Wymiana ciepła ELEKTROSTATYKA. Tales z Miletu. 600 p.n.e. czas

Transkrypt

1 Wymiana ciepła

2 Wymiana ciepła ELEKTROSTATYKA Tales z Miletu Grecki filozof zna zjawisko przyciągania przez potarty przez sukno bursztyn (grecka nazwa: elektron) słomek, piór, szpiku kostnego (papieru jeszcze nie znano). 600 p.n.e. czas

3 Wymiana ciepła Gajusz Pliniusz Starszy W "Historii Naturalnej" wspomina o rażeniu powodowanym przez rybę - drętwę brunatną 70 r. czas

4 Wymiana ciepła William Gilbert Badał bursztyn. Wprowadził pojęcia: "elektryk", "nieelektryk", "siła elektryczna", "przyciąganie elektryczne". Ciało posiadające tę "bursztynopodobną" siłę przyciągania jest od teraz nazywane "naelektryzowanym". Gilbert wykazuje, że siarka, żywica, lak do pieczęci, kryształ górski, szafir, diament mają takie same właściwości elektryczne jak bursztyn. Buduje "versorium" - najwcześniejszą wersję elektroskopu, instrumentu do detekcji ładunku elektrycznego r. czas

5 Wymiana ciepła Charles-Francois du Fay Ogłosił teorię "dwu fluidów" - "szkłowego" i "żywicowego". Był pomysłodawcą koncepcji elektryczności "dwubiegunowej". Do jego czasów elektryczność, objaśniana przy pomocy koncepcji effluvium uważana była za "unipolarną". Twierdził, że rodzaj elektryczności, jaka się wytwarza zależy nie tylko od tego, jaka substancja jest pocierana, ale także od tego, czym się ją pociera. Szkło pocierane jedwabiem elektryzuje się elektrycznością "szkłową", kopal, bursztyn, żywica, wosk lakowy, kauczuk pocierane flanelą lub futrem elektryzują się elektrycznością "żywiczną". czas 1733 r.

6 Wymiana ciepła Benjamin Franklin Postulował, że elektryczność nie jest kreowana przez pocieranie szkła (jak dotychczas uważano), lecz jedynie jest przenoszona z ciała na ciało. Wykazuje, że szkło zyskuje tyle elektryczności ile jej traci jedwab. Wprowadza pojęcie elektryczności "dodatniej" i "ujemnej. Według Franklina kierunek przepływu elektryczności jest od dodatniej do ujemnej - w przyszłości przysporzy to kłopotów uczniom r. czas

7 Wymiana ciepła Sir Joseph John Thomson Thomson wprowadził do fizyki pojęcie jonu gazowego oraz elektronu, stwierdzając jego uniwersalną naturę i po raz pierwszy określił jego stałą fizyczną. Opracował także teorię dwóch głównych metod oceny liczby elektronów zawartych w atomach różnych pierwiastków. Przyjął, że atom jest kulką materii o ładunku dodatnim, w której pogrążone są elektrony. Prowadził prace nad przewodnictwem prądu elektrycznego przez gazy. Za prace te otrzymał w 1906 roku Nagrodę Nobla z fizyki r. czas

8 Wymiana ciepła Ryby elektryczne

9 Ogień Świętego Elma Wymiana ciepła Ognie świętego Elma (ognie św. Bartłomieja, ognie Kastora i Polluksa) zjawisko akustyczno-optyczne w postaci małych, cichych, ciągłych, wyładowań elektrycznych na różnych powierzchniach, a szczególnie krawędziach przedmiotów, mające miejsce w czasie pogody zapowiadającej burzę. Wyładowaniom tym mogą towarzyszyć bardzo ciche dźwięki w postaci syczenia lub świstu, a czasem może być to nawet głośny gwizd.

10 Wymiana ciepła

11 Wymiana ciepła Cała otaczająca nas materia zbudowana jest z atomów Cząstki elementarne: protony (+1), elektrony (-1), neutrony (0) Jeśli liczba elektronów = liczbie protonów ciało elektrycznie obojętne Jeśli liczba elektronów liczbie protonów ciało naelektryzowane Istnieją dwa rodzaje ładunku elektrycznego Dodatni Ujemny + - Benjamin Franklin

12 Wymiana ciepła ŁADUNEK ELEKTRYCZNY Ciała naładowane wzajemnie na siebie oddziałują Pręt szklany naelektryzowany przez pocieranie jedwabiem Pręt plastikowy naelektryzowany przez pocieranie futrem Ładunki elektryczne o takich samych znakach odpychają się, a ładunki elektryczne o przeciwnych znakach przyciągają się

13 Wymiana ciepła Zastosowanie elektrostatyki Malowanie elektrostatyczne Bezdotykowy druk atramentowy Osadzanie się popiołów w kominach Napylanie warstw proszku

14 Wymiana ciepła Przewodniki i izolatory Nośniki ładunków elektrycznych: - elektrony(-) -dziury (+) -jądra atomowe(+) -aniony - jony ujemne(-) - kationy - jony dodatnie(+) Ze względu na właściwości elektryczne danych ciał, możemy wyróżnić przewodniki i izolatory.

15 Wymiana ciepła Przewodniki i izolatory Przewodniki Dobrymi przewodnikami są np. metale. Dzieje się tak, gdyż elektrony znajdujące się na zewnętrznych powłokach atomowych w metalach (tzw. elektrony walencyjne) są słabo związane z tworzącymi sieć krystaliczną jądrami atomowymi (regularnie ułożonymi jonami dodatnimi). Elektrony te tworzą gaz elektronowy i mogą poruszać się, biorąc udział w przewodzeniu ładunku. Półprzewodniki Materiały półprzewodnikowe ( pierwiastki grupy IV np. krzem, german) charakteryzują się przewodnictwem elektronowym lub dziurowym. Mają one najczęściej zastosowanie w przemyśle elektronicznym. W półprzewodnikach trudniej jest transportować nośniki ładunku niż w przewodnikach. Izolatory Izolatory to np. szkło czy drewno. Ich budowa jest odmienna od budowy przewodników. Nie występują tu mianowicie elektrony swobodne, więc nie mogą przenosić ładunku.

16 Wymiana ciepła ELEKTRYZOWANIA CIAŁ - pocieranie o siebie dwóch ciał, - dotknięcie ciała, - przez indukcję.

17 Pocieranie Wymiana ciepła Elektryzowanie przez potarcie polega na tym, że podczas pocierania dwóch ciał, jedno z nich "gubi" elektrony, a drugie je przyłącza. W ten sposób to pierwsze ciało ładuje się ładunkiem dodatnim, a drugie ujemnym. Umówiono się, że ładunek dodatni posiada potarta futrem laska szklana, natomiast ujemny potarta papierem laska ebonitowa.

18 Dotyk Wymiana ciepła W metalach (przewodnikach) Ten typ elektryzowania polega na przepływie elektronów z jednego ciała do drugiego podczas ich zetknięcia. Po dotknięciu naelektryzowaną laską ebonitową płytki połączonej z prętem elektroskopu, przesuwamy ją powierzchnią naelektryzowaną po powierzchni płytki. Na pręt elektroskopu przepływają elektrony z laski, a więc pręt i listki z nim połączone uzyskają ujemny ładunek elektryczny. Po dotknięciu naelektryzowaną laską szklaną płytki połączonej z prętem elektroskopu, przesuwamy ją powierzchnią naelektryzowaną po powierzchni płytki. Z pręta elektroskopu przepływają elektrony do laski, a więc pręt i listk z nim połączone uzyskają dodatni ładunek elektryczny.

19 Dotyk Wymiana ciepła Jeżeli mamy ciało naelektryzowane i obojętną kulkę metalową (odizolowaną od otoczenia), to możemy stwierdzić, że na jednym ciele jest nadmiar elektronów (np. laska ebonitowa), a na drugim występuje równowaga (ciało jest obojętne). Obserwuje się zjawisko wyrównywania się stanów, tzn. po zetknięciu się danych dwóch ciał ładunki na nich zmienią się tak by na obu były równe.

20 Indukcję Wymiana ciepła W metalach (przewodnikach) Zbliżenie ciała naelektryzowanego odpowiada wprowadzeniu ciała do pola elektrycznego. W przewodniku wprowadzonym do pola elektrycznego ładunki swobodne przesuwają się tak, by wewnątrz przewodnika nie było pola elektrycznego. W wyniku czego przewodnik pozostaje elektrycznie obojętny (tak jak przed zbliżeniem) jako całość, ale jego części uzyskują ładunek elektryczny zwany ładunkiem indukowanym. Przesunięte ładunki zmieniają pole elektryczne nie tylko w przewodniku ale także w otaczającej przestrzeni. Po odsunięciu ładunku indukującego (bez rozdzielania) układ ładunków w przewodniku powraca do poprzedniego stanu.

21 Wymiana ciepła Ładunek jest skwantowany ładunek elementarny ładunek pojedynczego elektronu (-e). Każdy ładunek q (dodatni lub ujemny) jest całkowitą wielokrotnością jego bezwzględnej wartości. q=n. e gdzie n = ±1, ±2, ±3 [1C = 6, e] e=1, C

22 Wymiana ciepła Ładunek jest zachowany W układzie ciał izolowanych elektrycznie od wszystkich innych ciał, ładunek może być przemieszczony z jednego ciała do drugiego, ale jego całkowita wartość nie może ulec zmianie. B. Franklin

23 Prawo Coulomba Wymiana ciepła Wartość siły wzajemnego oddziaływania dwóch ładunków jest wprost proporcjonalna do iloczynu tych ładunków i odwrotnie proporcjonala do kwadratu odległości między nimi. Prawo to stosuje się jedynie do ładunków punktowych, czyli takich naładowanych ciał, których wymiary są bardzo małe w porównaniu do odległości między nimi lub też do ciał jednorodnych w kształcie kuli.

24 Pole elektryczne Wymiana ciepła M. Faraday XIX -centralne Natężenie pola elektrostatycznego E F q 0 N C

25 Wymiana ciepła Linie pola elektrycznego wychodzą od ładunku dodatniego (gdzie się zaczynają) i skierowane są do ładunku ujemnego (gdzie się kończą)

26 Dwa ładunki Wymiana ciepła Dipol elektryczny

27 Pole elektryczne Wymiana ładunku ciepła punktowego F q r q 2 0 Siła F skierowana od ładunku punktowego, jeśli q jest ładunkiem dodatnim, do ładunku punktowego jeśli q jest ładunkiem ujemnym E F 0 F01 F02... F03 F q F q Wypadkowe pole elektryczne pochodzące, od więcej niż jednego Ładunku punktowego 0 F q 03 0

28 Pole elektryczne Wymiana dipola ciepła elektrycznego

29 Wymiana ciepła