FÜÜSIKA III ELEKTRODÜNAAMIKA

Töökorraldus Esmalt tutvustan loengu vormis teemade teoreetilisi aspekte. (Hoiatan ette, et käsitlen teemasid sisulisemalt kui õpikus, mistõttu loengutel aktiivselt osalemine tuleb kasuks) Paralleelselt käsitletavate teemadega lahendame ülesandeid, kui võimalik, siis teeme ka laboratoorseid töid (ülesannete tekstid saate trükitult, palun need säilitada) Valemeid ei ole vaja pähe õppida. Saate mult valemete lehed, palun ka need säilitada Mõne teema puhul valmistan ette elektroonilised töölehed, nende täitmine enne kontrolltööd on kohustuslik (NB! Palun mulle avalikustada oma e-posti aadressid. Minu omad on enn.kirsman@audentes.ee või enn@kirsman.ee) Enam kui 1/3 tundidest põhjuseta puudunutele kursuse hinnet välja ei panda.

Kursuse hindamine Kursuse hinne pannakse välja jõuluvaheaja alguseks. Kursuse hinne kujuneb 3-4 kontrolltöö hinde koondina. Kõigi kontrolltööde tegemine on kohustuslik! Kontrolltööst informeerin teid vähemalt 1 nädal ette, annan kordamisküsimused ja kordamisülesanded. Vähemalt ühe kontrolltöö eelse tunni kulutame konsultatsioonile. Töös küsin täpselt neidsamu küsimusi ja samatüübilisi ülesandeid. Kontrolltöö ülesannete punktikaal on teada. Hindamise skaala: 90 ... 100% - „5“; 75 ... 89% - „4“; 45 ... 74% - „3“; 20 ... 44% - „2“; 0 ... 19% - „1“ Kõik kontrolltööst põhjuseta puudujad saavad automaatselt hinde „1“

Kursuse hindamine UUENDUS! Mitterahuldavaid hindeid EI OLE VÕIMALIK jooksvalt parandada. Tööd saavad järgi vastata AINULT PÕHJUSEGA puudujad. Reeglina toimub järlevastamine füüsikatunni ajal. Kursuse lõpus on tervet kursuse materjali hõlmav arvestustöö. See on KOHUSTUSLIK nendele, kellel on kaks või enam mitterahuldavat hinnet. Kursuse tööd võivad soovi korral teha ka need, kes tahaksid oma kursusehinnet parandada. Arvestustöö hinde kaal on kursuse hindest 50% Arvestustöö koostamisel võtan näidiseks füüsika riigieksami vormi st selle sooritamisel eeldan kursusel õpitu mõistmist, mitte pähe õpitud teksti ettekandmist

KURSUSEL KÄSITLETAVAD TEEMAD ELEKTROSTAATIKA Elektrilaeng Coulomb’i seadus Elektrilised jõud Elektriväli Elektriline pinge Aine elektriväljas Kondensaatorid

KURSUSEL KÄSITLETAVAD TEEMAD ALALISVOOL Elektrivool metallides Ohmi seadus Millest sõltub juhi takistus? Juhtide jada-ja rööpühendus Alalisvoolu töö ja võimsus Elektrivool vedelikes Elektrivool gaasides

KURSUSEL KÄSITLETAVAD TEEMAD MAGNETISM Püsimagnetid Magnetväli Voolu magnetväli Ampere’i seadus Lorenzi jõud Laetud osakeste liikumine magnetväljas Aine magnetväljas

ELEktrostaatika FÜÜSIKA III

ELEKTRILAENG ELEKTROSTAATIKA FÜÜSIKA III

elektrilaeng Milline muudatus toimub kehaga, kui temale anda või temas tekitada ELEKTRILAENG? Elektrilaengut omavatel kehadel on võime astuda teiste kehadega elektrilisse vastasmõjusse ELEKTRILAENG on füüsikaline suurus, mis iseloomustab keha omadust astuda teiste kehadega elektrilisse vastasmõjusse Millised on kehade elektriseerimise viisid? Kehad elektriseeruvad omavahelisel hõõrdumisel, kusjuures elektriseeruvad mõlemad hõõrdumisest osa võtvad kehad Kehad elektriseeruvad kokkupuutel teiste elektrilaengut omavate kehadega

KaHTE liiki elektrilaengud Kuna elektrilaengut omavad kehad võivad omavahel nii tõukuda kui ka tõmbuda, siis järeldub sellest, et looduses eksisteerib kahte liiki elektrilaenguid Laenguid liigitatakse „positiivseteks“ ja „negatiivseteks“ laenguteks Samaliigilised elektrilaengud tõukuvad, eriliigilised tõmbuvad

+ + - - - +

KEHADE LAADUMISMEHHANISM Kõik kehad koosnevad AATOMITEST Aatomid koosnevad posiivselt laetud AATOMITUUMAST ja negatiivselt laetud ELEKTRONKATTEST Aatomituum sisaldab vähima võimaliku positiivse laenguga PROOTONEID, elektronkate vähima võimaliku negatiivse laenguga ELEKTRONE Pootoni positiivne laeng on absoluutväärtuselt võrdne elektroni negatiivse laenguga Prootonite ja elektronide laengut nimetatakse ELEMENTAARLAENGUKS Tuumas sisalduvate prootonite arv on normaaltingimustel võrdne elektronide arvuga elektronkattes – aatom on tervikuna elektrilaenguta

Kehade laadumismehhanism Selleks, et keha omandaks elektrilaengu, tuleb muuta kehas sisalduvate elektronide arvu Prootonite arv N1  prootonite kogulaeng q1=N1· e+ Elektronide arv N2  elektronide kogulaeng q2=N2· e- Normaaltingimustes on N1=N2 ja et ka q1=q2, siis Σq=0

Kehade laadumismehhanism Kehale negatiivse elektrilaengu andmiseks tuleb suurendada elektronide arvu kehas Prootonite arv N1  prootonite kogulaeng q1=N1· e+ Elektronide arv N2  elektronide kogulaeng q2=N2· e- Kui N1<N2 siis Σq<0 KEHAL ON NEGATIIVNE LAENG

Kehade laadumismehhanism Kehale positiivse elektrilaengu andmiseks tuleb vähendada elektronide arvu kehas Prootonite arv N1  prootonite kogulaeng q1=N1· e+ Elektronide arv N2  elektronide kogulaeng q2=N2· e- Kui N1>N2 siis Σq>0 KEHAL ON POSITIIVNE LAENG

LAENGU ÜHIKUD Laengu suurust mõõdetakse KULONITES (1C) Kui voolutugevus juhis on 1A, siis läbib igas sekundis juhi ristlõiget 1C suurune elektrilaeng  1C=1A· 1s ehk 1 C = 1 A· s Elementaarlaengu suurus on e = 1,6021773·10-19 C NB! Akude „eluiga“ mõõdetakse ampertundides. Mida tähendab aku laengu seisukohalt, et aku eluiga on 2100 mAh? 2100 mAh = 2100 mA·1h = 2,1A·3600s = 7560 As (ehk C)

Elektrilaengu jäävuse seadus Elektriliselt isoleerituks nimetatakse sellist süsteemi, kus laengute hulk iseenesest ei muutu Elektriliselt isoleeritud süsteemis on elektrilaeng jääv suurus Σq = Σq’ kus Σq – süsteemi kogulaeng mingi protsessi alguses ja Σq’ - süsteemi kogulaeng pärast mingi protsessi toimumist

LAENGU JÄÄVUS KEHADE LAADUMISEL (HÕÕRUMINE) Keha I laeng vaatluse alghetkel on 0 KEHA I Seega süsteemi kogulaeng on samuti 0 KEHA II Keha II laeng vaatluse alghetkel on 0

LAENGU JÄÄVUS KEHADE LAADUMISEL (HÕÕRUMINE) KEHA I KEHA II Hõõrume kehi omavahel

LAENGU JÄÄVUS KEHADE LAADUMISEL (HÕÕRUMINE) Keha I omandab hõõrdumise tagajärjel laengu q KEHA I sest kehtib laengu jäävuse seadus ja süsteemi kogulaeng peab olema jätkuvalt 0 q + (-q) =0 KEHA II siis peab teine keha omandama samal ajal laengu -q

LAENGU JÄÄVUS KEHADE LAADUMISEL (PUUTEL) Keha I laeng vaatluse alghetkel on 0 KEHA I Seega süsteemi kogulaeng on samuti q2 KEHA II Keha II laeng vaatluse alghetkel on q2

LAENGU JÄÄVUS KEHADE LAADUMISEL (PUUTEL) KEHA I KEHA II Viime kehad kokkupuutesse ja eemaldame siis teineteisest

LAENGU JÄÄVUS KEHADE LAADUMISEL (PUUtEl) Keha I omandab kokkupuute tagajärjel laengu q1’ KEHA I sest kehtib laengu jäävuse seadus ja süsteemi kogulaeng peab olema jätkuvalt q2   (q2 – q1’) + q1’ = q2 KEHA II siis peab teine keha omandama samal ajal laengu q2’=q2-q1’

coulomb’i seadus Coulomb’i seadus: Laetud kehi, mille mõõtmed võib kehade suurust ja kehadevahelist kaugust silmas pidades jätta arvesse võtmata, nimetatakse punktlaenguteks. Punktlaengute vahel võivad mõjuda nii tõmbe- kui tõukejõud, nende elektriliste jõudude suurus määratakse Coulomb’i seadusega Coulomb’i seadus: Kaks punktlaengut mõjutavad teineteist vaakumis jõududega, mis on võrdelised laengute suurustega ja pöördvõrdelised nende vahelise kauguse ruuduga.

COULOMB’i SEADUS 𝐅 𝐂 =𝐤 𝐪 𝟏 𝐪 𝟐 𝐫 𝟐 𝐅 𝐂 =𝐤 𝐪 𝟏 𝐪 𝟐 𝐫 𝟐 kus Fc – elektriline jõud (N), q1 – I laengu suurus, q2 – II laengu suurus (mõl. C), r – laengute vaheline kaugus (m), k = 9·109 m2 /(N· C2) – elektriline konstant Osakestele mõjuvad elektrilised jõud on suunatud pikki laenguid ühendavat sirget.

𝑭 𝟏𝟐 𝑭 𝟐𝟏 q1 q2 Kaks keha (punktlaengut) mõjutavad teineteist jõududega, mis on sama suured, kuid suunalt vastupidised (Newtoni III seadus)   F12=F21

Vektoriaalsed suurused FÜÜSIKA III

Vektoriaalsed suurused Füüsikalisi suurusi, millel lisaks suurusele on olemas ka suund, nimetatakse vektoriaalseteks. Vektoriaalsed suurused on näiteks: kiirus, kiirendus, jõud jpt. Vektoriaalseid suurusi kirjeldatakse VEKTORITE abil Vektor on suunatud sirglõik Vektoriaalset suurust iseloomustava vektori pikkus ühtib vektoriaalse suuruse arvväärtusega, suund aga selle suuruse suunaga

Keha liigub kiirusega 4 m/s põhja suunas 𝐯 =𝟒 𝐦 𝐬

Vektori koordinaadid y a x

Vektorite liitmine (graafiline) 𝒃 𝐚 𝒂 + 𝒃 𝒃

VEKTORITE LIITMINE (Koordinaatide meetod)

LIITMISE ERIJUHUD

VEKTORI KORRUTAMINE ARVUGA Vektori korrutamisel positiivse arvuga muutub vektori pikkus korrutatava arvuga võrdne arv korda, vektori suund ei muutu. Vektori korrutamisel negatiivse arvuga muutub vektori pikkus korrutatava arvuga võrdne arv korda ning vektori suund muutub esialgsega võrreldes vastupidiseks Vektorit, mida on korrutatud arvuga (-1), nimetatakse selle vektori vastandvektoriks

ühik

Vektorite Lahutamine (graafiline) Vektorite lahutamisel liidetakse vähendatavale vähendaja vastandvektor 𝒂 − 𝒃 𝐚 𝒃

Vektori koordinaadid ja suund y a α x

ARVUTA 𝒂 = 𝟑;𝟓 𝒃 = 𝟎;−𝟕 _________________ Arvuta: 𝒂 + 𝒃 ja suund ANTUD: 𝒂 = 𝟑;𝟓 𝒃 = 𝟎;−𝟕 _________________ Arvuta: 𝒂 + 𝒃 ja suund 𝒂 − 𝒃 ja suund Vastus: 𝒂 + 𝒃 =3,6 ja α=-34° 𝒂 − 𝒃 =12,4 ja α=76°

ELEKTRIVÄLI FÜÜSIKA III

VASTASTIKMÕJU VAHENDAJAD Kehadevaheline vastastikmõju võib: 1) olla vahetu ... ... so vastastikmõjus olevad kehad on omavahel vahetus kokkupuutes. 2) toimuda läbi vahendaja Vahendajaks on kas: mingi kolmas keha so aine eriline mateeria vorm – väli

ELEKTRIVÄLI Elektrilise vastastikmõju vahendajaks so kuloni-liste jõudude tekkepõhjuseks on ELEKTRIVÄLI Elektrivälja omadused: elektriväli on materiaalne objekt – ta eksisteerib alati elektrilaengute ümber elektriväli mõjutab teisi temas asuvaid laenguid elektriliste jõududega elektriväli levib ruumis lõpliku kiirusega (elektrivälja levimise kiirus on 300 000 km/s) ühes ja samas ruumipunktis võib olla samaaegselt mitu välja

ELEKTRIVÄLJA TUGEVUS Elektrivälja iseloomustatakse temasse asetatud punktlaengule mõjuva jõu abil. Punktlaengule elektriväljas mõjuv jõud on võrdeline tema elektrilaenguga: kus 𝐹 - laengule mõjuv jõud (N); q – punktlaengu elektrilaeng (C) ja 𝐸 - elektrivälja tugevus selles punktis

ELEKTRIVÄLJA SUUND Elektrivälja tugevuse vektori suunaks loetakse selles ruumipunktis positiivse laenguga punktlaengule mõjuva jõuga ühtivat suunda Kui väljas asub negatiivse laenguga punktlaeng, siis on elektrivälja tugevuse suund sellele mõjuva jõuga vastassuunaline

ELEKTRIVÄLJA SUPERPOSITSIOONI PRINTSIIP Kui mingis ruumipunktis on korraga mitme laengu poolt tekitatud elektriväljad, siis liituvad need üheks resultantväljaks või Kui mingis punktis on korraga mitu elektrivälja, siis liituvad nende väljade tugevused selles ruumipunktis nagu vektorid 𝐄 = 𝐄 𝟏 + 𝐄 𝟐 + 𝐄 𝟑 +… 𝐄 𝐍 = 𝐢=𝟏 𝐍 𝐄 𝐢

ELEKTRIVÄLJA JÕUJOONED Elektrivälja jõujooned on mõttelised jooned, mille igas punktis on elektrivälja tugevus suunatud pikki selle joone puutujat 𝐄 𝟑 𝐄 𝟏 𝐄 𝟐

ELEKTRIVÄLJADE JÕUJOONTE PILDID Punktlaengu elektriväli (joonis) Kahe punktlaengu elektriväli (joonis) Kahe laetud plaadi vaheline elektriväli (joonis) Teraviku elektriväli Elektriväli elektrijuhi sees Elektrijuhi sees elektriväli puudub! Seda nähtust nimetatakse varjestamiseks

TÖÖ LAENGU LIIKUMISEL ELEKTRIVÄLJAS FÜÜSIKA III

𝐀= 𝐅 𝐬 𝐜𝐨𝐬𝛂 α TÖÖ MÕISTE 𝑭 𝒔 𝐀= 𝐅 𝐬 𝐜𝐨𝐬𝛂 kus A – jõu poolt keha liigutamisel tehtav töö (J), 𝐅 – kehale mõjuv jõud, 𝐬 − keha poolt sooritatav nihe (m); 𝛂 – nurk vektorite 𝐅 ja 𝐬 vahel (rad või kraadi) Kui 0°≤α < 90° või 270° < α ≤ 360°, siis A>0 – öeldakse jõud teeb tööd Kui 90°>α>270°, siis A<0 – öeldakse tööd tehakse jõu ületamiseks Kui α=90° või α=270°, siis A=0 – keha liigutamiseks jõud tööd ei tee 𝑭 α 𝒔

ELEKTRIVÄLJA JÕUDUDE TÖÖ LAENGU LIIKUMISEL homogeenses ELEKTRIVÄLJAS ++++++++++++++ -------------- 𝑭 𝑨= 𝑭 𝒔 𝐜𝐨𝐬 𝜶 + 𝒅 𝟏 𝑭=𝑬𝒒 𝐬 𝐜𝐨𝐬 𝛂= 𝐝 𝟏 − 𝐝 𝟐 𝒔 + 𝑨=𝑬𝒒( 𝐝 𝟏 − 𝐝 𝟐 ) d1 – d2 𝒅 𝟐 Elektrivälja jõudude töö ei sõltu keha liikumise trajektoorist!!

ELEKTRIVÄLJA POTENTSIAALNE ENERGIA Elektrivälja asetatud keha (punktlaengu) potentsi-aalne energia iseloomustab selle laengu võimet teha tööd elektriväljas 𝐖 𝐩 =𝐄𝐪𝐝 kus Wp – elektrivälja potentsiaalne energia (J), E – elekrivälja tugevus (V/m), q – elektrilaengu suurus (C), d, (ka d1 ja d2) – kaugus potentsiaalse energia nullnivoost (m) Elektrivälja jõudude poolt laengu ümber paigutamiseks tehtav töö on võrdne punktlaengu potentsiaalse energia muudu vastandväärtusega 𝐀=− 𝐖 𝐩𝟐 − 𝐖 𝐩𝟏 =𝐄𝐪( 𝐝 𝟏 − 𝐝 𝟐 )

ELEKTRIVÄLJA POTENTSIAAL Elektrivälja potentsiaal φ iseloomustab sellesse väljapunkti asetatud ühikulise posi-tiivse elektrilaenguga keha potentsiaalset energiat 𝛗= 𝐖 𝐩 𝐪 =𝐄𝐝 kus φ – elektrivälja potentsiaal (V), Wp – potentsiaalne energia (J), q – laeng (C), E – elektrivälja tugevus (V/m), d – kaugus potentsiaalse energia null-nivoost (m)

PINGE 𝐔= 𝐀 𝐪 = 𝐄𝐪( 𝐝 𝟏 − 𝐝 𝟐 ) 𝐪 =𝐄( 𝐝 𝟏 − 𝐝 𝟐 ) Kahe elektrivälja punkti vaheline pinge iseloomus-tab väljajõudude poolt selle laengu ühest punktist teise liigutamisel tehtavat tööd. 𝐔= 𝐀 𝐪 = 𝐄𝐪( 𝐝 𝟏 − 𝐝 𝟐 ) 𝐪 =𝐄( 𝐝 𝟏 − 𝐝 𝟐 ) Kahe elektrivälja punkti vaheline pinge on võrdne nende punktide potentsiaalide vahega 𝐔=𝐄 𝐝 𝟏 − 𝐝 𝟐 =𝐄 𝐝 𝟏 −𝐄 𝐝 𝟐 = 𝛗 𝟏 − 𝛗 𝟐 kus U – potentsiaalide vahe ehk pinge (V), φ1, φ2 – el. välja potentsiaalid (V)

Kursuse hinde kujunemine Näide 1 Kontrolltööde hinded 3, 4, 3, 5  KT-de keskmine hinne AVRG (3;4;3;5) = 3,75  Kursuse hinne 4 Kontrolltööde hinded 3, 3, 3, 5  AVRG = 3,5  Kursuse hinne 4 Kontrolltööde hinded 2, 4, 3, 5  AVRG = 3,5  Kursuse hinne 3, sest sisaldab puudulikku hinnet Näide 2 Kontrolltööde hinded 2, 3, 3, 5  AVRG = 3,25  kursus 3 Arvestustöö hinne 4  AVRG(3,25; 4) = 3,6  kursus 4 Arvestustöö hinne 5  AVRG(3,25; 5) = 4,125  kursus 4 Näide 3 Kontrolltööde hinded 1, 2, 3, 1  AVRG = 1,75  Kursus 2 Arvestustöö hinne 3  AVRG (1,75; 3) = 2,375  Kursus 2 Arvestustöö hinne 4  AVRG (1,75; 4) = 2,875  Kursus 3 Arvestustöö hinne 5  AVRG (1,75; 5) = 3,375  Kursus 3

AATOM

VAHETU VASTASTIKMÕJU

Vahendatud vastastikmõju

AINE POOLT VAHENDATUD VASTASTIKMÕJU

ELEKTRIVÄLJA TUGEVUS 𝐄 𝐄 + + ELEKTRIVÄLI ELEKTRIVÄLI ELEKTRIVÄLI

Punktlaengu elektrivälja jõujooned

LAENGUPAARI ELEKTRIVÄLI

KAHE PLAADI VAHELINE ELEKTRIVÄLI Sellist välja, mille jõujooned on paralleelsed sirged, nimetatakse homogeenseks väljaks. Homogeenses elektriväljas on elektrivälja tugevuse vektori suurus ja suund igal pool ühesugune