1

1

ФИЗИКА, час број 11Понедељак, 26. децембар, 2011

Електричне и магнетне појаве

2

Електростатика• античка грчка, 500 п.н.е. – ћилибар

привлачи комаде сламе када сепротрља

• трење ђонова обуће о вунени тепих• сушење веша у машинама• кесе у продавници• балони када се протрљају лепе се за

зид• у свим појавама имамо посла са

статичким електрицитетом –наелектрисањима

– објашњење: у супстанци постојенаелектрисања

– постоје два типа – позитивно (стаклокада се протрља свиленом тканином) инегативно (свилена тканина наконтрљања о стакло)

– истоимена се одбијају а разноименапривлаче

– сила између њих опада са растојањем

3

Наелектрисања, електрони, протониИзноси масе и нелектрисања електрона су билинепознати све до краја 19 века.

np

ep

pe

mm

mm

qq

≈

=

=

1836

||||

Ceq

kgm

e

e19

31

106.1

101.9−

−

×==

×=

Неутрони нису наелектрисани

1C 1C ((CoulombCoulomb==КулонКулон))= = 6.25 x 106.25 x 101818 електронаелектрона!!!!!!..

2

4

Раздвајање наелектрисања у атомима

• Атом је неутралан• Раздвајање наелектрисања – трењем• у батеријама услед хемијских процеса• битно је да се не креирају ни уништавају већсамо одвајају – закон одржања: укупнаколичина наелектрисања је константна

• да ли овај закон важи увек?

5

У акцелераторима

• креирањеелектронско-позитронског пара

• и обрнуто• али и у тим

процесима сеодржаванелектрисање!

6

Проводници и изолатори• проводник – има слободне носиоце електрицитета

који могу да се крећу кроз њега• изолатор – нема слободне носиоце ....• полупроводник – има али не толико колико има

проводник• суперпроводник – проводи наелектрисања без

губитака• проводници – метали – проводници прве врсте• проводници – електролити и гасови – проводници

друге врсте

3

7

Наелектрисање контактом

• Електроскоп

8

Наелектрисање индукцијом. Поларизација

• наелектрисање без додира – први начин

9

Наелектрисање индукцијом. Поларизација

• наелектрисање без додира – други начин

4

10

Кулонов закон

11

ЕлектростатичкаЕлектростатичка ии гравитационагравитациона силасила

F:F:FF:

Привлачна (за сва масивна тела усвемиру)

Привлачна (код разноименихнаелектрисања) или одбојна(истоимена наелектрисања)

Један тип масе (m): позитивнамаса!!!

Два типа нелектрисања (q): позитивно и негативно

Гравитациона силаЕлектростатичка(Кулонова) сила

229

221

/1099.8 CmNkrqqkF

⋅×=

=

2211

221

/1067.6 kgmNGrmmGF

⋅×=

=

−

12

Кулонова сила и гравитација

• али Кулонова је и привлачна и одбојна а гравитацијасамо привлачна – на великој скали је доминантнаипак гравитација

• водоников атом – растојање честица0,530x10-10m

5

13

Електрично поље

• тела не морају да буду у контакту да биинтераговала

• интерагују путем поља• поље Кулонове силе?• тело наелектрисања Q делује на друго телонаелектрисања q на растојању r од њега.

14

Електрично поље

• Јачина електричног поља је дефинисана преко односа силеи позитивног пробног наелектрисања на које делује

15

ЛинијеЛиније електричногелектричног пољапољаЛинијеЛиније електричногелектричног пољапоља ::a. Смер је у смеру E у свакој тачки. E је тангента на линију.b. Почињу од (+) или бесконачности и имају крај у (-) или бесконачностиc. Број линија је пропорционалан јачини електричног пољаd. За хомогено поље, линије су паралелне и на једнаким растојањимаe. Линије електричног поља се не секу. то значи да једнозначно

дефинишу електрично поље

6

16

Линије поља су• Усмерене радијално однаелектрисање

• Централно симетричне у односу нанаелектрисање

• Растојање суседних линија расте саповећањем растојања однаелектрисања (поље постајеслабије)

Линије поља су• ……• ……• ……

“+” тачкасто наелектрисање “-” тачкасто наелектрисање

+ -

17

Eлектрично поље два позитивнатачкаста наелектрисања

+

+

18

Eлектрично поље једног позитивног и једногнегативног тачкастог наелектрисања

+

-

7

19

Проводници и електрично поље устању статичке равнотеже

• проводници имају слободна наелектрисања• ако се у неком делу појаве у вишку или се пакпроводник нађе у спољашњем електричномпољу она се прерасподеле тако да токомпензују – успоставља се електростатичкаравнотежа.

20

21

8

22

• Проводник у електростатичкој равнотежи имаследеће особине– Електрично поље је једнако нули унутар њега– Линије електричног поља ван проводника су нормалне уодносу на његову површину, почињу и завршавају се нанаелектрисањима на површини проводника

– наелектрисања било које врсте, ако су у вишку упроводнику, распоређују се равномерно по његовојповршини.

23

Електрично поље за велику “+”равномерно наелектрисану плочу

Линије поља су• праве• Под правим углом усмерене према споља• Простор између суседних је константан (поље је константно тј. униформно)

+ + +

+ + + + + + + + ++ ++

24

Електрично поље велике “-”равномерно наелектрисане плоче

-- -

- - -- - -- - -- --

9

25

Електрично поље пара паралелнихсупротно наелектрисаних плоча

+ + +

+ + + + + + + + ++ ++

-- -

- - -- - -- - -- --

+ + +

+ + + + + + + + ++ ++

-- -

- - -- - -- - -- --

26

+ + +

+ + + + + + + + ++ ++

-- -

- - -- - -- - -- --

27

• да ли је поље између две наелектрисанеплоче баш скроз хомогено?

10

28

• Расподела наелектрисања на неуниформномпроводнику

29

• што је шиљак већи јаче је ипоље око тог дела проводника

• тела са шиљком – громобрани• Електрично пражњење –

појава варница око тела

30

Примене електростатике

• Ксерографија – машине за фотокопирање• пречишћавање дима, електростатичкочишћење ваздуха

11

31

32

Електрични потенцијал и напон• електрично поље убрзава наелектрисање• оно добија кинетичку енергију• механичка аналогија

33

Електрични потенцијал и напон

• рад ће зависити од величине наелектрисања• ако желимо величину која неће зависити од њега

треба поделити потенцијалну енергијунаелектрисањем

• Кулонова сила је конзервативна – постојипотенцијална енергија

• рад је једнак њеној негативној промени

12

34

Електрични потенцијал и напон

• напон је једнак разлици потенцијала

• добија се електрични потенцијал

35

Електрон волт• енергија за преношење једног електрона крозпроводник је мала у макроразмерама

• на микроскопској скали то је значајнавредност

• зато се уводи нова величина за енергију каоенергија коју стекне електрон када га убрзапотенцијална разлика од 1 волта

36

Електрон волт

• Шта се изражава у електронволтима?• енергија везе електрона у атомима• енергије везе у молекулима• стога је енергија која је потребна да би се разорила

веза у неким органским молекулима око 5 eV. • 30 keV поседује протон убрзан напоном од 30 kV• 500 MeV се ослобађа у нуклеарним распадима• 7 ТeV (1012) у CERN-у има протонски сноп

13

37

Електрични потенцијал у униформномелектричном пољу

• постоји веза напона и енергије• да ли постоји и веза напона и јачине електричног поља?

38

Електрични потенцијал у униформномелектричном пољу

• рад који изврши електростатичка силапри померању наелектрисања из тачкеА у тачку В униформног поља је

39

Кондензатори

• уређаји за складиштење наелектрисања (радио апарати, компјутери, блицеви, за дефибрилацију у медицини, ...)

• електронеутрални су у целини• од чега зависи количина електрицитета на плочама?

– од напона– од физичких карактеристика самог кондензатора

14

40

Кондензатори

капацитивност је количина наелектрисања којасе ускладишти на облогама кондензаторапри промени његовог напона за један волт.

Јединица је Фарад

• од чега зависи Q на облогама кондензатора?• од јачине поља, јер свака линија полази са “+”

наелектрисања а завршава се на “–” наелектрисању, E~Q

• како је U=Ed следи да је U~E, односно Q~UQ~U• за исти напон Q зависи и од физичких особина

кондезнатора што се описује његовомкапацитивношћу

41

Равни кондензатори

• диелектрична пропустљивост (константа, пермеабилност) вакуума

42

Диелектрици• На плоче кондензатора се може нагомилати

лимитирана количина електрицитета• при напону од 3х103V/mm долази до пражњења у

ваздуху па ће се кондензатор између чијих плоча јеваздух спонтано испразнити (пробијање)

• како да му повећамо капацитет?• даље смањење растојања плоча доводи до лакшег

пробијања• решење – између плоча се убацује диелектрик па је

капацитивност већа

15

43

Диелектрици

44

Диелектрици –повећање капацитивностикондензатора- поларизација

• диелектрик смањује уследполаризације јачину поља измеђуплоча кондензатора – смањује се инапон између њих при истој количининаелектрисања на плочама. следи даима већу капацитивност

• молекули диелектрика се поларизују. услед тога се на површини диелектрикаближој облогама кондензатора формираслој супротних наелектрисања услед чегана плоче долазе додатна наелектрисања– повећава јој се капацитивност

45

Објашњење поларизација

16

46

Енергија ускладиштена укондензатору

• Потенцијална енергија честице у електричномпољу је Ep=qU

• како напон расте од 0 до U не може да сепримени ова формула одмах

• треба га усредњити Usr=(0+U)/2• енергија кондензатора је

47

Енергија плочастог кондезатора

• густина енергија електричног пољакондензатора

48

Електрична струја• настаје услед кретања слободних носиоца

електрицитета кроз проводну средину• примери – акумулатор аутомобила, џепни

калкулатор• битна разлика? • у броју наелектрисања која се у јединици времена

пренесу• стога се уводи величина под називом јачина

електричне струје I

17

49

Јачина електричне струје

• јединица 1 А (Ампер)

50

Просто струјно коло

51

Физички и технички смер струје

18

52

Брзина дрифта• електрони у проводнику

врше две врсте кретања– термално хаотично и– усмерено под дејством

спољашњег поља – дрифт• брзина преношења

електричних сигнала јескоро па једнака брзинисветлости 108m/s

• а брзина дрифта износисвега 10-4m/s

• како то?

53

54

19

55

Брзина дрифта-наставак

• ако је концентрација слободнихнаелектрисања у проводнику n, њихов број уосенченом делу проводника је N=nSx

• како сваки од њих носи наелектрисање q, утом делу проводника се налази ∆Q=qN=qnSx

• јачина струје је

56

Брзина дрифта-наставак

• Брзина дрифта је у типичнимпроводницима реда 10-4 м/с!

• То је изузетно мала вредност• Брзина хаотичног кретања је око 103 м/с

57

Омов законКаква је веза између електричног напонапримењеног у колу (U), струје која протиче крозњега (I) и отпора (R)?

Ω===

VARUI

RUI ;

][][][ ;

Georg Simon Ohm(1789-1854)

20

58

Смисао Омовог закона

Ω===

VARUI

RUI ;

][][][ ;

1. Електрична струја и напонсу пропорционални једнодругом.

2. Да ли Омов закон може дасе примени на свеотпорнике? НЕ. Нису свиотпорници “омски”!

59

Коло са два отпорника

• збир пада напона на отпорницима је једнакнапону извора – његовој електромоторнојсили

60

Отпорност и њена температурназависност

СпецифичнаСпецифична отпорностотпорност ((ρρ)) је карактеристика материјала. СпецифичнаСпецифична отпорностотпорност некогнеког материјаламатеријала (у SI) је отпорностжице дужине 1 m попречног пресека 1 m2 направљеној од тогматеријала.

mmm

SLR ⋅Ω=

⋅Ω==

2

][ ρρ

SLR

σρ ==

SL

σρ 1

=ρρ -- СпецифичнаСпецифична отпорностотпорностσ σ −− СпецифичнаСпецифична проводностпроводност

21

61

62

Температурна зависност отпорности

( )

[ ]KC

T

o

11)10

≡=

∆+=

α

αρρ

α– температурски коефицијент отпорности.Tемпературна зависност отпорности се користи у отпорнимтермометрима, у термисторима и у другим уређајима где јепотребно да се измери мала промена температуре.

Т

ρ

ρ0

63

22

64

СуперпроводностИспод критичнетемпературе TCотпорност неких металапостаје нула. Tај феноменсе зовеСУПЕРПРОВОДНОСТ(откриће Хајке Камерлинг-Онеса, 1911. г., објашњено тек 1957. г.).

Нулта отпорност значи дабесконачно велика струјаможе да протиче крозтакав проводник чак иакоје примењени напонрелативно мали.

BSSCO – Бизмут – Стронцијум –Калцијум – Бакар – Оксид

Температуракључања/кондензовања TC течногазота је 77 K, некисуперпроводници имају Tc изнад90 K!

65

Електрична снага и енергија

• јединица – Ват= 1 Волт х 1 Ампер• потрошња и цена електричне енергије?

• све сијалице у кући раде на напону од 220 Волти али немајуисту снагу

• енергија коју наелектрисања стекну у електричном пољузависи и од величине наелектрисања и од напона

• а снага је однос енергије и времена – брзина преношењаенергије

66

Наизменична струја

• батерије - извор једносмерне струје– константан напон и струја све док се батерија неиспразни

• у кућној мрежи имамо наизменичну– напон варира са временом – нпр као синусоиднафункција

23

67

Наизменична струја

68

• Потенцијална разлика између полова изворанаизменичног напона флуктуира као на слици

69

Снага и ефективне вредности струје инапона

• ако флуктуира напон, флуктуира и светлостсијалица.

• како да то не видимо?• па превише је често да би наше око торегистровало

• али то значи да и снага флуктуира

24

70

Снага и ефективне вредности струје инапона

71

Нервни импулси• Струје у нервима нам омогућују перцепцијусвета, контролу делова тела, размишљање, ...

• ЦНС – мозак и кичмена мождина• Биоелектрицитет – електрични ефекти убиолошким системима

• Основни елемент нервног система јенервна ћелија - неурон

72

Изглед неурона• Тело (сома) – примаелектричне сигнале оддругих неурона прекосинапси лоцираних нањему или његовимдендритима

• Аксон – нервно влакнокоје преносиелектричне сигналедругим неуронима, ...

25

73

• Зид ћелије је окруженфлуидима различитихконцентрација јона и он је“полупропустљив” за њих

• Када је непобуђен пропуштајоне калијума и хлора којидифундују а не пропуштанатријумове јоне

• Дифузијом настаје слој “+” и“–” наелектрисања на зиду. Кулонова сила спречавадаљу дифузију

• Настаје напон од 70-90 mV• d=8 nm• E=U/d = 11MV/m

74

• Услед деловања некепобуде зид ћелије може дапромени пермеабилност

• Јони натријума тада пролазекроз њега и изазивајунеутрализацију -деополаризацију зида азатим га учине позитивним

• Услед тога он постајенепропустан поново занатријум а кретање јонакалијума га враћа упретходно стање тј. Реполаризује

• Овај низ догађаја се зовеакциони потенцијал

75