1 FIZYKA dla studentów POLIGRAFII Elektrostatyka

2 Ładunek elektryczny Ładunek jest skwantowany: Ładunek elementarny:Jednostką ładunku elektrycznego w układzie SI jest 1 kulomb (1C).       Ładunek przenoszony przez prąd elektryczny o natężeniu jednego ampera w czasie jednej sekundy. Ładunek elementarny: Prawo zachowania ładunku: foton pozyton elektron

3 Prawo Coulomba Ładunki q1 i q2 w odległości r w próżni:Przenikalność elektryczna próżni

4 Prawo Coulomba Siły przyciągające dla ładunków różnoimiennychSiły odpychające dla ładunków jednoimiennych Dla ładunków różnoimiennych iloczyn q1 i q2 jest ujemny.

5 Prawo Coulomba qi q2 F2k qk F3k q3 Fik F1k q1Siły kulombowskie od wielu ładunków: qi q2 F2k qk F3k Ładunek qk otoczony przez N innych ładunków. q3 Fik F1k q1

6 Natężenie pola elektrycznegoNatężenie – siła działająca na ładunek jednostkowy: Jednostka natężenia: 1 N/C q0 - ładunek próbny Wersor wskazujący kierunek wektora E

7 Linie sił pola elektrycznego

8 Pole elektryczne Zasada superpozycji pól:

9 Pole elektryczne Dla ciągłego rozkładu ładunku definiujemy:Gęstość liniową ładunku: Gęstość powierzchniową: Gęstość objętościową:

10 Pole elektryczne + - +q -q Pole ładunku rozłożonego w sposób ciągły:dq – ładunek punktowy + - +q -q Dipol elektryczny:

11 Praca sił pola elektrycznego- wektor wodzący ładunku q0 - wersor

12 Praca sił pola elektrycznegoPraca wynosi zero, kiedy punkt końcowy pokrywa się z punktem początkowym (przemieszczenie po drodze zamkniętej).  Energia potencjalna: Gdy to U const Przyjmujemy const = 0

13 Potencjał pola elektrycznegoPotencjał pola – energia potencjalna ładunku jednostkowego umieszczonego w danym punkcie pola: Dla układu N ładunków:

14 Potencjał pola elektrycznegoPotencjał w danym punkcie pola równy jest liczbowo pracy jaką wykonują siły pola przy przesunięciu jednostkowego ładunku dodatniego z tego punktu do nieskończoności. Jednostką potencjału jest wolt (1V). Jest to potencjał w takim punkcie pola do którego przesunięcie ładunku 1C wymaga pracy równej 1J.  1V=1J/1C

15 Potencjał a natężenie pola elektrycznegoJeśli wektory E i r mają zgodne kierunki:

16 Potencjał a natężenie pola elektrycznegoNatężenie pola = -(gradient potencjału) Pole elektrostatyczne jest polem potencjalnym.

17 Potencjał pola elektrycznego+ Linie pola i powierzchnie ekwipotencjalne jednorodnego pola sił. + - + + Przestrzenny wykres energii potencjalnej jednorodnego pola sił.

18 Strumień wektora natężenia pola

19 Strumień wektora natężenia polaq

20 Strumień wektora natężenia polaStrumień pola elektrycznego przez powierzchnię dS. dSn - projekcja elementu powierzchni dS odległej o r  od ładunku q na  powierzchnię prostopadłą do prostej przechodzącej przez ładunek i tę powierzchnię kąt bryłowy równy:

21 Prawo Gaussa Dla n ładunków wewnątrz powierzchni S:Strumień wektora natężenia pola elektrycznego przez dowolną powierzchnię zamkniętą równy jest algebraicznej sumie ładunków obejmowanych przez tę powierzchnię, podzielonej przez     Dla ciągłego rozkładu ładunku:

22 Prawo Gaussa Strumień wektora natężenia polasuma ładunków obejmowanych przez powierzchnię Animacje:

23 Jednorodnie naładowana powierzchnia kuliGęstość powierzchniowa  R Dla punktów wewnątrz sfery: E = 0 Dla punktów na zewnątrz sfery:

24 Jednorodnie naładowana kulaGęstość objętościowa  R r Dla punktów wewnątrz kuli:

25 Jednorodnie naładowana kulaDla punktów na zewnątrz kuli:

26 Pole ładunku sferycznie-symetrycznegoJednorodnie naładowana kula Jednorodnie naładowana powierzchnia kuli

27 Przewodniki w polu elektrycznym+ - E = 0 + - E E E Objętość przewodnika i jego powierzchnia stanowią obszary ekwipotencjalne. Niezrównoważone ładunki elektryczne rozłożone są  jedynie na powierzchni przewodnika.

28 Natężenie pola w pobliżu powierzchni przewodnika

29 Generator Van de GraaffaMożna osiągnąć różnicę potencjałów pomiędzy czaszą a ziemią rzędu milionów wolt.

30

31 Pojemność elektrycznaPotencjał przewodnika jest proporcjonalny do zgromadzonego na nim ładunku. 1F = 1C/1V Analogia:

32 Pojemność elektryczna kuliKula z przewodnika o promieniu R Na zewnątrz kuli:

33 Pojemność elektrycznaObecność innych przewodników zmniejsza potencjał. ...i zwiększa pojemność. +q -q Kondensator – gromadzi duży ładunek przy niewielkiej różnicy potencjałów.

34 Kondensator +q -q d S Dla pola jednorodnego:

35 Kondensatory Równoległe połączenie kondensatorów

36 Kondensatory Szeregowe połączenie kondensatorów

37 Dielektryki Kondensator o pojemności C0 +q -q C0 C > C0stała dielektryczna względna przenikalność elektryczna dielektryka lub

38 Dielektryki - Moment dipolowy cząsteczki dielektryka:+ - Moment dipolowy cząsteczki dielektryka: Jeśli l = 0 – dielektryk niepolarny (np. H2, N2, O2) W obecności pola elektrycznego ładunki rozsuwają się. dipol sprężysty polaryzowalność cząsteczkowa dielektryka

39 Dielektryki niepolarrne

40 Dielektryki polarne dielektryk polarny:np.H2O lub HCl Moment dipolowy różny od 0 w nieobecności pola elektrycznego

41 Dielektryki polaryzacja dielektryka: elektronowa jonowa dipolowa

42 Dielektryki wektor polaryzacji dielektryka:n – liczba cząsteczek w objętości dV Dla dielektryka niepolarnego: - podatność elektryczna dielektryka

43 Dielektryki

44 Pole elektryczne w dielektrykustosujemy prawo Gaussa: E – pole w dielektryku S – powierzchnia kondensatora Dla kondensatora próżniowego

45 Pole elektryczne w dielektryku

46 Pole elektryczne w dielektrykuWektor indukcji elektrycznej Wektor polaryzacji

47 Ferroelektryki