ELEKTRIČNOELEKTRIČNOOPTEREĆENJEOPTEREĆENJEELEKTRIČNOELEKTRIČNO

OPTEREĆENJEOPTEREĆENJEELEKTRIČNOELEKTRIČNO

OPTEREĆENJEOPTEREĆENJEELEKTRIČNOELEKTRIČNO

OPTEREĆENJEOPTEREĆENJE

Reč elektricitet izvedena je od grčke reči “elektron” koja znači ćilibar

Saznanje o elektricitetu: Tales iz Mileta (600 godine p.n.e.) ćilibarprotrljan vunom privlači lake deliće materije

Vremenom je ustanovljeno da se mogu naelektrisati i drugi materijali(razne vrste smole, tvrda guma, staklo, porcelan i drugi)

Engleski fizičar William Gilbert (1544-1603) proučavao jenaelektrisavanje trenjem i na osnovu tih istraživanja podelio svematerijale u dve grupe: ● “elektrici” - mogu da se naelektrišu

● “neelektrici” - ne mogu da se naelektrišu

Kasnije se shvatilo da se ove dve grupe materijala ne razlikuju pomogućnosti naelektrisavanja, već po sposobnosti da naelektrisanjezadrže, pa postoje: ● provodnici

● izolatori

● poluprovodnici

ELEKTRIELEKTRICITETCITETELEKTRIELEKTRICITETCITET Reč elektricitet izvedena je od grčke reči “elektron” koja znači ćilibar

Saznanje o elektricitetu: Tales iz Mileta (600 godine p.n.e.) ćilibarprotrljan vunom privlači lake deliće materije

Vremenom je ustanovljeno da se mogu naelektrisati i drugi materijali(razne vrste smole, tvrda guma, staklo, porcelan i drugi)

Engleski fizičar William Gilbert (1544-1603) proučavao jenaelektrisavanje trenjem i na osnovu tih istraživanja podelio svematerijale u dve grupe: ● “elektrici” - mogu da se naelektrišu

● “neelektrici” - ne mogu da se naelektrišu

Kasnije se shvatilo da se ove dve grupe materijala ne razlikuju pomogućnosti naelektrisavanja, već po sposobnosti da naelektrisanjezadrže, pa postoje: ● provodnici

● izolatori

● poluprovodnici

Proučavanjem uzajamnih dejstava naelektrisanih tela - neka sePRIVLAČE a neka ODBIJAJU

(staklena šipka i komad svilene tkanine ili krzno i ebonitni štap prenego što se protrljaju ne pokazuju međusobne mehaničke sile, a nakontrljanja se privlače)

Dualistička teorija: postoje dve vrste naelektrisanja “staklasto” i“smolasto”

Američki fizičar Benjamin Franklin u 18. veku postavio je unitarističkuhipotezu: postoji samo jedna vrsta elektriciteta koja je prisutna u svimnenaelektrisanim telima - višak ovog naelektrisanja (označen +)odgovara “staklastom” naelektrisanju, manjak (označen -) odgovara“smolastom” naelektrisanju

Vrste naelektrisanjaVrste naelektrisanjaVrste naelektrisanjaVrste naelektrisanja

Proučavanjem uzajamnih dejstava naelektrisanih tela - neka sePRIVLAČE a neka ODBIJAJU

(staklena šipka i komad svilene tkanine ili krzno i ebonitni štap prenego što se protrljaju ne pokazuju međusobne mehaničke sile, a nakontrljanja se privlače)

Dualistička teorija: postoje dve vrste naelektrisanja “staklasto” i“smolasto”

Američki fizičar Benjamin Franklin u 18. veku postavio je unitarističkuhipotezu: postoji samo jedna vrsta elektriciteta koja je prisutna u svimnenaelektrisanim telima - višak ovog naelektrisanja (označen +)odgovara “staklastom” naelektrisanju, manjak (označen -) odgovara“smolastom” naelektrisanju

Prema savremenoj, dualističkoj teoriji, postoje dve vrste elektriciteta(naelektrisanja), konvencionalno nazvane “pozitivni” i “negativni”elektricitet

Konvencionalna upotreba algebarskih znakova za različite vrstenaelektrisanja (privlacenje raznoimenih, odbijanje istoimenihnaelektrisanja

U nenaelektrisanom stanju u svakom telu nalaze se obe vrstenaelektrisanja u istoj količini - njihov algebarski zbir jednak je nuli

Telo je naelektrisano ako postoji višak jedne vrste naelektrisanja

Prema savremenoj, dualističkoj teoriji, postoje dve vrste elektriciteta(naelektrisanja), konvencionalno nazvane “pozitivni” i “negativni”elektricitet

Konvencionalna upotreba algebarskih znakova za različite vrstenaelektrisanja (privlacenje raznoimenih, odbijanje istoimenihnaelektrisanja

U nenaelektrisanom stanju u svakom telu nalaze se obe vrstenaelektrisanja u istoj količini - njihov algebarski zbir jednak je nuli

Telo je naelektrisano ako postoji višak jedne vrste naelektrisanja

Atom je najmanja čestica hemijskih elemenata

Sastoji se od više različitih sitnijih čestica, odkojih su najvažnije tri: protoni, neutroni ielektroni

AtomAtomAtomAtom

Protoni i neutroni obrazuju atomsko jezgro, dokelektroni kruže po svojim orbitama oko njega

Po Borovom modelu atoma: broj elektrona koji kruži oko jezgra jednakje broju protona u jezgru – atom je u električnom pogledu neutralan

Elektroni putuju po orbitalnim ljuskama

- u normalnom stanju oni ostaju u ovim ljuskama

- da bi ih promenili, moraju biti stimulisani spoljnim izvorom energije

Orbitalne putanje ili ljuske označene su slovima od K do Q

Ljuska koja je najudaljenija od jezgra, za dati atom je takozvanavalentna ljuska i ona određuje provodljivost materije

Provodljivost zavisi od broja elektrona u valentnoj ljusci

Valentne ljuske atoma mogu imati do 8 valentnih elektrona

Kada atom ima samo jedan elektron u valentnoj ljusci, on je lakopokretljiv i takav materijal najčešće je odličan provodnik

Ako atom ima osam valentnih elektrona u valentnoj ljusci, ona jeupotpunjena i takav materijal je izolator (neprovodnik)

IZOLATORI (dielektrici) su materijali koji nemaju lako pokretljiveelektrone (tipični izolatori su nemetali: staklo, plastične mase,keramika, guma i drugi)

PROVODNICI su materijali koji imaju lako pokretljive elektrone i oniprovode elektricitet 1015 do 1020 puta bolje od izolatora (tipičniprovodnici su metali: srebro, zlato, bakar, aluminijum i drugi)

POLUPROVODNICI su između provodnika i izolatora (najvažnijipoluprovodnici su silicijum, germanijum, galijum arsenid i drugi)

IZOLATORI (dielektrici) su materijali koji nemaju lako pokretljiveelektrone (tipični izolatori su nemetali: staklo, plastične mase,keramika, guma i drugi)

PROVODNICI su materijali koji imaju lako pokretljive elektrone i oniprovode elektricitet 1015 do 1020 puta bolje od izolatora (tipičniprovodnici su metali: srebro, zlato, bakar, aluminijum i drugi)

POLUPROVODNICI su između provodnika i izolatora (najvažnijipoluprovodnici su silicijum, germanijum, galijum arsenid i drugi)

Provodnik je materijal koji dozvoljava elektronima da lako prolazekroz njega - njegova valentna ljuska ima samo jedan elektron

Ljuska K je potpuno popunjena sa 2 elektronaLjuska L je potpuno popunjena sa 8 elektrona

Ljuska M je potpuno popunjena sa 18 elektrona

ProvodniciProvodniciProvodniciProvodnici

Na slici se vidi model atoma bakra, koji je dobar provodnik (on sesastoji od 29 protona, 29 elektrona i 35 neutrona)

Energija, potrebna da elektroninapuste valentnu ljusku i postanuslobodni, zavisi od njihovog broja

Kod atoma bakra samo jedan elektronse nalazi u valentnoj ljusci N

Dovoljna je sasvim mala jačinaelektričnog polja (čak i malozagrevanje na sobnu temperaturu)

Na slici je krajnje uprošćeno prikazan način kretanja slobodnihelektrona kroz jedno parče bakarne žice

Najbolji provodnici su srebro, bakar i zlato (svi imaju 1 valentnielektron)

Delovanje slabog električnog polja prouzrokovaće pomeranje ovihelektrona od atoma do atoma duž žice

Neke susptance mogu pod izvesnim okolnostima biti izolatori, a poddrugim provodnici (čista voda i suva so su izolatori, a slana voda jeprovodnik)

Tri najčešće korišćena poluprovodnička materijala su silicijum (Si),germanijum (Ge) i ugljenik (C) - zajedničko im je da imaju 4valentna elektrona

PoluprovodniciPoluprovodniciPoluprovodniciPoluprovodnici Poluprovodnici su elementi čiji atomi imaju 4 valentna elektrona

(dobri provodnici imaju 1 valentni elektron, a izolatori 8 valentnihelektrona)

Kada je broj protona u nekom atomu jednak broju elektrona, zatakav atom se kaže da je neutralan

Ako atom izgubi jedan valentni elektron, njegovo ukupnonaelektrisanje postaje pozivno i on je postao pozitivan jon (katjon)

Npr. Cu2+, Na+

Ako neki atom sa nekompletnom valentnom ljuskom dobije jedanvalentni elektron, atom će postati negativan, jer u njemu postojivišak od jednog elektrona i on postaje negativan jon (anjon)

Npr. Cl−, Br−

JoniJoniJoniJoni Kada je broj protona u nekom atomu jednak broju elektrona, za

takav atom se kaže da je neutralan

Ako atom izgubi jedan valentni elektron, njegovo ukupnonaelektrisanje postaje pozivno i on je postao pozitivan jon (katjon)

Npr. Cu2+, Na+

Ako neki atom sa nekompletnom valentnom ljuskom dobije jedanvalentni elektron, atom će postati negativan, jer u njemu postojivišak od jednog elektrona i on postaje negativan jon (anjon)

Npr. Cl−, Br−

I pozitivni i negativni elektricitet imaju diskretnu strukturu ijavljaju se u elementarnim kvantima elektriciteta

Količina elektricitetaKoličina elektricitetaKoličina elektricitetaKoličina elektriciteta

Količina elektriciteta, količina naelektrisanja, ili električnoopterećenje je skup elementarnih količina elektriciteta

ELEKTRON - nosilac elementarne negativne količine naelektrisanja

PROTON - nosilac elementarne pozitivne količine naelektrisanja

Neutralno telo (u električnom smislu) sadrži jednak broj elektrona iprotona

Količina elektriciteta, količina naelektrisanja, ili električnoopterećenje je skup elementarnih količina elektriciteta

ELEKTRON - nosilac elementarne negativne količine naelektrisanja

PROTON - nosilac elementarne pozitivne količine naelektrisanja

Negativno naelektrisano telo sadrži više elektrona nego protona

Pozitivno naelektrisano ako sadrži višak protona

Naelektrisanje tela opisuje se fizičkom veličinom koja se nazivakoličina naelektrisanja, a koja se obeležava simbolom:

Q - za konstantne količine elektriciteta, ili

q - za vremenski promenjive količina elektriciteta

C106.1 19e

Elementarni kvant elektriciteta označava se simbolom e i iznosi:

jedinica za količinu eletriciteta je kulon (C) u čast francuskoginžinjera i fizičara Kulona

eNQ

Svaka količina naelektrisanja, može se iskazati kao:

gde je N ceo broj

jedinica za količinu eletriciteta je kulon (C) u čast francuskoginžinjera i fizičara Kulona

Dokazivanje postojanja naelektrisanja nametalnim telima vrši se elektroskopom

Dodirom metalnog naelektrisanog tela i šipke elektroskopa, deonaelektrisanja pređe na šipku i kazaljku elektroskopa, obe seistoimeno naelektrišu i dolazi do otklona pokretne kazaljkeelektroskopa

Naelektrisavanje dodiromNaelektrisavanje dodiromNaelektrisavanje dodiromNaelektrisavanje dodirom

Ako postoji i baždarena skala, ovajinstrument naziva se elektrometar

Dodirom metalnog naelektrisanog tela i šipke elektroskopa, deonaelektrisanja pređe na šipku i kazaljku elektroskopa, obe seistoimeno naelektrišu i dolazi do otklona pokretne kazaljkeelektroskopa

Kada se pozitivno naelektrisana šipka prinesedovoljno blizu elektroskopa, dolazi do preraspodelenaelektrisanja i listići elektroskopa, naelektrisaniistoimenim naelektrisanjem, odbijaju se

Kod nelektrisavanja dodirom (trenjem) elektroni koji se nalaze uzpovršinu jednog materijala prelaze na drugi

Kada šipka dodirne elektroskop, elektroni sa kugleelektroskopa prelaze na šipku, privučeni njenimviškom pozitivnih naelektrisanja, i neutrališu ga

Kada se šipka ukloni, elektroskop ima manjakelektrona, odnosno pozitivno je naelektrisan

Ako se pozitivno naelektrisana šipka donese u blizinu metalne,električno neutralne sfere, dolazi do preraspodele naelektrisanja natelu koje ostaje i dalje elektroneutralno (polarizacija)

Elektrostatička indukcijaElektrostatička indukcijaElektrostatička indukcijaElektrostatička indukcija Osim naelektrisavanja dodirom, postoji i naelektrisavanje putem

elektrostatičke indukcije

Telo je naelektrisano bez gubitaka naelektrisanja na šipki

Povezivanjem provodnikom metalne sfere sa Zemljom, elektroni izZemlje biće privučeni na deo sfere sa viškom pozitivnih naelektrisanja

Ako se uzemljenje ukloni,

a zatim šipka udalji, na sferi će postojati višak negativnih naelektrisanja

Francuski fizičar Šarl Kulon (Charles AugustinColumb) 1780. god. formulisao je zakon koji seodnosi na kvazipunktualna električna opterećenja

(naelektrisana tela čije su dimenzije vrlo male uodnosu na odstojanje od drugih tela)

Sila međusobnog dejstva između dva kvazipunktualna električnaopterećenja srazmerna je količini jednog i drugog opterećenja, a obrnutoje srazmerna kvadratu rastojanja između njih

Kulonov zakonKulonov zakonKulonov zakonKulonov zakon

Sila međusobnog dejstva između dva kvazipunktualna električnaopterećenja srazmerna je količini jednog i drugog opterećenja, a obrnutoje srazmerna kvadratu rastojanja između njih

Sila deluje duž linije koja spaja dvaopterećenja i karakter joj je odbojan kadasu opterećenja istog znaka, a privlačan uslučaju opterećenja suprotnog znaka

Sila zavisi i od osobina dielektrične sredine

Kulonov zakon se izražava kao:

Vrednost konstante k u vakuumu (a vrlo približno i u vazduhu)označava se sa ko i iznosi ko = 9 109 Nm2/C2

k - koeficijent proporcionalnosti

Q1 i Q2 - količine kvazipunktualnih naelektrisanja

r - rastojanje između njih

221

r

QQkF

Dielektrična konstanta u vakuumu je: o = 8,85 10-12 C2/Nm2

4

1k

221

4

1

r

QQF

Umesto konstante k često se upotrebljava konstanta ε,dielektrična propustljivost (permitivnost):

Kulonov zakon sada se može napisati u obliku: