WŁAŚCIWOŚCI IDEALNEGO PRZEWODNIKA

Podobne dokumenty
Podstawowe własności elektrostatyczne przewodników: Pole E na zewnątrz przewodnika jest prostopadłe do jego powierzchni

Pojemność elektryczna. Pojemność elektryczna, Kondensatory Energia elektryczna

Wykład 4 i 5 Prawo Gaussa i pole elektryczne w materii. Pojemność.

Pojemność elektryczna, Kondensatory Energia elektryczna

Fizyka 2 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

Elektrostatyka ŁADUNEK. Ładunek elektryczny. Dr PPotera wyklady fizyka dosw st podypl. n p. Cząstka α

Podstawy fizyki wykład 8

Przewodniki w polu elektrycznym

Lekcja 43. Pojemność elektryczna

kondensatory Jednostkę pojemności [Q/V] przyjęto nazywać faradem i oznaczać literą F.

Podstawy fizyki sezon 2 2. Elektrostatyka 2

Wykład 9: Elektrostatyka cd Katarzyna Weron

UKŁADY KONDENSATOROWE

21 ELEKTROSTATYKA. KONDENSATORY

Wykład 8 ELEKTROMAGNETYZM

Linie sił pola elektrycznego

Strumień Prawo Gaussa Rozkład ładunku Płaszczyzna Płaszczyzny Prawo Gaussa i jego zastosowanie

Dielektryki. właściwości makroskopowe. Ryszard J. Barczyński, 2016 Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

Elektrostatyczna energia potencjalna U

Wykład 17 Izolatory i przewodniki

Ładunki elektryczne. q = ne. Zasada zachowania ładunku. Ładunek jest cechąciała i nie można go wydzielićz materii. Ładunki jednoimienne odpychają się

Pojemność elektryczna

FIZYKA 2. Janusz Andrzejewski

Podstawy fizyki sezon 2 2. Elektrostatyka 2

autor: Włodzimierz Wolczyński rozwiązywał (a)... ARKUSIK 22 ELEKTROSTATYKA CZĘŚĆ 2. KONDENSATORY

Natężenie prądu elektrycznego

Elektrostatyka. A. tyle samo B. będzie 2 razy mniejsza C. będzie 4 razy większa D. nie da się obliczyć bez znajomości odległości miedzy ładunkami

Elektrostatyka, cz. 2

Dielektryki polaryzację dielektryka Dipole trwałe Dipole indukowane Polaryzacja kryształów jonowych

ELEKTROSTATYKA. Zakład Elektrotechniki Teoretycznej Politechniki Wrocławskiej, I-7, W-5

Elektrostatyka. mgr inż. Grzegorz Strzeszewski. 20 kwietnia 2013 r. ZespółSzkółnr2wWyszkowie. mgr inż. Grzegorz Strzeszewski Elektrostatyka

Badanie rozkładu pola elektrycznego

Badanie rozkładu pola elektrycznego

Przykładowe zadania/problemy egzaminacyjne. Wszystkie bezwymiarowe wartości liczbowe występujące w treści zadań podane są w jednostkach SI.

Pojemnośd elektryczna

Kondensator. Kondensator jest to układ dwóch przewodników przedzielonych

Elektrostatyka. Potencjał pola elektrycznego Prawo Gaussa

FIZYKA 2. Janusz Andrzejewski

POLE ELEKTRYCZNE PRAWO COULOMBA

Elektrostatyczna energia potencjalna. Potencjał elektryczny

cz.3 dr inż. Zbigniew Szklarski

ELEKTROSTATYKA. cos tg60 3

Źródła siły elektromotorycznej = pompy prądu

RÓWNANIA MAXWELLA. Czy pole magnetyczne może stać się źródłem pola elektrycznego? Czy pole elektryczne może stać się źródłem pola magnetycznego?

Segment B.X Kondensatory Przygotował: dr Winicjusz Drozdowski

2 K A T E D R A F I ZYKI S T O S O W AN E J

Elektrodynamika Część 1 Elektrostatyka Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Elektrodynamika Część 1 Elektrostatyka Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Fizyka 2 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

ELEKTRONIKA ELM001551W

25 POWTÓRKA FIKCYJNY EGZAMIN MATURALNY Z FIZYKI I ASTRONOMII POZIOM ROZSZERZONY. (od początku do prądu elektrycznego)

Rozdział 1. Pole elektryczne i elektrostatyka

Wymiana ciepła. Ładunek jest skwantowany. q=n. e gdzie n = ±1, ±2, ±3 [1C = 6, e] e=1, C

Materiały pomocnicze 10 do zajęć wyrównawczych z Fizyki dla Inżynierii i Gospodarki Wodnej

Elektrostatyka, część pierwsza

Wykład 18 Dielektryk w polu elektrycznym

Podstawy fizyki sezon 2 3. Prąd elektryczny

Wykład 14: Indukcja cz.2.

Elektryczność i Magnetyzm

Wykład 8: Elektrostatyka Katarzyna Weron

Wykład 2. POLE ELEKTROMEGNETYCZNE:

cz. 2. dr inż. Zbigniew Szklarski

Podstawy Elektroniki i Elektrotechniki

Linia dwuprzewodowa Obliczanie pojemności linii dwuprzewodowej

BADANIE PROCESÓW ŁADOWANIA I ROZŁADOWANIA KONDENSATORA

BADANIE PROCESÓW ŁADOWANIA I ROZŁADOWANIA KONDENSATORA

Pole elektrostatyczne

Elektryczność i Magnetyzm

STAŁY PRĄD ELEKTRYCZNY

Obwodem elektrycznym nazywamy zespół połączonych ze sobą elementów, umożliwiający zamknięty obieg prądu.

Odp.: F e /F g = 1 2,

Elektryczność i magnetyzm

Wykład 15: Indukcja. Dr inż. Zbigniew Szklarski. Katedra Elektroniki, paw. C-1, pok

4.1.1 Elektryzowanie ciał. Zasada zachowania ładunku

TEORIA TRANZYSTORÓW MOS. Charakterystyki statyczne

Wykład 2. POLE ELEKTROMEGNETYCZNE:

Wykład FIZYKA II. 1. Elektrostatyka. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Wykład 14: Indukcja. Dr inż. Zbigniew Szklarski. Katedra Elektroniki, paw. C-1, pok

Momentem dipolowym ładunków +q i q oddalonych o 2a (dipola) nazwamy wektor skierowany od q do +q i o wartości:

Ładunki elektryczne i siły ich wzajemnego oddziaływania. Pole elektryczne. Copyright by pleciuga@ o2.pl

F = e(v B) (2) F = evb (3)

Wykład Pole elektryczne na powierzchniach granicznych 8.10 Gęstość energii pola elektrycznego

Rozdział 22 Pole elektryczne

Wykład FIZYKA II. 4. Indukcja elektromagnetyczna. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

25P3 POWTÓRKA FIKCYJNY EGZAMIN MATURALNYZ FIZYKI I ASTRONOMII - III POZIOM PODSTAWOWY

Badanie własności hallotronu, wyznaczenie stałej Halla (E2)

Pole elektryczne w ośrodku materialnym

1 K A T E D R A F I ZYKI S T O S O W AN E J

Zad. 2 Jaka jest częstotliwość drgań fali elektromagnetycznej o długości λ = 300 m.

Fizyka współczesna Co zazwyczaj obejmuje fizyka współczesna (modern physics)

Wyznaczanie sił działających na przewodnik z prądem w polu magnetycznym

autor: Włodzimierz Wolczyński rozwiązywał (a)... ARKUSIK 21 ELEKTROSTATYKA CZĘŚĆ 1. POLE CENTRALNE I JEDNORODNE

Człowiek najlepsza inwestycja

Pole elektromagnetyczne

46 POWTÓRKA 8 PRĄD STAŁY. Włodzimierz Wolczyński. Zadanie 1. Oblicz i wpisz do tabeli R 2 = 2 Ω R 4 = 2 Ω R 3 = 6 Ω. E r = 1 Ω U [V] I [A] P [W]

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 33: Kondensatory

Ćwiczenie nr 31: Modelowanie pola elektrycznego

Wykład FIZYKA II. 1. Elektrostatyka

ĆWICZENIE 86 BADANIE ZMIAN ŁADUNKU ELEKTRYCZNEGO ZGROMADZONEGO NA OKŁADKACH KONDENSATORA PODCZAS ROZŁADOWANIA METODĄ CAŁKOWANIA GRAFICZNEGO.

Transkrypt:

WŁAŚCIWOŚCI IDEALNEGO PRZEWODNIKA Idealny przewodnik to materiał zawierająca nieskończony zapas zupełnie swobodnych ładunków. Z tej definicji wynikają podstawowe własności elektrostatyczne idealnych przewodników: Wewnątrz przewodnika E = 0. W pobliżu powierzchni przewodnika pole E jest prostopadłe do powierzchni. https://pl.wikipedia.org/wiki/klatka_faradaya#/media/file:faraday_cage.gif Nieskompensowany ładunek może występować jedynie na powierzchni przewodnika. Potencjał w izolowanym od otoczenia przewodniku jest stały, V = const. Przewodnik jest ciałem ekwipotencjalnym.

WNĘKA W PRZEWODNIKU Jeżeli we wnętrzu przewodnika znajduje się wnęka, to pole E wewnątrz wnęki jest równe zeru. powierzchnia Gaussa E = 0 E = 0

KLATKA FARADAYA W pustej wnęce, bez ładunku, pole E jest zerowe. https://www.youtube.com/watch?v=nd89swpkwgw

WNĘKA W PRZEWODNIKU Jeżeli we wnętrzu przewodnika znajduje się wnęka z ładunkiem q w jej obszarze, to pole E wewnątrz wnęki jest różne od zera. http://zon8.physd.amu.edu.pl/~tanas/ Ładunek q indukuje ładunek przeciwny na powierzchni wnęki. Ładunek na powierzchni wnęki modyfikuje rozkład ładunku na powierzchni przewodnika, tak by pole w jego wnętrzu (po za obszarem wnęki) pozostało zerowe.

Rozkład ładunku na powierzchni przewodników Przewodzące kule połączone przewodzącym drutem: 1 4πε 0 q 2 R 2 = 1 4πε 0 q 1 R 1 potencjał cienkiej sfery na jej powierzchni (patrz wcześniejsze wykłady) q 2 R 2 = q 1 R 1 σ 2 4π R 2 2 2 = σ 4π R 1 1 σ R 2 R 2 R 2 = σ 1 R 1 1 im mniejszy promień tym większa gęstość ładunku Openstax, Fizyka dla szkół wyższych, tom 2

Rozkład ładunku na powierzchni przewodników Większą gęstość ładunku obserwujemy w miejscach o małym promieniu krzywizny powierzchni. Openstax, Fizyka dla szkół wyższych, tom 2 http://www.edu.pe.ca/gray/class_pages/krcutcliffe/physics521/21fields/applets/lightning%20rod%20animation.htm

Pole elektryczne na powierzchni przewodnika σ! E d! A " = E da " = EA EA = Q ε 0 = σ A ε 0 E = σ ε 0 Im większa gęstość ładunku powierzchniowego, tym pole elektryczne na powierzchni przewodnika jest większe. http://www.physics.udel.edu/~bnikolic/teaching/phys208/lectures/gauss_law.pdf

Rozkład ładunku na powierzchni przewodników Większą gęstość ładunku obserwujemy w miejscach o małym promieniu krzywizny powierzchni. Zjawisko wykorzystuje się w piorunochronach. Openstax, Fizyka dla szkół wyższych, tom 2 http://www.edu.pe.ca/gray/class_pages/krcutcliffe/physics521/21fields/applets/lightning%20rod%20animation.htm

Wyładowanie elektryczne w powietrzu E Energie jonizacji molekuł powietrza: I N2 = 15.5 ev - jonizacja molekuł powietrza - - - - - -!! powstaje lawina elektronów, którym towarzyszy światło i dźwięk I O2 = 12.5 ev Średnia droga elektronu pomiędzy zderzeniami z cząsteczkami powietrza (tzw. droga swobodna): Δx = 1 µm Teoretyczne wartość pola, przy którym następuje przebicie : E = ΔV Δx V 107 m Pomiary eksperymentalne pokazują, że w rzeczywistości przebicie w suchym powietrzu występuje przy natężeniu pola równym w przybliżeniu 3 x 10 6 V/m 30 000 V/cm.

Pojemność elektryczna izolowanego przewodnika V Izolowany przewodnik naładowany ładunkiem Q charakteryzuje się potencjałem V (potencjał odniesienia w nieskończoności). Pojemność izolowanego (odosobnionego) przewodnika określa stosunek wartości bezwzględnej ładunku zgromadzonego na przewodniku do wartości bezwzględnej jego potencjału. Jednostką pojemności elektrycznej jest Farad, [F = C/V]. pojemność elektryczna izolowanego przewodnika: C = Q V

Pojemność elektryczna przewodzącej sfery R V = Q 4πε 0 R C = Q V = 4πε 0 R Q Pojemność nie zależy od ładunku Q, tylko od geometrii przewodnika. Pojemność jest wielkością geometryczną! R C 6400 km (promień Ziemi) ~ 700 μf 0.3 m (czasza van de Graaff) ~ 20 pf 1 cm ~ 1 pf

Butelka lejdejska pierwszy kondensator https://www.youtube.com/watch?v=nuuegiantkm 81

Dlaczego szok elektryczny był tak duży? Elektrony gromadzące się w butelce wymuszały ruch elektronów z dłoni w kierunku Ziemi. Im dłoń była bardziej pozytywna tym więcej elektronów gromadziło się w butelce. Proces ten napędzał się aż osiągnięto maksymalną pojemność ładunku (zależną od różnicy potencjałów pomiędzy ziemią i kulą).

Kondensator http://www.if.pw.edu.pl/~anadam/wykladyfo/fowww_32.html Kondensator to układ dwóch przewodników (okładek) rozdzielonych dielektrykiem (czyli izolowanych od siebie), na których znajdują się jednakowe (co do wartości bezwzględnej) ładunki o przeciwnych znakach. Kondensatory wykorzystywane są do magazynowania ładunku i energii elektrycznej!

Pojemność kondensatora Kondensator charakteryzuje pojemność określająca zdolność kondensatora do gromadzenia ładunku i energii: C = Q ΔV AB V A V B Q -Q Q wartość bezwzględna ładunku zgromadzonego na jednej okładce ΔV AB wartość bezwzględna napięcia (różnica potencjałów) między okładkami kondensatora

Pojemność kondensatora kulistego r A V A = k Q r A V B = k Q r B r B ΔV AB = V A V B = k Q ( r r A B ) r A r B Q -Q C = Q ΔV AB = 1 k r A r B r A r B

Pojemność kondensatora płaskiego ΔV / = Ed, E = σ ε 0 = Q Aε 0 C = Q A = ε ΔV 0 / d

Symulacja kondensatora płaskiego https://phet.colorado.edu/en/simulation/legacy/capacitor-lab

Energia zgromadzona w kondensatorze A E = 0 σ d E = 0 E = σ ε 0 σ Elektrostatyczna energia potencjalna zgromadzona w kondensatorze płaskim: U = ε 0 2 cala przestrzen E 2 dτ = ε 0 2 σ 2 ε 0 2 dτ = ε 0 2 ε Ad = 1 2 0 2 ε 0 σ 2 A d σ d ε 0 2 U = 1 2 CΔV 2 słuszne dla każdego kondensatora!

Energia zgromadzona w kondensatorze https://phet.colorado.edu/sims/html/capacitor-lab-basics/latest/capacitor-lab-basics_en.html

Zastosowania energii zgromadzonej w kondensatorze Defibrylator- aż do 360 J może być zmagazynowanych w polu elektrycznym kondensatora w tym urządzeniu. Energia ta w całości dostarczana jest pacjentowi w przeciągu 2 ms, odpowiada to mocy ok. 180 kw! Błyski lampy w aparacie fotograficznym powstają przez rozładowanie energii zmagazynowanej w kondensatorze (energia elektryczna zamieniana jest na energię świetlną). http://camerarepair.blogspot.com/2007/11/important-warning-camera-flash.html Błyski lampy stroboskopowej powstają przez ciągłe ładowanie i rozładowywanie kondensatora.

Dielektryk w kondensatorze 0 0 E 0 E 0 = ΔV 0 d polaryzacja dielektryka, na jego powierzchni powstają ładunki związane, wewnątrz dielektryka indukuje się pole o wartości E ind = be 0, b < 1 W wyniku polaryzacji dielektryka natężenie pola elektrycznego w obszarze kondensatora maleje! E = E 0 E ind = = E ( 0 1 b) = = E 0 κ, 1 κ = 1 b ( ) κ - stała dielektryczna

Stała dielektryczna różnych materiałów

Dielektryk w kondensatorze E = ΔV d E 0 κ = ΔV 0 κ d woltomierz Wstawienie dielektryka pomiędzy okładki kondensatora powoduje spadek napięcia na na kondensatorze: ΔV = ΔV 0 κ, κ > 1 Ponieważ ładunek Q 0 na okładkach kondensatora nie zmienia się, oznacza to, że pojemność kondensatora wzrosła! C = κc 0

Dielektryk w kondensatorze E = ΔV d E 0 κ = ΔV 0 κ d woltomierz Energia zgromadzona w kondensatorze bez dielektryka: U 0 = 1 2 C ΔV 2 0 0 Energia zgromadzona w kondensatorze z dielektrykiem: U = 1 2 κc 0 ΔV 0 2 κ 2 = 1 κ U 0 Energia zmniejszyła się ponieważ kondensator wykonał pracę wciągając dielektryk w obszar między płytkami. Wyjmując kondensator energia rośnie ponieważ ty my wykonujemy pracę nad układem.

Dielektryk w kondensatorze podłączonym do zasilacza (baterii) Zasilacz wymusza stałe napięcie na kondensatorze! Wstawienie dielektryka pomiędzy okładki kondensatora podłączonego do zasilacza powoduje wzrost ładunku na okładkach kondensatora: Q = κq 0, κ > 1 Ponieważ zasilacz wymusza stałe napięcie na kondensatorze, oznacza to, że pojemność kondensatora wzrasta, ale pole elektrycznie nie zmienia się! C = κc 0, E = E 0.

POJEMNOŚĆ ZASTĘPCZA UKŁADU KONDENSATORÓW POŁĄCZONYCH RÓWNOLEGLE Łączenie równoległe kondensatorów: C 1 C 2 C 3 C n ΔV - = C zast ΔV - Pojemność zastępcza układu: ( ) Q 1 Q 2 Q 3... Q n = ΔV C 1 C 2 C 3... C!###"### $ n C zast Q = ΔVC zast C zast = C 1 C 2 C 3... C n

POJEMNOŚĆ ZASTĘPCZA UKŁADU KONDENSATORÓW POŁĄCZONYCH SZEREGOWO Łączenie szeregowe kondensatorów: C 1 C 2 C 3 C n -Q Q -Q Q -Q Q -Q Q - ΔV Pojemność zastępcza układu: ΔV = ΔV 1 ΔV 2 ΔV 3... ΔV n = Q 1 1 1... 1 C 1 C 2 C 3 C n!#### "#### $ = C zast 1 - ΔV ΔV = Q C zast 1 C zast C zast = 1 C 1 1 C 2 1 C 3... 1 C n

Znaleźć pojemność zastępczą układu przedstawionego na rysunku: