Fizyka. Elektrostatyka. Szymon Goliszewski

Transkrypt

1 Fizyka Elektrostatyka Szymon Goliszewski

2 Elektrostatyka dziedzina fizyki zajmująca się oddziaływaniami pomiędzy nieruchomymi ładunkami elektrycznymi. Oddziaływania te zwane są elektrostatycznymi. Elektrostatyka rozpatruje też ładunki poruszające się, o ile pomija się wszystkie efekty wynikające z ruchu ładunków z wyjątkiem zmiany ilości ładunku. Ładunki elektryczne: Ładunek elektryczny - fundamentalna właściwość materii przejawiająca się w oddziaływaniu elektromagnetycznym ciał obdarzonych tym ładunkiem. Ciała obdarzone ładunkiem mają zdolność wytwarzania pola elektromagnetycznego oraz oddziaływania z tym polem. Oddziaływanie ładunku z polem elektromagnetycznym jest określone przez siłę Lorentza i jest jednym z oddziaływań podstawowych. Dwa niewielkie ładunki elektryczne Q i q znajdujące się w odległości wzajemnej r oddziałują na siebie siłą F, której wartość jest wprost proporcjonalna do wartości tych ładunków i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi. Ładunki jednoimienne: Ładunki różnoimienne: Jeżeli ładunki te znajdują się w próżni to wzór na wartość siły ich wzajemnego oddziaływania ma postac :

3 Pole elektrostatyczne W polu elektrostatycznym, wytworzonym przez ładunek Q, znajduje się niewielki ładunek q, na który działa siła F. W miejscu gdzie znajduje się ładunek q, natężenie pola elektrostatycznego wyrażamy wzorem: W teorii pola elektrycznego czasami posługujemy się pojęciem strumienia elektrycznego ø. Miarą strumienia jest liczba linii sił przechodzących przez rzeczywistą lub wyobrażoną powierzchnie. Rycina 1.7 przedstawia zbiór linii sił pola elektrostatycznego, tworzący strumien tego pola, przechodzący przez powierzchnię S. Możemy też wyobrazić sobie, że przez bardzo małą powierzchnie ΔS przechodzi bardzo mała część tego strumienia Δø, E jest natężeniem pola elektrostatycznego na powierzchni ΔS, zaś α to kąt pomiędzy prostopadłą do powierzchni ΔS a kierunkiem linii sił pola. Wartość strumienia Δø obliczamy ze wzoru : ΔS = E*ΔS*cos α Prawo Gaussa Prawo Gaussa przestawia związek między całkowitym strumieniem ø przechodzącym przez powierzchnię zamkniętą i całkowitym ładunkiem otoczonym tą powierzchnią: Strumień natężenia pola elektrycznego, przenikający przez dowolną powierzchnię zamkniętą w jednorodnym środowisku o bezwzględnej przenikalności dielektrycznej ε, jest równy stosunkowi całkowitego ładunku znajdującego się wewnątrz tej powierzchni do wartości tejże przenikalności. W materii pole elektryczne wywołuje przesunięcie ładunków elektrycznych, co skutkuje powstaniem ładunków zwanych ładunkami indukowanymi. Prawo Gaussa obowiązuje także w tej sytuacji, ale trzeba uwzględnić ładunki indukowane w ośrodku. Jest to podejście bardzo niewygodne w związku z czym uwzględnia się ten wkład za pomocą przenikalności elektrycznej materiału ośrodka.

4 Energia Potencjalna i potencjał Pole elektrostatyczne ładunku punktowego jest zachowawcze. Wobec tego można wprowadzić pojęcie energii potencjalnej. Praca wa->b wykonana przez siłę Coulomba przy przemieszczeniu ładunku od punktu A, gdzie energia potencjalna wynosi UA do punktu B, gdzie energia potencjalna jest równa UB, wynosi WA->B = -ΔU = -( UB UA ) = UA UB Warto w tym miejscu podkreślić, że pracę WA->B wykonała siła pola elektrostatycznego. Rozważmy jednorodne pole elektryczne skierowane pionowo w dół o natężeniu E = (0, E,0), w którym zgodnie z kierunkiem i zwrotem wektora natężenia E przemieszczany jest ładunek dodatni q. Oś pionowa OY układu współrzędnych ma zwrot do góry więc składowa Fy = -qe. Niech ładunek q zostanie przemieszczony wzdłuż osi pionowej od punktu o współrzędnej Ya do punktu o współrzędnej Yb, jak pokazuje to rysunek Zgodnie z definicją podaną wyżej obliczamy pracę siły elektrycznej przy opisanym przemieszczeniu.

5 Kondensator Doprowadzenie napięcia do okładek kondensatora powoduje zgromadzenie się na nich ładunku elektrycznego. Po odłączeniu od źródła napięcia, ładunki utrzymują się na okładkach siłami przyciągania elektrostatycznego. Jeżeli kondensator, jako całość, nie jest naelektryzowany to cały ładunek zgromadzony na obu okładkach jest jednakowy co do wartości, ale przeciwnego znaku. Kondensator charakteryzuje pojemność określająca zdolność kondensatora do gromadzenia ładunku Kondensatorem nazywamy układ dwóch lub więcej przewodników odizolowanych próżnią lub dielektrykiem, służący do magazynowania elektrycznej energii ładunków oraz do wytwarzania pola elektrycznego o pożądanej konfiguracji. Pojemność kondensatora definiujemy wzorem : C pojemność, w faradach Q ładunek zgromadzony na jednej okładce, w kulombach U napięcie elektryczne między okładkami, w woltach. Budowa Kondensatora Gdzie: Rs rezystancja szeregowa wyprowadzeń i elektrod, elektrolitu oraz straty w dielektryku Ls indukcyjność doprowadzeń i elektrod Rp rezystancja izolacji w dielektryku

6 Rodzaje Kondensatorów Kondensatory Elektrolityczne - Typowe kondensatory elektrolityczne musza być polaryzowane napięciem o określonej biegunowości. Przyłożenie napięcia przekraczającego wartość napięcia nominalnego lub też odwrotne podłączenie elektrod powoduje uszkodzenie kondensatora czemu najczęściej towarzyszy eksplozja, a trzeba wiedzieć, że elektrolity wybuchają z hukiem, dymem i zapachem. Kondensatory Ceramiczne - Produkowane z jednej lub z wielu płytek ceramicznych z nałożoną elektrodą metalową. W ich obrębie wyróżnia si ę kondensatory płytkowe ( single plate ) - z pojedynczą warstwą dielektryka, oraz kondensatory wielowarstwowe (monolityczne) - zbudowane z wielu warstw dielektryka. Kondensatory z tworzyw sztucznych - Klasyczne kondensatory foliowe zbudowane są z dwóch wstęg folii aluminiowejprzedzielonej warstwą z tworzywa sztucznego stanowiącą dielektryk. Jednak większość spotykanych na rynku kondensatorów tego rodzaju to tzw. kondensatory metalizowane w których na jednej lub na obu stronach dielektryka naniesiona jest próżniowo cieniutkawarstwa metalu stanowiąca okładziny. W oznaczeniu tych kondensatorów występuje litera M. Kondensatory papierowe - W większości zastosowań zastępowane kondensatorami warstwowymi z tworzyw sztucznych. Kondensatory mikowe - Zbudowane podobnie, jak ceramiczne kondensatory wielowarstwowe. Różnią się elektrodami wykonanymi ze srebra. Są względnie duże i drogie co powoduje że w znacznym stopniu zastępowane są przez kondensatory polipropylenowe.