Transcript ELEKTROSZTATIKA 1-ppt

ELEKTROSZTATIKA 1
KÉSZÍTETTE: SZOMBATI EDIT
ELEKTROSZTATIKA 1
1. ELEKTROMOSSÁG A MINDENNAPOKBAN
 Zivatarok idején egy-egy felhőben óriási
mennyiségű töltések halmozódnak fel,
amelyek villámkisüléssel semlegesítődnek.
 Amikor egy hosszabb autós utazás után kiszállunk az
autóból és kisszállás közben hozzáérünk az autó fém
karosszériájához, az megráz minket.
 Egy kötött pulóver levetése közben a
hajunk odatapad a pulóverhez, esetleg
pattogást hallunk, illetve sötétben még apró
kisüléseket is láthatunk.
ELEKTROSZTATIKA 1
2. ELEKTROMOS ALAPJELENSÉGEK
 Ha egy műanyag rudat szőrmével megdörzsölünk,
akkor a műanyag rúd apró testeket magához vonz.
Hasonlóan, egy bőrrel dörzsölt üvegrúd is magához
vonzza a környezetében lévő apróbb testeket.
 Ha egy szőrmével dörzsölt műanyag rudat felfüggesztek, majd a
rúdhoz egy másik, bőrrel dörzsölt műanyag rudat közelítek, akkor a
felfüggesztett műanyag rúd a másik rúd felé lendül ki.
Ha a szőrmével dörzsölt felfüggesztett rúdhoz egy szintén
szőrmével dörzsölt rúddal közelítek, akkor a felfüggesztett rúd
ellenkező irányba lendül.
ELEKTROSZTATIKA 1
3. TÖLTÉS ÉS ELEKTROMOS ÁLLAPOT
 Már az ókorban megfigyelték, hogy a megdörzsölt borostyánkő
maga körül megváltoztatja a teret és apróbb tárgyakat magához
vonz.
 A testeket dörzsöléssel tudjuk elektromos állapotba hozni. Dörzsölés
során az egyik test atomjainak vegyérték héjáról elektronok szakadnak le és lépnek át a másik testre. Így az egyik testen elektrontöbblet,
a másik testen elektronhiány alakul ki.
 Ha egy műanyag rudat szőrmével dörzsölünk, a szőrméről
elektronok lépnek át a rúdra, így a műanyag rúd negatív, a szőrme
pozitív elektromos állapotba kerül. He egy üveg rudat bőrrel
dörzsölünk, akkor az üvegrúdról elektronok lépnek át a bőrre, így
az üvegrúd pozitív, a bőr negatív elektromos állapotba kerül.
ELEKTROSZTATIKA1
3. TÖLTÉS ÉS ELEKTROMOS ÁLLAPOT
 Az elektromos állapotot és így az elektromos teret töltések idézik
elő. Az elektromos tér pedig a töltésre hat.
 Kétféle töltést különböztetünk meg: pozitív és negatív.
Az elektron töltése negatív, a proton töltése pozitív.
Az atom belsejében ugyanannyi elektron van mint proton, így az
atomban ugyanannyi a negatív töltés, mint a pozitív.
Ha egy testen ugyanannyi negatív töltés van, mint pozitív, akkor azt
mondjuk, hogy a test semleges. A körülöttünk lévő testek általában
semlegesek.
 Ha egy testen több a negatív töltés, mint a pozitív, akkor negatív
elektromos állapotú, ellenkező esetben pozitív elektromos állapotú.
ELEKTROSZTATIKA 1
3. TÖLTÉS ÉS ELEKTROMOS ÁLLAPOT
 A töltés, mint fizikai mennyiség, jele: Q, mértékegysége: C (culomb)
 Az elektron töltése: qe=-1,6∙10-19C, a proton töltése: qp=1,6∙10-19C.
Az 1,6∙10-19C nagyságú töltést elemi töltésnek nevezzük.
Az 1 C töltés nagy mennyiségű töltést jelent, 6,25 trillió elektron, illetve
proton töltésével egyezik meg.
Egy villámkisüléskor is mindössze néhány C töltés semlegesítődik a
felhőben.
ELEKTROSZTATIKA 1
4. TÖLTÉSEK KÖZÖTTI ERŐ
 Két töltés mindig erővel hat egymásra:
Azonos töltések taszítják egymást, különböző töltések vonzzák egymást.
 A taszító, illetve a vonzó erő értelmezése:
A töltés létrehoz maga körül egy elektromos teret és ez az elektromos
tér taszító vagy vonzó erővel hat egy másik töltésre.
 A töltések közötti erő nagyságát a COULOMB TÖRVÉNY
fogalmazza meg:
ahol Q1 , Q2 a töltések, r a töltések közötti távolság,
k pedig arányossági tényező, értéke: k=9∙109 Nm2/C2
ELEKTROSZTATIKA 1
3. TÖLTÉSEK KÖZÖTTI ERŐ
 A töltések között fellépő erő iránya azonos és különböző töltések
között:
 Coulomb törvény igazolása TORZIÓS INGÁval:
Az ingában lévő két fémgolyó közül az egyik
rögzített, a másik a fémszállal együtt el tud fordulni.
Ha a két fémgolyóra azonos töltést viszünk, a taszító
hatás miatt a fémszál elfordul. Az elfordulás
mértékéből az Coulomb erő nagyságát ki lehet
számolni.
ELEKTROSZTATIKA 1
5. FELADATOK
1) Mekkora erővel taszítja egymást két 1C nagyságú töltés 1 méter
távolságból?
ELEKTROSZTATIKA 1
5. FELADATOK
2) Mekkora annak a két, azonos előjelű töltésnek a nagysága,
amelyek 1 méter távolságból 1 N erővel taszítják egymást?
ELEKTROSZTATIKA 1
5. FELADATOK
3) Mekkora erővel taszítja egymást egy 5∙10-5C nagyságú töltés és
egy 6∙10-5C nagyságú töltés 20 cm távolságból ?
ELEKTROSZTATIKA 1
5. FELADATOK
4) Egy 30 cm hosszú szakasz két végpontjába egy-egy 4∙10-5C
nagyságú töltést helyezünk. Mekkora erő hat a szakasz
felezőpontjába helyezett 10-5C nagyságú töltésre ?
ELEKTROSZTATIKA 1
5. FELADATOK
5) Egy 20 cm hosszú szakasz egyik végpontjába egy 4∙10-5C
nagyságú töltést, másik végpontjába egy - 4∙10-5C helyezünk.
Mekkora erő hat a szakasz felezőpontjába helyezett 10-5C
nagyságú töltésre ?
ELEKTROSZTATIKA 1
5. FELADATOK
6) Egy 10 cm hosszú szakasz egyik végpontjába egy 4∙10-5C
nagyságú töltést, másik végpontjába egy - 5∙10-5C helyezünk.
Mekkora erő hat a szakasz felezőpontjába helyezett 10-5C
nagyságú töltésre ?
ELEKTROSZTATIKA 1
6. ELEKTROMOS TÉR SZEMLÉLTETÉSE ERŐVONALAKKAL
Az elektromos tér nem látható, ezért szemléltetjük.
A szemléltetés egyik eszköze az ELEKTROMOS ERŐVONALAK.
 Az elektromos erővonalak irányított görbék, melyek a
pozitív töltésekből indulnak ki és negatív töltéseken
végződnek.
 Az erővonalak sűrűsége az elektromos tér nagyságára utal:
ahol sűrűbb ott nagyobb az elektromos tér, ahol ritkább, ott
kisebb.
 Az erővonalak nem metszhetik egymást.
ELEKTROSZTATIKA 1
6. ELEKTROMOS TÉR SZEMLÉLTETÉSE ERŐVONALAKKAL
NÉHÁNY NEVEZETES TÖLTÉSELRENDEZŐDÉS ELEKTROMOS TERE
 PONTTÖLTÉS ELEKTROMOS TERE
A pozitív és negatív ponttöltés elektromos tere sugaras
elrendezésű. A pozitív ponttöltésből kifelé mutatnak az
erővonalak (a) , a negatív ponttöltésbe pedig befelé (b).
A pozitív ponttöltést az elektromos tér FORRÁSÁnak, a negatív
ponttöltést az elektromos tér NYELŐJÉnek mondjuk.
ELEKTROSZTATIKA 1
6. ELEKTROMOS TÉR SZEMLÉLTETÉSE ERŐVONALAKKAL
 DIPÓLUS ELEKTROMOS TERE
Dipólus alatt egymás közelébe helyezett pozitív és negatív
töltést értünk. Ezek egymás elektromos terét az ábrán látható
módon torzítják el. Az elektromos térből jól látszik, hogy a két
különböző töltés vonzza egymást.
ELEKTROSZTATIKA 1
6. ELEKTROMOS TÉR SZEMLÉLTETÉSE ERŐVONALAKKAL
 KÉTÓLUS ELEKTROMOS TERE
Kétpólus alatt két, egymás közelébe helyezett azonos töltést
értünk. Ezek egymás elektromos terét az ábrán látható módon
torzítják el. Az erővonalrendszerből jól látszik, hogy a két
azonos töltés taszítja egymást.
ELEKTROSZTATIKA 1
6. ELEKTROMOS TÉR SZEMLÉLTETÉSE ERŐVONALAKKAL
 HOMOGÉN ELEKTROMOS TÉR ELEKTROMOS TERE
Homogén elektromos tér alatt egy olyan elektromos teret
értünk, amelynek minden pontjában ugyanolyan erősségű az
elektromos tér. A homogén elektromos teret párhuzamos
erővonalakkal szemléltetjük.
Homogén elektromos tér egy feltöltött fémlemez körül, illetve
két, különböző töltésű fémlemez között alakul ki.
ELEKTROSZTATIKA 1
7. ELEKTROMOS TÉR SZEMLÉLTETÉSE TÉRERŐSSÉG VEKTORRAL
Az elektromos tér szemléltetésének másik eszköze az
ELEKTROMOS TÉRERŐSSÉG VEKTOR.
 Megmutatja, hogy mekkora erő hat az 1 C nagyságú
töltésre az elektromos tér egy adott pontjában.
 Jele: E, képlete: E=F/Q, mértékegysége: N/C.
1 N/C a térerősség az elektromos tér egy adott pontjában,
ha az oda helyezett 1 C nagyságú töltésre 1 N erő hat.
 A térerősség vektor iránya a töltésre ható erő irányával
egyezik meg. Továbbá a térerősség vektor iránya az
erővonalak érintőjének irányába mutat.
ELEKTROSZTATIKA 1
7. ELEKTROMOS TÉR SZEMLÉLTETÉSE TÉRERŐSSÉG VEKTORRAL
A PONTTÖLTÉS ÉS A DIPÓLUS ELEKTROMOS TERÉNEK
SZEMLÉLTETÉSE TÉRERŐSSÉG VEKTORRAL
A töltéshez közel nagyobb az elektromos tér erőssége, amelyet
nagyobb térerősség vektor jelez, a töltéstől távol kisebb az
elektromos tér erőssége, amelyet kisebb térerősség vektor jelez.
ELEKTROSZTATIKA 1
8. PONTTÖLTÉS ELEKTROMOS TERÉT LEÍRÓ KÉPLET
A Q ponttöltéstől r távolságra az elektromos térerősség vektor
nagyságát az alábbi képlet írja le. A képletből jól látható,
hogy a töltéstől azonos távolságra a térerősség ugyanakkora,
illetve a töltéstől távolodva az
Elektromos erősége jóval kisebb.
ELEKTROSZTATIKA 1
9. FELADATOK
1) Mekkora az elektromos térerősség nagysága és iránya a 4∙10-5C
nagyságú töltéstől 10 cm, 20 cm, illetve 30 cm távolságban ?
ELEKTROSZTATIKA 1
9. FELADATOK
2) a) Mekkora az elektromos térerősség nagysága és iránya a
-6∙10-5C nagyságú töltéstől 20 cm távolságban ?
b) Mekkora, és milyen irányú erő hat az ebbe a pontba helyezett
2∙10-5C nagyságú töltésre?
ELEKTROSZTATIKA 1
9. FELADATOK
3) a) Mekkora annak a töltésnek a nagysága, amelytől 20 cm
távolságban lévő A pontban az elektromos térerősség nagysága
1800 N/C ?
b) Mekkora ettől a töltéstől 30 cm távolságra lévő B pontban az
elektromos térerősség nagysága?
c) Mekkora és milyen irányú erő hat a B pontba helyezett -10-5C
töltésre?
ELEKTROSZTATIKA 1
10. ELEKTROMOS FLUXUS
Egy adott felületet tudunk azzal jellemezni, hogy a felületen hány
erővonal halad át.
Egy adott A felületen áthaladó erővonalak száma a fluxus.
Jele: , mértékegysége: N∙m2/C, képlete: =E∙A.
Egy zárt felületre vonatkozó fluxust a zárt felület teljes fluxusának
nevezzük.
A fluxus jelentősége GAUSS I. TÖRVÉNYÉnél van, amely kimondja:
Egy zárt felület teljes fluxusa csak a zárt felület által határolt
térrészben elhelyezkedő töltéstől függ.
ELEKTROSZTATIKA 1
11. VEZETŐK ÉS SZIGETELŐK
Elektromos szempontból az anyagok lehetnek VEZETŐK és
SZIGETELŐK.
 A vezető anyagokban szabadon mozgó elektronok vannak,
ilyenek a fémek: réz, arany, alumínium, vas, stb.
 A szigetelő anyagokban nincsenek szabadon mozgó
elektronok, így például az üveg, porcelán, műanyag.
A vezető és szigetelő anyagok különböző módon viselkednek az
elektromos térben.
ELEKTROSZTATIKA 1
11. VEZETŐK ÉS SZIGETELŐK
 Ha a vezető anyagot elektromos térbe helyezzük, akkor a
szabadon mozgó elektronjait az elektromos tér elmozdítja,
így azok a fém egyik oldalán halmozódnak fel. Ennek
következtében a fém egyik felében összességében
elektrontöbblet, a másik felében elektronhiány alakul ki.
Ezt a jelenséget ELEKTROMOS MEGOSZTÁSNAK nevezzük.
11. VEZETŐK ÉS SZIGETELŐK
 A szigetelő anyag elektronjai helyhez kötöttek, nagy
távolságot megtenni nem tudnak. Egyes szigetelő anyagokat
elektromos térbe helyezve, a korábban elektromos szempontból
rendezetlen molekulák az elektromos térnek megfelelően
rendeződnek. Így az anyag egyik vége pozitív, a másik vége
negatív töltésű lesz.
Ezt a jelenséget DIELEKTROMOS POLARIZÁCIÓnak nevezzük.
12. FÖLDELÉS
A földellés fémes összeköttetést jelent a test és a talaj
között. Szerepe, hogy a testen lévő felesleges töltéseket
a földbe vezeti.
A föld ugyanis nagy mennyiségű töltést képes előállítani
és elnyelni.
A trolibuszok egy fémláncot húznak talajon, hogy a
kerekek talajjal való „dörzsölődése” következtében
keletkező töltések a földbe tudjanak áramlani. Hasonlót
láthatunk a bevásárlókocsikon is.
Az épületek villámvédelmi berendezését , valamint
teljes elektromos hálózatát földelni kell.
Az elektromos áram továbbítását szolgáló
berendezéseket szintén le kell földelni.
13. ELEKTROSZKÓP
ELEKTROMOS TÖLTÉS KIMUTATÁSÁRA ÉS MÉRÉSÉRE ALKALMAS
ESZKÖZ
RÉSZEI:
- fém gömb, amely fémes
összeköttetésben áll a
belső fémlemezekkel,
- szigetelődugó,
- üveggömb,
- szigetelőtalp.
MŰKÖDÉSE: A fémgömbre vitt töltés a fémes összeköttetésen keresztül
a belső lemezekbe jut. A lemezeken lévő azonos töltések taszító hatása
miatt a lemezek szét nyílnak. Minél több töltést viszünk az
elektroszkópra, annál jobban nyílnak szét a lemezek.
14. ÁRNYÉKOLÁS
KÍSÉRLET:
 Függesszünk fel egy fóliával bevont pingpong labdát, majd
közelítsünk hozzá egy bőrrel dörzsölt üveg rudat. Ekkor az üvegrúd
körül kialakult elektromos tér hatására pingpong labdán megosztás
jön léptre és a pingponglabda kitér.
 Ha most egy fémhálóval takarjuk le a pingpong labdát, és úgy
közelítünk felé a bőrrel dörzsölt üveg rúddal, a pingponglabda
nem tért ki.
 Ha most üvegbúrával takarjuk le a pingponglabdát, és úgy
ismételjük meg a kísérletet, a pingponglabda
újra kitér.
14. ÁRNYÉKOLÁS
A KÍSÉRLET MAGYARÁZATA:
Ha fémhálóval takarjuk le a pingponglabdát, akkor hiába
közelítünk a bőrrel dörzsölt műanyag rúd elektromos terével, a
fémháló alatt nem lesz elektromos tér. Azt mondjuk, hogy a
fémháló elektromosan leárnyékolja a teret. A fémhálót szokták
Faraday-kalitkának is nevezni.
A szigetelő anyag nem alkalmas árnyékolásra.
Az árnyékolás gyakorlati alkalmazása:
Koax-kábel (első és második kép).
Egy érdekesség: az árnyékolás megvéd
a villámcsapástól
(harmadik kép).
15. CSÚCSHATÁS
Ha egy fémre töltést viszünk, akkor a töltések egyenletesen
helyezkednek el a fém külső felszínén az azonos töltések
taszító hatása miatt.
Ha a fém egy csepp alakú forma (lásd ábra), akkor a
cseppforma csúcsa körül, kis térfogaton, ám nagy felületen sok
töltés helyezkedik el, így ott nagy a töltéssűrűség.
A csúcsnak ütköző levegőrészecskék így könnyen ionizálódnak
(felvesznek a fémről egy elektront), majd az azonos töltések
taszítása miatt az ionizált levegő molekulái nagy sebességgel távolodnak a
csúcstól. Így létrejött légmozgás az
ELEKTROMOS SZÉL.
16. VAN DE GRAAFF GENERÁTOR
MŰKÖDÉSE
Az alsó görgő (6) fémből, a felső görgő (3)
műanyagból. A felső, műanyag görgőről
leváló szalag negatív töltésű lesz (5). Ezt a
negatív töltést a kefe (7) gyűjti össze és a
kisütő gömbre (8) juttatja.
Az alsó görgőről leváló szalag pozitív
töltésű lesz (4), ezt a pozitív töltést a szalag
a felső görgőnél található (2) keféhez
szállítja. A csúcshatás miatt a kefe a pozitív
töltést eltávolítja a szalagról, és a vele
összeköttetésben levő, a felső görgőt és
kefét körbevevő üreges fémgömbre (1)
juttatja.