Füsa I arvestus 11 klass

Elektromagnetismi kaks tähtsamat rakendusvaldkonda

Elektroenergeetika ehk elektrienergia tootmine, transportimine ja kasutamine. Näiteks elektrienergia tootmine elektrijaamades, selle ülekandmine elektriliinide kaudu ja alajaamade kaudu tarbijale.

Side- ja infotehnika → elektrienergia tootmine, transportimine ja kasutamine ehk side pidamine pikalt distantsilt. Näiteks raadiolained, mikrolained, kommunikatsiooni pidamine, binaarkood

Elementaarlaeng

Elementaarlaeng on looduses väikseim iseseisvalt eksisteeriv laeng.

Elementaarlaeng on nt prootonil ja elektronil.

Suurus: 1e = 1,6 * 10-19 C (C = kulon, I = q/t)

Kas elementaarlaengust võib veel väiksemaid laenguid olla?

Kvargid on samuti väga väikesed, kuid ei eksisteeri iseseisvalt looduses.

Staatiline elekter

Staatiline elekter on tasakaalust välja viidud elektrilaengute kogum objekti pinnal või selle sees.

Staatilise elektri tekkepõhjus

Staatiline elekter tekib elektronide liikumisel ühelt kehalt teisele, mille tõttu tekib kokku puutunud kehadele erinev elektrilaeng → üks keha saab positiivse, teine negatiivse laengu, ehkki tavaolekus on kehadel neutraalne laeng. Tekkimine on tavaliselt seotud hõõrdumisega.

Kuidas inimesed "särtsu" saavad?

Kahe keha kokkupuutel võivad elektronid ühelt kehalt teisele kanduda, mille tõttu tekib kehadele erinev elektrilaeng. Üks keha saab positiivse ja teine negatiivse laengu, elektronide arv jääb samaks, aga nende paiknevus muutub (kuiv õhk soodustab särtsu)

Vooluallika mahutavuse mõiste + arvutused

Vooluallika mahutavus on maksimaalne laeng, mida vooluallikas suudab vooluringist läbi viia.

Kuna 1 h on 3600s, siis 1A x h =3600 C

Voolutugevuse valem

I = q/t (I = voolutugevus A, q = elektrilaeng C, t = aeg s)

Mahutavuse valem

q = I * t (q = mahutavus A*h, I = voolutugevus A, t = aeg s)

Coulomb'i seadus

Kaks laengut mõjutavad üksteist mingisuguse jõuga

Coulombi seaduse tähised, ühikud, valem.

Fe = 𝑘 * (q1q2/r2 )

Fe- elektrijõud (N)

q- laeng (C)

r- laengute vaheline kaugus (m)

k- võrdetegur (𝑘 = 9*10 astmel 9 Nm2/C2)

Aine dielektriline läbitavus. (kreeka e)

E-aine di-elektriline läbitavus, mis näitab kui mitu korda on elektriline jõud selles keskkonnas väiksem kui vaakumis ja õhus

Ev=80 vee keskkonnas on läbitavus 80 korda väiksem

Kuidas kujutatakse elektrivälja laengu ümber kui tegemist on pluss/miinus laenguga?

+ laeng - nooled, mis on suunatud laengust eemale

- laeng - nooled, mis on suunatud laengu suunas

Kuidas tekib magnetväli?

Magnetväli tekib, kui laengud liiguvad. Magnetväljaks nimetatakse laetud osakeste liikumisel tekkivat jõuvälja.

Mis on püsimagnet ja kuidas selle magnetism tekib?

Püsimagnet on püsivat magnetvälja omav keha

Magnetismil on 4 levelit:

Level 1 - elektron põhjustab aatomile magentismi

Level 2 - selleks, et aatom oleks magnetiline, peaks viimases kihis olema paaritu arv elektorne

Level 3 - kõik aatomid peavad ruumis olema ühte pidi

Level 4 - kõik kristallid peavad olema ühte pidi

Kuidas juhet läbiv elektrivool magnetnõelale orienteeruvat mõju avaldab?

Kui juhtmes on vool, tekib juhtme ümber magnetväli. Magnetnõela ja juhtme magnetväli mõjutavad teineteist, tekib liikumine. Üldjuhul magnetnõel juhtmega risti, sest magnetväli, mis on juhtme ümber, on samuti risti juhtmega.

Mis kujuga on magnetväli juhtme ümber?

Kujult ringikujuline, aga suunaga, mida aitab fikseerida parema käe reegel.

Paralleelsete juhtmete magnetväljade mõju teineteisele olenevalt voolu suunast.

Paralleelsete juhtmete korral on mõju maksimaalne, magnetväli on juhtmega risti.

Samasuunalised voolud - toimub tõmbumine

Erisuunalised voolud - toimub tõukumine

Ampere'i seaduse sõnaline kuju

Kui laengud seisavad paigal, tekitavad nad ainult elektrivälja, liikudes ka magnetvälja. Kaks magnetvälja mõjutavad teineteist.

Ampere'i seaduse valem, tähised, ühikud

Fm = K x (I1 I2L / r)

K = 2 x 10-7 N/A2

Fm - jõud millega kaks magnetvälja üksteist mõjutavad (N)

I1 - voolutugevus ühes juhtmes (A)

I2 - voolutugevus teises juhtmes (A)

L (väike ell) - juhtme lõikude pikkus (m)

r - juhtmelõikude omavaheline kaugus (m)

Magnetvälja jõujoonte suund

Magnetvälja jõujooned on alati kinnised jõujooned.

Magnetvälja jõujooned ALGAVAD põhjapooluselt ja LÕPPEVAD lõunapoolusel.

Mida tugevam on väli, seda tihedamalt jõujooned paiknevad.

Homogeense välja mõiste

Kui välja jõujooned on paralleelselt ja sama tihedalt kutsutakse seda homogeenseks väljaks.

Parema käe reegel

See määrab magnetvälja suunda juhtmes. Rusikasse tõmmatud parema käe väljasirutatud pöial näitab VOOLU SUUNDA; neli kõverdatud sõrme näitavad selle voolu MAGNETVÄLJA SUUNDA

Vasaku käe reegel

Näitab, mis suunas nt elektrimootor pöörleb. Väljasirutatud sõrmed näitavad voolu/laengute liikumise suunda ja magnetvälja jõujooned sisenevad suunaga peopessa; väljasirutatud pöial näitab tekkiva jõu suunda.

Elektrivälja potensiaal

Potentsiaal: näitab, kui suur on vaadeldavas punktis ühikulise positiivse laenguga keha potentsiaalne energia.

Elektrivälja pinge

Pinge: suurus, mis kirjeldab elektrivälja töö kaudu (A). Pinge on elektrivälja kahe punkti potentsiaalide vahe.

! Mida suurem on kauguste vahe, seda suurem on pinge.

Elektrivälja poolt tehtud töö

Elektrivälja saab iseloomustada tööga, mida see jõud võib ära teha.

Töö - elektriväli liigutab midagi massiga (nt laengu ümberpaigutamine väljas)

Elektrivälja poolt tehtud töö valem, tähised, ühikud

A=qEd

A → töö (J)

q → laengu suurus ( C )

E → elektrivälja tugevus (N/C)

d → laengu kaugus kokkuleppelisest nullpunktist (m)

Summavektorite leidmine elektriväljas ehk mitme elektrivälja koosmõju uuritavale kolmandale laengule

Samanimelised laengud tõukuvad, erinimelised laengud tõmbuvad

Mootori tööpõhimõte

MUUNDAB ELEKTRIENERGIA KINEETILISEKS ENERGIAKS.

Kui mootor vooluallikaga ühendatakse, tekib juhtme ümber magnetväli, siis hakkavad juhtme ja mootori sees olevad püsimagnetid üksteist mõjutama. Seejärel vastavalt vasaku käe reeglile hakkab jõud mootoris olevaid juhtmeid mingis suunas lükkama ja mootor hakkab tööle.

Generaatori tööpõhimõte

MUUNDAB KINEETILISE ENERGIA ELEKTRIENERGIAKS.

Generaatoris lükkame meie ise juhtmed liikuma, selline tegutsemine tekitab juhtme ümber magnetvälja ja seejärel hakkab püsimagnet seda mõjutama ja lükkab juhtmed ringlema ja tekib vool

Induktsioonivool

Muutliku magnetvälja poolt tekitatud vool

Induktsioonipliidi tööpõhimõte

1. Pliidi sees olevasse vaskjuhtmest spiraali lastakse vahelduvvool

2. Juhtme ümber tekib muutlik magnetväli

3. Kui muutlikkuse magnetvälja asetada elektrijuhist ese, siis industreerub sinna induktsioonivool

4. Kuna pann on valmistatud roostevabast terasest, siis on see halb elektrijuht ja induktsioonivoolul on suur elektritakistus

5. Suure elektritakistuse korral tekib hõõrdumine ja sellest omakorda soojus

6. Pann läheb kuumaks

Induktsiooniahi

1. Suurt anumat ümbritsevatesse vaskjuhtmetesse juhitakse vahelduvvool, mis tekitab muutliku magnetvälja

2. Muutlik magnetväli mõjutab rauamaagis olevat rauda ja kuna raud on halb elektrijuht ei saa elektronid seal hästi liikuda

3. Kuna elektronid ei saa hästi liikuda siis hakkavad need raua aatomitega põrkuma ning need hakkavad omakorda võnkuma

4. Võnkumine hakkab soojendama rauda kuni selle sulamiseni

5. Raud on raske ning see vajub alla ja raumaagist saadakse raud kätte

Juhtmevaba laadimine

1. Seinast tuleb alusesse vahelduvvool, selle voolu ümber tekib muutlik magnetväli

2. Telefoni sees on vaskjuhe, mis on magnetvälja poolt mõjutatav ning sinna tekib induktsioonivool

3. Induktsioonivool konverteeritakse alalisvooluks mis liigub edasi telefoni sisse

4. Mõjutamise tagajärjel tekib traati/juhtmesse vool

Elektromagnetiline levitatsioon (koos Lenz'i reegliga)

! Lenz`i reegel - Tagajärg on vastupidine põhjusele.

1. Vaskjuhe, kuhu sisse lastakse vahelduvvool.

2. Muutliku magnetvälja tulemusena tekib alumiiniumplaadi sisse induktsioonivool.

3. Voolu ümber tekib magnetväli, mis tekitab liikumise.

4. Kohtuvad samanimelised magnetvälja pooled ja tekib tõukumine, levitatsioon.

Mikrofoni tööpõhimõte

Elekrisignaali tugevus sõltub vibratsiooni tugevusest, mis sõltub hääle tugevusest.

Elektrisignaal mimikeerib helisignaali.

1. Hääles tekivad rõhulained, mis suunduvad mikrofoni

2. Membraan hakkab võnkuma

3. Membraan paneb juhtmed liikuma

4. Juhtmete sisse tekib hääle tekitatud vool

5. Generaator teeb liikumisest voolu

Liikumisenergia tehakse elektrienergiaks

Kõlari tööpõhimõte

Kaks magnetvälja tekitavad liikumise, sest nad mõjutavad üksteist.

1. Kaks magnetvälja panevad juhtmed liikuma

2. Membraan hakkab selle tulemusel liikuma

3. Õhuliikumine (õhurõhulaine)

4. Kuuleme heli

Juhtmest unikaalne (elektri-)signaal → tugev vool → magnetväli → juhtme liikumine → membraani liikumine → õhu liikumine (õhurõhulaine) → 🎶

Miks saab öelda, et elekter ja magnetism on ühe mündi kaks poolt?

Magnetism ja elektromagnetism on sisuliselt sama mündi küljed, sest muutuv magnetväli loob elektrivälja ja vastupidi.

Elektrivälja tugevuse valem

E = F/q

E = 1V/m

Magnetinduktsiooni valem

B = F/Il

B = [T]

Nimeta erinevaid elektromagnetkiirguse liike.(kogu skaala ülevaade, energiate erisused, lainepikkuste erisused, sageduse erisused - kus skaala otsas on näiteks suur lainepikkus, kus suurem sagedus jne. )

Raadiolained, mikrolained, infrapuna lained, nähtav valgus, UV, röntgen, gamma (pikimast lühimani)

Raadiolained on kõige pikemad, kõige väiksema sagedusega, kõige väiksema energiaga.

Gammalained on kõige lühemad, suurema tihedusega ja suurima energiaga

Lainesagedus

Ajavahemikus toimuvate võngete arv (tähis f; ühik Hz)

Lainepikkus

Lainepikkus on kaugus kahe samas võnkefaasis oleva väljapunkti vahel. (λ lambda - tähis, m - ühik)

Erinevate elektromagnetlainete kasutusalasid.

Pikemaid lained kasutatakse raadio ja TV jaoks, mikrolaineahjudes.

Lühemaid lained kasutatakse meditsiinis (röntgenkiirgus).

1. raadiolained - raadio

2. mikrolained - telefon

3. infrapunalained - infrapunasaun, pult

4. valguslained - binokkel

5. UV-lained - UV-lambid

6. röntgenlained - röntgen

7. gammalained - tuumajaamad

Millest sõltub valguse värvus?

Sõltub sellest, missugused värvused esemel neelduvad ja mis peegelduvad. Näiteks valge värvuse puhul peegelduvad kõik lainepikkused, musta puhul neelduvad kõik lainepikkused.

Millest koosneb valge valgus?

Valge valgus on liitvalgus ehk koosneb kõikide lainepikkustega värvidest.

Kui suur on valguse/elektromagnetlainete kiirus vaakumis?

C = 300 000 km/s = 300 000 000 m/s = 3 x 10astmes 8 m/s

Millest sõltub makromaailmas esemete värvus?

Makromaailmas sõltub esemete värvus sellest, mis värvi valgust neelatakse ja milliseid tagasi peegeldatakse.

Kuidas tekib vikerkaar?

Vikerkaar on dispersiooni nähtus - päikesekiired murduvad veepiiskades.

Kuna päikesekiirte puhul on tegemist valge valgusega, kus on olemas kõik värvid, siis dispersioon jaotab valged päikesekiired erinevateks värvideks. Seejärel peegelduvad valgused piisas ja murduvad sealt välja inimese silma.

! Kui päike on kõrgemal kui 42 kraadi, vikerkaart ei teki.

Topeltvikerkaar tekib siis, kui näeme ka neid kiiri, mis on sisenenud veepiisa alaosast ja peegeldunud tilgas kaks korda enne väljumist → selleks on vaja tugevat vihma ja palju päikest.

Millest on tingitud osaline või täielik värvpimedus? Daltonism.

Silmades paiknevad kolvikesed ei ergastu / ei neela valgust / ei toimu reaktsiooni teatud värvi valguste signaalide peale.

Kolvikeste kattuvus on suur - reageerivad mõlemale värvile, enamasti rohelise ja punase värvi asemel näevad kollast.

c=λ*f

c = valguskiirus

λ = lainepikkus

f = sagedus

Difraktsioon

Difraktsioon ehk lainete kandumine tõkete taha.

Toimub hästi siis, kui lainepikkus ja takistuse läbimõõt on sama suured.

Interferents

Interferents ehk lainete liitumine, kusjuures liituda saavad ainult sama lainepikkusega lained.

Vastandfaasiline - ühe laine tipp kohtub teise laine miinimumiga

Samafaasiline - kahe laine tipud/miinimumid kohtuvad; nn samas faasis

Liituvad lained saavad olla ka suvalise faasnihkega

Kui lained liituvad ja laine muutub suuremaks - konstruktiivne interferents

Kui lained cancelivad üksteist - destruktiivne interferents

Dispersioon

Dispersioon ehk värviliste valguste eraldumine valguse murdumisel (valguse murdumise sõltuvus lainepikkusest)

- Lühemad lained murduvad rohkem (sinine lainepikkus), pikemad vähem (punane lainepikkus)

- Dispersiooni tulemusena tekib vikerkaar

- Valge valguse juhtimisel läbi klaaspinna tekib vikerkaarevärviline riba. Tekib, sest erinevad valgused murduvad erinevalt

Murdumine + valem. Valemis olev v ehk valguse kiiruse muutus erinevate optiliste tihedustega keskkondades.

MURDUMINE- valguse üleminek ühest keskkonnast teise; valgus ei liigu vaid murdub (nt. Õhust vette / õhust klaasi)

sin A/sin kamma = n = c/v

Langemisnurga ja murdumisnurga siinuste suhe on jääv suurus.

- sin aplha - langemisnurk

- sin kamma - murdumisnurk

- n - murdumisnäitaja

- c - valguskiirus

- v - valguse kiiruse muutus erinevate optiliste tihedustega keskkondades

Geomeetrilise optika 1. põhiseadus

Valguse sirgjoonelise levimise seadus - ühtlases keskkonnas levib valgus sirgjooneliselt

Geomeetrilise optika 2. põhiseadus

Kiirte sõltumatuse seadus - kiired ei mõjuta lõikumisel üksteise liikumist

Geomeetrilise optika 3. põhiseadus

Valguse peegeldumise seadus - langemis- ja peegeldumisnurk on võrdsed

Geomeetrilise optika 4. põhiseadus

Langemis- ja murdumisnurga siinuste suhe on jääv suurus. sin α : sin γ = n (keskkonna murdumisnäitaja, kuhu murdumine toimub) = c / v (c = valguskiirus vaakumis; v = valguskiirus kehas, kuhu murdumine toimub) Nt õhk ja vesi, õhk ja klaas

Geomeetrilise optika 5. põhiseadus

Kiirte pööratavuse printsiip - Kiir läbib süsteemi päri- ja vastassuunas ühte teed mööda.

Helkuri tööpõhimõte

Helkur koosneb paljudest väikestest peeglitest; kõik osad on 90 kraadise nurga all ehk helkur peegeldab sinna suunas tagasi, kust valgus tuli.

Nõguslääts

NÕGUSLÄÄTS- hajutab valgust.

Kujutis tekib alati läätse ette, on samapidine ja näiline

Kumerlääts

Koondab valgusvihu.

Valguse polarisatsioon. Polariseerivad filtrid. Kuidas polariseerub valgus looduses ise? Kus valguse polariseerimist kasutatakse?

! Mitte sassi ajada selgendava kattega.

Valguse polarisatsioon ehk olukord, kus polariseeriv filter laseb läbi ainult ühes teatud võnketasandis võnkuvaid lained ja teised sumbuvad.

Valgus polariseerub ise mittemetallilistelt pindadelt peegeldudes, nt veepeegeldus, klaasipeegeldus.

Polariseerimist kasutatakse fotograafias, polariseeruvad prillid vähendavad peegeldusi (lumepinnalt, veepinnalt), polarisatsiooni abil nt lumeprillid.

Selgendavad katted

EESMÄRK- tõsta läbimineva valguse kvaliteeti

TÖÖPÕHIMÕTE- peegelduste tühistamine

Katte ülemiselt ja alumiselt pinnalt peegeldunud lained viiakse vastandfaasi, mille toimel peegeldused tühistavad üksteist (nt prillid)

Selgendav kate PEAB olema 4 korda õhem, kui see mida tühistatakse

Täielik sisepeegeldus ja selle peamine kasutusala

Täielik sisepeegeldus ehk olukord, kus teatud langemisnurgast alates ei toimu keskkonnast välja peegeldumist.

Kasutatakse optilistes kaablites, automaatsetes vihmaandurites.

Miks loodus rohelist värvi ei kasuta?

Päikeselt tuleb liiga palju rohelist värvust kandvaid laineid ja see on liiga intensiivne. Seetõttu kasutatakse rohkem sinist ja punast ning roheline peegeldub tagasi. Ainult rohelist kasutades kuumeneks kõik üle.

Kuidas lambipirnid üksteisest erinevad? (Halogeen, fluorestsents, LED)

Halogeen ja LED - toimivad pidevspekrtiga (värvid lähevad sujuvalt üle teisele) - silmadele parem, sest nii harjub silm iga lainepikkusega.

Fluorestsents - värvid lähevad järsult üle ühelt teisele - silmadele halvem, sest silm harjub ära vaid paari lainepikkusega ning ereda päikese käes (nt varakevadel) olles tulevad silma ka need lainepikkused, millega silm harjunud pole ning see kahjustab nägemist

Kromaatiline aberratsioon

Kromaatiline aberratsioon ehk värviline moonutus.

Erinevat värvi valgus murdub objektiivis erineva nurga all. Tulemuseks on see, et värvid fokuseeruvad eri tasanditele.

Kui nt sinine ja kollane murduvad erineva nurga all ja sensorini jõudes ei lange kokku, on tulemuseks see, et ühel pool posti on sinine, teisel kollane.

- Sinine murdub rohkem, kui punane

- Fookus sinise jaoks lähemal

- Kujutise teravus ja värvus moondub

- Pilt hägusem, kuid värvilisem

Kasutatakse näiteks läätsteleskoopides → peegelteleskoopides krom. aber. ei teki ehk neid on seetõttu ka lihtsam valmistada.