ELEKTRIČNOELEKTRIČNOOPTEREĆENJEOPTEREĆENJEELEKTRIČNOELEKTRIČNO
OPTEREĆENJEOPTEREĆENJEELEKTRIČNOELEKTRIČNO
OPTEREĆENJEOPTEREĆENJEELEKTRIČNOELEKTRIČNO
OPTEREĆENJEOPTEREĆENJE
Reč elektricitet izvedena je od grčke reči “elektron” koja znači ćilibar
Saznanje o elektricitetu: Tales iz Mileta (600 godine p.n.e.) ćilibarprotrljan vunom privlači lake deliće materije
Vremenom je ustanovljeno da se mogu naelektrisati i drugi materijali(razne vrste smole, tvrda guma, staklo, porcelan i drugi)
Engleski fizičar William Gilbert (1544-1603) proučavao jenaelektrisavanje trenjem i na osnovu tih istraživanja podelio svematerijale u dve grupe: ● “elektrici” - mogu da se naelektrišu
● “neelektrici” - ne mogu da se naelektrišu
Kasnije se shvatilo da se ove dve grupe materijala ne razlikuju pomogućnosti naelektrisavanja, već po sposobnosti da naelektrisanjezadrže, pa postoje: ● provodnici
● izolatori
● poluprovodnici
ELEKTRIELEKTRICITETCITETELEKTRIELEKTRICITETCITET Reč elektricitet izvedena je od grčke reči “elektron” koja znači ćilibar
Saznanje o elektricitetu: Tales iz Mileta (600 godine p.n.e.) ćilibarprotrljan vunom privlači lake deliće materije
Vremenom je ustanovljeno da se mogu naelektrisati i drugi materijali(razne vrste smole, tvrda guma, staklo, porcelan i drugi)
Engleski fizičar William Gilbert (1544-1603) proučavao jenaelektrisavanje trenjem i na osnovu tih istraživanja podelio svematerijale u dve grupe: ● “elektrici” - mogu da se naelektrišu
● “neelektrici” - ne mogu da se naelektrišu
Kasnije se shvatilo da se ove dve grupe materijala ne razlikuju pomogućnosti naelektrisavanja, već po sposobnosti da naelektrisanjezadrže, pa postoje: ● provodnici
● izolatori
● poluprovodnici
Proučavanjem uzajamnih dejstava naelektrisanih tela - neka sePRIVLAČE a neka ODBIJAJU
(staklena šipka i komad svilene tkanine ili krzno i ebonitni štap prenego što se protrljaju ne pokazuju međusobne mehaničke sile, a nakontrljanja se privlače)
Dualistička teorija: postoje dve vrste naelektrisanja “staklasto” i“smolasto”
Američki fizičar Benjamin Franklin u 18. veku postavio je unitarističkuhipotezu: postoji samo jedna vrsta elektriciteta koja je prisutna u svimnenaelektrisanim telima - višak ovog naelektrisanja (označen +)odgovara “staklastom” naelektrisanju, manjak (označen -) odgovara“smolastom” naelektrisanju
Vrste naelektrisanjaVrste naelektrisanjaVrste naelektrisanjaVrste naelektrisanja
Proučavanjem uzajamnih dejstava naelektrisanih tela - neka sePRIVLAČE a neka ODBIJAJU
(staklena šipka i komad svilene tkanine ili krzno i ebonitni štap prenego što se protrljaju ne pokazuju međusobne mehaničke sile, a nakontrljanja se privlače)
Dualistička teorija: postoje dve vrste naelektrisanja “staklasto” i“smolasto”
Američki fizičar Benjamin Franklin u 18. veku postavio je unitarističkuhipotezu: postoji samo jedna vrsta elektriciteta koja je prisutna u svimnenaelektrisanim telima - višak ovog naelektrisanja (označen +)odgovara “staklastom” naelektrisanju, manjak (označen -) odgovara“smolastom” naelektrisanju
Prema savremenoj, dualističkoj teoriji, postoje dve vrste elektriciteta(naelektrisanja), konvencionalno nazvane “pozitivni” i “negativni”elektricitet
Konvencionalna upotreba algebarskih znakova za različite vrstenaelektrisanja (privlacenje raznoimenih, odbijanje istoimenihnaelektrisanja
U nenaelektrisanom stanju u svakom telu nalaze se obe vrstenaelektrisanja u istoj količini - njihov algebarski zbir jednak je nuli
Telo je naelektrisano ako postoji višak jedne vrste naelektrisanja
Prema savremenoj, dualističkoj teoriji, postoje dve vrste elektriciteta(naelektrisanja), konvencionalno nazvane “pozitivni” i “negativni”elektricitet
Konvencionalna upotreba algebarskih znakova za različite vrstenaelektrisanja (privlacenje raznoimenih, odbijanje istoimenihnaelektrisanja
U nenaelektrisanom stanju u svakom telu nalaze se obe vrstenaelektrisanja u istoj količini - njihov algebarski zbir jednak je nuli
Telo je naelektrisano ako postoji višak jedne vrste naelektrisanja
Atom je najmanja čestica hemijskih elemenata
Sastoji se od više različitih sitnijih čestica, odkojih su najvažnije tri: protoni, neutroni ielektroni
AtomAtomAtomAtom
Protoni i neutroni obrazuju atomsko jezgro, dokelektroni kruže po svojim orbitama oko njega
Po Borovom modelu atoma: broj elektrona koji kruži oko jezgra jednakje broju protona u jezgru – atom je u električnom pogledu neutralan
Elektroni putuju po orbitalnim ljuskama
- u normalnom stanju oni ostaju u ovim ljuskama
- da bi ih promenili, moraju biti stimulisani spoljnim izvorom energije
Orbitalne putanje ili ljuske označene su slovima od K do Q
Ljuska koja je najudaljenija od jezgra, za dati atom je takozvanavalentna ljuska i ona određuje provodljivost materije
Provodljivost zavisi od broja elektrona u valentnoj ljusci
Valentne ljuske atoma mogu imati do 8 valentnih elektrona
Kada atom ima samo jedan elektron u valentnoj ljusci, on je lakopokretljiv i takav materijal najčešće je odličan provodnik
Ako atom ima osam valentnih elektrona u valentnoj ljusci, ona jeupotpunjena i takav materijal je izolator (neprovodnik)
IZOLATORI (dielektrici) su materijali koji nemaju lako pokretljiveelektrone (tipični izolatori su nemetali: staklo, plastične mase,keramika, guma i drugi)
PROVODNICI su materijali koji imaju lako pokretljive elektrone i oniprovode elektricitet 1015 do 1020 puta bolje od izolatora (tipičniprovodnici su metali: srebro, zlato, bakar, aluminijum i drugi)
POLUPROVODNICI su između provodnika i izolatora (najvažnijipoluprovodnici su silicijum, germanijum, galijum arsenid i drugi)
IZOLATORI (dielektrici) su materijali koji nemaju lako pokretljiveelektrone (tipični izolatori su nemetali: staklo, plastične mase,keramika, guma i drugi)
PROVODNICI su materijali koji imaju lako pokretljive elektrone i oniprovode elektricitet 1015 do 1020 puta bolje od izolatora (tipičniprovodnici su metali: srebro, zlato, bakar, aluminijum i drugi)
POLUPROVODNICI su između provodnika i izolatora (najvažnijipoluprovodnici su silicijum, germanijum, galijum arsenid i drugi)
Provodnik je materijal koji dozvoljava elektronima da lako prolazekroz njega - njegova valentna ljuska ima samo jedan elektron
Ljuska K je potpuno popunjena sa 2 elektronaLjuska L je potpuno popunjena sa 8 elektrona
Ljuska M je potpuno popunjena sa 18 elektrona
ProvodniciProvodniciProvodniciProvodnici
Na slici se vidi model atoma bakra, koji je dobar provodnik (on sesastoji od 29 protona, 29 elektrona i 35 neutrona)
Energija, potrebna da elektroninapuste valentnu ljusku i postanuslobodni, zavisi od njihovog broja
Kod atoma bakra samo jedan elektronse nalazi u valentnoj ljusci N
Dovoljna je sasvim mala jačinaelektričnog polja (čak i malozagrevanje na sobnu temperaturu)
Na slici je krajnje uprošćeno prikazan način kretanja slobodnihelektrona kroz jedno parče bakarne žice
Najbolji provodnici su srebro, bakar i zlato (svi imaju 1 valentnielektron)
Delovanje slabog električnog polja prouzrokovaće pomeranje ovihelektrona od atoma do atoma duž žice
Neke susptance mogu pod izvesnim okolnostima biti izolatori, a poddrugim provodnici (čista voda i suva so su izolatori, a slana voda jeprovodnik)
Tri najčešće korišćena poluprovodnička materijala su silicijum (Si),germanijum (Ge) i ugljenik (C) - zajedničko im je da imaju 4valentna elektrona
PoluprovodniciPoluprovodniciPoluprovodniciPoluprovodnici Poluprovodnici su elementi čiji atomi imaju 4 valentna elektrona
(dobri provodnici imaju 1 valentni elektron, a izolatori 8 valentnihelektrona)
Kada je broj protona u nekom atomu jednak broju elektrona, zatakav atom se kaže da je neutralan
Ako atom izgubi jedan valentni elektron, njegovo ukupnonaelektrisanje postaje pozivno i on je postao pozitivan jon (katjon)
Npr. Cu2+, Na+
Ako neki atom sa nekompletnom valentnom ljuskom dobije jedanvalentni elektron, atom će postati negativan, jer u njemu postojivišak od jednog elektrona i on postaje negativan jon (anjon)
Npr. Cl−, Br−
JoniJoniJoniJoni Kada je broj protona u nekom atomu jednak broju elektrona, za
takav atom se kaže da je neutralan
Ako atom izgubi jedan valentni elektron, njegovo ukupnonaelektrisanje postaje pozivno i on je postao pozitivan jon (katjon)
Npr. Cu2+, Na+
Ako neki atom sa nekompletnom valentnom ljuskom dobije jedanvalentni elektron, atom će postati negativan, jer u njemu postojivišak od jednog elektrona i on postaje negativan jon (anjon)
Npr. Cl−, Br−
I pozitivni i negativni elektricitet imaju diskretnu strukturu ijavljaju se u elementarnim kvantima elektriciteta
Količina elektricitetaKoličina elektricitetaKoličina elektricitetaKoličina elektriciteta
Količina elektriciteta, količina naelektrisanja, ili električnoopterećenje je skup elementarnih količina elektriciteta
ELEKTRON - nosilac elementarne negativne količine naelektrisanja
PROTON - nosilac elementarne pozitivne količine naelektrisanja
Neutralno telo (u električnom smislu) sadrži jednak broj elektrona iprotona
Količina elektriciteta, količina naelektrisanja, ili električnoopterećenje je skup elementarnih količina elektriciteta
ELEKTRON - nosilac elementarne negativne količine naelektrisanja
PROTON - nosilac elementarne pozitivne količine naelektrisanja
Negativno naelektrisano telo sadrži više elektrona nego protona
Pozitivno naelektrisano ako sadrži višak protona
Naelektrisanje tela opisuje se fizičkom veličinom koja se nazivakoličina naelektrisanja, a koja se obeležava simbolom:
Q - za konstantne količine elektriciteta, ili
q - za vremenski promenjive količina elektriciteta
C106.1 19e
Elementarni kvant elektriciteta označava se simbolom e i iznosi:
jedinica za količinu eletriciteta je kulon (C) u čast francuskoginžinjera i fizičara Kulona
eNQ
Svaka količina naelektrisanja, može se iskazati kao:
gde je N ceo broj
jedinica za količinu eletriciteta je kulon (C) u čast francuskoginžinjera i fizičara Kulona
Dokazivanje postojanja naelektrisanja nametalnim telima vrši se elektroskopom
Dodirom metalnog naelektrisanog tela i šipke elektroskopa, deonaelektrisanja pređe na šipku i kazaljku elektroskopa, obe seistoimeno naelektrišu i dolazi do otklona pokretne kazaljkeelektroskopa
Naelektrisavanje dodiromNaelektrisavanje dodiromNaelektrisavanje dodiromNaelektrisavanje dodirom
Ako postoji i baždarena skala, ovajinstrument naziva se elektrometar
Dodirom metalnog naelektrisanog tela i šipke elektroskopa, deonaelektrisanja pređe na šipku i kazaljku elektroskopa, obe seistoimeno naelektrišu i dolazi do otklona pokretne kazaljkeelektroskopa
Kada se pozitivno naelektrisana šipka prinesedovoljno blizu elektroskopa, dolazi do preraspodelenaelektrisanja i listići elektroskopa, naelektrisaniistoimenim naelektrisanjem, odbijaju se
Kod nelektrisavanja dodirom (trenjem) elektroni koji se nalaze uzpovršinu jednog materijala prelaze na drugi
Kada šipka dodirne elektroskop, elektroni sa kugleelektroskopa prelaze na šipku, privučeni njenimviškom pozitivnih naelektrisanja, i neutrališu ga
Kada se šipka ukloni, elektroskop ima manjakelektrona, odnosno pozitivno je naelektrisan
Ako se pozitivno naelektrisana šipka donese u blizinu metalne,električno neutralne sfere, dolazi do preraspodele naelektrisanja natelu koje ostaje i dalje elektroneutralno (polarizacija)
Elektrostatička indukcijaElektrostatička indukcijaElektrostatička indukcijaElektrostatička indukcija Osim naelektrisavanja dodirom, postoji i naelektrisavanje putem
elektrostatičke indukcije
Telo je naelektrisano bez gubitaka naelektrisanja na šipki
Povezivanjem provodnikom metalne sfere sa Zemljom, elektroni izZemlje biće privučeni na deo sfere sa viškom pozitivnih naelektrisanja
Ako se uzemljenje ukloni,
a zatim šipka udalji, na sferi će postojati višak negativnih naelektrisanja
Francuski fizičar Šarl Kulon (Charles AugustinColumb) 1780. god. formulisao je zakon koji seodnosi na kvazipunktualna električna opterećenja
(naelektrisana tela čije su dimenzije vrlo male uodnosu na odstojanje od drugih tela)
Sila međusobnog dejstva između dva kvazipunktualna električnaopterećenja srazmerna je količini jednog i drugog opterećenja, a obrnutoje srazmerna kvadratu rastojanja između njih
Kulonov zakonKulonov zakonKulonov zakonKulonov zakon
Sila međusobnog dejstva između dva kvazipunktualna električnaopterećenja srazmerna je količini jednog i drugog opterećenja, a obrnutoje srazmerna kvadratu rastojanja između njih
Sila deluje duž linije koja spaja dvaopterećenja i karakter joj je odbojan kadasu opterećenja istog znaka, a privlačan uslučaju opterećenja suprotnog znaka
Sila zavisi i od osobina dielektrične sredine
Kulonov zakon se izražava kao:
Vrednost konstante k u vakuumu (a vrlo približno i u vazduhu)označava se sa ko i iznosi ko = 9 109 Nm2/C2
k - koeficijent proporcionalnosti
Q1 i Q2 - količine kvazipunktualnih naelektrisanja
r - rastojanje između njih
221
r
QQkF
Dielektrična konstanta u vakuumu je: o = 8,85 10-12 C2/Nm2
4
1k
221
4
1
r
QQF
Umesto konstante k često se upotrebljava konstanta ε,dielektrična propustljivost (permitivnost):
Kulonov zakon sada se može napisati u obliku: