Elektryczne właściwości materii Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W10) Szkoły Policealnej Zawodowej.
Podział materii ze względu na jej właściwości Przewodniki elektryczne: Przewodniki I rodzaju Przewodniki II rodzaju Dielektryki Półprzewodniki Nadprzewodniki
Przewodniki ciała, które zdolne są do przewodzenia prądu elektrycznego Przewodniki I rodzaju ciała odznaczające się przewodnictwem elektronowym. Podczas przepływu prądu elektrycznego nie podlegają zmianom chemicznym. Zaliczamy do nich: miedź aluminium metale szlachetne (złoto, platyna, srebro) cyna ołów wolfram nikiel grafit
Przewodniki II rodzaju ciała, w których przepływ prądu elektrycznego polega na ruchu jonów (przewodnictwo jonowe). Zachodzi w nich ruch jonów dodatnich i ujemnych poruszających sie w przeciwnych kierunkach. Podczas przepływu prądu podlegają one zmianom chemicznym. Zaliczamy do nich wszelkiego rodzaju elektrolity, np. roztwory soli, kwasy, zasady.
Dielektryki materiały o właściwościach izolacyjnych. Nie przewodzą prądu elektrycznego. Zaliczamy do nich: porcelanę szkło bakielit mikę marmur gumę drewno tworzywa sztuczne powietrze olej mineralny wodę destylowaną próżnię papier
Półprzewodniki wykazują własności pośrednie między przewodnikami a dielektrykami. Zaliczamy do nich krzem i german. Wyróżniamy półprzewodniki typu p i typu n.
Pole elektryczne Zazwyczaj liczba ładunków elektrycznych dodatnich i ujemnych w danym ciele jest jednakowa. Ale niektóre ciała mają zdolność do elektryzowania się, czyli może na nich pojawić się nadmiar ładunków dodatnich lub ujemnych. Możliwe jest naelektryzowanie ciała wykonanego z metalu poprzez zbliżenie do niego innego ciała naelektryzowanego. Zjawisko to nosi nazwę indukcji elektrycznej. Ładunki elektryczne oznaczamy jako Q i wyrażamy w kulombach [C].
Natężenie prądu elektrycznego możemy zdefiniować jako przepływ przez przewodnik określonego ładunku w określonym czasie: Jeśli ładunek ten ma stałą wartość, to mówimy o prądzie stałym: Jednostką prądu jest amper [A].
Prawo Culomba Dwa naelektryzowane ciała, dostatecznie małe, aby ich ładunki równe Q 1 i Q 2 można było uważać za punktowe, oddziałują na siebie siłą, która jest proporcjonalna do iloczynu ich ładunków, a odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości r między nimi. gdzie ε bezwzględna przenikalność elektryczna określająca środowisko, w którym ładunki oddziałują ze sobą. ε = ε 0 ε r gdzie ε 0 = 8,85 10-12 F/m (przenikalność elektryczna próżni). ε r względna przenikalność elektryczna próżni
Pole elektryczne charakteryzują: Natężenie pola elektrycznego: gdzie q ładunek próbny o znaku dodatnim Potencjał pola elektrycznego: V A = W A /q gdzie W A - praca wykonana podczas przesunięcia ładunku q z punktu A do nieskończoności.
Napięcie między dwoma punktami pola: Napięcie i potencjał wyrażamy w woltach [V]. Obraz pola elektrycznego:
Pole magnetyczne Pole magnetyczne jest to przestrzeń otaczająca magnes trwały lub przewodnik, w którym płynie prąd. Podobnie jak pole elektryczne, pole magnetyczne można przedstawić graficznie za pomocą linii sił pola. Są to linie, wzdłuż których ustawiają się igły magnetyczne umieszczone w polu magnetycznym.
Pole magnetyczne charakteryzują: Indukcja magnetyczna (wyrażana w teslach [T]): gdzie: F siła elektrodynamiczna działająca na przewód o długości l w którym płynie prąd I, a który znajduje się w polu magnetycznym.
Strumień magnetyczny (wyrażony w weberach [W]): gdzie S powierzchnia, przez którą przenika strumień o indukcji B Strumień skojarzony: gzie N ilość zwojów z których każdy jest skojarzony ze strumieniem Φ
Siła elektromotoryczna indukująca się w przewodzie przemieszczającym się w polu magnetycznym: gdzie: v prędkość przemieszczania się przewodu.
Natężenie pola magnetycznego H: gdzie: µ - przenikalność magnetyczna bezwzględna wyrażona w henrach na metr [H/m]. µ = µ 0 µ r µ 0 = 4π 10-7 H/m - przenikalność magnetyczna próżni. µ r przenikalność magnetyczna względna środowiska.
Podział materiałów magnetycznych: diamagnetyki ich własne pole magnetyczne osłabia zewnętrzne pole magnetyczne (µ r < 1), np.: neon, argon, ksenon, krypton, niektóre metale i związki organiczne. paramagnetyki ich pole magnetyczne jest zgodne ze zwrotem pola zewnętrznego (µ r > 1), np.: powietrze, aluminium, platyna. ferromagnetyki pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego następuje w nich znaczny wzrost indukcji (µ r >> 1). µ r jest w nich nieliniowe. Pojawia się zjawisko magnetyzmu szczątkowego. Zaliczamy do nich np. żelazo, stal, nikiel, kobalt, chrom. Rozróżniamy ferromagnetyki twarde i miękkie.
Literatura: J.Nowicki Podstawy elektrotechniki i elektroniki dla ZSN WSiP 1999