Luku 23. Esitiedot Työ, konservatiivinen voima ja mekaaninen potentiaalienergia Sähkökenttä

Samankaltaiset tiedostot
Coulombin laki. Sähkökentän E voimakkuus E = F q

SÄHKÖMAGNETISMI: kevät 2017

SÄHKÖMAGNETISMI: kevät 2017

RATKAISUT: 18. Sähkökenttä

FY6 - Soveltavat tehtävät

SMG KENTTÄ JA LIIKKUVA KOORDINAATISTO

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

SÄHKÖMAGNETISMI: kevät 2017

a P en.pdf KOKEET;

DEE Sähkötekniikan perusteet

Fysiikka 1. Coulombin laki ja sähkökenttä. Antti Haarto

Potentiaali ja potentiaalienergia

KYSYMYS: Lai*akaa varaukset järjestykseen, posi9ivisesta nega9ivisempaan.

KURSSIN TÄRKEIMPIÄ AIHEITA

VIELÄ KÄYTÄNNÖN ASIAA

&()'#*#+)##'% +'##$,),#%'

Sähköstatiikka ja magnetismi Coulombin laki ja sähkökenttä

Sähköstatiikasta muuta. - q. SISÄLTÖ Sähköinen dipoli Kondensaattori Sähköstaattisia laskentamenetelmiä

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

Maxwell ja hänen yhtälönsä mitä seurasi?

Luku 8. Mekaanisen energian säilyminen. Konservatiiviset ja eikonservatiiviset. Potentiaalienergia Voima ja potentiaalienergia.

Maxwell ja hänen yhtälönsä mitä seurasi?

Fysiikka 1. Kondensaattorit ja kapasitanssi. Antti Haarto

Luku 5. Johteet. 5.1 Johteiden vaikutus sähkökenttään E = 0 E = 0 E = 0

Luku 27. Tavoiteet Määrittää magneettikentän aiheuttama voima o varattuun hiukkaseen o virtajohtimeen o virtasilmukkaan

22. SÄHKÖSTATIIKKA Sähkövaraus, Q, q

SATE1120 Staattinen kenttäteoria kevät / 5 Laskuharjoitus 2 / Coulombin laki ja sähkökentänvoimakkuus

Coulombin laki ja sähkökenttä

Sähköstaattinen energia

Yleistä sähkömagnetismista SÄHKÖMAGNETISMI KÄSITEKARTTANA: Varaus. Coulombin voima Gaussin laki. Dipoli. Sähkökenttä. Poissonin yhtälö.

Sähköstatiikka ja magnetismi Kondensaattorit ja kapasitanssi

Fy06 Koe Kuopion Lyseon lukio (KK) 1/7

Elektrodynamiikan tenttitehtäviä kl 2018

Luku 6. reunaehtoprobleemat. 6.1 Laplacen ja Poissonin yhtälöt Reunaehdot. Kun sähkökentän lauseke E = φ sijoitetaan Gaussin lakiin, saadaan

Sähköstaattinen energia

1 Voima ja energia sähköstatiikassa

DEE-11110: SÄHKÖTEKNIIKAN PERUSTEET

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2013 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

a) Lasketaan sähkökenttä pallon ulkopuolella

SÄHKÖ KÄSITTEENÄ. Yleisnimitys suurelle joukolle ilmiöitä ja käsitteitä:

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2011 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

SÄHKÖMAGNETISMI: kevät 2017

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

Kvanttifysiikan perusteet 2017

2 Eristeet. 2.1 Polarisoituma

766320A SOVELTAVA SÄHKÖMAGNETIIKKA, ohjeita tenttiin ja muutamia teoriavinkkejä sekä pari esimerkkilaskua

Sähköstaattinen energia

Tehtävä 1. a) sähkövirta = varausta per sekunti, I = dq dt = 1, A = 1, C s protonin varaus on 1, C

1 Johdanto Mikä tämä kurssi on Hieman taustaa Elektrodynamiikan perusrakenne Kirjallisuutta... 8

Fysiikan perusteet 2

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

kertausta Esimerkki I

PHYS-A3131 Sähkömagnetismi (ENG1) (5 op)

Elektroniikka. Tampereen musiikkiakatemia Elektroniikka Klas Granqvist

PHYS-A3131 Sähkömagnetismi (ENG1) (5 op)

4. Gaussin laki. (15.4)

2 Staattinen sähkökenttä Sähkövaraus ja Coulombin laki... 9

Voima ja potentiaalienergia II Energian kvantittuminen

a) Kuinka pitkän matkan punnus putoaa, ennen kuin sen liikkeen suunta kääntyy ylöspäin?

FYSIIKKA (FY91): 9. KURSSI: Kertauskurssi KOE VASTAA KUUTEEN (6) TEHTÄVÄÄN!!

Luento 10. Potentiaali jatkuu, voiman konservatiivisuus, dynamiikan ja energiaperiaatteen käyttö, reaalinen jousi

Magneettinen energia

Luento 2. SMG-2100 Sähkötekniikka Risto Mikkonen

Theory Finnish (Finland) Suuri hadronitörmäytin (Large Hadron Collider, LHC) (10 pistettä)

Passiiviset piirikomponentit. 1 DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

Luento 1 / SMG-1100 Piirianalyysi I Risto Mikkonen

DEE Sähkötekniikan perusteet

Sähkötekiikka muistiinpanot

Sähkömagnetismia. Coulombin laki väliaineessa Eristeessä vuorovaikutus on heikompi kuin tyhjiössä. Varaus on kvantittunut suure eli, missä n = 1,2,3

Sähköstatiikan laskuissa useat kaavat yksinkertaistuvat hieman, jos vakio C kirjoitetaan muotoon

Luku Ohmin laki

DEE-11110: SÄHKÖTEKNIIKAN PERUSTEET

PHYS-A3131 Sähkömagnetismi (ENG1) (5 op)

Elektroniikan kaavoja 1 Elektroniikan Perusteet I1 I2 VAIHTOVIRROILLA. Z = R + j * X Z = R*R + X*X

Fy06 Koe ratkaisut Kuopion Lyseon lukio (KK) 5/13

SÄHKÖMAGNETISMI (7OP)

Luku Sähköinen polarisoituma

Fysiikka 6. kertaustehtävien ratkaisut

Potentiaali ja sähkökenttä: pistevaraus. kun asetetaan V( ) = 0

a) Piirrä hahmotelma varjostimelle muodostuvan diffraktiokuvion maksimeista 1, 2 ja 3.

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Korkeammat derivaatat

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2012 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

Vyöteoria. Orbitaalivyöt

Korkeammat derivaatat

dl = F k dl. dw = F dl = F cos. Kun voima vaikuttaa kaarevalla polulla P 1 P 2, polku voidaan jakaa infinitesimaalisen pieniin siirtymiin dl

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 10: Stokesin lause

Eristeet. - q. Johdannoksi vähän sähköisestä dipolista. Eristeistä

Kuvan 4 katkoviivalla merkityn alueen sisällä

3D-kuva A B C D E Kuvanto edestä Kuvanto sivulta Kuvanto päältä. Nimi Sotun loppuosa - Monimuotokoulutuksen soveltavat tehtävät 20 p. Tehtävä 1 3p.

40 LUKU 3. GAUSSIN LAKI

Jakso 5. Johteet ja eristeet Johteista

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Kertausta. Haarto & Karhunen.

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Transkriptio:

Luku 23 Tavoitteet: Määritellä potentiaalienergia potentiaali ja potentiaaliero ja selvittää, miten ne liittyvät toisiinsa Määrittää pistevarauksen potentiaali ja sen avulla mielivaltaisen varausjakauman potentiaali Selvittää sähkökentän ja potentiaalin keskinäinen riippuvuus Esitiedot Työ, konservatiivinen voima ja mekaaninen potentiaalienergia Sähkökenttä

23.1 Potentiaalienergia, potentiaali ja potentiaaliero Varaus q siirretään homogeenisessa sähkökentässä a:sta b:hen Sähkökentän tekemä työ W =! F! d W = qed Konservatiiviselle voimalle voidaan määritellä potentiaalienergia. Potentiaalienergian muutos on ΔU = U b U a = W

23.1 Potentiaalienergia, potentiaali ja potentiaaliero Potentiaali V = U q Potentiaaliero ΔV = V b V a Jos varaus siirretään potentiaalista toiseen, sen potentiaalienergia muuttuu ΔU = qδv

Esimerkki 23-2 Elektroni kiihdytetään levosta 5000 V:n potentiaalieron yli. Määritä elektronin potentiaalienergian muutos Määritä elektronin nopeus kiihdytyksen jälkeen Esimerkkien ratkaisut löytyvät kurssin oppikirjasta

23.2 Sähkökentästä potentiaaliin Potentiaalienergian muutos U b U a = Potentiaalin muutos V b V a = b a b a! F d! l! E d! l

Esimerkki 23-4 Määritä potentiaali etäisyydellä r varatun johtavan pallon ulkopuolella, kun palloon on jakautunut varaus Q. Pallon keskipiste on origossa. Voidaan osoittaa, että sähkökenttä pallon ulkopuolella on yhtä suuri kuin origossa olevan varauksen Q muodostama kenttä. Millainen on potentiaali pallon sisällä?

Esimerkki 23-5 Arvioi kuinka suuri jännite voidaan tuoda halkaisijaltaan 1 cm:n kokoseen metallikuulaan niin, että ilman läpilyöntikestävyys 3 MV/m ei ylity.

23.3 Pistevarauksen potentiaali Potentiaalin muutos V b V a = b a! E d! l Potentiaali V b V a = 1 4πε o Q r b Q r a Tulos riippuu vain päätepisteiden etäisyydestä varaukseen. Potentiaalierosta voidaan siirtyä potentiaaliin valitsemalla sopiva nollakohta. Pistevarauksen potentiaali on V = Q 4πε o r

Esimerkki 23-6 Määritä kuinka suuri työ tarvitaan, kun tuodaan varaus q = 3,00 µc äärettömän kaukaa 0,5 m etäisyydelle varauksesta Q = 20,0 µc.

Esimerkki 23-7 Määritä potentiaali kuvan pisteissä A ja B.

23-4 Varausjakauman potentiaali Monen pistemäisen varauksen aiheuttama potentiaali saadaan superpositioperiaatteella V a = 1 4πε o n 1=1 Q i r ia Kun varaukset q i ovat etäisyydellä r ia tarkastelupisteestä a Kun varausjakauma on jatkuva, saadaan V = dv = Q dq 4πε o r

Esimerkki 23-8 Ohuessa renkaassa on tasaisesti jakautuneena varaus Q. Määritä potentiaali renkaan akselilla.

Esimerkki 23-9 Ohuessa kiekossa on tasaisesti jakautuneena varaus Q. Määritä potentiaali kiekon akselilla.

23-8 Varausjoukon potentiaalienergia Kaksi varausta Q1 ja Q2 Q2:n potentiaalienergia Q1:n potentiaalissa U 21 = Q 2 V 1 = 1 4πε o Q 1 Q 2 r 12 Kolme varausta Q1, Q2 ja Q3 Q2:n potentiaalienergia Q1:n potentiaalissa Q3:n potentiaalienergia Q1:n potentiaalissa Q3:n potentiaalienergia Q2:n potentiaalissa U tot = 1 Q 1 Q 2 + Q 1Q 3 + Q 2Q 3 4πε o r 12 r 13 r 23 U 31 = Q 3 V 1 = 1 Q 1 Q 3 4πε o r 13 U 32 = Q 3 V 2 = 1 Q 2 Q 3 4πε o r 23 V tot = 1 4πε o n i=1 n j=i+1 Q i Q j r ij

Esimerkki 23-12 Määritä energia, joka tarvitaan vetyatomin hajoitamiseen protoniksi ja elektroniksi, jotka on viety äärettömän kauas toisistaan. Oleta, että atomissa ne ovat 0,5 Å:n etäisyydellä toisistaan. 1 Å = 10-10 m

Varatuista johteista ja varauksen jakautumisesta Miten varaus jakautuu palloihin? Miten suhtautuu sähkökenttä pallojen pinnalla? Säde R Säde r Johteen sisällä ei ole sähkökenttää ja potentiaali on yhtä suuri. V(r) = V(R) k q r = k Q R Sähkökenttä pinnalla E r = k q r 2 E R = k Q R 2 Pienemmällä pallolla on pienempi varaus. q = r R Q Sähkökenttä pienemmän pallon pinnalla on suurempi. E r = R r E R

Luku 24 Tavoitteet: Määritellä kapasitanssi Selvittää, miten saadaan yhteen kytkettyjen kondensaattoreiden kokonaiskapasitanssi Määrittää sähkökenttään varastoituneen energian suuruus Kuvata eristettä perimittiivisyyden avulla Esitiedot Potentiaali, sähkökenttä

24.2 Kapasitanssi Tarkastellaan kahta lähekkäistä johdelevyä. Tuodaan toiselle levylle varaus Q. Levyjen väliin syntyy sähkökenttä ja potentiaaliero ΔV = Qd Aε o Määritellään kapasitanssi E = Q ε o A C = Q V Levykondensaattorille C = ε o A d

24.3 Kondensaattoreiden kytkennät Kuinka suuri kapasitanssi saadaan kytkemällä kolme kondensaattoria rinnan? V 1 V 2 V 3

24.3 Kondensaattoreiden kytkennät Kuinka suuri kapasitanssi saadaan kytkemällä kolme kondensaattoria sarjaan? V 1 V 2 V 3 1 1 2 2 3 3

24-4 Sähkökentän energia Ladataan aluksi tyhjä kondensaattori jännitteeseen V, jolloin kondensaattorin energiaksi saadaan U = 1 2 CV 2 Sähkökenttään varastoituu energiaa Sähkökentän energiatiheys on u E = ε o 2 E 2 dq +q -q

24-5 Dielektriset väliaineet Kiinteitä eristemateriaaleja kutsutaan dielektrisiksi aineiksi. Niitä kuvaa materiaalin dielektrisyysvakio κ tai permittiivisyys ε ε = κε o Eristeellä täytetyn kondensaattorin kapasitanssi C = κε o A d Dipolimolekyylit järjestäytyvät ja pienentävät sähkökenttää Kun varaus pysyy samana, pienenee potentiaaliero, ja kapasitanssi kasvaa.