docElektryczność i magnetyzm - BEZ
download 
Reklamacja Transkrypt
Elektryczność i magnetyzm - BEZ
ELEKTRYCZNOSC I MAGNETYZM Pole elektryczne - pole fizyczne, stan przestrzeni w której na ładunek elektryczny działa siła. Pole to opisuje się przez natężenie pola elektrycznego lub potencjał elektryczny. Ładunek elektryczny ciała (lub ich układu) – własność materii przejawiająca się w oddziaływaniu elektromagnetycznym ciał obdarzonych tym ładunkiem. Oddziaływanie ciał obdarzonych ładunkiem odbywa się poprzez pole elektromagnetyczne. Związek między ładunkiem a polem jest istotą oddziaływania elektromagnetycznego. Natężenie pola elektrycznego jest wektorową wielkością fizyczną opisującą pole elektryczne. Liczbowo natężenie równe jest sile oddziaływania elektrostatycznego F działającej na umieszczony w danym punkcie pola ładunek próbny o jednostkowej wartości. Natężenie pola elektrycznego oblicza się dzieląc siłę oddziaływania elektrostatycznego F przez ładunek q, na który ta siła działa. Pole centralne Dla pól wektorowych rodzaj pola ze względu na jego wartości i kierunek w przestrzeni. W polu centralnym dla każdego punktu pola wektor pola leży na prostej łączącej dany punkt z punktem wspólnym. Punkt wspólny nazywany jest centrum pola. Przykłady pól centralnych: - pole grawitacyjne wytworzone przez spoczywający punkt materialny lub masę jednorodną w kształcie kuli, - pole elektryczne wytworzone przez spoczywający ładunek punktowy lub jednorodnie naelektryzowaną sferę/kulę. Własności pola centralnego: - Linie pola są półprostymi wychodzącymi z centrum pola - Jeżeli pole jest potencjalne, to: - powierzchnie o jednakowym potencjale (ekwipotencjalne) są sferami o środku w punkcie pola, - potencjał pola jest odwrotnie proporcjonalny do odległości od centrum pola, - natężenie pola jest odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości od centrum pola. Pole jednorodne - pole fizyczne, w którego wszystkich punktach natężenie pola jest takie samo, czyli ma te same wartości, kierunki i zwroty. W tym przypadku linie sił są równoległe. Jednorodne pole elektromagnetyczne to takie, w którym w dowolnym jego punkcie na ładunek działa taka sama siła. Jednorodne pole elektryczne występuje między równoległymi płytami metalowymi naelektryzowanymi różnoimiennie. Jednorodne pole magnetyczne występuje w długiej cewce o jednakowej, na całej długości cewki, liczbie zwojów przypadającej na jednostkę długości cewki. Układem cewek wytwarzającym jednorodne pole magnetyczne w dużym obszarze jest Cewka Helmholtza. Pole grawitacyjne w pobliżu Ziemi dla niezbyt rozległych obszarów uznaje się za jednorodne, choć jako całość jest polem centralnym Pole elektryczne - pole fizyczne, stan przestrzeni w której na ładunek elektryczny działa siła. Pole to opisuje się przez natężenie pola elektrycznego lub potencjał elektryczny. Kondensator to element elektryczny (elektroniczny) zbudowany z dwóch przewodników (okładzin) rozdzielonych dielektrykiem. Doprowadzenie napięcia do okładzin kondensatora powoduje zgromadzenie się na nich ładunku elektrycznego. Jeżeli kondensator jako całość nie jest naelektryzowany, to cały ładunek zgromadzony na jego okładkach jest jednakowy, ale przeciwnego znaku. Kondensator charakteryzuje pojemność określająca zdolność kondensatora do gromadzenia ładunku: Kondensator wraz z rezystorem jest jednym z podstawowych elektronicznych elementów pasywnych, służy do przechowywania, gromadzenia ładunku elektrycznego. Wykorzystywany we wszystkich typach układów, razem z cewką tworzy obwód rezonansowy. W niektórych podzespołach komputerowych wykorzystywane są powszechnie kondensatory elektrolityczne niskoimpendancyjne, a ściślej low ESR Kondensatory low ESR zazwyczaj specyfikowane są dla 100kHz, a oznaczone jako low impedancje mogą być w paśmie audio. Kondensator elektrolityczny "idealny" nie posiada żadnej rezystancji, jedynie pojemność. Jednak w układach rzeczywistych materiał z którego zbudowano kondensator posiada skończony opór. Kondensatory low ESR mają niski opór (ścisłej impedancję) i dzięki temu m.in. mniej się nagrzewają i nie wprowadzają do układu zbędnej, nadmiernej rezystancji bez-nauki.pl - ściągi, opracowania, testy... Prąd elektryczny – każdy uporządkowany (skierowany) ruch ładunków elektrycznych. Ruch ten zazwyczaj jest powodowany obecnością pola elektrycznego (różnicy potencjałów). Wielkością opisującą prąd elektryczny jest natężenie prądu elektrycznego I, które definiuje się jako pochodną ładunku elektrycznego q, który przepływa przez poprzeczny przekrój przewodnika, po czasie t przepływu tego ładunku ęłęóPrawo Ohma mówi, że natężenie prądu stałego I jest proporcjonalne do całkowitej siły elektromotorycznej w obwodzie zamkniętym lub do różnicy potencjałów (napięcia elektrycznego) między końcami części obwodu nie zawierającej źródeł siły elektromotorycznej. Prawidłowość tę odkrył w 1827 roku niemiecki fizyk, profesor politechniki w Norymberdze i uniwersytetu w Monachium Georg Simon Ohm Rezystancja (opór, oporność[1]) jest miarą oporu czynnego, z jakim element przeciwstawia się przepływowi prądu elektrycznego. Zwyczajowo rezystancję oznacza się symbolem (wielka litera R). Jednostką rezystancji w układzie SI jest om (1 Ω). Odwrotność rezystancji to konduktancja, której jednostką jest simens. Dla większości materiałów ich rezystancja nie zależy od natężenia prądu, wówczas natężenie prądu jest proporcjonalne do przyłożonego napięcia. Zależność ta znana jest jako prawo Ohma Źródło prądu – urządzenie, które dostarcza energię elektryczną do zasilania innych urządzeń elektrycznych. Źródło prądu może wytwarzać energię elektryczną kosztem innych form energii, np. - chemicznej (ogniwo chemiczne), - cieplnej (zjawisko Seebecka), - mechanicznej (prądnica), - świetlnej (fotoogniwo). Źródłem prądu nazywa się również elektryczną sieć energetyczną a także zasilacze pełniące często rolę przetworników prądu sieciowego. Rozróżnia się zasilacze prądu zmiennego i prądu stałego. Przewodnik elektryczny – substancja, która dobrze przewodzi prąd elektryczny, a przewodzenie prądu ma charakter elektronowy. Atomy przewodnika tworzą wiązania, w których elektrony walencyjne (jeden, lub więcej) pozostają swobodne (nie związane z żadnym z atomów), tworząc w ten sposób tzw. gaz elektronowy. Przewodniki znajdują szerokie zastosowanie do wykonywania elementów urządzeń elektrycznych. Do najpopularniejszych przewodników należą (uporządkowane wg wzrostu przewodności właściwej): - grafit – miękki, średnio dobry jako przewodnik, stosowany wszędzie tam, gdzie trzeba doprowadzić napięcie do części wirujących (szczotki), - żelazo – tańsze od aluminium, ale posiada gorsze własności elektryczne, kruche i nieodporne na korozję, obecnie nie stosowane, - stal – własności podobne do żelaza, stosowana w elementach przewodzących aparatów elektrycznych, wymagające równocześnie większej wytrzymałości mechanicznej, - aluminium – kruche, dobre jako przewodnik, ma korzystny stosunek przewodnictwa do ceny materiału oraz masy przewodu, powszechnie stosowane na przewody w napowietrznych liniach elektroenergetycznych, - złoto – własności elektryczne dobre, duża odporność na korozję, ale cena warunkuje stosowanie jedynie do układów mikroprocesorowych oraz na powierzchni styków, - miedź – droższa od aluminium, ale bardzo dobra jako przewodnik, odporna na przełamanie, łatwa w lutowaniu, odporna cieplnie; stosowana w instalacjach elektrycznych oraz w urządzeniach elektrycznych, - srebro – najmniejszy opór elektryczny, droższe od miedzi i aluminium, technicznie czyste lub w postaci stopów stosowane powszechnie w stykach elektrycznych w łącznikach elektrycznych. bez-nauki.pl - ściągi, opracowania, testy... Półprzewodniki - najczęściej substancje krystaliczne, których konduktywność (zwana też konduktancją właściwą) jest rzędu 10-8 do 106 S/m (simensa na metr), co plasuje je między przewodnikami a dielektrykami. Wartość rezystancji półprzewodnika maleje ze wzrostem temperatury. Półprzewodniki posiadają pasmo wzbronione między pasmem walencyjnym a pasmem przewodzenia w zakresie 0 - 5 eV (np. Ge 0,7 eV, Si 1,1 eV , GaAs 1,4 eV, GaN 3,4 eV). Koncentracje nośników ładunku w półprzewodnikach można zmieniać w bardzo szerokich granicach, zmieniając temperaturę półprzewodnika lub natężenie padającego na niego światła lub nawet przez ściskanie lub rozciąganie półprzewodnika. W przemyśle elektronicznym najczęściej stosowanymi materiałami półprzewodnikowymi są pierwiastki grupy 14 (np. krzem, german) oraz związki pierwiastków grup 13 i 15 (np. arsenek galu, azotek galu, antymonek indu) lub 12 i 16 (tellurek kadmu). Materiały półprzewodnikowe są wytwarzane w postaci monokryształu, polikryształu lub proszku. Zastosowania - diody - lasery półprzewodnikowe - tranzystory - tranzystor unipolarny (tranzystor polowy) - fototranzystor - tranzystor bipolarny - hallotron - termistor Nadprzewodnictwo - cecha przewodnika elektrycznego, polegająca na tym, że w pewnych warunkach ma on zerową rezystancję. Innymi ważnymi zjawiskami zachodzącymi w nadprzewodnikach są: wypychanie pola magnetycznego (efekt Meissnera) oraz kwantowanie strumienia magnetycznego przechodzącego przez nadprzewodzącą pętle. Większość przewodników wykazuje nadprzewodnictwo dopiero w temperaturze bliskiej zera absolutnego, czyli 0 K (-273,15°C). Siła Lorentza w fizyce, to siła jaka działa na cząstkę obdarzoną ładunkiem elektrycznym poruszającą się w polu elektromagnetycznym. Prawo (wzór) podane zostało po raz pierwszy przez Lorentza i nazwane jego imieniem. Wzór określa, jak na siłę działającą na ładunek wpływają pole elektryczne i pole magnetyczne jako składniki pola elektromagnetycznego F =q( E+v x B ) Pole magnetyczne w fizyce jest stanem (własnością) przestrzeni, w której siły działają na poruszające się ładunki elektryczne, a także na ciała mające moment magnetyczny niezależnie od ich ruchu. Pole magnetyczne jest obok pola elektrycznego przejawem pola elektromagnetycznego. W zależności od opisu (obserwatora), to samo zjawisko może być opisywane jako objaw pola elektrycznego, magnetycznego lub obu. Indukcja magnetyczna w fizyce wielkość wektorowa opisująca pole magnetyczne. Wektor ten określa siłę Lorentza, z jaką pole magnetyczne działa na poruszający się w nim ładunek elektryczny F=qv x B Prawo Ampère'a prawo wiążące indukcję magnetyczną wokół przewodnika z prądem z natężeniem prądu elektrycznego przepływającego w tym przewodniku. Strumień indukcji magnetycznej jest strumieniem pola dla indukcji magnetycznej. Strumień przepływający przez powierzchnię S jest zdefiniowany jako iloczyn skalarny wektora indukcji magnetycznej i wektora normalnego do powierzchni S. Ruch cząstek naładowanych w polu elektrostatycznym Siła F działająca na cząstkę naładowaną umieszczoną w polu elektrycznym i magnetycznym jest opisywana przez równanie Lorentza: gdzie q jest ładunkiem cząstki, E(r) natężeniem pola elektrostatycznego w danym punkcie, v prędkością cząstki, a B(r) jest wektorem indukcji magnetycznej. W naszym przypadku indukcja pola magnetycznego wynosi 0 (zaniedbujemy wpływ ziemskiego pola magnetycznego dlaczego możemy tak zrobić? ). Korzystając z powyższego równania możemy wyliczyć przyspieszenie cząstki a = F/m, gdzie m jest jej masą. Cząstka o dodatnim ładunku będzie przyspieszana w kierunku pola elektrycznego, a cząstka o ładunku ujemnym będzie poruszać się w kierunku przeciwnym do kierunku wektora pola elektrycznego. bez-nauki.pl - ściągi, opracowania, testy... Prawo Lenza lub reguła Lenza - znana również jako zasada przekory Lenza, została nazwana na cześć Heinricha Lenza, który sformułował ją w 1834 roku. W najogólniejszym sformułowaniu mówi, że każdy proces indukcji przebiega w kierunku przeciwnym do działającej przyczyny. Mówi ona, że prąd indukcyjny (nazywany też prądem wtórnym) wzbudzony w przewodniku pod wpływem zmiennego pola magnetycznego, ma zawsze taki kierunek, że wytworzone przez niego wtórne pole magnetyczne przeciwdziała przyczynie (zmianie pierwotnego pola magnetycznego), która go wywołała. Reguła Lenza wyraża zasadę zachowania energii. Przykłady wnioskowań z reguły Lenza: - Jeżeli zamknięta zwojnica porusza się względem magnesu to, wokół zwojnicy powstaje takie pole magnetyczne, które przeciwdziała temu ruchowi. - Jeżeli cząstka obdarzona ładunkiem elektrycznym porusza się w polu magnetycznym o wzrastającym natężeniu, to ruch tej cząstki wywołuje wzrost natężenia pola magnetycznego przed cząstką a osłabienie za cząstką (przeciwdziała zmianie pola w miejscu gdzie jest cząstka), a przy ruchu w polu słabnącym odwrotnie. Patrz deformacja pola magnetycznego Ziemi przez wiatr słoneczny. - Jeżeli cząstka obdarzona ładunkiem porusza się wzdłuż zakrzywionej linii pola magnetycznego, to "prostuje" tę linię. Prądnica prądu przemiennego (generator prądu przemiennego) to maszyna elektryczna przetwarzająca energię mechaniczną, pobieraną z zewnętrznego urządzenia napędzającego prądnicę, na energię elektryczną w postaci przemiennego prądu. Do tego celu wykorzystuje się zjawisko indukowania siły elektromotorycznej w wyniku ruchu przewodnika w polu magnetycznym indukcji elektromagnetycznej. Prądnice prądu przemiennego dzielą się (ze względu na różnice w konstrukcji) na prądnice asynchroniczne i synchroniczne, oraz (ze względu na liczbę faz) na prądnice jednofazowe i wielofazowe. Prądnica prądu przemiennego stanowi odwrócenie silnika elektrycznego. W przypadku silnika energia elektryczna była zmieniana na pracę mechaniczną. W prądnicy natomiast praca zostaje zmieniona na energię elektryczną. Prądnica składa się z części nieruchomej zwanej stojanem i ruchomej zwanej wirnikiem. Obwód rezonansowy LC jest obwodem elektrycznym, składającym się z kondensatora i cewki. W obwodzie tym zachodzi rezonans prądów (w równoległym) lub napięć (w szeregowym). Rezonans następuje wtedy gdy reaktancje cewki XL i kondensatora XC są równe. Rezonans napiec W obwodzie szeregowym (trójelementowym) R - L - C zachodzi rezonans napięć. Będzie to miało miejsce przy wymuszeniu harmonicznym (sinusoidalnie zmiennym) wtedy, kiedy faza początkowa prądu w obwodzie będzie równa fazie początkowej napięcia na obwodzie. Skutkiem rezonansu napięć jest to, że złożony dwójnik szeregowy R - L - C spostrzegany jest jako rezystor o rezystancji R. Warunek wystąpienia rezonansu napięć wynika z wyżej podanych zależności jakie muszą w takim obwodzie wystąpić. Obwód do częstotliwości rezonansowej można dostroić dwojako: - poprzez zmianę wartości pulsacji wymuszenia nie zmieniając wartości elementów L i C, - poprzez zmianę wartości elementów L lub C nie zmieniając wartości pulsacji wymuszenia. bez-nauki.pl - ściągi, opracowania, testy... Transformator - maszyna elektryczna służąca do przenoszenia energii elektrycznej prądu przemiennego drogą indukcji z jednego obwodu elektrycznego do drugiego. Zwykle zmieniane jest równocześnie napięcie elektryczne (wyjątek stanowi transformator separacyjny, w którym napięcie nie ulega zmianie). Transformator umożliwia w ten sposób na przykład zmianę napięcia panującego w sieci wysokiego napięcia, które jest odpowiednie do przesyłania energii elektrycznej na duże odległości, na niskie napięcie, do którego dostosowane są poszczególne odbiorniki. W sieci elektroenergetycznej zmiana napięcia zachodzi kilku stopniowo w stacjach transformatorowych. Oba obwody są zazwyczaj odseparowane galwanicznie - co oznacza, że nie ma połączenia elektrycznego pomiędzy uzwojeniami, a energia przekazywana jest przez pole magnetyczne. Wyjątkiem jest autotransformator, w którym uzwojenie pierwotne i uzwojenie wtórne posiadają część wspólną i są ze sobą połączone galwanicznie. Transformator zbudowany jest z dwóch lub więcej cewek (zwanych uzwojeniami) nawiniętych na wspólny rdzeń magnetyczny wykonany zazwyczaj z materiału ferromagnetycznego. Solenoid - cewka indukcyjna, nawinięta na cylindryczny rdzeń, wytwarzająca pole magnetyczne które wewnątrz solenoidu jest praktycznie jednorodne natomiast na jego krańcach maleje. Wewnątrz solenoidu pole jest relatywnie duże, natomiast na zewnątrz pole jest małe, dla nieskończenie długiego solenoidu pole na zewnątrz byłoby równe zero. Linie sił pola przebiegają podobnie jak w magnesie sztabkowym. Wzór Kelvina Temperatura 0 K jest równa temperaturze -273,15°C. Ponieważ skala Kelvina oparta jest na skali Celsjusza i różnica temperatur jest w obu przypadkach ta sama, temperaturę w kelwinach otrzymujemy przez dodanie do liczby wyrażonej w stopniach Celsjusza stałej 273,15. bez-nauki.pl - ściągi, opracowania, testy...
