Przewodnik naładowany

Prezentacja na temat: "Przewodnik naładowany"— Zapis prezentacji:

1 Przewodnik naładowany
Jaki jest rozkład ładunku elektrycznego wewnątrz przewodnika? Wewnątrz przewodnika natężenie pola elektrycznego jest równe zero. W przeciwnym razie na ładunki swobodne działałyby siły, przemieszczające te ładunki, aż do ustania sił. Z prawa Gaussa wynika, że wewnątrz przewodnika nie ma ładunku wypadkowego. Wniosek: cały nadmiarowy ładunek znajduje się na powierzchni przewodnika.

2 Przewodnik naładowany z wnęką
Gdy wewnątrz przewodnika utworzymy wnękę, nie zmieniamy ani rozkładu ładunku, ani pola elektrycznego. Wewnątrz przewodnika natężenie pola elektrycznego jest równe zero. Strumień elektryczny przez powierzchnie otaczająca wnękę wynosi wiec zero. Z prawa Gaussa wynika, że na ścianach wnęki nie ma ma ładunku wypadkowego. Wniosek: cały nadmiarowy ładunek pozostaje na powierzchni przewodnika.

3 Klatka Faradaya W naładowanym przewodniku, ładunki znajdują się na powierzchni, a wewnątrz przewodnika natężenie pola elektrycznego jest równe zero.

4 Ogień św. Elma Ładunki gromadzą się w okolicach powierzchni przewodnika o największej krzywiźnie. Powoduje to powstawanie w tych okolicach najsilniejszego pola elektrycznego. Ogień św. Elma jest spowodowany wyładowaniem koronowym wokół szczytu masztu, czyli jonizacją powietrza pod wpływem silnego pola elektrycznego. Zjonizowane cząstki powietrza zderzają się z atomami azotu i tlenu powodując ich świecenie.

5 Młynek Franklina W pobliżu ostrzy występuje największe natężenie pola elektrycznego wywołujące jonizację cząsteczek gazu otaczającego wiatraczek. Jony naładowane znakiem przeciwnym do znaku ładunku wiatraka są przez niego przyciągane, a po zbliżeniu się do niego ulegają neutralizacji. Jony o tym samym znaku ładunku są odpychane przez wiatraczek i tworzą obszar naładowany w niewielkiej odległości od ostrza. W wyniku odpychania tych jonów i młynka, wprawiany jest on w ruch.

6 Wyładowanie koronowe

7 Jonolot

8 V

9 Potencjał elektryczny
Przypomnienie: Energia potencjalna Ep jest to energia związana z konfiguracją układu ciał, które działają na siebie siłami. Jednostką energii jest dżul. 1 J = 1 kg*m2/s2 Praca W jest to energia przekazana ciału lub od niego odebrana w wyniku działania na ciało siłą. Zmiana energii potencjalnej DEp jest równa pracy wykonanej nad tym ciałem, wziętej ze znakiem ujemnym. DEp= -W

10 Potencjał elektryczny cd

11 Potencjał elektryczny cd
B A Aby wyznaczyć różnicę potencjałów elektrycznych między A i B znajdującymi się w polu elektrycznym, przesuwamy dodatni ładunek próbny q0 z A do B, mierząc pracę, którą należy w tym celu wykonać. Różnica potencjałów: VB – VA = W/q0

12 Potencjał elektryczny cd
Praca W może być: dodatnia ujemna równa zeru Potencjał elektryczny w B będzie: wyższy niższy taki sam jak w A Jednostką różnicy potencjałów jest wolt (V): 1 V = 1 J/C

13 Potencjał elektryczny cd
B A Zazwyczaj punkt A wybiera się w nieskończoności, gdzie VA = 0. Potencjał w danym punkcie: V = W /q0 W – praca przeniesienia ładunku próbnego q0 z nieskończoności do danego punktu. Praca nie zależy od wyboru drogi pomiędzy A i B.

14 Powierzchnie ekwipotencjalne
Zbiór punktów, w których potencjał jest jednakowy nazywamy powierzchnią ekwipotencjalną. Praca wzdłuż dróg I i II jest równa zeru. Praca wykonana wzdłuż dróg III i IV jest różna od zera lecz jest w obu przypadkach taka sama.

15 Powierzchnie ekwipotencjalne
Powierzchnie ekwipotencjalne są prostopadłe do wektora natężenia pola elektrycznego E. Gdyby E nie było prostopadłe do powierzchni ekwipotencjalnej, istniałaby jego składowa E|| leżąca na tej powierzchni i trzeba by wykonywać pracę, przy przesuwaniu ładunku wzdłuż tej powierzchni. E E E|| V V

16 Linie ekwipotencjalne
Pole jednorodne Pole ładunku punktowego Pole dipola Linie pola elektrycznego zaznaczone są linią czarną, a linie ekwipotencjalne, linia czerwoną.

17 Potencjał i pole elektryczne
Przesuwając ładunek próbny q0 w polu E z punktu P do K wykonujemy pracę: F W = Fd = Fdcosq F = q0E q = 180o W = -q0Ed Różnica potencjałów: Vkonc – Vpocz = W/q0= -Ed Wniosek: punkt K ma niższy potencjał niż punkt P.

18 Potencjał i pole elektryczne
Przypomnienie – praca wykonana przez siłę zmienną, wzdłuż linii krzywej: xp xk F Dx DW = FDx W = SDW = SFDx

19 Potencjał ładunku punktowego
Przesuwając ładunek próbny q0 w polu E z punktu P do K wykonujemy pracę: Różnica potencjałów: Wybierając Vpocz = 0:

20 Potencjał ładunku punktowego
Różnica potencjałów: Natężenie pola elektrycznego: Wybierając Vpocz = 0:

21 Potencjał ładunku punktowego
Potencjał wytworzony przez cząstkę o ładunku q, w odległości r od cząstki (zamieniając R na r):

22 Siła, pole, potencjał

23 Energia potencjalna Elektryczna energia potencjalna układu nieruchomych ładunków jest równa pracy, jaką musi wykonać siła zewnętrzna, aby utworzyć ten układ, przenosząc każdy ładunek z nieskończonej odległości. Np. elektryczna energia potencjalna pary ładunków punktowych:

24 Przewodnik naładowany
Wiemy: Wewnątrz przewodnika natężenie pola elektrycznego jest równe zero. Cały nadmiarowy ładunek znajduje się na powierzchni przewodnika. Jaki jest rozkład potencjału elektrycznego wewnątrz przewodnika?

25 Przewodnik naładowany
Nadmiar ładunku umieszczony na przewodniku rozkłada się na powierzchni przewodnika tak, że wszystkie punkty przewodnika mają ten sam potencjał. Ponieważ E = 0, dla wszystkich punktów w przewodniku, Vkonc = Vpocz dla wszystkich możliwych par punktów w przewodniku.

26 Klatka Faradaya po raz drugi
Jeżeli izolowany przewodnik umieścimy w zewnętrznym polu elektrycznym, to wwszystkie punkty przewodnika maja nadal ten sam potencjał. Swobodne elektrony rozkładają się na powierzchni w taki sposób, że redukują do zera wypadkowe natężenie pola elektrycznego wewnątrz przewodnika.

27 Klatka Faradaya po raz drugi