Fizyka 2 Wykład 1.lab2p.fizyka.pw.edu.pl/.../2017/10/W1_Elektrostatyka-1.pdfFizyka 2 Wykład 1. Elektrostatyka Ładunek elektryczny Wielkość ładunku nie zależy od jego rodzaju.Najmniejszy

Fizyka 2 Wykład 1.

Zasady zaliczenia przedmiotu

Przedmiot zaliczamy na podstawie punktów otrzymanych z dwóch kolokwiów (15.04 i 10.06).Każde kolokwium jest warte 15 pkt., czyli łącznie można zdobyć 30 pkt.Do zaliczenia potrzeba 51% wszystkich możliwych do zdobycia punktów, ale … z każdego kolokwium trzeba zdobyć minimum 5 pkt.

Liczba punktów Ocena

(51%)15.3 – 18.2 3.0(61%)18.3 – 21.2 3.5(71%)21.3 – 24.2 4.0(81%)24.3 – 27.2 4.5(91%)27.3 – 30.0 5.0

Fizyka 2 Wykład 1.

Zasady zaliczenia przedmiotu

Kolokwium składać się będzie z 5 zagadnień teoretyczno – zadaniowych, każde warte 3 pkt.Po zapoznaniu się z zagadnieniami na kolokwium, będzie możliwość przypomnienia sobie wzorów z własnoręcznie wykonanych notatek (maksymalnie jedna strona A4; czas na przypomnienie – 3 minuty).

Poprawa kolokwiów będzie możliwa dopiero w sesji jesiennej, ale … punkty zdobyte w sesji zastępują punkty zdobyte w trakcie semestru.

Fizyka 2 Wykład 1. Elektrostatyka

Oddziaływanie

grawitacyjne elektrostatyczne

Decyduje o budowiematerii w skali kosmicznej

Decyduje o kształcie i budowieciał makro- i mikroskopowych

Siła grawitacyjna działa nawszystkie ciała obdarzone masą

Siła elektrostatyczna działana wszystkie ciała

obdarzone ładunkiem elektrycznym

Oddziaływanie elektrostatyczne jest znacznie silniejsze od grawitacyjnego; może być przyciągające lub odpychające.


Oddziaływania elektrostatyczne

Gdy bryłka bursztynu zostanie potarta kawałkiem futra, wówczas elektrony przechodzą z futra na bursztyn, co skutkuje ujemnym ładunkiem bursztynu. Jednocześnie kawałek futra, tracąc elektrony, ładuje się dodatnio. (Tales z Miletu 624-546 p.n.e.)


Ładunek elektryczny

● Przyjęto, że występują dwa rodzaje ładunków: dodatnie (oznaczane znakiem +) i ujemne (oznaczane znakiem –).

● Ładunki tego samego znaku (jednoimienne) się odpychają, a ładunki różnych znaków (różnoimienne) się przyciągają.

● Ładunek oznaczamy literą q. Jednostką ładunku elektrycznego jest kulomb [C]. Jego nazwa pochodzi od nazwiska Charles'a Augustina de Coulomba – francuskiego uczonego, który jako pierwszy określił wielkość siły oddziaływania między ładunkami elektrycznymi.

● Ładunek jest skwantowany – istnieje najmniejsza porcja ładunku jaką może posiadać ciało (ładunek elementarny). W układzie SI ta najmniejsza porcja wynosi około e=1,602·10-19 C. Żadna swobodna cząstka nie może mieć ładunku mniejszego niż ten. Ładunek dowolnego ciała musi być całkowitą wielokrotnością tej porcji.


Ładunek elektryczny

● Wielkość ładunku nie zależy od jego rodzaju. Najmniejszy możliwy ładunek dodatni (z dokładnością do czterech miejsc znaczących) wynosi +1,602 10⋅10 −19 C, a najmniejszy możliwy ładunek ujemny −1,602 10⋅10 −19 C; ich wartości są identyczne.

● Ładunek jest zachowany. Ładunek elektryczny nie może być stworzony ani zniszczony; może tylko zostać przeniesiony z jednego miejsca w drugie, z jednego ciała na drugie. Ładunki ciał w żaden sposób nie znikają, natomiast całkowity ładunek we wszechświecie jest stały.

● Ładunek jest zachowany w układach izolowanych (układy fizyczny, który nie może wymieniać z otoczeniem ani energii, ani materii).

Ostatnie dwa punkty odnoszą się do zasady zachowania ładunku.


Budowa atomu

Otaczające nas przedmioty zbudowane są z atomów.

Atom składa się jądra atomowego (protony i neutrony) i obiegających wokół

niego elektronów. Protony mają ładunek dodatni, elektrony ładunek ujemny, a neutrony są obojętne

elektrycznie.Dzięki przyciąganiu się protonów i

elektronów atom jest układem trwałym.

Każdy atom jest obojętny elektrycznie, tzn. ma jednakową liczbę ładunków

dodatnich i ujemnych.Atom helu


Budowa atomu

Większość atomów zawiera wszystkie trzy typy cząstek elementarnych - protony,

elektrony i neutrony. Wodór (H) jest wyjątkiem – zazwyczaj zawiera jeden proton

i jeden elektron, ale żadnych neutronów.

Trzy rodzaje cząstek elementarnych są przedstawione dla atomu helu - którego

jądro zawiera dwa protony i dwa neutrony, a chmura elektronowa składa się z dwóch

elektronów.

Atom helu


Budowa atomu

Z układu okresowego pierwiastków możemy odczytać informację o liczbie protonów, elektronów i neutronów każdego znanego nam pierwiastka chemicznego.

Wapń ma 20 protonów (jest to liczba atomowa lub liczba porządkowa). Pierwiastek jest obojętny elektrycznie, dlatego liczba jego elektronów jest także równa 20. Liczba 40.1 niesie informację o liczbie składników jądra (jest to tzw. liczba masowa). Aby ustalić liczbę neutronów, od liczby masowej (czyli łącznej liczby protonów i neutronów w jądrze) należy odjąć liczbę atomową: 40.1−20=20.1.

Ca20

40.1

wapń

liczba atomowa

symbolnazwamasa atomowa [u]


Budowa atomu

Jeśli od atomu zostanie odłączony jeden bądź kilka elektronów, to staje się on jonem dodatnim. Jon dodatni ma więcej protonów niż elektronów.


Budowa atomu

Jeśli do atomu zostanie dostarczony jeden lub kilka elektronów, to staje się on jonem ujemnym. Jon ujemny ma więcej elektronów niż protonów.

Najłatwiej zmienić liczbę elektronów w powłoce, która znajduje się najdalej od jądra.


Budowa atomu

Cząstka Ładunek [C] Masa [kg]elektron - 1.602·10-19 9.109·10-31

proton + 1.602·10-19 1.673·10-27

neutron 0 1.675·10-27

Składniki atomu i ich właściwości fizyczne

Protony i neutrony nie mają tego samego ładunku, ale mają w przybliżeniu taką samą masę.Alternatywną miarą do [kg] jest jednostka masy atomowej (ang. atomic mass unit, amu) lub dalton. Pojedynczy neutron lub proton ma masę bardzo zbliżoną do 1 amu.Elektrony mają znacznie mniejszą masę niż protony (około 1/1800 jednostki masy atomowej). Nie wnoszą wiele do ogólnej masy atomowej pierwiastka, ale znacznie wpływają na ładunek atomu.


Czy zjawisko elektryzowania dotyczy wszystkich materiałów?Przewodniki i izolatory

Elektrony otaczają bardzo małe jądro rozległą chmurą ładunku ujemnego. Najbardziej zewnętrzny elektron jest luźno związany z jądrem atomowym. Może być on łatwo oderwany.

W przewodniku może się on przemieścić na sąsiedni atom. Olbrzymie ilości zewnętrznych elektronów (jeden na atom) wędrują od atomu do atomu i są tymi elektronami, które się przemieszczają, gdy mamy do czynienia z przepływem prądu elektrycznego. Te wędrowne, swobodne elektrony nazywamy elektronami przewodnictwa. Wszystkie pierwiastki przewodzące mają podobny układ elektronów z jednym lub dwoma elektronami przewodnictwa. Dotyczy to większości metali.


Czy zjawisko elektryzowania dotyczy wszystkich materiałów?Przewodniki i izolatory

Izolatory – to materiały, w których brak elektronów przewodnictwa. Nawet gdy wprowadzimy do izolatora dodatkowy ładunek, to nie przemieszcza się on, pozostając w danym miejscu na stałe. To dlatego izolatory doświadczają przyciągania i odpychania elektrostatycznego.Każdy dodatkowy ładunek umieszczony na przewodniku odpłynie (wskutek odpychania się ze znajdującymi się tam ładunkami), nie pozostawiając żadnego nadmiarowego ładunku, który mógłby być źródłem siły elektrostatycznej. Ładunek nie może przepływać przez izolator, zatem siły elektrostatyczne pochodzące od tego zlokalizowanego ładunku mogą działać przez długi czas.

Bursztyn, futra i większość kamieni półszlachetnych są izolatorami, podobnie jest z drewnem, szkłem i plastikiem.


Sposoby elektryzowania ciał: przez tarcie, dotyk i indukcję.

● Elektryzowanie przez tarcie. Podczas pocierania (oddziaływania mechanicznego) o siebie dwóch ciał obojętnych elektrycznie niewielka ilość ładunku ujemnego przechodzi z jednego ciała na drugie. W efekcie na jednym ciele powstaje nadmiar ładunku dodatniego, a na drugim – ładunku ujemnego.



● Elektryzowanie przez dotyk polega na dotknięciu ciałem naelektryzowanym ciała nienaelektryzowanego (naładowana rurka – elektroskop). Jeżeli naelektryzowane ciało jest naładowane dodatnio, to przechodzi na nie ładunek ujemny z ciała obojętnego elektrycznie. Jeżeli naelektryzowane ciało jest naładowane ujemnie, to ładunek ujemny przechodzi z tego ciała na ciało obojętne elektrycznie.W efekcie na obu ciałach gromadzi się jednoimienny ładunek elektryczny.



● Gdy ciało elektryzowane jest przez indukcję, to w wyniku zbliżenia ciała naładowanego do ciała elektrycznie obojętnego, na tym drugim pojawiają się dwie grupy ładunków o przeciwnych znakach.

Indukcja elektrostatyczna polega na przemieszczaniu się elektronów swobodnych wewnątrz przewodnika lub na powstawaniu dipola elektrycznego w izolatorze. Proces ten zachodzi, kiedy ciało naładowane elektrycznie znajduje się blisko ciała obojętnego elektrycznie.


Prawo Coulomba

Podstawową cechą oddziaływań pomiędzy ładunkami jest to, że ładunki jednoimienne się odpychają, a ładunki różnoimienne się przyciągają.

Siłę oddziaływań pomiędzy dwoma ładunkami punktowymi opisuje prawo Coulomba: siła wzajemnego oddziaływania pomiędzy dwoma ładunkami jest wprost proporcjonalna do ich iloczynu i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi.


Siła Coulomba vs siła grawitacyjna

Siły grawitacyjne są zawsze siłami przyciągania, a siły elektrostatyczne zależnie od znaków dwóch ładunków, mogą być siłami przyciągania lub odpychania.

Rozpatrując oddziaływania ciał naładowanych elektrycznie, możemy całkowicie zaniedbać ich wzajemne oddziaływanie grawitacyjne.Siły grawitacyjne odgrywają pierwszoplanową rolę dopiero przy oddziaływaniu ciał kosmicznych (planet, gwiazd) mających duże masy.


Pole elektrostatyczne

Tak jak ciało mające masę zmienia otaczającą je przestrzeń, tworząc pole grawitacyjne, tak ciało mające ładunek wytwarza wokół siebie pole elektryczne. Jeden ładunek wytwarza pole, które oddziałuje na drugi ładunek, a ten też wytwarza pole, które oddziałuje na ładunek pierwszy. Natomiast nie dzieje się tak, że na obydwa ładunki działa pole wspólne pochodzące od nich obydwu. Można obrazowo powiedzieć, że żaden ładunek „nie czuje” własnego pola, a na każdy ładunek działa zawsze pole pochodzące od innych ładunków.


Natężenie pola elektrostatycznego

Pole elektryczne opisuje się przez natężenie pola elektrycznego.Natężenie pola elektrycznego w danym miejscu jest to stosunek siły działającej na ładunek próbny do wartości ładunku próbnego. Jest to wielkość wektorowa. Zwrot wektora E wyznaczony jest przez zwrot siły F.

Powszechnie przyjmuje się, że próbny ładunek elektryczny ma wartość dodatnią.Można wykazać, że natężenie pola nie zależy od wielkości ładunku próbnego, zależy tylko od ładunku Q wytwarzającego to pole.


Natężenie pola elektrostatycznegoWektor natężenia pola wytworzonego przez ładunek punktowy ma kierunek promienia wodzącego i zwrot a) zgodny – dla ładunku dodatniego, b) przeciwny – dla ładunku ujemnego.

Każdy wektor natężenia pola elektrycznego E jest skierowany od ładunków dodatnich w stronę ładunków ujemnych.


Natężenie pola elektrostatycznego

Jeżeli mamy więcej punktowych źródeł pola, to – wiedząc, że natężenie pola jest wektorem i znając zasadę dodawania wektorów – łatwo możemy znaleźć wypadkowe natężenie pola jako sumę wektorową natężeń pól pochodzących od wszystkich źródeł. Wektorowe dodawanie natężeń pól nazywa się zasadą superpozycji pól.

Zad.Oblicz natężenie pola w środku trójkąta równobocznego o boku l, w którego wierzchołkach znajdują się jednakowe co do wartości bezwzględnej ładunki Q – dwa ujemne i jeden dodatni.


Linie pola (linie sił)

Linia pola (inaczej linia natężenia pola lub linia sił) to linia, do której wektor natężenia pola jest styczny w każdym jej punkcie. Ma ona zwrot zgodny ze zwrotem wektora natężenia.



Jeżeli źródłem pola jest ładunek punktowy, to linie rozchodzą się promieniście; są one zwrócone od ładunku dodatniego. W przypadku ujemnego ładunku linie są zwrócone do niego. Linie pola zaczynają się na ładunkach dodatnich, a kończą na ujemnych.



Na rysunku przedstawiono linie sił pola elektrycznego pochodzącego od dwóch jednakowych ładunków przeciwnego znaku, tzw. dipola (a). Pole wytworzone przez każdy oddzielny ładunek jest zniekształcone na skutek obecności w pobliżu drugiego ładunku. Gęstsze ułożenie linii sił w określonym miejscu pola oznacza, że jest tam większe natężenie pola, a w miejscach, w których są one rzadsze, natężenie pola jest mniejsze.

W przypadku pola jednorodnego (pole o stałym natężeniu

E) linie sił są proste i rozłożone jednakowo

gęsto (b).

Slajd 1Slajd 2Slajd 3Slajd 4Slajd 5Slajd 6Slajd 7Slajd 8Slajd 9Slajd 10Slajd 11Slajd 12Slajd 13Slajd 14Slajd 15Slajd 16Slajd 17Slajd 18Slajd 19Slajd 20Slajd 21Slajd 22Slajd 23Slajd 24Slajd 25Slajd 26

Documents

Fizyka 2 Wykład 1.lab2p.fizyka.pw.edu.pl/.../2017/10/W1_Elektrostatyka-1.pdfFizyka 2 Wykład 1. Elektrostatyka Ładunek elektryczny Wielkość ładunku nie zależy od jego rodzaju.Najmniejszy