Sähkö 1 Tomi Sähkövaraus, Q • Aineen perusominaisuus • yksikkö: Q 1C 1coulombi • Pienin mahdollinen varaus on elektronin ja protonin varaus ±1e = 1,602∙10-19 C – kaikki varaukset ovat aina alkeisvarauksen monikertoja! Q=±ne Kappaleen sähkövaraus • Kappaleen sähkövaraus on elektronien ylijäämää tai vajausta • Kappaleen varautuessa (=muuttuessa sähköisesti neutraalista sähköisesti varautuneeksi) elektronit liikkuvat – protonit eivät liiku! • Kun neutraalin kappaleen lähelle tuodaan varattu kappale, neutraalissa kappaleessa elektronit liikkuvat luoden varausjakauman - ilmiö on influenssi Johde ja eriste • Johdekappaleella on johdinelektroneja, jotka pääsevät liikkumaan vapaasti - toimivat varauksenkuljettajina • Eristeellä kaikki elektronit on tiukasti sidottuna atomeihin Sähkökenttä • Alue, jossa varaukseen vaikuttaa sähköinen voima • Jokainen varattu kappale luo ympärilleen sähkökentän, jonka välityksellä se on valmis vuorovaikutukseen muiden varattujen kappaleiden kanssa (vrt painovoimakenttä) • Kuvaa sitä, kuinka suuri sähköinen veto- tai poistovoima varattuun kappaleeseen kohdistuu suhteutettuna sen varaukseen. Sähkökenttä jatkuu • Kuvaus kenttäviivoilla • Sähkökentän suunta on positiivisesta varauksesta negatiiviseen • Sähkökenttää ei ole johdekappaleen sisällä • Homogeenisessa sähkökentässä kentän suunta ja suuruus on joka pisteessä sama Sähkökenttä ja voima • Kun varattu kappale, jonka varaus on Q, on sähkökentässä, jonka voimakkuus on E, siihen kohdistuu voima F QE eli sähkökentän voimakkuus F 1N • yksikkö: E Q 1C 1 kgm s 2 1V 1As m F E Q Coulombin laki • Samanmerkkiset varaukset hylkivät toisiaan • Erimerkkiset vetävät toisiaan puoleensa • Varattu hiukkanen aiheuttaa sähkökentän: Q E 4r 2 • Varattujen hiukkasten välillä vaikuttaa voima: Q1Q2 F k 2 r • Sähkövakio: k 1 4 Dielektrisyysvakio • Väliaineen vaikutus sähkökenttään - väliaine vähentää potentiaalia ja sähkökenttää – luonnonvakio: • tyhjiön permittiivisyys ε0 = 8,854 ·10-12 F/m – laskettaessa: permittiivisyys r 0 tyhjiön permittiivisyys suhteellinen permittiivisyys: ilma noin 1,0006, tyhjiö 1 vesi 80,1 (+20C) Esimerkki Kaksi varattua palloa roikkuu katosta 25cm:n pituisten lankojen päässä. Pallot asettuvat 7,5 cm:n päähän toisistaan. Mikä on pallojen varaus, jos molemmat pallot painavat 12g ja niiden varaukset ovat yhtäsuuret? Potentiaalienergia sähkökentässä • Kun varattua kappaletta liikutetaan sähkökentässä tehdään työtä: F W F s E F QE Q W QE s • Tämä työ on yhtä suuri kuin kappaleen potentiaalienergian Epot muutos sähkökentässä: E potentiaali QE s Potentiaali, V • Potentiaali sähkökentässä on varatun kappaleen potentiaalienergian ja sen varauksen suhde: potentiaalienergia V potentiaali E potentiaali Q kappaleen varaus sähkökentän voimakkuus QE s E s Q kappaleen etäisyys potentiaalienergian nollatasosta Jännite eli potentiaaliero, U • Jännite = kahden pisteen potentiaalin erotus • Jos sovitaan potentiaalin nollatasoksi taso 1, niin jännite on U V2 V1 E s 0 E s eli U E s • Siis kahden varatun kappaleen välinen jännite on kappaleiden välisen sähkökentän voimakkuus kerrottuna niiden etäisyydellä. Jännite, U • Yksikkö: 1 voltti eli E pot J V U Q C • Tavallinen ”pistorasiajännite” on 230 V • Jännite synnyttää sähkövirran • U I Jännite tärkeä myös solujen kannalta R – kalvojännite ja sen muutokset – jänniteriippuvaiset ionikanavat Painovoimakenttä Sähkökenttä Kentän lähde massa varaus kentänvoimakkuus g E voiman suunta vetovoima vetovoima- tai poistovoima voima kappaleeseen G=mg F=QE potentiaalienergian muutos matkalla x ∆Epot=mgx ∆Epot=QEx voima, jolla pistemäinen lähde vaikuttaa F liike-energia Ek=1/2mv2 mM r2 F k Q1Q1 r2 Ek=1/2mv2 Sähkökentän 2 määritelmää • Edellä on saatu sähkökentälle kaksi määritelmää: kahden pisteen välinen jännite sähkökentän voimakkuus varattuun kappaleeseen kentässä vaikuttava voima F E Q U E s pisteiden etäisyys sähkökentän voimakkuus kappaleen varaus Varattu kappale sähkökentässä • Varattuun kappaleeseen kohdistuu sähkökentässä E voima F: F QE • Toisaalta Newtonin II lain mukaan F ma • Edelliset yhdistämällä saadaan kiihtyvyydeksi sähkökentässä: QE ma QE a m Varattu kappale sähkökentässä • Mekaanisen energian säilymislaki pätee sähkökentässä: E potentiaali Eliike vakio • Kappaleen potentiaalienergia sähkökentässä: E pot QE s E s U E pot QU Varatun hiukkasen nopeus • Kun kappale liikkuu sähkökentän vaikutuksesta, ja sen potentiaalienergia pienenee ja samalla liike-energia kasvaa saman verran: E potentiaali Eliike 1 2 QU mv 2 • Nyt voidaan laskea hiukkasen nopeus, kun sitä kiihdytetään jännitteellä U 2QU v m Esimerkki – Röntgenputki • Katodi (-): katodivirta irrottaa katodista elektroneja • Tyhjiöputki: elektronit kiihtyvät katodin ja anodin välisessä sähkökentässä • Anodi (+): elektronit jarruuntuvat ja lähettävät röntgensäteilyä Esimerkki – lasku Röntgenputken kiihdytysjännite on 1,7kV. Kuinka suurella nopeudella elektronit osuvat röntgenputken anodiin? Sähkövirta, I • SI-järjestelmän perussuure • Tasaa kappaleiden sisäisiä tai kappaleiden välisiä varauseroja (potentiaaliaero = jännite myöhemmin). • Ilmaisee, kuinka suuri varaus siirtyy aikayksikössä siirtyvä varaus sähkövirta • Yksikkö: Q I t kuluva aika Q C I A t s Sähkövirta • Perustuu aina varattujen hiukkasten liikkeeseen. • Varauksen kuljettajina toimivat yleisimmin elektronit, mutta myös ionit ja varautuneet molekyylit voivat kuljettaa varaus eli aiheuttaa sähkövirran. – Virta kulkee vastakkaiseen suuntaan kuin elektronit • Ilmiöitä, joista sähkövirran voi havaita: – aineessa kulkeva sähkövirta lämmittää ainetta (resistanssi) → riittävästi lämmennyt aine säteilee valoa – sähkövirta saa aikaan kemiallisia reaktioita – sähkövirralla on magneettisia vaikutuksia
© Copyright 2024