Elektrosztatika

Hétköznapi tapasztalatok

•villám

•fésülködés

•tv képernyő

•műszálas

pullover

•portörlő

•fénymásoló http://phet.colorado.edu/en/simulation/travoltagehttp://phet.colorado.edu/hu/simulation/balloons

Villám (lassítva)http://www.ultraslo.com/page/9506190

Kész

ített

e:

Pork

olá

b T

am

ás

Kísérletek

A bőrrel dörzsölt üvegrúd és a műszállal dörzsölt ebonitrúd az apró papírdarabokat (tollat) vonzza.

Az alufólia darabkákat is.

Kész

ített

e:

Pork

olá

b T

am

ás

Dörzsölés

előtt

szőrmeEbonit rúd

után

Kísérletek

Kész

ített

e:

Pork

olá

b T

am

ás

Ha a megdörzsölt üveg-vagy ebonit rudat húzunk végig az elektroszkóp tetején…

A mutató kitér.

Kísérletek

Kész

ített

e:

Pork

olá

b T

am

ás

Az elektromosan töltött rúddal csak közelítünk, de nem érünk az elektroszkóphoz…

Amíg az elektroszkóp közelében van a rúd, a mutató kitér, de amint elvesszük onnan, visszaáll.

++ +

Kísérletek

Készí

tett

e:

Pork

olá

b T

am

ás

A külső elektronok kötöttek az atomtörzshöz. Az ilyen anyag nem vezeti az áramot. Az elektromos test hatására az elektronok a maghoz

képest csak kismértékben tudnak elmozdulni. Ekkor az anyag polarizálódik.

++

++

Elektromos test Polarizált szigetelő

+

Szigetelők

Kész

ített

e:

Pork

olá

b T

am

ás

Szigetelő anyagok

• Üveg

• Bakelit

• Ebonit

• Gyémánt

• Tiszta víz

• Levegő

Kész

ített

e:

Pork

olá

b T

am

ás

Vezetők

Pozitív töltésű atomok (ionok) kristályrácsából és „szabad” elektrongázból áll. A töltéshordozók szabadon elmozdulhatnak, az elektromos állapot a vezető egészére szétterjed.A fémek vezető anyagok. A Föld belseje is nagy kiterjedésű vezető.

-ion

Fémrács

-elektronok NN

Fém alapállapotban semleges:

elektrongáz

Kész

ített

e:

Pork

olá

b T

am

ás

Vezető anyagok

• Fémek

• Szén

• Grafit

• Elektrolitok

• Plazma

Kész

ített

e:

Pork

olá

b T

am

ás

Az elektromos test a környezetében lévő vezető anyagokon elektromos megosztást idéz elő.

++

+ +

Elektromos test Megosztott vezető

Elektromos megosztás

Kész

ített

e:

Pork

olá

b T

am

ás

Elektromos állapotok

Kétféle létezik:

• Azok a testek pozitív töltésűek, amik ugyanolyan elektromos állapotúak, mint a megdörzsölt üveg.

• Azok a testek negatív töltésűek, amik ugyanolyan elektromos állapotúak, mint a megdörzsölt ebonit.

Kész

ített

e:

Pork

olá

b T

am

ás

A töltés magyarázata

Atommag Elektronfelhő

proton

neutron

elektronSemleges atom:

elektronok száma=protonok száma

)( NN

Kész

ített

e:

Pork

olá

b T

am

ás

Az elektrosztatikus mező forrásai a nyugvó töltések.

Először definiálnunk kell egy töltés nagyságát.

1. Két töltés egyenlő nagyságú, ha egy tetszőleges

harmadik töltésre ugyanakkora távolságból ugyanakkora

erővel hatnak.

2. Az a töltés nagyobb, amelyik egy tetszőleges harmadik

töltésre ugyanakkora távolságból nagyobb erővel hat

3. Egységnyi az a töltés, amely 1 m távolságból a vele

egyenlő nagyságú töltésre 9 109 N erővel hat.

A töltés definíciója

Kész

ített

e:

Pork

olá

b T

am

ás

A töltés jele: Q. Mértékegysége: 1 C (coulomb). (Charles Coulomb, francia, 1736-1806).

Elemi töltésnek nevezzük az elektron töltését:

q C 1 6 10 19,q C 1 6 10 19,

A töltésmegmaradás törvénye: Zárt rendszerben a töltések algebrai összege változatlan.

A töltés definíciója

http://www.sulinet.hu/tlabor/fizika/teszt/f40.htm

Kész

ített

e:

Pork

olá

b T

am

ás

Charles Augustin Coulomb (Angoulême, 1736. június 14. – Párizs, 1806. augusztus 23.) francia fizikus, leginkább a Coulomb-törvény megalkotásáról nevezetes. A Coulomb-erő egyike az atomi reakcióban szerepet játszó alapvető erőknek.

Gépek súrlódását, szélmalmokat, fém- és selyemszálak rugalmasságát is vizsgálta. Az elektromos töltés egysége az ő tiszteletére kapta a coulomb nevet.

Coulomb

Kész

ített

e:

Pork

olá

b T

am

ás

F kQ Q

r

Q Q

r 1 2

20

1 22

1

4F kQ Q

r

Q Q

r 1 2

20

1 22

1

4

kNm

C

C

Nm 9 10 8 8 109

2

2 012

2

2 ,kNm

C

C

Nm 9 10 8 8 109

2

2 012

2

2 ,

Coulomb torziós ingával végzett kísérletei alapján megállapította, hogy két tetszőleges töltés közt ható erő esetén: F

0 a vákuum dielektromos állandója vagy más néven a vákuum permittivitása.

Coulomb törvénye

Készí

tett

e:

Pork

olá

b T

am

ás

http://www.rabidgeek.net/physics-applets/electric-fields/

Az elektromos tér szemléltetése

Kész

ített

e:

Pork

olá

b T

am

ás

Az elektromos tér erőssége egy pontban azt mutatja meg,

hogy mekkora erő hat abban a pontban az 1 C nagyságú

töltésre.

A térerősség jele: E.

EF

QE

N

C 1 EF

QE

N

C 1

Az elektromos térerősség

Homogénnek nevezünk egy elektromos mezőt, ha a térerősség vektora a tér minden pontjában állandó.

http://phet.colorado.edu/sims/charges-and-fields/charges-and-fields_hu.htmlhttp://www.falstad.com/emstatic/

Kész

ített

e:

Pork

olá

b T

am

ás

E

E1

E2

Q1 Q2+ +

Newton IV. törvényéből következik, hogy ha a tér egy pontjában több elektromos tér fejti ki a hatását, akkor az ottani térerősség az egyes térerősségek vektori eredőjeként számolható ki.

F F F F Q

E E E E

e

e

1 2 3

1 2 3

... /:

...

F F F F Q

E E E E

e

e

1 2 3

1 2 3

... /:

...

Elektromos térerősségek összegzése

Kész

ített

e:

Pork

olá

b T

am

ás

Volta

Gróf Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta olasz fizikus, az elektromos áram elméletének kidolgozója, a víz elektrolízisének felfedezője és a kénsavoldatba merülő cink- és rézelektródból álló Volta-elem (galvánelem) feltalálója. A volt mértékegység róla kapta a nevét. 1801-ben Napóleon Párizsba hívta, hogy bemutassa a galvánláncra vonatkozó kísérleteit az Institut-nek; később a becsületrend tisztjévé tette, neki adományozta a vaskorona-rendet, illetve kinevezte Itália grófjává és szenátorává.

Kész

ített

e:

Pork

olá

b T

am

ás

QUWQ

WU QUW

Q

WU V

C

JU 11 V

C

JU 11

Az elektromos munka egy külső erő vagy az elektromos mező által egy töltésen végzett munkát jelent.

Ez a munka független attól, hogy a töltés milyen úton jut A – ból B – be (vagyis az elektromos erőtér konzervatív).

Az elektromos feszültség megmutatja, hogy mennyi munkát végez az elektromos mező vagy egy külső erő egységnyi töltésen.

Jele: U.

Így:

Az elektromos feszültség

Kész

ített

e:

Pork

olá

b T

am

ás

Homogén erőtérben: dEsE

Q

sQE

Q

WU

dEsE

Q

sQE

Q

WU

Elektromos feszültség homogén térben

Kész

ített

e:

Pork

olá

b T

am

ás

ABAB UUU ABAB UUU

VUVUVUVU DCBA 40;80;60;20

Az elektromos potenciál egy általunk kijelölt ponthoz viszonyított feszültség. Az elektromos feszültség a tér két pontja közt pedig a pontok potenciáljainak különbsége, tehát a feszültség valójában potenciálkülönbség.

Ha pl:

, akkor

VUVUVU

VUVUVU

DAADCA

ACBAAB

60;60;60

;60;40;40

Potenciál

Kész

ített

e:

Pork

olá

b T

am

ás

Az azonos potenciálú görbéket ekvipotenciális görbéknek, a térben pedig ekvipotenciális felületeknek nevezzük.

Ezek mindig merőlegesek az erővonalakra, az elektromos térerősségre is.

Ekvipotenciális felületek

Kész

ített

e:

Pork

olá

b T

am

ás

Elektromos töltés vezetőn

http://www.youtube.com/watch?v=Zi4kXgDBFhw

Alufóliába csomagolt rádió, mobiltelefon

http://www.youtube.com/watch?v=WqvImbn9GG4

A vezetőre vitt többlettöltés mindig a vezető külső felületén helyezkedik el.

A vezető belsejében a térerősség zérus, E = 0.

A vezető határán a térerősség merőleges a vezető felületére .

A vezető belsejének minden pontja ekvipotenciális, vagyis bármely két pont közt 0 a feszültség.

Kész

ített

e:

Pork

olá

b T

am

ás

•Autó, repülő fémburkolata

•Elektromos gépek védelme

•Veszélyes anyagok tárolása

Példák

Kész

ített

e:

Pork

olá

b T

am

ás

Elektromos csúcshatás

A csúcsokon nagyobb a töltéssűrűség.

: pozitív többlettöltés : a vezető környezetében az erővonalak, így a térerősség iránya

(a rajz egy vezető keresztmetszete)

·A csúcsban kerülhetnek a legtávolabbra a többi töltéstől.

Kész

ített

e:

Pork

olá

b T

am

ás

Villámhárító

Kszít

ett

e:

Pork

olá

b T

am

ás

Kész

ített

e:

Pork

olá

b T

am

ás

Villámhárító

Kész

ített

e:

Pork

olá

b T

am

ás

Kondenzátorok

Az elektromos töltés felhalmozására, tárolá-sára szolgáló berende-zéseket kondenzátornak nevezzük.Minden kondenzátor legalább két párhuzamos vezető anyagból (fegy-verzet), és a közöttük lévő szigetelő anyagból (dielektrikum) áll.

Kész

ített

e:

Pork

olá

b T

am

ás

•fénycsövek vibrálásának csökkentésére

•rádiókészülékekben forgókondenzátorral hangoljuk a vevőkört az adás frekvenciájára

•rádiókészülékekben kondenzátorral szűrik ki az adást a vivőfrekvenciáról

•a távbeszélő technikában vagy a váltakozó áramú körökben zavarszűrő kondenzátorként

•motorok indítókondenzátoraiként

•a váltófeszültségből egyenirányított egyenfeszültségek stabilizálása tápegységekben

• szűrőkondenzátorként az alacsony frekvenciás váltóáramú összetevők kiszűrése

Kondenzátorok felhasználása

Kész

ített

e:

Pork

olá

b T

am

ás

Kondenzátorok kapacitása

http://phet.colorado.edu/hu/simulation/capacitor-lab

U

QCU

QC (farad)F1C (farad)F1C

Kapacitás: töltésbefogadó képesség.

Megmutatja, hogy 1 V feszültség hatására mennyi töltést képes felhalmozni a kondenzátor. Jele: C.

Vagyis: Kész

ített

e:

Pork

olá

b T

am

ás