Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Wykłady z fizyki – kurs podstawowy Elektryczność i magnetyzm cz. I home.agh.edu.pl/~wmwochWiesław Marek Woch.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Wykłady z fizyki – kurs podstawowy Elektryczność i magnetyzm cz. I home.agh.edu.pl/~wmwochWiesław Marek Woch."— Zapis prezentacji:

1 Wykłady z fizyki – kurs podstawowy Elektryczność i magnetyzm cz. I home.agh.edu.pl/~wmwochWiesław Marek Woch

2 Elektrostatyka

3 Ładunek elektryczny Ładunek elektryczny – właściwość cząstek elementarnych Pole elektryczne Prawo zachowania ładunku foton pozyton elektron Ładunek jest skwantowany

4 Elektrostatyka Prawo Coulomba (Fr – Franklin)

5 Elektrostatyka Ładunek elektryczny jest skwantowany Ładunek elektronu ładunkiem elementarnym Siła grawitacyjna vs siła Coulomba Atom wodoru m e = kg M p = kg r B = m k = (4  0 ) -1 = 9x10 9 Nm 2 /C 2 G = 6.67x m 3 /(kg s 2) F g  N F C  N

6 Elektrostatyka Zasada superpozycji qkqk qiqi q3q3 q2q2 q1q1 F 1k F 3k F ik F 2k Natężenie pola elektrycznego Dla ładunku punktowego

7 Elektrostatyka Natężenie pola elektrycznego Natężenie pola dla ciągłego rozkładu ładunku Natężenie pola dla dyskretnego rozkładu ładunku dq

8 Praca sił w polu elektrycznym Elektrostatyka Praca wynosi zero, kiedy punkt końcowy pokrywa się z punktem początkowym (przemieszczenie po drodze zamkniętej). dla układu ładunków

9 Elektrostatyka Struktura atomowa chlorku sodowego NaCl Energia Madelunga

10 Potencjał pola elektrycznego Potencjał pola elektrycznego – energia potencjalna ładunku jednostkowego umieszczonego w danym punkcie pola: Dla układu N ładunków: Elektrostatyka

11 Potencjał a natężenie pola elektrycznego Pole elektrostatyczne jest polem potencjalnym. Elektrostatyka

12 Energia pola elektrycznego Potencjał w danym punkcie pola równy jest liczbowo pracy jaką wykonują siły pola przy przesunięciu jednostkowego ładunku dodatniego z tego punktu do nieskończoności. Jednostka potencjału: 1V=1J/1C Elektrostatyka wolt 1V

13 Linie pola i powierzchnie ekwipotencjalne jednorodnego pola sił. Potencjał pola elektrycznego Przestrzenny wykres energii potencjalnej jednorodnego pola sił Elektrostatyka

14 Strumień natężenia pola elektrycznego Elektrostatyka

15 Strumień wektora natężenia pola Ładunek punktowy q E E E E Elektrostatyka

16 Strumień wektora natężenia pola dS n - projekcja elementu powierzchni dS odległej o r od ładunku q na powierzchnię prostopadłą do prostej przechodzącej przez ładunek i tę powierzchnię kąt bryłowy równy: Strumień pola elektrycznego przez powierzchnię dS. Elektrostatyka Prawo Gaussa

17 Strumień wektora natężenia pola elektrycznego przez dowolną powierzchnię zamkniętą równy jest algebraicznej sumie ładunków obejmowanych przez tę powierzchnię, podzielonej przez  0 Dla ciągłego rozkładu ładunku: Elektrostatyka

18 Jednorodnie naładowana powierzchnia kuli R Gęstość powierzchniowa  Dla punktów wewnątrz sfery: E = 0 Elektrostatyka

19 Jednorodnie naładowana kula R Gęstość objętościowa  Dla punktów wewnątrz kuli: r Elektrostatyka

20 Jednorodnie naładowana kula R Dla punktów na zewnątrz kuli: Elektrostatyka

21 Pole ładunku sferycznie-symetrycznego Jednorodnie naładowana kula Jednorodnie naładowana powierzchnia kuli Elektrostatyka

22 Przewodniki w polu elektrycznym Objętość przewodnika i jego powierzchnia stanowią obszary ekwipotencjalne. Niezrównoważone ładunki elektryczne rozłożone są jedynie na powierzchni przewodnika. E E E E = Elektrostatyka

23 Natężenie pola w pobliżu powierzchni przewodnika Elektrostatyka

24 Generator Van de Graaffa Różnica potencjałów pomiędzy czaszą a ziemią rzędu milionów wolt. Elektrostatyka

25 Akcelerator van de Graaffa – akcelerator liniowy wytwarzający strumień jonów o energiach kinetycznych rzędu megaelektronowoltów (MeV)

26 Pojemność elektryczna Zgromadzony ładunek jest proporcjonalny do potencjału (różnicy potencjałów) 1F = 1C/1V Elektrostatyka Stała proporcjonalności C nosi nazwę pojemności elektrycznej

27 Pojemność elektryczna kuli R Kula z przewodnika o promieniu R Na zewnątrz kuli: Elektrostatyka

28 Pojemność elektryczna Obecność innych przewodników zmniejsza potencjał i zwiększa pojemność. +q+q-q-q Kondensator – urządzenie przeznaczone do magazynowania energii w postaci pola elektrycznego Kondensator gromadzi duży ładunek przy niewielkiej różnicy potencjałów Elektrostatyka

29 Kondensator +q+q-q-q d S Dla pola jednorodnego: Elektrostatyka Układ CGS

30 Elektrostatyka Kondensatory - przykłady

31 Elektrostatyka Kondensator cylindryczny (walcowy)

32 Kondensatory - przykłady Elektrostatyka Kondensator kulisty (sferyczny)

33 Równoległe połączenie kondensatorów Elektrostatyka

34 Szeregowe połączenie kondensatorów Elektrostatyka +q -q +q -q +q -q

35 Kondensator z dielektrykiem Kondensator próżniowy – C 0 +q+q-q-q C0C0 C > C 0 dielektryk Elektrostatyka

36 Energia zgromadzona w kondensatorze qeqe

37 Elektrostatyka Dipol elektryczny r1r1 r2r2

38 Elektrostatyka Dipol elektryczny

39 Elektrostatyka Dipol elektryczny

40 Elektrostatyka Momenty rozkładu ładunków A z y x dm  r’ r R

41 Prąd elektryczny Prąd elektryczny – uporządkowany ruch ładunków elektrycznych - ładunki: elektrony w metalach; jony dodatnie i ujemne w elektrolitach; elektrony i dziury w półprzewodnikach; jony dodatnie i elektrony w gazach - pole elektryczne powodujące ruch - ruch przewodnika lub dielektryka: prąd konwekcyjny

42 Prąd elektryczny Natężenie i gęstość prądu elektrycznego

43 Prąd elektryczny Teoria elektronowa przewodnictwa – P. Drude 1900 r

44 Prąd elektryczny Prawo Wiedemann’a – Franz’a. Wzór Lorentza Prawo Wiedemann’a – Franz’a Wzór Lorentza

45 Prąd elektryczny Prawa prądu stałego Prawo Ohma  R  - SEM

46 L Prąd elektryczny Prawa prądu stałego L S J Cylindryczny opornik o promieniach r 1 i r 2

47 Prąd elektryczny Zależność oporu metali od temperatury Reguła Matthiesena

48 Prąd elektryczny Prawa prądu stałego Prawo Joule’a – Lenza Pierwsze prawo Kirchhoffa zasada zachowania ładunku Suma natężeń prądów wpływających do węzła jest równa sumie natężeń prądów wypływających z tego węzła. Dla węzła obwodu elektrycznego suma algebraiczna natężeń prądów wpływających(+) i wypływających(–) jest równa zeru

49 Prąd elektryczny Prawa prądu stałego Drugie prawo Kirchhoffa zasada zachowania energii W zamkniętym obwodzie (oczku) suma spadków napięć na oporach równa jest sumie sił elektromotorycznych występujących w tym obwodzie W zamkniętym obwodzie (oczku) algebraiczna suma spadków napięć na oporach równa oraz sił elektromotorycznych występujących w tym obwodzie jest równa zero 11 22 33 R1R1 R2R2 R3R3 I1I1 I3I3 I2I2

50 Prąd elektryczny Prawa prądu stałego Równoległe łączenie oporników

51 Prąd elektryczny Prawa prądu stałego Szeregowe łączenie oporników

52 Prąd elektryczny Prawa prądu stałego  - SEM vs U 

53 Prąd elektryczny Prawa prądu stałego Dzielnik napięcia U R1R1 R2R2 I U2U2 Przykład: U= 12 V R 1 = 4 k , R 2 = 8 k  I = 1 mA, U 2 = 8 V

54 Prąd elektryczny Prawa prądu stałego Bocznikowanie mierników Zwiększenie zakresu amperomierza RARA IAIA IBIB I A RBRB Zwiększenie zakresu woltomierza RVRV V U RSRS I

55 Prąd elektryczny Obwód RC – rozładowanie kondensatora t t Q RC I

56 Prąd elektryczny Obwód RC – ładowanie kondensatora Przełącznik w pozycji „a”  t UCUC I t /R/R

57 Łączenie ogniw Ogniwa możemy łączyć podobnie jak kondensatory i oporniki. Sposób połączenia zależy od tego, czy chcemy, aby w obwodzie płynął duży prąd, czy chcemy, aby napięcie było wysokie. n Połączenie szeregowe ii R wi Gdy R z >> nR w, dostajemy większą siłę elektromotoryczną oraz większy prąd. Gdy R z << nR w, dostajemy natężenie dla dużej siły elektromotorycznej.

58 Łączenie ogniw Łączenie równoległe ii R wi Gdy R z >> nR w, prąd jest taki sam jak dla jednego ogniwa. Gdy R z << R w, prąd jest n razy większy.

59 Łączenie ogniw Połączenie mieszane n m ЄiЄi ii R wi Maksymalny prąd uzyskamy dla

60 Zjawiska termoelektryczne i emisyjne Praca wyjścia z metalu duża energia kinetyczna eV = 1.6x ergów Kontaktowa różnica potencjałów (prawa Volty) I. Przy łączeniu dwóch przewodników wykonanych z różnych metali powstaje miedzy nimi kontaktowa różnica potencjałów, która zależy jedynie od ich składu chemicznego i temperatury. II. Różnica potencjałów między końcami obwodu składającego się z połączonych szeregowo przewodników pozostających w jednakowej temperaturze nie zależy od składu chemicznego ogniw pośrednich szeregu. Różnica ta równa się kontaktowej różnicy potencjałów, powstającej przy bezpośrednim połączeniu przewodników skrajnych.

61 Zjawiska termoelektryczne i emisyjne Kontaktowa różnica potencjałów metal 1 metal 2 - różne wartości prac wyjścia - różne wartości gęstości elektronów 2 1 p+dp S n p dx n+dn ds

62 Zjawiska termoelektryczne i emisyjne Całkowita kontaktowa różnica potencjałów Kontaktowa różnica potencjałów jest funkcją temperatury Zastosowania – termometry (termopary)

63 Zjawiska termoelektryczne i emisyjne V 2b b a I 2 1 V 1b V 1a V 2a Zjawisko (efekt) Seebeck’a T T+dT dV większa gęstość elektronów

64 Zjawiska termoelektryczne i emisyjne Efekt (zjawisko) Peltiera Zjawisko to polega na powstawaniu różnicy temperatur pod wpływem przepływu prądu elektrycznego przez złącze. Chłodziarka Peltiera Termopary

65 Zjawiska termoelektryczne i emisyjne Termoemisja - emisja elektronów przez rozgrzane metale (termiczne wzbudzenia elektronów) Fotoemisja - zjawisko emitowania elektronów przez metale pod wpływem fali elektromagnetycznej

66 Zjawiska termoelektryczne i emisyjne Emisja wtórna - emisja elektronów zwanych wtórnymi z powierzchni ciała stałego, pod wpływem działania na to ciało wiązki elektronów (bądź jonów lub innych cząstek) o dostatecznie dużej energii. Emisja polowa – emisja pod wpływem bardzo silnego pola elektrycznego, na przykład na ostrzu (projektor elektronowy) lub w pobliżu ostrza poruszającego się nad ciałem (Skaningowy mikroskop tunelowy)

67 Prąd elektryczny w cieczach Dysocjacja elektrolityczna - rozpad związków chemicznych na cząsteczki składowe pod wpływem wody (rozpuszczalnika) Elektrolity – wodne roztwory kwasów, zasad i soli Przykładowe reakcje Ilościowo rozpad cząsteczek na jony określa współczynnik dysocjacji elektrolitycznej  Jeżeli w jednostce objętości roztworu znajduje się n 0 cząsteczek, a n 1 z nich jest „zdysocjowanych” na jony, to:

68 Prawa elektrolizy Faraday’a Prąd elektryczny w cieczach anion kation elektrolit Pierwsze Prawo Faraday’a: masa wydzielającej się substancji m jest proporcjonalna do przepływającego przez elektrolit ładunku Q Stała k jest równoważnikiem elektrochemicznym, równym liczbowo masie wydzielonej przy przepływie przez elektrolit ładunku 1 kulomba w czasie 1 sek [kg/A s]

69 Drugie Prawo Faraday’a: równoważniki elektrochemiczne k pierwiastków są proporcjonalne do ich równoważników chemicznych Prąd elektryczny w cieczach Prawa elektrolizy Faraday’a gdzie M jest masą jonu, W i jest wartościowością jonu, a F jest stałą Faraday’a (F=96485 C/mol), czyli ładunkiem mola elektronów Łącząc pierwsze i drugie prawo Faraday’a otrzymujemy:

70 Prąd elektryczny w cieczach Teoria przewodnictwa elektrolitycznego W elektrolicie ruch jonów składa się z dwóch przyczynków. Pierwszy pochodzi od ukierunkowanego ruchu związanego z przyłożonym polem elektrycznym, a drugi od ruchów termicznych. Ze względu na to, że jony są znacznie większe od elektronów, nie możemy zaniedbać oporu ośrodka. Równanie ruchu jonu dodatniego będzie następujące: gdzie m oznacza masę jonu, a – przyśpieszenie jonu, v – prędkość jonu, f – współczynnik tarcia, E – natężenie pola elektrycznego. Dla pewnej prędkości v, qE – f + v + = 0, więc prędkość jonów przyjmuje stałą wartość:

71 Prąd elektryczny w cieczach Teoria przewodnictwa elektrolitycznego Prędkość jonów v + ma kierunek wektora natężenia pola elektrycznego. Analogicznie określamy prędkość jonów ujemnych. Prąd w elektrolicie jest sumą prądów jonów dodatnich i ujemnych. Liczba jonów każdego znaku w jednostce objętości jest równa: Całkowita gęstość prądu j jest sumą: gdzie F jest stałą Faraday’a,  jest tzw. stężeniem równoważnym, równym ilości gramorównoważników rozpuszczonej substancji przypadającej na jednostkę objętości roztworu Gramorównoważnik to taka masa związku chemicznego, która całkowicie przereaguje z jednym molem innego związku chemicznego zgodnie z równaniem stechiometrycznym określonej reakcji chemicznej

72 Prąd elektryczny w cieczach Teoria przewodnictwa elektrolitycznego Jeśli przez N’ oznaczymy liczbę cząsteczek w gramorównoważniku substancji, to stała Faraday’a wyraża się wzorem: wówczas Jeśli wprowadzimy wyrażenie na ruchliwość jonów,  ± = q/f ± otrzymamy:

73 Prąd elektryczny w próżni i w gazach Mechanizm przewodzenia prądu w gazach, może odbywać się na kilka sposobów. A) Przewodnictwo elektronowe, które zachodzi w próżni i w gazach o bardzo małym ciśnieniu, przy niewielkich różnicach napięć B) Przewodnictwo jonowe, które można wywołać w gazie przez wytworzenie jonów przy pomocy różnych metod, np. wysoka temperatura, promieniowanie jonizujące itp. Jest to tzw. przewodnictwo niesamoistne C) Przewodnictwo samoistne, które zachodzi w gazach przez samoistne podtrzymywanie procesu tworzenia jonów w wyniku zderzeń cząsteczek przyśpieszanych polem elektrycznym, które jednocześnie powoduje przepływ prądu

74 Przewodnictwo elektronowe W pobliżu podgrzanej katody wykonanej z metalu zawsze pojawia się chmura elektronów, wyciąganych przez zewnętrznie pole. Emisja elektronów z metalu pod wpływem temperatury nazywa się efektem Richardsona. Wartość wektora gęstości prądu j w funkcji temperatury przyjmuje następująca wartość:. W wyrażeniu tym W A oznacza pracę wyjścia elektronu, a k stałą Bolzmanna, a A stałą materiałową. Dla próżni natężenie prądu elektronowego dane jest wzorem Langmuira. Prąd elektryczny w próżni i w gazach

75 Jeżeli zamiast próżni mamy silnie rozrzedzony gaz, to rozpędzone elektrony jonizują atomy gazu wybijając dodatkowe elektrony. Powstająca równocześnie chmura jonów dodatnich neutralizuje działanie chmury elektronów przy katodzie. Dla określonego potencjału katody prowadzi to do nasycenia wartości natężenia prądu. I U Nieznaczne zwiększenie ciśnienia gazu powoduje powstanie mieszaniny elektronów i jonów powstających w wyniku jonizacji atomów przez przyspieszane elektrony. Powstaje tzw. plazma. Obserwujemy wtedy dwa efekty: a) brak nasycenia prądu, b) gaz zaczyna świecić. Prąd elektryczny w próżni i w gazach Przewodnictwo elektronowe

76 Elektrony zderzają się z atomami sprężyście i niesprężyście. Zderzenia niesprężyste zachodzą począwszy od pewnej energii krytycznej „eV k ”, która jest potrzebna na wzbudzenie najniższego stanu energetycznego atomu. eV k EjEj Elektrony o energii większej od E j są w stanie zjonizować atom. Jeżeli elektron ma energię większą niż energia jonizacji, to jej nadmiar jest zabierany przez elektron. Wzbudzone atomy wracają do stanu podstawowego po czasie około sek. stając się źródłem „jarzenia” gazu. Gdy elektrony uwolnione w procesie jonizacji zostają przyśpieszone tak, iż same mogą jonizować atomy, mamy do czynienia z lawinowym narastaniem liczby elektronów. Prąd elektryczny w próżni i w gazach Przewodnictwo elektronowe

77 Wraz ze wzrostem liczby elektronów wzrasta również proces rekombinacji. Mieszanina jonów dodatnich i elektronów - plazma W plazmie - ruchliwość elektronów jest znacznie większa od ruchliwości jonów dodatnich. Sytuacja w plazmie jest podobna do tej w metalu. Elektrony poruszają się między jonami dodatnimi jak w sieci krystalicznej. Plazma istnieje również w atmosferze Ziemi. Źródłem tej plazmy jest głównie korona słoneczna. Prąd elektryczny w próżni i w gazach

78 Przewodnictwo niesamoistne Teoria przewodnictwa niesamoistnego jest podobna do teorii przewodnictwa elektrolitów. Powietrze w stanie normalnym jest pozbawione jonów, czyli jest izolatorem. Istnieją jednak zawsze czynniki jonizacyjne takie jak: promieniowanie kosmiczne, naturalna promieniotwórczość Ziemi, wyładowania elektryczne, płomienie. Średnia liczba jonów wytwarzanych na jednostkę objętości w jednostce czasu w powietrzu w normalnych warunkach wynosi: ~10 cm -3 sek -1. Średnia gęstość przestrzenna jonów w powietrzu wynosi ~1000 cm -3. Średni czas życia jonów z uwzględnieniem rekombinacji ~ 100 sek. Prąd elektryczny w próżni i w gazach

79 Jony dodatnie i ujemne w gazie otaczane są podobnie jak w elektrolicie spolaryzowanymi cząsteczkami gazu. Powstaje tzw. jon gazowy, czyli jon, plus chmura otaczających go spolaryzowanych cząsteczek gazu. Przy małych napięciach prąd jonowy spełnia prawo Ohma. Prędkości jonów są zdefiniowane podobnie jak dla elektrolitów. W powietrzu u - = 1.89 cm sek -1 /V cm -1, u + = 1.37 cm sek -1 /V cm -1. Dla wyższych napięć występuje nasycenie prądu. Prąd nasycenia pojawia się, gdy wszystkie jony zostają wychwycone przez przyśpieszające elektrody. Prąd elektryczny w próżni i w gazach

80 I U Prąd nasycenia Tu spełnione jest prawo Ohma Przewodnictwo samoistne Przy przyłożeniu napięcia ~ 1kV elektrony wyrywane z katody są przyśpieszane i z powodu małego ciśnienia gazu mają średnią drogę swobodną tak dużą, że nabyta energia umożliwia ich niesprężyste rozpraszanie na cząsteczkach gazu. Zachodzą wtedy następujące zjawiska: Prąd elektryczny w próżni i w gazach

81 1.Wzbudzenie atomów, 2.Jonizacja atomów, 3.Świecenie atomów (jarzeniowe) lub cząsteczek gazu przy ich deekscytacji po wzbudzeniu, 4.Przy rozrzedzonym gazie i dużym napięciu przyśpieszającym może powstać jonizacja lawinowa. 5.Duża koncentracja ładunku przestrzennego może zmienić rozkład przyłożonego pola zewnętrznego Jeśli ładunek przestrzenny jest na tyle mały, że nie wpływa znacząco na rozkład pola, to wyładowanie w gazie nazywamy townsendowskim. Prąd elektryczny w próżni i w gazach

82 gdzie: =kT/  r p - średnia droga swobodna, V j - potencjał jonizacji, p - ciśnienie gazu, d - odległość anoda-katoda, U - przyłożone napięcie,  r - przekrój czynny na zderzenie, k - stała Bolzmanna, T - temperatura Przyłożone napięcie, przy którym pojawia się wyładowanie samoistne w funkcji iloczynu p·d, wyrażane jest wzorem (Prawo Paschena) : Współczynnik jonizacji objętościowej można podać w następującej postaci: Prąd elektryczny w próżni i w gazach

83 Doświadczalna krzywa przedstawiająca Prawo Paschena U p·dp·d Prąd elektryczny w próżni i w gazach

84 1. Wyładowanie jarzeniowe (elektrody się nie grzeją) 2. Wyładowanie łukowe (elektrody się silnie grzeją). Założenie: ładunek przestrzenny modyfikuje przyłożone pole elektryczne. Wyróżniamy dwa charakterystyczne typy wyładowania: Prąd elektryczny w próżni i w gazach

85 Wyładowanie jarzeniowe. -+ katodaanoda E(kV/m) K A Ciemnia Crooksa Poświata ujemna Ciemnia Faradaya Zorza dodatnia 2 8

86 Przebieg potencjału możemy scharakteryzować następująco: - największy spadek następuje w obszarze ciemni Crooksa, - najsłabszy spadek następuje na początku ciemni Faradaya, - lekkie wahanie następuje w obszarze zorzy dodatniej, - lekki wzrost następuje przy anodzie. Proces wyładowania można opisać następująco: 1. Wyładowanie rozpoczyna się dzięki istnieniu pewnej liczby jonów w gazie, 2. Jony są przyśpieszane i bombardują katodę wybijając z niej elektrony, 3. Elektrony przyśpieszane w gazie nabierają w obszarze ciemni Crooksa energię niezbędną do wzbudzenia i jonizacji gazu. Obszar ciemni Crooksa odpowiada średniej drodze swobodnej elektronów w gazie. W obszarze tym przeważa prąd jonowy, który wraz z wybitymi elektronami silnie modyfikuje przyłożone pole zewnętrzne Prąd elektryczny w próżni i w gazach Wyładowanie jarzeniowe

87 4.Obszar jonizacji za ciemnią Crooksa nazywa się poświatą ujemną. 5.Wytworzone tam elektrony mają niewielką energię a niewielkie pole nie może ich wystarczająco przyśpieszyć, cząsteczki gazu nie wzbudzają się, czyli również nie świecą. 6.Elektrony jednak w trakcie ruchu w stronę anody na tyle się przyspieszają, że w obszarze zorzy dodatniej są w stanie wzbudzić atomy gazu i spowodować jego świecenie. Wytwarza się stabilne wyładowanie, w którym obraz świecenia silnie zależy od ciśnienia gazu. Prąd elektryczny w próżni i w gazach Wyładowanie jarzeniowe

88 Świetlówki Prąd elektryczny w próżni i w gazach dr hab. Dobrosława Kasprowicz Katedra Spektroskopii Optycznej Politechnika Poznańska Świetlówka – fluorescencyjna lampa jarzeniowa Luminofory Zalety świetlówek vs żarówki -wytwarza znacznie mniej ciepła (energooszczędna) -wyższa skuteczność świetlna (100 lm/W) -dłuższy czas pracy ( h) ? -mniejsza zależność od napięcia zasilającego ? -różne temperatury barwowe ? Wady -skomplikowane oprawy z dodatkowym wyposażeniem -gwałtowny spadek żywotności przy dużej częstości załączeń -brak możliwości regulacji strumienia ("ściemniaczy") -tętnienie strumienia świetlnego (efekt stroboskopowy) - szybsze zmęczenie oka w porównaniu do tradycyjnych żarówek -emisja szkodliwego dla oka promieniowania ultrafioletowego, powodującego degradację siatkówki i matowienia istoty właściwej rogówki -utrudniony zapłon – obniżonym napięciu,niska temperatura -zawierają rtęć, która jest silną trucizną -wyższy koszt zakupu i utylizacji Lantanowce

89 Prąd elektryczny w próżni i w gazach Świetlówki vs promieniowanie termiczne widmo nieciągłe! widmo ciągłe! dr hab. Dobrosława Kasprowicz Katedra Spektroskopii Optycznej Politechnika Poznańska

90 Wyładowanie łukowe Łuk węglowy zapala się przy napięciu U=55 V (typowe napięcia w sieci elektrycznej 110V i 220 V są pozostałością po oświetleniu łukowym (2 lub 4 łuki połączone w szereg) Elektrody łuku silnie się nagrzewają do temperatury ok C i prąd płynie nawet wtedy, gdy rozdzielimy elektrody do odległości ok. 1cm Na wskutek wysokiej temperatury katoda emituje zgodnie z efektem Richardsona bardzo wiele elektronów, które rozpędzone jonizują napotkane atomy powietrza Charakterystyczny dla łuku jest fakt, że jego opór różniczkowy R r jest ujemny. Aby zapewnić stabilne świecenie łuku trzeba zadbać o to, by całkowity opór był większy od zera. Łączy się odpowiedni opór w szereg z łukiem tak aby R r + R z > 0 Prąd elektryczny w próżni i w gazach

91 Pod ciśnieniem atmosferycznym i przy przepływie prądu 1 A temperatura łuku jest rzędu 5000– 6000 K (jasność łuku może przekroczyć jasność Słońca) U I RrRr RzRz Prąd elektryczny w próżni i w gazach Łuk elektryczny ma szerokie zastosowanie w technice, stosowany jest do wytwarzania światła w lampach łukowych. Używa się go w syntezie chemicznej i przy spawaniu elektrycznym, w piecach łukowych etc. Wyładowanie łukowe

92 Pole magnetyczne Rudy żelaza Fe 3 O 4 – magnetyt Magnesy Siła magnetyczna Bieguny magnetyczne południowy (S) północny (N)

93 Pole magnetyczne Siły magnetyczneLinie sił pola magnetycznego

94 Pole magnetyczne Pole magnetyczne – pole wektorowe Wektor indukcji pola magnetycznego B Wektor natężenia pola magnetycznego H Siła (magnetyczna) Lorentza

95 Pole magnetyczne Doświadczenie Oersteda 1777 – 1851, duński fizyk i chemik, najbardziej znany z odkrycia zjawiska elektromagnetyzmu. W prostym eksperymencie pokazał, że igła kompasu odchyla się pod wpływem prądu w przewodzie.

96 Pole magnetyczne Przewodnik z prądem w polu magnetycznym Siła elektrodynamiczna L I

97 Pole magnetyczne Moment siły działający na ramkę z prądem L  r

98 Pole magnetyczne I1 I1 I2I2 I3I3 drdr B I tot = -I 1 + I 2 - I 3  Prawo Ampère’a Zwrot wektora pola magnetycznego - reguła śruby prawej

99 Pole magnetyczne Wzajemne oddziaływanie przewodników z prądem Pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem r dr Zwrot wektora pola magnetycznego - reguła śruby prawej

100 Pole magnetyczne Prawo Biota – Savarta – Laplace’a  r 11 dLdL dd r0r0 22 dx

101 Pole magnetyczne Prawo Biota – Savarta – Laplace’a dL I r  dB R dB 1 dB 2 h

102 Pole magnetyczne Moment magnetyczny pętli z prądem pmpm Magnetyczny moment orbitalny elektronu

103 Pole magnetyczne Solenoid r r2r2 r1r1 11 l R dl L l1l1  22

104 r r2r2 r1r1 11 l R L l1l1  22 Pole magnetyczne Solenoid Model cewki długiej (nieskończonej)

105 Pole magnetyczne Solenoid Wewnątrz nieskończenie długiego solenoidu pole magnetyczne jest jednorodne Na końcach solenoidu Moment magnetyczny solenoidu Moment magnetyczny solenoidu skierowany jest wzdłuż jego osi - całkowita liczba zwojów

106 Cewki Helmholtza Pole magnetyczne Dla pojedynczego zwoju Pole magnetyczne wytwarzane przez dwie cewki Jeśli odległość pomiędzy cewkami jest równa promieniowi cewek (warunek Helmholtza) tzn. x=r/2 (w środku cewek)

107 Pole magnetyczne Cewki Helmholtza

108 Pole magnetyczne Pole magnetyczne poruszających się ładunków elektrycznych Pole magnetyczne wytwarzane prze z każdy z ładunków oddzielnie będzie równy:

109 d < h Klasyczny efekt Halla Edwin Herbert Hall ( ) – fizyk amerykański, odkrywca efektu Halla. Absolwent Johns Hopkins University w Baltimore. Efekt Halla został przez niego odkryty w 1879 roku, podczas pisania pracy doktorskiej. W 1895 objął stanowisko profesora na Uniwersytecie Harvarda.

110 Siła Lorentza i pole magnetyczne Klasyczny efekt Halla

111 Stała Halla

112 Dla metali i półprzewodników domieszkowych stała Halla wynosi: A – bezwymiarowy współczynnik rzędu jedności, który zależy od statystycznego rozkładu prędkości nośników prądu n – koncentracja nośników prądu q – ładunek Klasyczny efekt Halla

113 Zastosowanie zjawiska Halla wyznaczanie koncentracji nośników ładunku bezstykowy pomiar prądów pomiar pól magnetycznych bezpośredni pomiar prędkości unoszenia Hall IC (integrated circuit) wyznaczanie typu przewodnictwa Klasyczny efekt Halla

114 Wyznaczanie koncentracji Klasyczny efekt Halla

115 Czujniki prądu z otwartą pętlą sprzężenia Prąd wywołuje strumień indukcji w rdzeniu, w którego szczelinie umieszczona jest płytka. Napięcie Halla jest proporcjonalne do prądu pomiarowego. Czujniki takie pozwalają na pomiary prądów w zakresie od kilku A do kilkudziesięciu kA Klasyczny efekt Halla

116 Czujniki prądu ze sprzężeniem zwrotnym Podczas, gdy czujniki z otwartą petlą dawały nam napięcie V H proporcjonalne do mierzonego prądu, czujniki z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego dają drugi prąd I S proporcjonalny do V H o takiej wartości, aby skompensować pole B - wytworzone przez prąd mierzony. Prąd I S jest znacznie mniejszy od prądu pomiarowego Klasyczny efekt Halla

117 Materiały źródłowe: J. Orear, Fizyka, WNT 1990, t.1 I 2 R. Resnic, D. Halliday, Fizyka, PWN, t. I i II, D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, Podstawy fizyki, PWN, t. I-V C. Kittel, W.D. Knight, M.A. Ruderman, Mechanika, PWN E.M. Purcell, Elektryczność i magnetyzm, PWN F.C. Crawford, Fale, PWN E.H. Wichmann, Fizyka kwantowa, PWN F. Reif, Fizyka statystyczna, PWN R.P. Feynman, R.B.Leighton, M. Sands, Feynmana wykłady z fizyki, PWN, t. I, cz. I i II, t. II, cz.I i II, t. III A.K. Wróblewski, J.A. Zakrzewski, Wstęp do fizyki, PWN, t. I i II J. R. Taylor, Wstęp do analizy błędu pomiarowego, PWN Matematyka F. Leja, Rachunek różniczkowy i całkowy, PWN K. Kuratowski, Rachunek różniczkowy i całkowy, PWN G. M. Fichtenholtz, Rachunek różniczkowy i całkowy, PWN A. Mostowski, M. Stark, Elementy algebry wyższej, PWN E. Karaśkiewicz, Zarys teorii wektorów i tensorow, PWN


Pobierz ppt "Wykłady z fizyki – kurs podstawowy Elektryczność i magnetyzm cz. I home.agh.edu.pl/~wmwochWiesław Marek Woch."

Podobne prezentacje


Reklamy Google