Elektrostatyka Elektryczność nas otacza i tworzy...

Transkrypt

1 Elektrostatyka Elektryczność nas otacza i tworzy... Ryszard J. Barczyński, Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała Stałego Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

2 Elektryczność nas otacza... Za tym stwierdzeniem kryje się nie tylko mnogość różnych gadżetów, którymi urozmaicamy sobie codzienność. Oddziaływania elektryczne to podstawowe siły wiążące materię (atomy i cząsteczki)

3 Elektryczność nas otacza... Oddziaływania elektryczne są odpowiedzialne za reakcje chemiczne pełnią ważną rolę w żywych organizmach towarzyszą nawet czynności mózgu tworzą światło, fale radiowe, promienie X... itd, itp...

4 Nasz cel Q E ds= ε 0 S B ds E dl= t l S B ds=0 S ds) E B dl=μ 0 ( I +ε0 t l S Nie panikuj!!! Dziel i rządź! (divide et impera)

5 Elektrostatyka Już starożytni Grecy wiedzieli, że potarty o tkaninę bursztyn przyciąga drobne lekkie przedmioty. Pozostawało to odosobnioną ciekawostką aż do XVI wieku, kiedy to William Gilbert wykazał, że podobną właściwość mają różne inne ciała. On też utworzył nazwę sił elektrycznych, od greckiego słowa elektron bursztyn.

6 Ładunki Istnienie dwóch typów ładunków elektrycznych wykazano w roku 1734 (Charles Francois du Fay). Przyjęto (za Benjaminem Franklinem) dość nieszczęśliwie nazywać je dodatnim (ładunek typu szklanego) i ujemnym (ładunek typu ebonitowego).

7 Ładunki Istnienie dwóch typów ładunku elektrycznego jest jego podstawową własnością. Jeżeli ładunki A i B się odpychają, a ładunek A przyciąga ładunek C, to ładunek B będzie również przyciągał ładunek C.

8 Izolatory i przewodniki W roku 1729 Stephen Gray wykrył istnienie przewodników i izolatorów.

9 Izolatory i przewodniki Przewodnik to takie ciało, po którym wprowadzony ładunek rozprzestrzenia się na całej powierzchni. Na izolatorze przeciwnie ładunek pozostaje w miejscu wprowadzenia.

10 Ładunki przyciągają nie tylko ciała naładowane, ale również elektrycznie obojętne (czyli nienaładowane). Zachodzi to na skutek zjawisk indukcji elektrostatycznej (w przewodnikach) oraz polaryzacji dielektrycznej (w izolatorach).

11 Elektroskop Do wykrywania stanu naładowania ciał będziemy używali elektroskopu.

12 Pole elektryczne Oddziaływanie ładunków elektrycznych można opisywać dwojako. Jedna możliwość to traktowanie ładunków jako działających siłą na odległość na inne ładunki. Druga możliwość (zaproponowana przez Michała Faradaya) to przyjęcie, że otoczenie ładunku (czasem mówimy o przestrzeni) znajduje się w specyficznym stanie, który działa na inne ładunki. To drugie podejście bywa wygodne, a często wręcz konieczne mówimy wtedy o polu elektrycznym.

13 Pole elektryczne Z biegiem czasu nauczyliśmy się uważać pole elektryczne za coś znacznie więcej niż tylko metodę opisu oddziaływań między ładunkami, czyli zwykły chwyt matematyczny. Pole nie tylko może istnieć samodzielnie, bez ładunków, ale posiada ono własną energię i inne cechy, których chwytowi matematycznemu raczej nie przypiszemy...

14 Elektrostatyka Elektrostatyka zajmuje się oddziaływaniem układów ładunków spoczywających. Bardziej ogólny dział fizyki, zajmujący się również przepływem ładunków oraz ładunkami (i polami) zmiennymi w czasie nosi nazwę elektrodynamiki.

15 Ładunek elektryczny Jedną z charakterystycznych cech ładunku jest to, że wytwarzaniu ładunku jednego znaku zawsze towarzyszy powstanie ładunku o znaku przeciwnym. Wierzymy (za Benjaminem Franklinem), że jest to jedno z najbardziej fundamentalnych praw przyrody!

16 Ładunek elektryczny Prawo zachowania ładunku Całkowity ładunek układu odosobnionego nie ulega zmianie

17 Ładunek elektryczny Prawo zachowania ładunku Całkowity ładunek układu odosobnionego nie ulega zmianie

18 Ładunek elektryczny Wszelkie ciała zawierają ogromne ilości ładunku elektrycznego, ale nie dostrzegamy tego faktu, gdyż ujemne i dodatnie ładunki nawzajem kompensują się. Zjawisko zwane ładowaniem tak naprawdę polega na przeniesieniu bardzo drobnej części ładunku określonego znaku z jednego ciała na drugie.

19 Ładunek elektryczny Jednostką ładunku elektrycznego jest kulomb. To bardzo duża jednostka... W układzie SI przyjmuje się za pierwotną jednostkę prądu elektrycznego amper. Mamy wtedy: I t = dq dt t Q= I t dt [Q ]=[ I ] [t ]= A s=c 0

20 Ładunek elektryczny W elektrostatyce często zakładamy, że ładunek jest wielkością ciągłą, ale w rzeczywistości ładunek elektryczny jest skwantowany ( ziarnisty ). Jest zawsze wielokrotnością minimalnego ładunku, zwanego elementarnym. To bardzo fundamentalna własność materii.

21 Ładunek elementarny Istnienie ładunku elementarnego stwierdził eksperymentalnie (i po raz pierwszy zmierzył go) Robert Millikan (w roku 1909) rozważając siły działające na naładowane mikroskopijne kropelki rozpylonego oleju.

22 Ładunek elementarny Robert Millikan za to i inne osiągnięcia otrzymał Nagrodę Nobla w 1923 roku.

23 Ładunek elementarny Wartość najmniejszej porcji ładunku, zwana ładunkiem elementarnym to 19 e= C Obecnie zdajemy sobie sprawę, że ładunek o tej właśnie wielkości posiadają elektrony i protony podstawowe składniki atomów. Współczesna fizyka cząstek elementarnych postuluje istnienie również nieco drobniejszych porcji.

24 Ładunek Niekiedy rozważamy wyidealizowany ładunek punktowy, ale częściej traktujemy ładunek jako rozłożony w objętości (gęstość objętościowa ładunku): Q= dv = V dq dv [ ]=[ Q V ]= C m 3

25 Ładunek Niekiedy rozważamy wyidealizowany ładunek punktowy, ale częściej traktujemy ładunek jako rozłożony na powierzchni (gęstość powierzchniowa ładunku): Q= ds = S dq ds [ ]=[ Q S ]= C m 2

26 Ładunek Niekiedy rozważamy wyidealizowany ładunek punktowy, ale częściej traktujemy ładunek jako rozłożony liniowo (gęstość liniowa ładunku): Q= dl = l dq dl [ ]=[ Q l ]= C m

27 Prawo Coulomba Prawo Coulomba sformułowane w 1785 roku określa siłę działającą pomiędzy dwoma ładunkami. Charles Coulomb badał oddziaływanie między ładunkami o różnych wartościach za pomocą precyzyjnej wagi skręceń

28 Prawo Culomba Siła oddziaływania między dwoma ładunkami jest wprost proporcjonalna do iloczynu ich wielkości i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości pomiędzy nimi = F 1 Qq 4 0 r 2 r

29 Prawo Culomba W zasadzie możemy potraktować prawo Culomba jako definicję ładunku elektrycznego istnienie ładunków rozpoznaje się właśnie poprzez fakt ich oddziaływania. Zwróć uwagę na podobieństwo siły Culomba do siły powszechnego ciążenia. Jakie widzisz różnice?

30 Prawo Culomba Warto uświadomić sobie, że prawo Culomba ma bardzo szeroki zakres stosowania aż do rozmiarów kosmicznych. Przy bardzo małych odległościach co prawda konieczne staje się stosowanie praw mechaniki kwantowej, ale charakter oddziaływania elektrostatycznego jest taki sam. Drobnym drukiem... Prawa elektrodynamiki są relatywistyczne! Co więcej, teorię względności weryfikowano właśnie poprzez badanie jej zgodności z elektrodynamiką.

31 Prawo Culomba Stałe występujące w prawie Culomba: = C 2 N m2 ; 0 = C 2 N 1 m 2

32 Zasada superpozycji Jeżeli mamy do czynienia z ładunkami rozciągłymi, to w celu policzenia siły ich oddziaływania musimy posumować (pocałkować) wkłady od wszystkich elementów ładunku. Korzystamy przy tym z zasady superpozycji.

33 Zasada superpozycji Siła działająca na ładunek Qk jest równa sumie (wektorowej) sił pochodzących od wszystkich pozostałych ładunków. (Tą cechę odziedziczą inne wielkości używane do opisu pola elektrycznego).

34 Zasada superpozycji Czy zasada superpozycji jest oczywista? NIE!!! Dlaczego wierzymy, że obowiązuje i bardzo mocno jej używamy? Bo nasze doświadczenie zebrane w ciągu paru wieków wskazuje na to, że jest słuszna...

35 Do przemyślenia w zimowe wieczory Z jaką siłą przyciągały by się dwie złotówki z odległości jednego metra gdyby wszystkie elektrony z jednej z nich dało się przenieść do drugiej? Siły występujące w naszych eksperymentach z elektrostatyki były co najwyżej rzędu drobnego ułamka Newtona. Oszacuj jaki procent elektronów został przeniesiony pomiędzy ciałami naelektryzowanymi przez pocieranie. Porównaj działające pomiędzy dwoma elektronami siły elektryczne i grawitacyjne.