dq Fd E - Fizyka UMK

materiały pomocnicze do RKF
dr Zbigniew Łukasiak - str. 1/4
Ładunek elektryczny i pole elektryczne
Ładunek elektryczny - ma kwantową (ziarnistą) naturę - tzn. w przyrodzie
ładunki elektryczne nie występują w dowolnych ilościach, lecz w porcjach
będących całkowitą wielokrotnością ładunku elementarnego.
Ładunkiem uznawanym za elementarny jest ładunek elektronu, który wynosi
w przybliżeniu:
1,603*10-19 [C]
Jednostką ładunku jest kulomb [C] (coulomb: 1 C = 1 A * 1 s)
Ładunek może być dodatni (np. protony, dziury w półprzewodnikach) lub
ujemny (np. elektrony).
Ładunek w przestrzeni „wytwarza” pole elektryczne,
które działa na inne ładunki.
ładunki jednoimienne odpychają się
odpychanie
odpychanie
ładunki różnoimienne przyciągają się
przyciąganie
Wielkością charakteryzującą pole elektryczne (podobnie jak inne pola) jest
natężenie pola (wielkość wektorowa - ma wartość, kierunek i zwrot).
Natężenie pola elektrycznego jest zdefiniowane jako stosunek siły jaki
działa na ładunek do wartości tego ładunku.
→
→
→
E=
F
q
→
lub ściślej
E=
dF
dq
Jednostką pola elektrycznego jest więc 1N/1C (niuton na kulomb), lecz z
praktycznych względów stosuje się V/m (wolt na metr).
materiały pomocnicze do RKF
dr Zbigniew Łukasiak - str. 2/4
Napięcie - różnica potencjałów
Ładunki znajdujące się w przewodniku pod wpływem siły mogą się
przemieszczać. Jeśli ładunek przemieści się z jednego punktu do drugiego
to zostaje wykonana praca.
Stosunek tej pracy do wartości przemieszczonego ładunku nazywa
się różnicą potencjałów, zaś różnicę potencjałów wyraża się w
woltach.
1V =
1J
1C
(wolt = dżul na kulomb)
Potencjał zawsze jest określany względem pewnego poziomu odniesienia,
zwykle w elektronice/elektrotechnice taki poziom odniesienia nazywa się
masą (lub punktem/potencjałem masy - po angielsku ground - „ziemia”) i
przyjmuje się, że potencjał masy jest równy 0.
Różnicę potencjałów elektrycznych nazywamy napięciem, które również
wyrażane jest w woltach [V].
Uwaga! Elektronicy w „codziennym życiu” pojęć „potencjał” i „napięcie”
używają zamiennie. W takim środowisku „praktyków” takie postępowanie
jest dopuszczalne, należy jednak pamiętać, że dopuszczalne nie oznacza
poprawne!
Analogia do ciśnienia i energii potencjalnej w polu grawitacyjnym
materiały pomocnicze do RKF
dr Zbigniew Łukasiak - str. 3/4
Prąd elektryczny
Zorganizowany ruch ładunku elektrycznego nazywa się prądem elektrycznym.
Prąd określany jest przez natężenie (można równoważnie stosować pojęcia
„prąd” i „natężenie prądu”). Jednostką natężenia jest amper określony jako
stosunek ilości przepływającego ładunku do czasu.
I=
dq
dt
1A =
1C
1s
(1 amper = kulomb na sekundę)
Historycznie przyjęto, że prąd jest wynikiem ruchu ładunków dodatnich, więc
kierunek prądu jest dodatni, jeśli płynie w kierunku „od plusa do minusa”.
W praktyce (za wyjątkiem np. dziur w półprzewodnikach) zwykle prąd jest
rozumiany jako ruch elektronów (obdarzonych ładunkiem ujemnym), więc w
rzeczywistości poruszają się one przeciwnie do kierunku prądu.
prąd
ruch elektronów
Aby w obwodzie popłynął prąd - obwód musi być zamknięty i pomiędzy dwoma
punktami tego obwodu napięcie musi być różne od zera.
materiały pomocnicze do RKF
dr Zbigniew Łukasiak - str. 4/4
Oporność, oporność właściwa (rezystancja, rezystywność)
Jeśli przez dany materiał może płynąć prąd i z materiału tego wykonamy
przewód (np. o przekroju kołowym), to prąd ten przy danej stałej różnicy
potencjałów zależy od:
1. długości przewodu - im przewód dłuższy, tym prąd jest mniejszy
2. pola przekroju poprzecznego - im większy przekrój, tym większy prąd
3. od rodzaju materiału - różne materiały lepiej lub gorzej przewodzą prąd
4. od innych czynników, które zwykle można pominąć (temperatura,
oświetlenie, promieniowanie, pole magnetyczne i inne)
Najważniejszym parametrem, który opisuje zdolność danego materiału do
przewodzenia prądu jest oporność właściwa (lub rezystywność).
Oznacza się ją zwykle jako ρ (ro).
Jednostką jest tu Ω*m (omometr), często stosuje się pochodną jednostkę
Ω*cm omocentymetr.
Przykłady:
Materiał
Oporność właściwa
* 10-6 Ω*cm
Al (aluminium)
2,6
C (węgiel)
350
Cu (miedź)
1,7
Ag (srebro)
1,5
Dobry przewodnik = mała opornośc właściwa.
Oporność (rezystancja) danego elementu (o danych wymiarach i kształcie,
wykonanego z konkretnego materiału) wyraża wzór:
R =ρ
l
[Ω ]
A
Jednostką oporności jest Ohm (om). R - oporność, l - długość, A - pole
przekroju.
Podsumowanie (napięcie, prąd, oporność)
Nazwa wielkości
powszechnie
jednostka (SI)
symbol jednostki
stosowany symbol
Napięcie
U lub u
wolt
V
Prąd
I lub i
amper
A
Oporność
R lub r
ohm
Ω