Właściwości przewodników, kondensatory, Schematy z Fizyka

Pobierz Właściwości przewodników, kondensatory i więcej Schematy w PDF z Fizyka tylko na Docsity! Wykład 10 Właściwości przewodników, kondensatory WŁAŚCIWOŚCI IDEALNEGO PRZEWODNIKA Idealny przewodnik to materiał zawierająca nieskończony zapas zupełnie swobodnych ładunków. Z tej definicji wynikają podstawowe własności elektrostatyczne idealnych przewodników: • Wewnątrz izolowanego przewodnika E = 0. • W pobliżu powierzchni izolowanego przewodnika pole E jest prostopadłe do powierzchni. • Nieskompensowany ładunek może występować jedynie na powierzchni izolowanego przewodnika. • Potencjał w izolowanym od otoczenia przewodniku jest stały, V = const. Przewodnik jest ciałem ekwipotencjalnym. https://www.youtube.com/watch?v=P7WhUwFeNqM WNĘKA W PRZEWODNIKU Jeżeli we wnętrzu przewodnika znajduje się wnęka z ładunkiem +q w jej obszarze, to pole E wewnątrz wnęki jest różne od zera. Ładunek +q indukuje ładunek przeciwny na powierzchni wnęki. Ładunek na powierzchni wnęki modyfikuje rozkład ładunku na powierzchni przewodnika, tak by pole w jego wnętrzu (po za obszarem wnęki) pozostało zerowe. http://zon8.physd.amu.edu.pl/~tanas/ Openstax, Fizyka dla szkół wyższych, tom 2 Rozkład ładunku na powierzchni przewodników Przewodzące kule połączone przewodzącym drutem: k q2 R2 = k q1 R1 q2 R2 = q1 R1 σ 2 4πR2 2 R2 = σ 14πR1 2 R1 σ 2R2 =σ 1R1 im mniejszy promień tym większa gęstość ładunku potencjał cienkiej sfery na jej powierzchni (patrz wcześniejsze wykłady) Openstax, Fizyka dla szkół wyższych, tom 2 Rozkład ładunku na powierzchni przewodników Większą gęstość ładunku obserwujemy w miejscach o małym promieniu krzywizny powierzchni. http://www.edu.pe.ca/gray/class_pages/krcutcliffe/physics521/21fields/applets/lightning%20rod%20animation.htm https://www.youtube.com/watch?v=skTCdhBE61Q Wyładowanie elektryczne w powietrzu E - - - - - - - ! !jonizacja molekuł powietrza UN2 = 15.5 eV E = ΔV Δx = eU Δx ∼107 V m Energie jonizacji molekuł powietrza: Średnia droga elektronu pomiędzy zderzeniami z cząsteczkami powietrza (tzw. droga swobodna): Δx = 1 µm Teoretyczne wartość pola, przy którym następuje przebicie : Pomiary eksperymentalne pokazują, że w rzeczywistości przebicie w suchym powietrzu występuje przy natężeniu pola równym w przybliżeniu 3 x 106 V/m ≈ 30 000 V/cm. powstaje lawina elektronów, którym towarzyszy światło i dźwięk UO2 = 12.5 eV 11 Wyładowanie elektryczne w powietrzu https://www.youtube.com/watch?v=vOTmbbl3jEg Pojemność elektryczna izolowanego przewodnika C = Q V Izolowany przewodnik naładowany ładunkiem Q charakteryzuje się potencjałem V (potencjał odniesienia w nieskończoności). V Pojemność izolowanego (odosobnionego) przewodnika określa stosunek wartości bezwzględnej ładunku zgromadzonego na przewodniku do wartości bezwzględnej jego potencjału. Jednostką pojemności elektrycznej jest Farad, [F = C/V]. pojemność elektryczna izolowanego przewodnika: Potencjał mówi ile ładunku należy dodać aby zwiększyć potencjał przewodnika o jednostkę (1V). Dlaczego szok elektryczny był tak duży? Elektrony gromadzące się w butelce wymuszały ruch elektronów z dłoni w kierunku Ziemi. Im dłoń była bardziej pozytywna tym więcej elektronów gromadziło się w butelce. Proces ten napędzał się aż osiągnięto maksymalną pojemność ładunku (zależną od różnicy potencjałów pomiędzy ziemią i kulą). człowiek = przewodnik woda = przewodnik szkło = izolator Nie jeden przewodnik, ale układ dwóch przewodników oddzielonych dielektrykiem jest dobrym magazynem elektryczności (ładunku, energii). Kondensator http://www.if.pw.edu.pl/~anadam/WykLadyFO/FoWWW_32.html Kondensator to układ dwóch przewodników (okładek) rozdzielonych dielektrykiem (czyli izolowanych od siebie), na których znajdują się jednakowe (co do wartości bezwzględnej) ładunki o przeciwnych znakach. Kondensatory wykorzystywane są do magazynowania ładunku i energii elektrycznej! Różne geometrie: Pojemność kondensatora Kondensator charakteryzuje pojemność określająca zdolność kondensatora do gromadzenia ładunku i energii: C = Q ΔVAB Q – wartość bezwzględna ładunku zgromadzonego na jednej okładce ΔVAB – wartość bezwzględna napięcia (różnica potencjałów) między okładkami kondensatora +Q -Q VA VB Symulacja kondensatora płaskiego https://phet.colorado.edu/en/simulation/legacy/capacitor-lab Pokazać: • Pojemność nie zależy od ładunku na okładkach • Pojemn0ść nie zależy od napięcia między okładkami • Pojemność zależy tylko od geometrii kondensatora 21 Podstawowe właściwości kondensatora płaskiego https://www.youtube.com/watch?v=P7WhUwFeNqM Energia zgromadzona w kondensatorze Elektrostatyczna energia potencjalna zgromadzona w kondensatorze płaskim: +σ −σ E = σ ε0 E = 0 E = 0 A d Defibrylator- aż do 360 J może być zmagazynowanych w polu elektrycznym kondensatora w tym urządzeniu. Energia ta w całości dostarczana jest pacjentowi w przeciągu 2 ms, odpowiada to mocy ok. 180 kW! Błyski lampy w aparacie fotograficznym powstają przez rozładowanie energii zmagazynowanej w kondensatorze (energia elektryczna zamieniana jest na energię świetlną). Zastosowania energii zgromadzonej w kondensatorze Błyski lampy stroboskopowej powstają przez ciągłe ładowanie i rozładowywanie kondensatora. http://camerarepair.blogspot.com/2007/11/important-warning-camera-flash.html Efekty związane z lampą stroboskopową Ą Strobe of a ETSI NIA Lae =E1| Light at MIT Department of Physics Technical Services Group https://www.youtube.com/watch?v=xQ4znShlK5A Dielektryk w kondensatorze E0 = ΔV0 d E0 0 0 E = E0 − Eind = = E0 1− b( ) = = E0 ε r , 1 ε r = 1− b( ) polaryzacja dielektryka, na jego powierzchni powstają ładunki związane , wewnątrz dielektryka indukuje się pole o wartości W wyniku polaryzacji dielektryka natężenie pola elektrycznego w obszarze kondensatora maleje! Eind = bE0 , b <1 ε r ≥1 - stała dielektryczna (względna przenikalność dielektryczna) Symulacja kondensatora płaskiego https://phet.colorado.edu/en/simulation/legacy/capacitor-lab Pokazać: • Zmianę pojemność, napięcia i pola elektrycznego po umieszczeniu dielektryka przy odłączonej baterii 31 Podstawowe właściwości kondensatora płaskiego https://www.youtube.com/watch?v=P7WhUwFeNqM Dielektryk w kondensatorze - energia Energia zgromadzona w kondensatorze bez dielektryka: Energia zgromadzona w kondensatorze z dielektrykiem: E = ΔV d ⇒ E0 ε r = ΔV0 ε rd woltomierz Energia zmniejszyła się ponieważ kondensator wykonał pracę wciągając dielektryk w obszar między płytkami. Wyjmując kondensator energia rośnie ponieważ ty my wykonujemy pracę nad układem. Dielektryk w kondensatorze podłączonym do zasilacza (baterii) Wstawienie dielektryka pomiędzy okładki kondensatora podłączonego do zasilacza powoduje wzrost ładunku na okładkach kondensatora (dopływa on z baterii): Q = ε rQ0 , ε r >1 Ponieważ zasilacz wymusza stałe napięcie na kondensatorze, oznacza to, że pojemność kondensatora wzrasta, ale pole elektrycznie nie zmienia się! C = ε rC0 , E = E0. Zasilacz wymusza stałe napięcie na kondensatorze! C = ε rC0 = ε r Q0 ΔV0 = Q ΔV0 = ε rC0 E0 = ΔV0 d = E E0 E ΔV0 ΔV0 Symulacja kondensatora płaskiego https://phet.colorado.edu/en/simulation/legacy/capacitor-lab Pokazać: • Zmiany ładunku podczas wsuwania / wysuwania dielektryka • Brak zmiany potencjału i pola elektrycznego podczas wsuwania / wysuwania dielektryka POJEMNOŚĆ ZASTĘPCZA UKŁADU KONDENSATORÓW POŁĄCZONYCH RÓWNOLEGLE Q1 +Q2 +Q3 + ...+Qn = ΔV C1 +C2 +C3 + ...+Cn( ) C zast ! "### $### Q = ΔVCzast … - + ΔVC1 C2 C3 Cn Łączenie równoległe kondensatorów: Pojemność zastępcza układu: = - + ΔV Czast Czast = C1 +C2 +C3 + ...+Cn