp://en.wikipedia.org/wiki/Sulfur_lamphttp://en.wikipedia.org/wiki/Sulfur_lamphttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Metal_halide_lamphttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Sodium_vapor_lamphttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Sodium_vapor_lamphttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Plasma_display_panelhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Electron_stimulated_luminescencehttp://en.wikipedia.org/wiki/Electron_stimulated_luminescencehttp://en.wikipedia.org/wiki/Wikipedia:Citation_neededhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacy

Inimene (vasakul) ja mesilane

(paremal) näeb lille erinevalt?

Värvid nagu lennuraja tuled,

juhivad mesilase otseteed sihile

Liigne UV kiirgus

ohustab meie tervist UV-A (“black light”) 400-315 nm

UV-B 315 nm–280 nm

Ohutut kiirgusdoosi pole olemas!

Aga, me vajame D-vitamiini!

Organismid kohastuvad Repair and replication of DNA in mouse skin are

controlled by the circadian clock

Repair is at its maximum in the afternoon/evening

hours and at its minimum in the early morning.

In contrast, DNA replication in epidermal

keratinocytes is high in the mornings and low in the

afternoon.

As a consequence, UV-induced DNA damage is

more likely to cause mutation and skin cancer in

mice in the morning hours than the same UV

damage inflicted in the afternoon/ evening hours.

The human circadian clock is very similar to that of

the mouse, but has the opposite phase.

Therefore, it is predicted that UV radiation would be

less carcinogenic to humans in the mornings than

in the afternoon/evening hours.

PNAS 108 (2011) 18857

Atmosfääri elutähtis roll

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/34/Atmospheric_electromagnetic_opacity.svg

Tasub mõelda, kas osta korter

tornmaja pööningule või I korrusele

The Burj Dubai in Dubai, United

Arab Emirates is the world's

tallest (>800 m) freestanding

structure on land, but not for

long....

http://www.ohtuleht.ee/438026

Raadio, TV & mobiilside

Tähistused

UFM: Ultra-high frequency

VHF: Very high frequency

FM: Frequency Modulation

AM: Amplitude Modulation

0.1 m

GSM

N

E

E

L

D

U

M

I

N

E

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/8a/Electromagnetic-Spectrum.pnghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/34/Atmospheric_electromagnetic_opacity.svg

Pikkade ja lühikeste EM lainete

levimise eripära

Pariisi Ladina kvartalis asuvast

observatooriumist edastatud

laserkiir müonide avastamiseks.

Foto: AFP / Scanpix Miks on kogu maa täis

mobiili-ja televisoonimaste,

mitte aga raadiomaste?

Mis füüsikanähtusega(tega)

on tegemist?

Ionosfäär

Infrapunakiirguse

rakendusi

Soojamajandus

Militaar

(Seaduslik) jälitustegevus

Varjatud tulekollete otsimine

Tehnika Nt mootorite/seadmete

ebaühtlane kuumenemine

Termofoto, mis väidetavalt aitas tabada 2013. a

Bostoni pommiplahvatuste korraldaja

Auto treilerisse

peitunud inimene

Suitsus ja

sudus

näeb IR

kiirtega

paremini

Elektromagnetilise kiirguse skaalat saab ka

temperatuuri ühikutes kirjeldada

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/cf/EM_Spectrum_Properties_edit.svg

Kaasaegsed optilised mikroskoobid

on väga võimekad

Live fluorescence microscopy

imaging of metastasis — the

spread of cancer — showing

melanoma cells (green)

invading lymphatic vessels

(thick red vessels).

Nature 494 (2013) 131

BIOELEKTER

e.

bioelektromagnetism

Henn Käämbre

TÜ FI

Loeng 24.03.2010

Vt lisas:

http://plantphys.ut.ee/kursused/fyysika/2010-HK-Bioelekter.pdf

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Electric-eel2.jpg

Lorentzi jõud

Magnetvälja

võib defineerida

mitmel erineval

moel, sõltuvalt

tema mõjust

ümbrusele

Lorenzi jõud

Often the magnetic field is defined by the

force it exerts on a moving charged particle. It

is known from experiments in electrostatics

that a particle of charge q in an electric field E

experiences a force F = qE.

However, in other situations, such as when a

charged particle moves in the vicinity of a

current-carrying wire, the force also depends

on the velocity of that particle. The velocity

dependent portion can be separated out such

that the force on the particle satisfies the

Lorentz force law,

Here v is the particle's velocity and × denotes

the cross product. The vector B is termed the

magnetic field.

Lorentzi jõu

elektriline komponent

Lorentzi jõu

magnetiline komponent

http://en.wikipedia.org/wiki/Electrostaticshttp://en.wikipedia.org/wiki/Lorentz_force_lawhttp://en.wikipedia.org/wiki/Cross_product

Kilde Eesti kultuuriloost: Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804 Tartu – 1865 Rooma)

Tartus sündinud ja õppinud baltisaksa füüsik.

Sõnastas induktsioonivoolu määramise Lenzi reegli (sellest

tuleneb - märk Faraday induktsiooniseaduse valemis).

1820–1823 tudeeris Tartu Ülikoolis keeleteadust ja

teoloogiat.

1823–1826 võttis osa Otto von Kotzebue

ümbermaailmareisist, tehes geofüüsikalisi mõõtmisi.

Aastast 1828 kuulus Peterburi Teaduste Akadeemiasse.

Peterburi ülikooli professor 1840, rektor 1863.

Tema nime kannab Lenzi neem Taimõri järves.

http://et.wikipedia.org/wiki/1804http://et.wikipedia.org/wiki/Tartuhttp://et.wikipedia.org/wiki/1865http://et.wikipedia.org/wiki/Roomahttp://et.wikipedia.org/wiki/Baltisakslasedhttp://et.wikipedia.org/wiki/1820http://et.wikipedia.org/wiki/1823http://et.wikipedia.org/wiki/Tartu_%C3%9Clikoolhttp://et.wikipedia.org/wiki/Otto_von_Kotzebuehttp://et.wikipedia.org/wiki/1828http://et.wikipedia.org/wiki/Peterburi_Teaduste_Akadeemiahttp://et.wikipedia.org/wiki/Peterburi_%C3%BClikoolhttp://et.wikipedia.org/wiki/1840http://et.wikipedia.org/wiki/1863http://et.wikipedia.org/w/index.php?title=Lenzi_neem&action=edit&redlink=1http://et.wikipedia.org/wiki/Taim%C3%B5ri_j%C3%A4rv

There is an induced current in a closed conducting loop if and only if the magnetic flux through the loop is changing. The direction of the induced current is such that the induced magnetic field always opposes the change in the flux.

Kilde Eesti kultuuriloost: Thomas Johann Seebeck (Tallinn 1770- Berliin 1831)

Avastas termoelektrilise efekti

(nimet ka Peltier-Seebecki efektiks)

Efekt seisneb pinge genereerimises

kahe juhi ühenduskohtade vahel,

mis asuvad eri temperatuuridel

S sündis Tallinnas Saksa

kaupmehe perekonnas.

Läks 1788 Berliini Ülikooli

arstiteadust õppima (mitte

füüsikat!).

Peale edukaid eksameid

arstiteaduses ja praktilises kirurgias

siirdus ta 1792 Bayreuthi, et

iseseisvalt füüsikaga tegelda.

http://et.wikipedia.org/wiki/1788http://et.wikipedia.org/wiki/Berliini_%C3%9Clikoolhttp://et.wikipedia.org/wiki/1792http://et.wikipedia.org/wiki/Bayreuth

Tuuma-

magnetresonants

Nuclear magnetic resonance (NMR) is a physical phenomenon in which

nuclei in a magnetic field absorb and re-emit electromagnetic radiation.

This energy is at a specific resonance frequency which depends on the

strength of the magnetic field and the magnetic properties of the isotope of

the atoms; in practical applications, the frequency is similar to VHF and

UHF television broadcasts (60–1000 MHz).

NMR allows the observation of specific quantum mechanical magnetic

properties of the atomic nucleus. Many scientific techniques exploit NMR

phenomena to study molecular physics, crystals, and non-crystalline

materials through NMR spectroscopy.

NMR is also routinely used in advanced medical imaging techniques, such

as in magnetic resonance imaging (MRI).

http://en.wikipedia.org/wiki/Physical_phenomenonhttp://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_nucleushttp://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_fieldhttp://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_radiationhttp://en.wikipedia.org/wiki/Resonancehttp://en.wikipedia.org/wiki/Isotopehttp://en.wikipedia.org/wiki/VHFhttp://en.wikipedia.org/wiki/UHFhttp://en.wikipedia.org/wiki/Television_channel_frequencieshttp://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_mechanicalhttp://en.wikipedia.org/wiki/Magnetichttp://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_nucleushttp://en.wikipedia.org/wiki/Molecular_physicshttp://en.wikipedia.org/wiki/Crystallographyhttp://en.wikipedia.org/wiki/NMR_spectroscopyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Medical_imaginghttp://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_resonance_imaging

Tsüklotronsagedus

2,

1 1

2

RKuna T siis

v

tsüklotronsagedus

qBf

T m

Elektrokeemia Redokspotentsiaal

Kemiosmootiline hüpotees

Electron transfer chain

Nernsti valem

Membraanipotentsiaal

An electrochemical gradient is a spatial variation of both

electrical potential and chemical concentration across a

membrane; that is, a combination of the membrane potential

(delta-psi) and the pH gradient (delta-pH). Both components are

often due to ion gradients, particularly proton gradients

(differences in the concentrations of hydronium ions), and the

result can be a type of potential energy available for work in a

cell. This can be calculated as a thermodynamic measure, termed

electrochemical potential, that combines the concepts of energy

stored in the form of chemical potential, which accounts for an

ion's concentration gradient across a cellular membrane, and

electrostatics, which accounts for an ion's tendency to move

relative to the membrane potential.

http://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_potentialhttp://en.wikipedia.org/wiki/Concentrationhttp://en.wikipedia.org/wiki/Hydroniumhttp://en.wikipedia.org/wiki/Potential_energyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Thermodynamichttp://en.wikipedia.org/wiki/Electrochemical_potentialhttp://en.wikipedia.org/wiki/Chemical_potentialhttp://en.wikipedia.org/wiki/Cellular_membranehttp://en.wikipedia.org/wiki/Electric_chargehttp://en.wikipedia.org/wiki/Membrane_potential

Ülesandeid

Õues on pakane, toas soe.

Kuidas kraadiklaasita määrata toa temperatuuri, kui teil on patarei,

voltmeeter ja ampermeeter, külluses vaskjuhet ja põhjalik füüsikateatmik?

Ühendame järjestikku patarei, traadikera ja ampermeetri, volt-

meetri lülitame mõõtma pingelangu traadikeral.

Kummagi mõõturi näitude järgi arvutame Ohmi seadusest traadikera

takistuse toa-temperatuuril RT.

Siis pistame kera sulavasse lumme.

Nüüd saame arvutada kera takistuse sulava lume temperatuuril R0.

Takistus sõltub temperatuurist valemi Rt=R0(1+αT) kohaselt, siit leiame

õhutemperatuuri toas.

Toatemperatuuri lähedal on α= 0,0043 K-1.

Arvuta prootoni ja elektroni

vahel mõjuv kulonline jõud

vesiniku aatomis, kui

osakeste vaheline kaugus on

0.53 A.

Kas jõud on tõmbuv või

tõukuv?

Millise kiirenduse see

elektronile annab?

Elektoni mass on:

Kuidas arvutada?

12 2 2 1

0

2

9

2

1 1

4 4 *8.8542*10

8.99*10

e

Vaakuumis

kC m N

Nm

C

2e

qQF k

r

1. Isa, kes parasjagu märkis üles voolumõõtja näitu, lubas

poja tunniks õue. Isal kella pole.

Kuidas ta saab poega kontrollida?

2. Kuidas määrata hoburaudmagneti pooluseid (tähised on

kustunud) televiisori abil?

3. On vaja selgitada, kui pikk ja millise massiga on vaskjuhe,

millest on tehtud elektromagneti mähis.

Kas tulete toime, kui teil on vooluallikas, voltmeeter,

ampermeeter ja mikromeeter?

4. Miks on kehad elektriliselt laetud?