elektrostatik: laddningar I vila eller liten rörelse utan acceleration

Transkript

1 Ellära 1 Elektrostatik, kap 22 Eleonora Lorek Begrepp elektricitet (franska électricité, till nylatin ele ctricus, till latin ele ctrum, av grekiska ē lektron 'bärnsten'), ursprungligen benämning på den egenskap hos materien som ger vissa ämnen, t.ex. bärnsten, förmåga att efter gnidning attrahera lätta föremål, numera på fenomen som sammanhänger med anhopning och förflyttning av elektroner (elektriskt laddade partiklar). (källa: Nationalencyklopedin) statik: i vila elektrostatik: laddningar I vila eller liten rörelse utan acceleration Lite historik 2750 f Kr: Egypterna skrev om elektrisk fisk. 600 f Kr: Thales från Miletos beskrev hur bärnsten efter gnidning bilr besjälad och drar till sig föremål som dun. 1752: Franklin visat att blixten är ett elektriskt fenomen. 1785: Coulombs lag som beskriver kraftverkan mellan laddade partiklar 1791: Galvani visar att elektricitet är mediumet för vilket nervceller kommunicerar signaler till muskler 1800-t: Örestad, Ampere, Faraday och Maxwell upptäcker kopplingar mellan elektriska och magnetiska fenomen : Maxwell: ljus är elektromagnetiska vågor. 1887: Hertz bevisar experimentellt existensen av elektromagnetiska vågor. Elektrisk laddning Grunden i alla elektriska fenomen är den elektriska laddningen. Världen är uppbyggd av elektriskt laddade partiklar som, om de är lika laddade, repellerar varandra, om de är olika laddade, attraherar varandra. d q 1 q 2

2 Varför är det så? Vi vet inte! Elektrisk laddning mäts i coulomb (C). 1 elementarladdning = 1, C. Elektronens laddning är -1, C och protonens laddning är 1, C. Varför är elektronen negativ och protonen positiv? Laddning är kvantiserat. Laddningskonservering: Laddning kan inte skapas eller förstöras. Fundamental princip i fysiken. Kraften mellan laddade partiklar Krafterna mellan två elektriska laddningar (antingen positiv eller negativ) är proportionella mot laddningarna och omvänt proportionella mot kvadraten på avståndet mellan dem q q d 1 2 F e k 2 Coulombs lag (1785) k Nm /C Elektriska kraften kan vara attraherande eller repellerande. Gravitationslagen: m1 m F G G 2 d G 6, Nm /kg Gravitationella kraften är alltid attraherande. Den elektriska kraften är mycket starkare än gravitationskraften (F e /F G mellan två protoner) Eftersom vardagliga objekt är oladdade märker vi inte av effekten. Elektrisk laddning - atom Vad är världen uppbyggd av? Atomer. Vad består atomerna av? Elektroner (-), protoner (+) och neutroner (neutrala). Samma styrka på laddningen lika antal atomen är oladdad.

3 Laddade atomer kallas joner positiva, om det fattas elektroner eller negativa, om det finns extra elektroner. Uppladdning/Urladdning Vi laddar upp saker genom att flytta laddning (elektroner) från ett ställe till ett annat. Detta kan ske genom -friktion/kontakt t. ex kattpäls och ebonitstav olika affinitet, ungefär: olika benägenhet att dra till sig elektroner (gummi högre affinitet än kattpäls) -induktion t. ex. Uppladdad ballong och vägg polarisation. Ett blixtnedslag är ett plötsligt laddningsflöde mellan ett moln som är negativt laddat på undersidan och marken som genom induktion blivit positivt laddad. Ledare och isolatorer I en ledare (t.ex. metall) är ledningselektronerna fria att röra sig i materialet enkelt att omfördela laddningen.

4 I en isolator (t. ex. glas, plast) är alla elektronerna bundna till atomerna. Atomerna går ändå att polarisera. Halvledare (ex. germanium och kisel) är ibland ledare och ibland isolatorer. Viktiga i modern elektronik. Elektriskt fält Elektrisk fältstyrka, E, är elektrisk kraft per laddning. Det elektriska fältet beskriver alltså kraften på en enhetsladdning. F E Enheten är i N/C q Det elektriska fältet har i varje punkt en riktning (+ till -) och styrka. Elektriska fältlinjer visar fältstyrkan. Ju starkare fältet är, desto tätare ligger fältlinjerna. Elektriska fältlinjer går från plus-laddningar till minus-laddningar. Riktningen på fältet i en punkt är riktningen i vilken en liten positiv testladdning skulle puttas. Jämför med gravitationsfältet. Flera laddade objekt bygger tillsammans upp det elektriska fältet.

5 Elektrisk potentiell energi Tidigare har vi nämnt att, när vi utför ett arbete (W) på ett föremål, mot gravitationskraften, ökar föremålets potentiella energi. Ett objekt har i ett elektriskt fält en (elektrisk) potentiell energi. Elektrisk energi kan lagras i en kondensator. Elektrisk spänning Om W är det arbete som en elektrisk kraft utför på en laddning q som då rör sig från en punkt i en ledning till en annan, så fås spänningen U mellan punkterna: W U q Enheten är volt (V) (Joule/Coulomb) Elektrisk potential (V) = elektrisk potentiell energi per enhetsladdning. Spänning = skillnaden i elektrisk potential (U). Ett föremål är jordat om det finns en ledande förbindelse mellan föremålet och jorden. Övningar - Om du behöver spendera 10 J arbete för att putta en 1 C-laddning mot ett elektriskt fält, vilken spänning finns mellan start- och slutpunkt? - När man släpper 1C- laddningen, vad blir energin hos den när den flyger tillbaka förbi ursprungspositionen? Det krävs 1 J för att flytta 1 C över en potentialskillnad på 1 V. På samma sätt frigörs det 1 J för varje C som flyttas tillbaka, dvs. när laddningen utjämnas.

6 Elektrisk skärmning En viktig skillnad mellan elektriska fält och gravitationsfält är att elektriska fält går att skärma bort. Inuti en bil, flygplan, metallboll, -cylinder, etc är det elektriska fältet borta.