SÄHKÖMAGNETISMI: kevät 2017

Transkriptio

1 SÄHKÖMAGNETISMI: kevät 2017 Viikko Aihe kirjan luku Viikko 1 Sähköken>ä, pistevaraukset 14 Viikko 2 Varausjakauman sähköken>ä 16 Viikko 2 Sähköinen poteniaalienergia ja poteniaali 17 Viikko 3 Sähköken>ä ja aine 15 Viikko 3 MagneeNken>ä 18 Viikko 4 Kertausta Viikko 5 Sähköken>ä johimissa, 19 Viikko 5 sähköiset piirit, komponenit 20 Viikko 6 MagneeNnen voima 21 Viikko 7 Viikko 8 Kertausta tenn

2 AIHE JA TAVOITTEET Ymmärtää kuinka sähköken>ä vaiku>aa aineeseen Hallita perusteet siitä miten eriste ja johde käy>äytyy sähkökentässä

3 KYSYMYS: Oheisessa kuvassa esite>y vetyatomi koostuu protoneista ja sen ympärillä pallosymmetrisestä elektronipilvestä. RisIllä merkityssä kohdassa, paljon kauempana yimestä kuin atomin läpimi>a atomin aiheu>ama sähköken>ä a) Osoi>aa oikealle b) On nolla c) Osoi>aa vasemmalle d) Muu vastaus e) Ei osaa sanoa

4 KYSYMYS: Pieni posiiivisesta varautunut kappale tuodaan pysyvista dipoleista neutraalin eristekappaleen lähe>yville. Tämän jälkeen kappaleiden välillä on a) On sähköinen vetovoima b) Ei ole sähköistä voimaa c) On sähköinen poistovoima d) Muu vastaus e) Ei osaa sanoa

5 KYSYMYS: Pieni negaiivisesi varautunut kappale tuodaan pysyvista dipoleista neutraalin eristekappaleen lähe>yville. Tämän jälkeen kappaleiden välillä on a) On sähköinen vetovoima b) Ei ole sähköistä voimaa c) On sähköinen poistovoima d) Muu vastaus e) Ei osaa sanoa

6 KYSYMYS: Vetyatomi asetetaan kuvan mukaiseen, homogeeniseen sähköken>ään. Tällöin: a) Atomi ei lähde liikkeelle b) Elektronipilvi siirtyy vähän oikealle c) Protoni siirtyy vähän vasemmalle d) Atomille muodostuu dipolimomenn, joka osoi>aa vasemmalle e) Muu vastaus f) Ei osaa sanoa

7 ERISTE ULKOISESSA SÄHKÖKENTÄSSÄ Eristeessä on aine jossa varaukset eivät pääse (helposi) liikkumaan. à Eristeessä ei ole vapaita varauksen kulje>ajia kutsutaan myös dielektrisiksi materiaaleiksi. Mu#a miksi se si#en vuorovaiku#aa varatun objek2n kanssa? Valenssielektroni: elektroni atomin uloimmalla kuorella joka osallistuu kemiallisiin sidoksiin

8 ERISTE ULKOISESSA SÄHKÖKENTÄSSÄ Dielektrisissä aineissa molekyylit ovat pysyviä sähköisiä dipoleja (esim. aiemmin käsitelty NaCl tai H 2 O) tai niihin muodostuu dipoleja sähkökentän vaikutuksesta Ulkoinen varaus voima elektronehin nettovoima voima ytimeen à à Atomi polarisoituu à siitä tulee dipoli

9 Ei sähköken>ää ERISTE ULKOISESSA SÄHKÖKENTÄSSÄ Sähköken>ä E 0 E p

10 ERISTE ULKOISESSA SÄHKÖKENTÄSSÄ Syntyneet dipolit pyrkivät kääntymään (tai muodostumaan) ulkoisen kentän E 0 suuntaisiksi à niiden aiheu>ama aineen sisäinen ken>ä E P osi>ain kumoaa ulkoisen kentän E 0 aineen sisällä.

11 ERISTE ULKOISESSA SÄHKÖKENTÄSSÄ Sylinterin sisällä N dipolia, joiden dipolimomenn on p Kaukana havaitaan N:n dipolin summaken>ä (aiheu>aisi dipoli jonka dipolimomenn on Np) Samanlaisen kentän aiheu>aisi myös varausjakauma, jossa etäisyydellä s olisi sopivat varaukset Q p ja Q p. à Eli voidaan kirjoi>aa Q p s = Np E 0 s E 0 s A Q p E p Q p A

12 ERISTE ULKOISESSA SÄHKÖKENTÄSSÄ Saatua suure>a Q p /A kutsutaan polarisoitumaksi P: P = Q p A = N V p Kokonaisken>ä on E tot = E p E 0 < E 0 ilman eriste>ä ken>ä olisi päiden välillä olisi σ/ε 0 à E tot =σ/ε r ε 0 Missä ε r > 1 on eristeen dielektrisyysvakio eli suhteellinen perminivisyys (tai eristevakio)

13 ERISTE ULKOISESSA SÄHKÖKENTÄSSÄ eristelevy kondensaa>orin väliin Miten käy kentälle? à Sähköken>ä kondensaa>orin sisällä pienenee tekijällä ε r E tot = E 0 / ε r E p E tot E 0 Tyhjiön dielektrisyysvakio on = 1, ilman 1,00054, paperin 3,5, posliinin 6,5 jne.

14 ERISTE ULKOISESSA SÄHKÖKENTÄSSÄ Miten tapahtuu kondensaa#orin kapasitanssille? C = Q/V Nyt siis varaus säilyy ja levyjen etäisyys pysyy samana, mu>a ken>ä välissä pienenee E p E tot E 0 Dielektrisellä aineella täytetyissä alueissa sähköstaiikan yhtälöt pätevät, kun sähkövakio ε 0 korvataan ε r ε 0 :lla.

15 JOHDE YKSINKERTAINEN MALLI Johdekappaleen paikoilleen sitoutuneet atomien ulkoelektronit pääsevät vapaasi liikkumaan koko johdekappaleessa. Kappaleen ulkopuolella elektronit eivät pääse, sillä silloin näihin vaiku>aa suuri palautava voima

16 JOHDE ULKOISESSA SÄHKÖKENTÄSSÄ Metallissa osa elektroneista on sido>u atomeihin ja kemiallisiin sidoksiin ja osa liikkuu vapaasi. E 0 Vapaita varauksen kulje>ajia à metalli on johde

17 JOHDE ULKOISESSA SÄHKÖKENTÄSSÄ E 0 E=0 E 0 Sähköken>ään asetetussa johdekappaleessa varaukset liikkuvat johteen pinnoille, niin e>ä niiden aiheu>ama ken>ä johteen sisällä kumoaa ulkoisen kentän.

18 KYSYMYS: Johdekappale asetetaan homogeeniseen sähköken>ään E, jonka jälkeen varauksenkulje>ajat ase>uvat tasapainoasemaan. Tällöin kappaleessa olevaan erääseen johde elektroniin vaiku>ava kokonaisvoima a) Osoi>aa kappaleesta ulospäin b) Osoi>aa kappaleen pinnan suuntaisesi c) On nolla d) Osoi>aa kappaleen sisään e) Muu vastaus f) Ei osaa sanoa

19 JOHDEKAPPALE TASAPAINOSSA Varatussa johdekappaleessa varauksenkulje>ajat sijoi>uvat pinnalle Sähkökentän voimakkuus johteen sisällä on nolla Sähkökentän voimakkuus väli>ömäsi kappaleen ulkopuolella kohisuoraan kappaleen pintaan Mitä terävämpi sen Iheämmässä varaukset

20 POTENTIAALI JOHTEESSA Sähköken>ä on nolla johteen sisällä Onko myös sähköinen poten2aali nolla johteen sisällä? V: Ei tarvi olla nolla mu>a on vakio sillä ΔV=W/q ja W=Fd=qEd à ΔV=0

21 JOHDEKAPPALE TASAPAINOSSA

22 Laskarit 3, Tehtävä 2 Kolme metallielektrodia (jokaisen pinnan ala on neliö, 2.0 x 2.0 cm 2 ) on asete>u kuvan mukaisesi. Elektrodien varaukset on anne>u kuvassa. Piirrä alueessa 0 x 3 cm a) sähkökentän voimakkuus E x (x) ja b) poteniaali V(x). Miten johde käy>äytyy sähkökentässä? Miten tässä kanna>aa approksimoida sähköken>ää? (voit ole>aa e>ä olet kaukana levyn päistä). Muistele poteniaalin ja sähkökentän välinen yhteys

23 Laskarit 3, Tehtävä 3 Kahden lähekkäisen neliön muotoisen johdelevyn varaukset ovat Q ja Q. Levyjen väliin työnnetään eristekappale, kunnes eriste täy>ää koko levyjen välisen Ilan. Eristeen suhteellinen permiiivisyys on ε r. a) Miten varaukset järjestyvät johdelevyjen pinnalla, kun eriste täy>ää osi>ain levyjen välikön. Perustele. b) Määritä levyjen välinen poteniaaliero eristekappaleen paikan x funkiona. MieI ensin miten lasket poteniaalin ilman eriste>ä. Miten varaukset nyt jakautuvat eristeessä ja johdelevyssä? Oleta e>ä varaukset eivät voi siirtyä eristeestä levyihin ja toisinpäin.

24 YHTEENVETO JOHTEEN JA ERISTEEN OMINAISUUKSISTA Eriste Vapaat varaukset Ei ole On PolarisaaIo Yksi>äiset atomit tai molekyylit polarisoituu Johde Koko vapaiden varausten joukko siirtyy tasapaino E 0 nolla sisällä E=0 nolla sisällä Ylimääräisten varauksien sijaini Missä tahansa materiaalin pinnalla tai sisällä Vain pinnalla