FÜÜSIKA III ELEKTRODÜNAAMIKA TÖÖKORRALDUS • Esmalt tutvustan loengu vormis teemade teoreetilisi aspekte. (Hoiatan ette, et käsitlen teemasid sisulisemalt kui õpikus, mistõttu loengutel aktiivselt osalemine tuleb.
Download ReportTranscript FÜÜSIKA III ELEKTRODÜNAAMIKA TÖÖKORRALDUS • Esmalt tutvustan loengu vormis teemade teoreetilisi aspekte. (Hoiatan ette, et käsitlen teemasid sisulisemalt kui õpikus, mistõttu loengutel aktiivselt osalemine tuleb.
FÜÜSIKA III ELEKTRODÜNAAMIKA TÖÖKORRALDUS • Esmalt tutvustan loengu vormis teemade teoreetilisi aspekte. (Hoiatan ette, et käsitlen teemasid sisulisemalt kui õpikus, mistõttu loengutel aktiivselt osalemine tuleb kasuks) • Paralleelselt käsitletavate teemadega lahendame ülesandeid, kui võimalik, siis teeme ka laboratoorseid töid (ülesannete tekstid saate trükitult, palun need säilitada) • Valemeid ei ole vaja pähe õppida. Saate mult valemete lehed, palun ka need säilitada • Mõne teema puhul valmistan ette elektroonilised töölehed, nende täitmine enne kontrolltööd on kohustuslik (NB! Palun mulle avalikustada oma e-posti aadressid. Minu omad on [email protected] või [email protected]) • Enam kui 1/3 tundidest põhjuseta puudunutele kursuse hinnet välja ei panda. KURSUSE HINDAMINE • Kursuse hinne pannakse välja jõuluvaheaja alguseks. • Kursuse hinne kujuneb 3-4 kontrolltöö hinde koondina. Kõigi kontrolltööde tegemine on kohustuslik! • Kontrolltööst informeerin teid vähemalt 1 nädal ette, annan kordamisküsimused ja kordamisülesanded. Vähemalt ühe kontrolltöö eelse tunni kulutame konsultatsioonile. • Töös küsin täpselt neidsamu küsimusi ja samatüübilisi ülesandeid. • Kontrolltöö ülesannete punktikaal on teada. Hindamise skaala: 90 ... 100% - „5“; 75 ... 89% - „4“; 45 ... 74% - „3“; 20 ... 44% - „2“; 0 ... 19% - „1“ • Kõik kontrolltööst põhjuseta puudujad saavad automaatselt hinde „1“ KURSUSE HINDAMINE • UUENDUS! Mitterahuldavaid hindeid EI OLE VÕIMALIK jooksvalt parandada. Tööd saavad järgi vastata AINULT PÕHJUSEGA puudujad. Reeglina toimub järlevastamine füüsikatunni ajal. • Kursuse lõpus on tervet kursuse materjali hõlmav arvestustöö. See on KOHUSTUSLIK nendele, kellel on kaks või enam mitterahuldavat hinnet. Kursuse tööd võivad soovi korral teha ka need, kes tahaksid oma kursusehinnet parandada. Arvestustöö hinde kaal on kursuse hindest 50% • Arvestustöö koostamisel võtan näidiseks füüsika riigieksami vormi st selle sooritamisel eeldan kursusel õpitu mõistmist, mitte pähe õpitud teksti ettekandmist KURSUSEL KÄSITLETAVAD TEEMAD I. ELEKTROSTAATIKA • Elektrilaeng • Coulomb’i seadus • Elektrilised jõud • Elektriväli • Elektriline pinge • Aine elektriväljas • Kondensaatorid KURSUSEL KÄSITLETAVAD TEEMAD II. ALALISVOOL • Elektrivool metallides • Ohmi seadus • Millest sõltub juhi takistus? • Juhtide jada-ja rööpühendus • Alalisvoolu töö ja võimsus • Elektrivool vedelikes • Elektrivool gaasides KURSUSEL KÄSITLETAVAD TEEMAD III. MAGNETISM • Püsimagnetid • Magnetväli • Voolu magnetväli • Ampere’i seadus • Lorenzi jõud • Laetud osakeste liikumine magnetväljas • Aine magnetväljas ELEKTROSTAATIKA FÜÜSIKA III ELEKTRILAENG ELEKTROSTAATIKA FÜÜSIKA III ELEKTRILAENG • Milline muudatus toimub kehaga, kui temale anda või temas tekitada ELEKTRILAENG? • Elektrilaengut omavatel kehadel on võime astuda teiste kehadega elektrilisse vastasmõjusse • ELEKTRILAENG on füüsikaline suurus, mis iseloomustab keha omadust astuda teiste kehadega elektrilisse vastasmõjusse • Millised on kehade elektriseerimise viisid? 1. Kehad elektriseeruvad omavahelisel hõõrdumisel, kusjuures elektriseeruvad mõlemad hõõrdumisest osa võtvad kehad 2. Kehad elektriseeruvad kokkupuutel teiste elektrilaengut omavate kehadega KAHTE LIIKI ELEKTRILAENGUD • Kuna elektrilaengut omavad kehad võivad omavahel nii tõukuda kui ka tõmbuda, siis järeldub sellest, et looduses eksisteerib kahte liiki elektrilaenguid • Laenguid liigitatakse „positiivseteks“ ja „negatiivseteks“ laenguteks • Samaliigilised elektrilaengud tõukuvad, eriliigilised tõmbuvad + + - - - + KEHADE LAADUMISMEHHANISM • Kõik kehad koosnevad AATOMITEST • Aatomid koosnevad posiivselt laetud AATOMITUUMAST ja negatiivselt laetud ELEKTRONKATTEST • Aatomituum sisaldab vähima võimaliku positiivse laenguga PROOTONEID, elektronkate vähima võimaliku negatiivse laenguga ELEKTRONE • Pootoni positiivne laeng on absoluutväärtuselt võrdne elektroni negatiivse laenguga • Prootonite ja elektronide laengut nimetatakse ELEMENTAARLAENGUKS • Tuumas sisalduvate prootonite arv on normaaltingimustel võrdne elektronide arvuga elektronkattes – aatom on tervikuna elektrilaenguta KEHADE LAADUMISMEHHANISM • Selleks, et keha omandaks elektrilaengu, tuleb muuta kehas sisalduvate elektronide arvu Prootonite arv N1 prootonite kogulaeng q1=N1· e+ Elektronide arv N2 elektronide kogulaeng q2=N2· e- Normaaltingimustes on N1=N2 ja et ka q1=q2, siis Σq=0 KEHADE LAADUMISMEHHANISM • Kehale negatiivse elektrilaengu andmiseks tuleb suurendada elektronide arvu kehas Prootonite arv N1 prootonite kogulaeng q1=N1· e+ Elektronide arv N2 elektronide kogulaeng q2=N2· e- Kui N1<N2 siis Σq<0 KEHAL ON NEGATIIVNE LAENG KEHADE LAADUMISMEHHANISM • Kehale positiivse elektrilaengu andmiseks tuleb vähendada elektronide arvu kehas Prootonite arv N1 prootonite kogulaeng q1=N1· e+ Elektronide arv N2 elektronide kogulaeng q2=N2· e- Kui N1>N2 siis Σq>0 KEHAL ON POSITIIVNE LAENG LAENGU ÜHIKUD • Laengu suurust mõõdetakse KULONITES (1C) • Kui voolutugevus juhis on 1A, siis läbib igas sekundis juhi ristlõiget 1C suurune elektrilaeng 1C=1A· 1s ehk 1 C = 1 A· s • Elementaarlaengu suurus on e = 1,6021773·10-19 C • NB! Akude „eluiga“ mõõdetakse ampertundides. Mida tähendab aku laengu seisukohalt, et aku eluiga on 2100 mAh? 2100 mAh = 2100 mA·1h = 2,1A·3600s = 7560 As (ehk C) ELEKTRILAENGU JÄÄVUSE SEADUS • Elektriliselt isoleerituks nimetatakse sellist süsteemi, kus laengute hulk iseenesest ei muutu • Elektriliselt isoleeritud süsteemis on elektrilaeng jääv suurus Σq = Σq’ • kus Σq – süsteemi kogulaeng mingi protsessi alguses ja Σq’ - süsteemi kogulaeng pärast mingi protsessi toimumist LAENGU JÄÄVUS KEHADE LAADUMISEL (HÕÕRUMINE) Keha I laeng vaatluse alghetkel on 0 KEHA I Seega süsteemi kogulaeng on samuti 0 KEHA II Keha II laeng vaatluse alghetkel on 0 LAENGU JÄÄVUS KEHADE LAADUMISEL (HÕÕRUMINE) KEHA I KEHA II Hõõrume kehi omavahel LAENGU JÄÄVUS KEHADE LAADUMISEL (HÕÕRUMINE) Keha I omandab hõõrdumise tagajärjel laengu q KEHA I sest kehtib laengu jäävuse seadus ja süsteemi kogulaeng peab olema jätkuvalt 0 q + (-q) =0 KEHA II siis peab teine keha omandama samal ajal laengu -q LAENGU JÄÄVUS KEHADE LAADUMISEL (PUUTEL) Keha I laeng vaatluse alghetkel on 0 KEHA I Seega süsteemi kogulaeng on samuti q2 KEHA II Keha II laeng vaatluse alghetkel on q2 LAENGU JÄÄVUS KEHADE LAADUMISEL (PUUTEL) KEHA I KEHA II Viime kehad kokkupuutesse ja eemaldame siis teineteisest LAENGU JÄÄVUS KEHADE LAADUMISEL (PUUTEL) Keha I omandab kokkupuute tagajärjel laengu q1’ KEHA I sest kehtib laengu jäävuse seadus ja süsteemi kogulaeng peab olema jätkuvalt q2 (q2 – q1’) + q1’ = q2 KEHA II siis peab teine keha omandama samal ajal laengu q2’=q2-q1’ COULOMB’I SEADUS • Laetud kehi, mille mõõtmed võib kehade suurust ja kehadevahelist kaugust silmas pidades jätta arvesse võtmata, nimetatakse punktlaenguteks. • Punktlaengute vahel võivad mõjuda nii tõmbe- kui tõukejõud, nende elektriliste jõudude suurus määratakse Coulomb’i seadusega • Coulomb’i seadus: Kaks punktlaengut mõjutavad teineteist vaakumis jõududega, mis on võrdelised laengute suurustega ja pöördvõrdelised nende vahelise kauguse ruuduga. COULOMB’I SEADUS 𝐪𝟏 𝐪𝟐 𝐅𝐂 = 𝐤 𝟐 𝐫 • kus Fc – elektriline jõud (N), q1 – I laengu suurus, q2 – II laengu suurus (mõl. C), r – laengute vaheline kaugus (m), k = 9·109 m2 /(N· C2) – elektriline konstant • Osakestele mõjuvad elektrilised jõud on suunatud pikki laenguid ühendavat sirget. 𝑭𝟏𝟐 𝑭𝟐𝟏 q1 q2 Kaks keha (punktlaengut) mõjutavad teineteist jõududega, mis on sama suured, kuid suunalt vastupidised (Newtoni III seadus) F12=F21 VEKTORIAALSED SUURUSED FÜÜSIKA III VEKTORIAALSED SUURUSED • Füüsikalisi suurusi, millel lisaks suurusele on olemas ka suund, nimetatakse vektoriaalseteks. • Vektoriaalsed suurused on näiteks: kiirus, kiirendus, jõud jpt. • Vektoriaalseid suurusi kirjeldatakse VEKTORITE abil • Vektor on suunatud sirglõik • Vektoriaalset suurust iseloomustava vektori pikkus ühtib vektoriaalse suuruse arvväärtusega, suund aga selle suuruse suunaga N 𝐦 𝐯=𝟒 𝐬 Keha liigub kiirusega 4 m/s põhja suunas VEKTORI KOORDINAADID y 𝒂 = (𝒂𝒙 ; 𝒂𝒚 ; 𝒂𝒛 ) 𝒂 𝒂𝒚 𝒂= a 𝒂𝒙 𝒂𝟐𝒙 + 𝒂𝟐𝒚 x VEKTORITE LIITMINE (GRAAFILINE) 𝒃 𝐚 𝒂+𝒃 𝒃 VEKTORITE LIITMINE (KOORDINAATIDE MEETOD) 𝒂 = (𝒂𝒙 ; 𝒂𝒚 ; 𝒂𝒛 ) 𝒃 = (𝒃𝒙 ; 𝒃𝒚 ; 𝒃𝒛 ) 𝒂 + 𝒃 = (𝒂𝒙 + 𝒃𝒙 ; 𝒂𝒚 + 𝒃𝒚 ; 𝒂𝒛 + 𝒃𝒛 ; ) 𝒂+𝒃 = (𝒂𝒙 + 𝒃𝒙 )𝟐 + (𝒂𝒚 + 𝒃𝒚 )𝟐 + (𝒂𝒛 + 𝒃𝒛 )𝟐 LIITMISE ERIJUHUD 𝐚 + 𝐛 = 𝒂 + 𝒃, 𝒌𝒖𝒊 𝐚 ↑↑ 𝐛 𝐚 + 𝐛 = 𝒂 − 𝒃, 𝒌𝒖𝒊 𝐚 ↑↓ 𝐛 VEKTORI KORRUTAMINE ARVUGA • Vektori korrutamisel positiivse arvuga muutub vektori pikkus korrutatava arvuga võrdne arv korda, vektori suund ei muutu. • Vektori korrutamisel negatiivse arvuga muutub vektori pikkus korrutatava arvuga võrdne arv korda ning vektori suund muutub esialgsega võrreldes vastupidiseks • Vektorit, mida on korrutatud arvuga (-1), nimetatakse selle vektori vastandvektoriks 𝒂 ühik −𝒂 𝟐𝐚 −𝟑𝐚 𝟒𝐚 VEKTORITE LAHUTAMINE (GRAAFILINE) Vektorite lahutamisel liidetakse vähendatavale vähendaja vastandvektor −𝐛 𝒂−𝒃 𝐚 −𝐛 𝒃 VEKTORI KOORDINAADID JA SUUND 𝑎𝑥 𝑐𝑜𝑠𝛼 = → 𝑎𝑥 = 𝑎 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝛼 𝑎 𝑎𝑦 𝑠𝑖𝑛𝛼 = → 𝑎𝑦 = 𝑎 ∙ 𝑠𝑖𝑛𝛼 𝑎 y 𝒂 = (𝒂𝒙 ; 𝒂𝒚 ) 𝒂𝒚 a 𝒂𝒚 α 𝒂𝒙 𝑎𝑦 𝑡𝑎𝑛𝛼 = 𝑎𝑥 x ARVUTA ANTUD: 𝒂 = 𝟑; 𝟓 𝒃 = 𝟎; −𝟕 _________________ Arvuta: • 𝒂 + 𝒃 ja suund • 𝒂 − 𝒃 ja suund • Vastus: • 𝒂 + 𝒃 =3,6 ja α=-34° • 𝒂 − 𝒃 =12,4 ja α=76° ELEKTRIVÄLI FÜÜSIKA III VASTASTIKMÕJU VAHENDAJAD Kehadevaheline vastastikmõju võib: 1) olla vahetu ... ... so vastastikmõjus olevad kehad on omavahel vahetus kokkupuutes. 2) toimuda läbi vahendaja • Vahendajaks on kas: • mingi kolmas keha so aine • eriline mateeria vorm – väli ELEKTRIVÄLI • Elektrilise vastastikmõju vahendajaks so kuloniliste jõudude tekkepõhjuseks on ELEKTRIVÄLI • Elektrivälja omadused: • elektriväli on materiaalne objekt – ta eksisteerib alati elektrilaengute ümber • elektriväli mõjutab teisi temas asuvaid laenguid elektriliste jõududega • elektriväli levib ruumis lõpliku kiirusega (elektrivälja levimise kiirus on 300 000 km/s) • ühes ja samas ruumipunktis võib olla samaaegselt mitu välja ELEKTRIVÄLJA TUGEVUS • Elektrivälja iseloomustatakse temasse asetatud punktlaengule mõjuva jõu abil. • Punktlaengule elektriväljas mõjuv jõud on võrdeline tema elektrilaenguga: 𝐅 = 𝐄𝐪 • kus 𝐹- laengule mõjuv jõud (N); q – punktlaengu elektrilaeng (C) ja 𝐸- elektrivälja tugevus selles punktis ELEKTRIVÄLJA SUUND • Elektrivälja tugevuse vektori suunaks loetakse selles ruumipunktis positiivse laenguga punktlaengule mõjuva jõuga ühtivat suunda • Kui väljas asub negatiivse laenguga punktlaeng, siis on elektrivälja tugevuse suund sellele mõjuva jõuga vastassuunaline ELEKTRIVÄLJA SUPERPOSITSIOONI PRINTSIIP • Kui mingis ruumipunktis on korraga mitme laengu poolt tekitatud elektriväljad, siis liituvad need üheks resultantväljaks või • Kui mingis punktis on korraga mitu elektrivälja, siis liituvad nende väljade tugevused selles ruumipunktis nagu vektorid 𝐍 𝐄 = 𝐄𝟏 + 𝐄𝟐 + 𝐄𝟑 + ⋯ 𝐄𝐍 = 𝐄𝐢 𝐢=𝟏 ELEKTRIVÄLJA JÕUJOONED • Elektrivälja jõujooned on mõttelised jooned, mille igas punktis on elektrivälja tugevus suunatud pikki selle joone puutujat 𝐄𝟑 𝐄𝟏 𝐄𝟐 ELEKTRIVÄLJADE JÕUJOONTE PILDID • Punktlaengu elektriväli (joonis) • Kahe punktlaengu elektriväli (joonis) • Kahe laetud plaadi vaheline elektriväli (joonis) • Teraviku elektriväli • Elektriväli elektrijuhi sees • Elektrijuhi sees elektriväli puudub! Seda nähtust nimetatakse varjestamiseks TÖÖ LAENGU LIIKUMISEL ELEKTRIVÄLJAS FÜÜSIKA III TÖÖ MÕISTE 𝐀 = 𝐅𝐬𝐜𝐨𝐬𝛂 • kus A – jõu poolt keha liigutamisel tehtav töö (J), 𝐅 – kehale mõjuv jõud, 𝐬 − keha poolt sooritatav nihe (m); 𝛂 – nurk vektorite 𝐅 ja 𝐬 vahel (rad või kraadi) 𝑭 α 𝒔 • Kui 0°≤α < 90° või 270° < α ≤ 360°, siis A>0 – öeldakse jõud teeb tööd • Kui 90°>α>270°, siis A<0 – öeldakse tööd tehakse jõu ületamiseks • Kui α=90° või α=270°, siis A=0 – keha liigutamiseks jõud tööd ei tee ELEKTRIVÄLJA JÕUDUDE TÖÖ LAENGU LIIKUMISEL HOMOGEENSES ELEKTRIVÄLJAS + + + + + + + + + + + + + + + 𝑭 𝒅𝟏 + d1 – d2 𝒔 𝒅𝟐 - 𝑨 = 𝑭𝒔 𝐜𝐨𝐬 𝜶 𝑭 = 𝑬𝒒 𝐬 𝐜𝐨𝐬 𝛂 = 𝐝𝟏 − 𝐝𝟐 𝑨 = 𝑬𝒒(𝐝𝟏 − 𝐝𝟐 ) Elektrivälja jõudude töö ei sõltu keha liikumise trajektoorist!! ELEKTRIVÄLJA POTENTSIAALNE ENERGIA • Elektrivälja asetatud keha (punktlaengu) potentsiaalne energia iseloomustab selle laengu võimet teha tööd elektriväljas 𝐖𝐩 = 𝐄𝐪𝐝 kus Wp – elektrivälja potentsiaalne energia (J), E – elekrivälja tugevus (V/m), q – elektrilaengu suurus (C), d, (ka d1 ja d2) – kaugus potentsiaalse energia nullnivoost (m) • Elektrivälja jõudude poolt laengu ümber paigutamiseks tehtav töö on võrdne punktlaengu potentsiaalse energia muudu vastandväärtusega 𝐀 = − 𝐖𝐩𝟐 − 𝐖𝐩𝟏 = 𝐄𝐪(𝐝𝟏 − 𝐝𝟐 ) ELEKTRIVÄLJA POTENTSIAAL • Elektrivälja potentsiaal φ iseloomustab sellesse väljapunkti asetatud ühikulise positiivse elektrilaenguga keha potentsiaalset energiat 𝐖𝐩 𝛗= = 𝐄𝐝 𝐪 • kus φ – elektrivälja potentsiaal (V), Wp – potentsiaalne energia (J), q – laeng (C), E – elektrivälja tugevus (V/m), d – kaugus potentsiaalse energia null-nivoost (m) PINGE • Kahe elektrivälja punkti vaheline pinge iseloomustab väljajõudude poolt selle laengu ühest punktist teise liigutamisel tehtavat tööd. 𝐀 𝐄𝐪(𝐝𝟏 − 𝐝𝟐 ) 𝐔= = = 𝐄(𝐝𝟏 − 𝐝𝟐 ) 𝐪 𝐪 • Kahe elektrivälja punkti vaheline pinge on võrdne nende punktide potentsiaalide vahega 𝐔 = 𝐄 𝐝𝟏 − 𝐝𝟐 = 𝐄𝐝𝟏 − 𝐄𝐝𝟐 = 𝛗𝟏 − 𝛗𝟐 • kus U – potentsiaalide vahe ehk pinge (V), φ1, φ2 – el. välja potentsiaalid (V) KURSUSE HINDE KUJUNEMINE 1. Näide 1 2. Näide 2 3. Näide 3 Kontrolltööde hinded 3, 4, 3, 5 KT-de keskmine hinne AVRG (3;4;3;5) = 3,75 Kursuse hinne 4 Kontrolltööde hinded 3, 3, 3, 5 AVRG = 3,5 Kursuse hinne 4 Kontrolltööde hinded 2, 4, 3, 5 AVRG = 3,5 Kursuse hinne 3, sest sisaldab puudulikku hinnet Kontrolltööde hinded 2, 3, 3, 5 AVRG = 3,25 kursus 3 Arvestustöö hinne 4 AVRG(3,25; 4) = 3,6 kursus 4 Arvestustöö hinne 5 AVRG(3,25; 5) = 4,125 kursus 4 Kontrolltööde hinded 1, 2, 3, 1 AVRG = 1,75 Kursus 2 Arvestustöö hinne 3 AVRG (1,75; 3) = 2,375 Kursus 2 Arvestustöö hinne 4 AVRG (1,75; 4) = 2,875 Kursus 3 Arvestustöö hinne 5 AVRG (1,75; 5) = 3,375 Kursus 3 AATOM VAHETU VASTASTIKMÕJU VAHENDATUD VASTASTIKMÕJU AINE POOLT VAHENDATUD VASTASTIKMÕJU ELEKTRIVÄLJA TUGEVUS ELEKTRIVÄLI ELEKTRIVÄLI ELEKTRIVÄLI ELEKTRIVÄLI ELEKTRIVÄLI ELEKTRIVÄLI 𝐄 ELEKTRIVÄLI ELEKTRIVÄLI + ELEKTRIVÄLI ELEKTRIVÄLI ELEKTRIVÄLI ELEKTRIVÄLI + 𝐄 ELEKTRIVÄLI ELEKTRIVÄLI PUNKTLAENGU ELEKTRIVÄLJA JÕUJOONED Jõujooned LAENGUPAARI ELEKTRIVÄLI KAHE PLAADI VAHELINE ELEKTRIVÄLI • Sellist välja, mille jõujooned on paralleelsed sirged, nimetatakse homogeenseks väljaks. • Homogeenses elektriväljas on elektrivälja tugevuse vektori suurus ja suund igal pool ühesugune