Objaśnić zdanie „ładunek elektryczny jest skwantowany”
oznacza to że każdy ładunek jest całkowitą wielokrotnością ładunku elementarnego, za który uznaje się ładunek elektronu. Rozróżnia się dwa rodzaje ładunków, ładunek elektronu określa się jako ujemny (-1), a protonu dodatni (+1).
Ładunku nie można dzielić na dowolnie małe części. Cząstki elementarne (elektron, proton) mają ładunki równe
, natomiast wszystkie ciała makroskopowe mogą mieć ładunek równy wielokrotności
. Mówi się, że ładunek elektryczny jest kwantowany.
Na czym polega generowanie ładunku przez indukcję
Przez indukcję, elektrony są przepędzane w jeden koniec przedmiotu. To miejsce gdzie się gromadzą w nadmiarze zostaje naładowane ujemnie, inne miejsca stają się naładowane dodatnio (metale, półprzewodniki). Jeżeli z jednego z tych końców usuniemy nadmiar ładunku to cały przedmiot będzie miał nadmiar ładunku jednego rodzaju - zostanie naładowany,
Podać i objaśnić możliwie ogólną postać prawa Coulomba
Już dość dawno temu ustalono na drodze doświadczalnej, że siłę oddziaływania między dwoma ładunkami elektrycznymi można opisać wzorem
Litery q oraz Q oznaczają wielkości ładunków, r odległość między środkami małych (punktowych) naładowanych przedmiotów a k jest stałą wielkością o wartości
w próżni, powietrzu. Powyższy wzór jest matematycznym sformułowaniem prawa Coulomba. Podaje on tylko liczbową wartość siły oddziaływania. Później okazało się, że współczynnik proporcjonalności
jest związany z ważną właściwością próżni i ciał materialnych jaką jest ich stała dielektryczna, oznaczana literą
Jak wykryć obecność pola elektrycznego?
O obecności pola elektrycznego informuje nas siła działająca na ładunek elektryczny (pełni on rolę kamyka w polu grawitacyjnym).
Opisz na czym polega elementarny pomiar natężenia pola elektrycznego
Po naładowaniu przewodnika np. przez wprowadzenie do niego dodatkowych elektronów, ten dodatkowy ładunek wskutek odpychania między elektronami będzie się starał rozmieścić elektrony tak aby znalazły się jak najdalej od siebie. Zgromadzą się więc na powierzchni przewodnika przy czym ich liczba na jednostkę powierzchni będzie największa w miejscach wypukłości, wypustek na powierzchni, a mniejsza tam gdzie powierzchnia jest wklęsła.
Natężenie pola elektrycznego wewnątrz przewodnika jest równe zeru. Gdyby było inaczej na każdy elektron działałaby siła
tak długo dopóki elektrony w nowym położeniu nie wytworzą wewnątrz przewodnika pola o zerowym natężeniu. Natężenie pola elektrycznego na powierzchni przewodnika jest prostopadłe do powierzchni. Uzasadnienie tej własności jest podobne jak powyżej. Mianowicie gdyby pole miało składową styczną do powierzchni to działałoby na elektrony siłą powodującą ich przemieszczenie wzdłuż powierzchni tak długo dopóki składowa styczna będzie różna od zera.
Uzasadnij stwierdzenie, że źródłem pola elektrycznego są ładunki elektryczne
Natężenie pola elektrycznego wytworzonego przez ładunki maleje podczas oddalania się od nich i w nieskończoności jest równe zeru. Zatem siła działająca na ładunek próbny w nieskończoności też jest równa zeru, podobnie jego energia potencjalna.
Wyprowadź wzór na natężenie pola elektrycznego wytworzonego przez ładunek punktowy
Spróbujmy znaleźć nieznaną funkcję
. W tym celu w polu elektrycznym wytworzonym przez ładunek Q umieścimy w odległości r drugi znacznie mniejszy od Q ładunek q i z prawa Coulomba obliczymy siłę działającą na niego
. Następnie korzystając z definicji wyliczymy natężenie pola wytworzonego przez ładunek Q
Opisz i uzasadnij właściwości pola elektrostatycznego wewnątrz i na powierzchni przewodnika
że linie sił pola elektrycznego są prostopadłe do powierzchni ekwipotencjalnych, gdyby było inaczej mielibyśmy sprzeczność. Z jednej strony różnica potencjałów między punktami na powierzchni ekwipotencjalnej jest równa zeru , a zatem ładunki próbne nie mają powodu się po niej przemieszczać. Z drugiej, gdyby pole miało różną od zera składową styczną do powierzchni ekwipotencjalnej to ładunki próbne musiały by się przemieszczać wzdłuż powierzchni ekwipotencjalnej. Z powyższych dwóch wzorów wynika, że energia potencjalna ładunku q w polu wytworzonym przez ładunek Q ma postać
.
Ten wzór jest poprawny w każdym polu elektrycznym. W życiu codziennym częściej spotykamy się z napięciem czyli różnicą potencjałów. Powyższy potencjał jest równocześnie napięciem między punktem o wektorze wodzącym
a punktem w nieskończoności.
Czy różni się strumień pola elektrycznego od strumienia powietrza w przewodzie wentylacyjnym?
Objaśnij prawo Gaussa
Przy pomocy prawa Gaussa można obliczyć natężenie pola elektrycznego między okładkami kondensatora, wynosi ono w przybliżeniu
stąd
. Zauważmy, że natężenie pola elektrycznego nie zależy od współrzędnych punktu (z dala od brzegu okładek), o takim polu mówimy, że jest jednorodne. Różnica potencjałów między okładkami kondensatora płaskiego (z dala od brzegu okładek) zależy wtedy od natężenia pola następująco
. Podstawiając powyższe dwa wzory do definicji pojemności otrzymamy
, a stąd wzór na pojemność kondensatora płaskiego
.
Jednostką pojemności elektrycznej jest farad
.
Jaki jest związek między energią ładunku w polu a potencjałem pola?
Naszkicuj linie sił pola i powierzchnie ekwipotencjalne między okładkami płaskiego kondensatora
Podaj i uzasadnij wyrażenie na energię zawartą w polu naładowanego kondensatora
Energię zgromadzoną w kondensatorze kulistym znaleźliśmy powyżej, jej wielkość podaje wzór
,
który można przepisać za pomocą pojemności
.
Korzystając z zależności między ładunkiem na okładce a różnicą potencjałów U między okładkami
można energię kondensatora wyrazić bardziej praktycznym wzorem
.
Kondensatory są dobrym magazynem energii, którą chcemy wykorzystać w krótkim czasie, na przykład w lampach błyskowych lub do uzyskiwania krótkich impulsów silnego pola magnetycznego. Bardziej powszechne jest wykorzystanie kondensatorów w obwodach prądu zmiennego do redukcji fluktuacji napięcia oraz jako elementy generatorów lub odbiorników drgań elektromagnetycznych.
Podaj istotne różnice między przepływem wody w rurze i elektronów w drucie
Różnicę potencjałów można sobie wyobrażać jako różnicę ciśnienia wymuszającą ruch elektronów przewodnictwa wewnątrz drutu wbrew oporowi, którego głównym źródłem są drgania cieplne atomów. Analogia formalna do przepływu cieczy w instalacji centralnego ogrzewania jest bardzo bliska. Odpowiednikiem ilości cieczy przepływającej przez przekrój rury jest ładunek a zatem liczba elektronów przepływający przez przekrój przewodzącego drutu, jest to natężenie prądu I.
Podaj źródła oporu elektrycznego metalu
Współczynnikiem proporcjonalności jest parametr ρ zwany oporem właściwym, zależny od rodzaju materiału, z którego jest wykonany drut. Powyższe można przedstawić wzorem
.
Jednostką oporu elektrycznego jest ohm (Ω). Równolegle do oporu właściwego używa się innej charakterystyki właściwości elektrycznych materiału a mianowicie przewodnictwa właściwego
.
Ponieważ częstość drgań cieplnych atomów przewodnika rośnie ze wzrostem temperatury więc rośnie również rozpraszanie elektronów, a zatem opór elektryczny. Na tej podstawie można przewidzieć, że opór właściwy będzie rosnącą funkcją temperatury, w przybliżeniu liniową
.
Oczywiście w ten sam sposób będzie zależał od temperatury opór elektryczny przewodnika.
Podaj wszystkie znane ci wzory na moc prądu stałego
Podaj wzór na moc prądu przemiennego oraz interpretację występujących w nim wielkości
.
Różni się o czynnik 1/2 od wzoru na moc prądu zmiennego, aby nie prowadzać zamieszania wprowadza się pojęcie skutecznego napięcia
dzięki czemu moc prądu zmiennego jest dana takim samym wzorem jak dla prądu stałego
.
Uzasadnij, że I prawo Kirchoffa jest konsekwencją prawa zachowania ładunku
I prawo Kirchoffa, które jest konsekwencją prawa zachowania ładunku mówi o rozkładzie natężeń prądu w przewodach zbiegających się w węźle. Suma natężeń prądów wpływających do węzła jest równa sumie natężeń prądów wypływających z niego.
Zastosuj II prawo Kirchoffa do obwodu zawierającego ogniwo oraz dwa połączone równolegle oporniki
Objaśnij prawo indukcji Faraday'a, jakie urządzenie działa na jego podstawie
Z doświadczeń tych Faraday wywnioskował, że w zamkniętym obwodzie znajdującym się w zmiennym polu magnetycznym, pojawia się siła elektromotoryczna indukcji równa prędkości zmian strumienia indukcji pola magnetycznego przechodzącego przez powierzchnię rozpiętą na tym obwodzie. Prawo to można wyrazić wzorem
gdzie
- strumień indukcji magnetycznej,
- szybkość zmiany strumienia indukcji magnetycznej,