3.7 Energiprincipen i elfältet En laddning som flyttas från en punkt med lägre potential till en punkt med högre potential får även större potentialenergi. Formel (14) gav oss sambandet mellan ändring i potential och ändring i potentialenergi. Vi kan omvandla den till formen: (17) Vi konstaterade i avsnitt 3.6 att ändringen i potential kan betecknas med spänningen U. Det ger oss: (18) Den potentiella energin hos en laddning som rör sig i ett elfält mellan två punkter med olika potential kommer alltså att ändras. Energiändringens storlek är beroende av laddningens storlek och spänningen mellan punkterna. Om laddningen rör sig mot högre potential, ökar dess potentialenergi (i praktiken utförs alltså ett yttre arbete på laddningen). Om laddningen rör sig mot lägre potential, utför elfältet ett arbete på den och laddningens potentiella energi minskar. Denna minskning i potentiell energi medför, då friktionskrafter bortses ifrån, en motsvarande ökning i kinetisk energi. Vi kan alltså skriva (16) Om en laddning accelereras av ett elfält där accelerationsspänningen och laddningen är givna, kan vi beräkna den kinetiska energin. Vi kan nu ta i bruk en ny enhet för energi; elektronvolt, ev. Denna motsvarar den kinetiska energin hos en elektron som accelereras av en spänning av 1 volt: (17)
4. Materie i elektriska fält Ämnen indelas i ledare, isolatorer och halvledare. Vi behandlar här ledare och isolatorer. 4.1 Ledare Ledare innehåller fria laddningsbärare (oftast elektroner). Laddningsbärarna kan under inverkan av ett elektriskt fält röra sig fritt i ämnet. Guld, silver, koppar är exempel på goda ledare. Då en ledare laddas sker följande: De fria laddningarna på ledarens yta påverkar varandra och ordnar sig så att de är jämnt utspridda, beroende på ledarens form. Laddningarna skapar ett elfält som i varje punkt är vinkelrätt mot ledarens yta. Laddningstätheten är större på vassa kanter, hörn och spetsar. Ledare i elfält Då en ledare placeras i ett elfält påverkas de fria laddningarna av det yttre fältet. Laddningarna i ledaren rör sig pga influens till ledarens utsidor. Laddningarna skapar ett elfält som är lika stort som det yttre fältet och motsatt riktat. De två fälten tar ut varandra och inuti ledaren är fältstyrkan noll. http://freespace.virgin.net/michael.tucknott/farada4.jpg Inuti en bur av ett ledande material, en s.k. Faradays bur, finns alltså inget elfält. Detta är principen bakom rådet att ta skydd i en bil vid åska; slår blixten ner i bilen leds blixten via bilens utsida ned i marken (gummihjulen har ingen inverkan).
4.2 Isolator Isolatorer innehåller inga, eller mycket få, fria laddningsbärare. Under inverkan av ett yttre fält rör sig laddningsbärarna inte. Om fältstyrkan blir hög kan dock plötsliga urladdningar, så kallade genomslag, inträffa. I en elektrisk apparat kan genomslag leda till att apparaten förstörs. Exempel på ledare är glas, plast, icke metaller (utom grafit). I elfält: Om isolatorerna består av permanenta dipoler, kommer dessa att sträva till att svänga sig i det yttre fältets riktning. Hos isolatorer som inte är dipoler, bildas tillfälliga dipoler p.g.a. det yttre fältets inverkan. Dessa ställer sig också i det yttre fältets riktning. Detta fenomen kallas polarisering. Isolatorn har inga fria laddningsbärare, men dipolerna bildar ett fält inne i ledaren, riktat mot det yttre fältet. Dipolerna rör sig inte, så det inre fältet E i som bildas är av en bestämd storlek. Det yttre fältet E y försvagas. Den totala fältstyrkan är skillnaden mellan det yttre och det inre fältet: (18) Vi kan beskriva hur mycket fältet försvagas med hjälp av en storhet, den relativa permittiviteten εr. Den anger förhållandet mellan den ursprungliga fältstyrkan E y och den av det inre fältet förminskade, återstående fältstyrkan E e : (19) Ju större relativ permittivitet, desto mer försvagas det yttre fältet, och desto större är fältet E i inne i isolatorn. I vakuum har ε r värdet 1, i isolatorer är ε r > 1.
4.3 Dipoler Ett system som består av två laddningar av olika typ kallas dipol. I sin enklaste form är det två punktladdningar q och q på avståndet d från varandra. Ett yttre elfält vänder dipolen i fältets riktning. Många molekyler är dipoler. Vattenmolekylen är ett exempel. Dipoler kan även uppstå genom elektrisk influens. Läs sid. 111 114 och 116 123 Lös uppgifter 2 57, 2 58, 2 62, 2 66 och TVDK sid. 125
Bilagor Elektricitet temporär.notebook