Prezentacja programu PowerPoint

1
(No Transcript)
2
Z doswiadczenia znamy nastepujace fakty
1. Przyciaganie skrawków sukna przez bursztyn,
czyli (Electrum) zauwazone zostalo przez Greków
ok.. 700 roku p.n.e.
2. Okolo roku 1600 Gilbert zauwaza, ze
elektryzowanie jest powszechnie wystepujacym
zjawiskiem.
3. W roku 1730 C. Dufay stwierdza, ze istnieje
dwa rodzaje elektrycznosci.
Obecnie jest dla nas oczywistoscia istnienie
dwóch typów ladunków typu szklanego
dodatnie, - typu
ebonitowego ujemne. Istnienie ladunków
dodatnich i ujemnych pokazal w roku 1750
Benjamin Franklin.



3
4. Materia w stanie równowagi jest neutralna,
lecz wiemy, ze
sklada sie z ladunków, Ladunek nalezy do
podstawowych wlasnosci atomu W atomach
ladunek jest umieszczony w jadrze atomowym i na
powlokach elektronowych. powloka -- -Ze Z
elektronów, kazdy o ladunku e jadro --
Ze Z protonów, kazdy o ladunku e
Pomiedzy jadrem a elektronami dzialaja sily.
4
Jednym z podstawowych praw dotyczacych ladunków
jest Prawo Zachowania Ladunku. Sumaryczny
ladunek ukladu odizolowanego elektrycznie pozostaj
e staly
Nie mozna zniweczyc, ani wytworzyc odosobnionych
ladunków jednego znaku.
Przykladem moze byc rozpad alfa jadra uranu 238
Ladunek jest tutaj zawarty w protonach i widac,
ze liczba protonów przed i po rozpadzie jest taka
sama. Ladunek zostal wiec zachowany.
5
Prawo Coulomba
W 1785 roku w oparciu o doswiadczenia z
ladunkami Charles Augustin Coulomb doszedl do
trzech nastepujacych wniosków dotyczacych sily F
dzialajacej pomiedzy dwoma ladunkami Q1 i Q2

• F ? Q1 Q2
• F ? 1/r2
• F jest przyciagajaca dla ladunków
  przeciwnych (/-)
• a odpychajaca dla jednakowych (/),
  (-/-) i dziala wzdluz
• linii laczacej ladunki.

W doswiadczeniach swoich Coulomb poslugiwal sie
tzw. Waga Skrecen
6
Waga Skrecen



-
Równowaga nastepowala wtedy, gdy moment sil
sprezystosci nici byl równy momentowi zwiazanemu
z oddzialywaniem ladunków.
Prawo swoje Coulomb sformulowal nastepujaco
(4.1)
7
Wektor
jest wektorem polozonym na linii laczacej dwa
oddzialywujace ladunki.
Ze znajomosci wielkosci sily i odleglosci
pomiedzy ladunkami mozemy przez definicje stalej
k zdefiniowac wielkosc ladunku.
W ukladzie SI
Gdzie c jest predkoscia swiatla w prózni
c 299792458 m/s
jest przenikalnoscia elektryczna prózni i jest
równe
8
Jednostka ladunku w ukladzie SI jest
KULOMB. Cialo posiada ladunek jednego kulomba
jesli na równy sobie dziala z odleglosci jednego
metra sila 9. 109 Newtona.
Prawo Kulomba jest spelnione w fizyce
makroskopowej i atomowej z dokladnoscia jak 1 do
109.
Jesli umiescimy dwa ciala o masach po 1
kilogramie i ladunku Jednego kulomba w odleglosci
1m od siebie, to stosunek sily kulombowskiej do
sily grawitacji ma sie jak 1019 1.
1C
1C
1m
1 kg
1 kg
9
Pole elektryczne Natezenie pola elektrycznego
Z prawa Coulomba wiemy, ze ladunki oddzialywuja
pomiedzy soba sila zalezna od wielkosci tych
ladunków i ich odleglosci. Mozemy wiec
powiedziec, ze wokól kazdego ladunku roztacza sie
pewien obszar, POLE, w którym na inne ladunki
dzialaja sily kulombowskie. Pole wytworzone przez
ladunki elektryczne nazywamy polem elektrycznym.
Pole takie charakteryzuje sie natezeniem
informujacym nas o wielkosci sily dzialajacej na
ladunek umieszczony w tym polu.
10
Natezenie pola elektrycznego definiujemy jako
stosunek sily Dzialajacej na ladunek próbny q0
umieszczony w polu, do wielkosci tego ladunku.
z
E
F
q0
r
y
Q
x
(5.1)
11
We wzorze (5.1) granice dla q0 ? 0 wprowadzamy
dlatego, aby otrzymac wartosc natezenia pola
elektrycznego pochodzacego tylko od ladunku Q .
Q2
z
Q1
Q3
Fakt, ze natezenie pola elektrycznego jest
proporcjonalne do wielkosci ladunku, lezy u
podstawy zasady superpozycji. Zasada ta mówi,
ze natezenie pola elektrycznego w danym punkcie
jest suma pól pochodzacych od poszczególnych
ladunków.
P
x
Q4
r - ? i
r
?i
Qi
y
x
12
Dla ukladu ladunków punktowych otrzymujemy
zgodnie z zasada superpozycji nastepujace
wyrazenie na natezenie pola elektrycznego
(5.2)
Ladunek moze byc rozlozony nie tylko punktowo,
ale równiez objetosciowo lub powierzchniowo.
Jesli zdefiniujemy gestosc ladunku jako ?(x,y,z)
C/cm3, to ladunek zawarty w elemencie objetosci
d? jest równy dQ ? d?.
13
P
z
?
x
r - ?
r
d?
?
Oblok ladunku
y
Natezenie pola w punkcie pochodzacego od ladunku
rozmieszczonego w objetosci ? dane jest wzorem
x
(5.3)
14
Analogiczny wzór mozemy napisac dla ladunku
rozlozonego na powierzchni A z gestoscia
powierzchniowa ?(x,y,z).
z
P
x
dA
A
r
?
Natezenie pola w punkcie P pochodzacego od
ladunku rozmieszczonego na powierzchni A dane
jest wzorem
y
x
(5.3a)
15
W oparciu o podane wyrazenia mozemy wzór na
natezenie pola elektrycznego pochodzacego od
objetosciowego rozkladu ladunków napisac
nastepujaco
.
Funkcje skalarna
(5.10)
Nazywamy skalarnym potencjalem pola elektrycznego.
16
Analogiczne wyrazenia na potencjal pola dla
ukladu ladunków powierzchniowych, punktowych i
dla ladunku pojedynczego
Dla pojedynczego ladunku mamy
Wiadomo, ze
,
17
Czyli
.
.
Po wycalkowaniu otrzymujemy
Przyjmujemy, ze w nieskonczonosci (r ?)
potencjal pochodzacy od ladunku Q jest równy
zero. Musimy wtedy przyjac, ze stala C jest równa
zero.
18
Ten sam wynik otrzymamy, jesli wprowadzimy
odpowiednie granice calkowania
(5.11)
Mozna latwo pokazac, ze wyrazenie pod calka jest
równe czyli
,
(5.11a)
Potencjal okreslony we wzorze (5.11) jest równy
pracy potrzebnej do przeniesienia ladunku
jednostkowego q1C z nieskonczonosci na odleglosc
r od ladunku Q.
19
W oparciu o definicje potencjalu (5.11a) mozemy
zdefiniowac róznice potencjalu UAB pomiedzy dwoma
punktami pola elektrostatycznego.
(5.11b)
Ze wzgledu na to, ze pole elektryczne jest polem
centralnym i ma charakter zachowawczy (r. (5.9)
), tak samo jak w mechanice, praca potrzebna na
przesuniecie ladunku w polu jest niezalezna od
drogi po której ja wykonujemy.
20
Praca potrzebna do przesuniecia ladunków Q z A do
B w polu elektrycznym jest taka sama niezalezna
od drogi.
A
B
21
Poniewaz
ds
Mozemy w oparciu o ostatnie równanie napisac
2
1
(5.12)
Dla ukladu N ladunków punktowych otrzymamy na
potencjal w punkcie r wyrazenie
(5.13)
22
Prad elektryczny uporzadkowany (skierowany)
ruch ladunków elektrycznych. Wielkoscia opisujaca
prad elektryczny jest natezenie pradu
elektrycznego I, które definiuje sie jako
stosunek ladunku elektrycznego q, który przeplywa
przez poprzeczny przekrój przewodnika, do czasu t
przeplywu tego ladunku                      
lub           Jednostka natezenia pradu
elektrycznego w ukladzie SI jest amper
A. Natezenie pradu I mozna wyrazic tez przez
liczbe ladunków przeplywajacych przez
powierzchnie S, majacych predkosc v
                                   gdzie n -
koncentracja nosników pradu wyrazona przez ich
liczbe na jednostke objetosci (poruszajacych sie
w tym samym kierunku), q - ladunek kazdego z
nosników, v - skladowe predkosci nosników w
kierunku prostopadlym do powierzchni S, przez
która plynie prad o natezeniu I.
23
Opór i Prawo Ohma
Rezystancja jest miara oporu, z jakim element
przeciwstawia sie przeplywowi pradu
elektrycznego. Zwyczajowo rezystancje oznacza sie
symbolem R. Jednostka rezystancji w ukladzie SI
jest om (1 O). Odwrotnosc rezystancji to
konduktancja, której jednostka jest simens. Dla
wiekszosci materialów ich rezystancja nie zalezy
od wielkosci przeplywajacego pradu lub wielkosci
przylozonego napiecia. Prad i napiecie sa wtedy
do siebie proporcjonalne, a wspólczynnik
proporcjonalnosci to wlasnie rezystancja.
Zaleznosc ta znana jest jako prawo Ohma. Miara
oporu, z jaka dany material przeciwstawia sie
przeplywowi pradu elektrycznego, jest
rezystywnosc. Jezeli znamy wymiary geometryczne
elementu i rezystywnosc materialu, z jakiego
zostal wykonany, to jego rezystancje obliczamy
wedlug wzoru                             
gdzie L - dlugosc elementu, S - pole
przekroju poprzecznego elementu, ? -
rezystywnosc materialu.
24
Opór i Prawo Ohma
Prawo Ohma mówi, ze natezenie pradu stalego I
jest proporcjonalne do calkowitej sily
elektromotorycznej w obwodzie zamknietym lub do
róznicy potencjalów (napiecia elektrycznego)
miedzy koncami czesci obwodu niezawierajacej
zródel sily elektromotorycznej. Prawidlowosc te
odkryl w 1827 roku niemiecki fizyk, profesor
politechniki w Norymberdze i uniwersytetu w
Monachium Georg Simon Ohm. Mozna ja opisac jako
                       Wspólczynnik
proporcjonalnosci w tej relacji nazywany jest
konduktancja, oznaczana przez G.
                           lub w ujeciu
tradycyjnym                       Odwrotnosc
konduktancji nazywa sie oporem elektrycznym
przewodnika                           
Prawo Ohma okresla opór elektryczny
przewodnika                        
25
Pierwsze prawo Kirchhoffa

Suma algebraiczna natezen pradów doplywajacych()
i odplywajacych(-) z danego wezla jest równa 0.
lub Suma natezen pradów doplywajacych do wezla
jest równa sumie natezen pradów wyplywajacych z
tego wezla.
Dla kazdego wezla obwodu elektrycznego suma
algebraiczna wartosci chwilowych pradów jest
równa zeru.                                     
           Przyjmuje sie konwencje, ze prady
zwrócone do wezla maja znak (), zas prady ze
zwrotem od wezla maja znak (-), np. I1 I2 I3
- I4 - I5 - I6 0
26
Drugie prawo Kirchhoffa
Tresc prawa Suma wartosci chwilowych sil
elektromotorycznych wystepujacych w obwodzie
zamknietym równa jest sumie wartosci chwilowych
napiec elektrycznych na elementach pasywnych tego
obwodu
Gdzie ek to wartosc chwilowa sem k-tego zródla
ul - napiecie na l-tym elemencie oczka. Prawo to
wystepuje równiez w prostszej wersji
Suma napiec zródlowych
w dowolnym
obwodzie zamknietym pradu stalego równa
jest
sumie napiec na odbiornikach.
27
Zastosowanie praw Kirchoffa. a) I prawo
Kirchoffa umozliwia obliczanie pradów w obwodach
nierozgalezionych z dowolna iloscia zródel.b) II
prawo Kirchoffa umozliwia obliczanie napiec
miedzy dwoma dowolnymi punktami obwodu.c) II
prawo Kirchoffa umozliwia zapisywanie napiecia
calkowitego dowolnej galezi obwodu.d) I i II
prawo Kirchoffa umozliwiaja obliczenie pradów i
napiec w obwodach rozgalezionych z dowolna
iloscia zródel.
28
Praca i moc pradu elektrycznego. Prawo Joule'a
Lenza. Prace wykonana przez sily elektryczne
przy przenoszeniu ladunku podczas przeplywu pradu
nazywamy praca pradu elektrycznego. Jest ona
równa iloczynowi napiecia, natezenia pradu i
czasu jego przeplywu. W U I t W 1J
1VAs 1Ws co po przeliczeniu mozemy wyrazic w
kWh Przeplywowi pradu przez przewodnik
(rezystor) towarzyszy zawsze wydzielanie sie
ciepla, oznacza to, ze na elementach
posiadajacych rezystancje, energia elektryczna
zamieniana jest na energie cieplna. O ilosci
wydzielonego ciepla mówi prawo Jouel'a
LenzaIlosc ciepla (Qc) wydzielonego na
przewodniku o rezystancji R podczas przeplywu
pradu o natezeniu I jest proporcjonalne do
kwadratu natezenia pradu, rezystancji i czasu
przeplywu pradu. Qc k I2 R t gdziek
- to cieplny równowaznik energii k 0,24 cal/J,
pozwala przeliczac jednostki z dzuli na
kalorie.Fakt zmiany energii elektrycznej na
cieplo wykorzystano w grzejnictwie.
29
MOCMoca pradu elektrycznego nazywamy iloczyn
napiecia i natezenia pradu. P U I P 1W gt
1 wat
Moc wytworzona, moc tracona, moc oddawana.Moc
wytworzona jest to moc wytworzona w zródle i jest
ona równa iloczynowi SEM i natezenia pradu. Pwyt
I E Moc stracona - to moc stracona na
rezystancji wewnetrznej zródla. Pstrat I Uw
I2 Rw Moc oddana - jest róznica mocy
wytworzonej i mocy straconej. Podd Pwyt -
Pstrat Moc oddawana przez zródlo jest równa mocy
pobieranej przez odbiornik. Sprawnoscia zródla h
(eta) nazywamy stosunek mocy oddanej do
wytworzonej wyrazany w procentach.
Najwieksza moc zródlo oddaje (a odbiornik
pobiera) gdy prad w obwodzie jest polowa pradu
zwarcia. Rezystancja odbiornika jest wtedy równa
rezystancji wewnetrznej zródla. Taki stan, w
którym odbiornik pobiera najwieksza moc nazywamy
stanem dopasowania a odbiornik odbiornikiem
dopasowania.
30
Nastepny wyklad -charakterystyka pradu
zmiennego -teoria przewodnictwa -izolatory,
przewodniki i polprzewodniki -sygnaly