FIZYKA dla studentów POLIGRAFII Elektrostatyka

Ładunek elektryczny Ładunek jest skwantowany: Ładunek elementarny: Jednostką ładunku elektrycznego w układzie SI jest 1 kulomb (1C).       Ładunek przenoszony przez prąd elektryczny o natężeniu jednego ampera w czasie jednej sekundy. Ładunek elementarny: Prawo zachowania ładunku: foton pozyton elektron

Prawo Coulomba Ładunki q1 i q2 w odległości r w próżni: Przenikalność elektryczna próżni

Prawo Coulomba Siły przyciągające dla ładunków różnoimiennych Siły odpychające dla ładunków jednoimiennych Dla ładunków różnoimiennych iloczyn q1 i q2 jest ujemny.

Prawo Coulomba qi q2 F2k qk F3k q3 Fik F1k q1 Siły kulombowskie od wielu ładunków: qi q2 F2k qk F3k Ładunek qk otoczony przez N innych ładunków. q3 Fik F1k q1

Natężenie pola elektrycznego Natężenie – siła działająca na ładunek jednostkowy: Jednostka natężenia: 1 N/C q0 - ładunek próbny Wersor wskazujący kierunek wektora E

Linie sił pola elektrycznego

Pole elektryczne Zasada superpozycji pól:

Pole elektryczne Dla ciągłego rozkładu ładunku definiujemy: Gęstość liniową ładunku: Gęstość powierzchniową: Gęstość objętościową:

Pole elektryczne + - +q -q Pole ładunku rozłożonego w sposób ciągły: dq – ładunek punktowy + - +q -q Dipol elektryczny:

Praca sił pola elektrycznego - wektor wodzący ładunku q0 - wersor

Praca sił pola elektrycznego Praca wynosi zero, kiedy punkt końcowy pokrywa się z punktem początkowym (przemieszczenie po drodze zamkniętej).  Energia potencjalna: Gdy to U const Przyjmujemy const = 0

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

Potencjał 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. Jednostką potencjału jest wolt (1V). Jest to potencjał w takim punkcie pola do którego przesunięcie ładunku 1C wymaga pracy równej 1J.  1V=1J/1C

Potencjał a natężenie pola elektrycznego Jeśli wektory E i r mają zgodne kierunki:

Potencjał a natężenie pola elektrycznego Natężenie pola = -(gradient potencjału) Pole elektrostatyczne jest polem potencjalnym.

Potencjał pola elektrycznego + Linie pola i powierzchnie ekwipotencjalne jednorodnego pola sił. + - + + Przestrzenny wykres energii potencjalnej jednorodnego pola sił.

Strumień wektora natężenia pola

Strumień wektora natężenia pola q

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

Prawo Gaussa Dla n ładunków wewnątrz powierzchni S: Strumień wektora natężenia pola elektrycznego przez dowolną powierzchnię zamkniętą równy jest algebraicznej sumie ładunków obejmowanych przez tę powierzchnię, podzielonej przez     Dla ciągłego rozkładu ładunku:

Prawo Gaussa Strumień wektora natężenia pola suma ładunków obejmowanych przez powierzchnię Animacje: http://phys23p.sl.psu.edu/phys_anim/EM/indexer_EM.html

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

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

Jednorodnie naładowana kula Dla punktów na zewnątrz kuli:

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

Przewodniki w polu elektrycznym + - E = 0 + - E E E Objętość przewodnika i jego powierzchnia stanowią obszary ekwipotencjalne. Niezrównoważone ładunki elektryczne rozłożone są  jedynie na powierzchni przewodnika.

Natężenie pola w pobliżu powierzchni przewodnika

Generator Van de Graaffa Można osiągnąć różnicę potencjałów pomiędzy czaszą a ziemią rzędu milionów wolt.

Pojemność elektryczna Potencjał przewodnika jest proporcjonalny do zgromadzonego na nim ładunku. 1F = 1C/1V Analogia:

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

Pojemność elektryczna Obecność innych przewodników zmniejsza potencjał. ...i zwiększa pojemność. +q -q Kondensator – gromadzi duży ładunek przy niewielkiej różnicy potencjałów.

Kondensator +q -q d S Dla pola jednorodnego:

Kondensatory Równoległe połączenie kondensatorów

Kondensatory Szeregowe połączenie kondensatorów

Dielektryki Kondensator o pojemności C0 +q -q C0 C > C0 stała dielektryczna względna przenikalność elektryczna dielektryka lub

Dielektryki - Moment dipolowy cząsteczki dielektryka: + - Moment dipolowy cząsteczki dielektryka: Jeśli l = 0 – dielektryk niepolarny (np. H2, N2, O2) W obecności pola elektrycznego ładunki rozsuwają się. dipol sprężysty polaryzowalność cząsteczkowa dielektryka

Dielektryki niepolarrne

Dielektryki polarne dielektryk polarny: np.H2O lub HCl Moment dipolowy różny od 0 w nieobecności pola elektrycznego

Dielektryki polaryzacja dielektryka: elektronowa jonowa dipolowa

Dielektryki wektor polaryzacji dielektryka: n – liczba cząsteczek w objętości dV Dla dielektryka niepolarnego: - podatność elektryczna dielektryka

Dielektryki

Pole elektryczne w dielektryku stosujemy prawo Gaussa: E – pole w dielektryku S – powierzchnia kondensatora Dla kondensatora próżniowego

Pole elektryczne w dielektryku

Pole elektryczne w dielektryku Wektor indukcji elektrycznej Wektor polaryzacji

Ferroelektryki