füüsika - laeng kuni Faraday katsed

Elektromagnetism

uurib kehade elektrmagneetilist vastastikmõju ja sellega seonduvaid nähtusi

Elektrilaeng e laeng

kui tugevasti keha osaleb elektromagnetilises vastastikmõjus

(samanimelised laengud tõukuvad, erinimelised tõmbuvad)

Elementaarlaeng

jagamatu osakese laeng

1,6·10-19 C

(Iga keha laeng on mingi täisarv kordne elementaarlaengut)

Laengu jäävuse seadus

Elektriliselt isoleeritud süsteemi kogu laeng on jääv suurus

laeng ei teki ega kao, vaid võib kanduda ühest kehas teise.
→ Kogulaeng jääb alati samaks.

Coulombi seadus

Kahe laetud keha vahel mõjuv elektrijõud F on võrdeline kummagi keha laenguga ja pöördvõrdeline nende vahelise kauguse ruuduga

k on võrdetegur 9×109 Nm2/C2

Elektrivool

Laengute suunatud liikumine

(võib vaadelda ka kui laetud osakeste liikumist)

voolutugevus

näitab, kui suur laeng läbib juhi ristlõiget

Voolu suund

kokkuleppeliselt positiivsete laengute liikumise suund

elektrijuht

Elektrit juhivad vabad laengukandjad

elektrijuhid jagunevad:

juhid, mittejuhid (dielektrikud) ja pooljuhid

elektrijuhid e. elektrod

Juhis on väga palju vabu laengukandjaid

nt: metallid, vesilahused

mittejuhid e. dielektrikud

dielektrikus väga vähe laengukandjaid

nt: kumm, kuiv puit, destilleeritud vesi

Keemiliselt puhas vesi on dielektrik (isolaator)

tavaoludes on isolaator õhk

pooljuhid

pooljuhtudes saab laengukandjaid väga lihtsalt tekitada

nt: räni, germaanium, seleen, telluur, arseen, fosfor

Elektrolüüt

aine, milles laengukandjateks on ioonid

elektrolüüs

Elektrivoolu toimel kulgevad redoksreaktsioonid

(kaasneb ainete eraldumine elektroodidel)

Ioone saab gaasides

1. Põrke ionisatsioon- pommitatakse gaasi osakestega, et need

lööksid elektrone gaasi aatomitest välja

2. Gaasi ergastamine- anname gaasile energiat, et need loobuksid

mõnest väliskihi elektronist

ionisatsioon

gaasi aatom loobub elektronist

rekombinatsioon

kui gaasi ergastamine lõpetada, siis võtavad gaasi aatomid vabu elektrone tagasi

eritakistus

• Kõige olulisem pooljuhi omadus

• sõltub tugevalt lisanditest ning on kergesti mõjutatav väliste energiaallikatega

(Näiteks temperatuuri muutmine, valgustamine ja ka lisandid - parandavad juhtivusomadusi)

Elektrivool pooljuhis e. omajuhtivus

vabade elektronide ja aukude suunatud liikumine

lisandjuhtivus

Viies pooljuhti sobivaid lisandiaatomeid

n-juhtivus e. elektronjuhtivus e. doonorjuhtivus

laengukandjate negatiivse laengu tõttu

Kui ränile lisada pisut näiteks fosforit, siis jääb üks elektron üle

enamuslaengukandjateks on elektronin

p-juhtivus e. aukjuhtivus e. aktseptorjuhtivus

Lisades näiteks ränile boori, jääb üks side moodustamata ja tekib auk

enamuslaengukandjateks on augud

p-n siire

Kui tekitada pooljuhis kaks erineva juhtivusega osa, siis p- ja n-

juhtivusega osade üleminekupiirkonda nim p-n siirdeks, kus hakkab toimuma laengukandjate vahetus

siirde elektrivälja tugevnemine

Kui ühendada pooljuhi p-osaga vooluallika miinusklemm ja n-osaga

plussklemm

nõrga vastuvoolu tekkimine

Enamuslaengukandjad ei saa siiret üldse läbida

tugeva pärivoolu tekkimine

Pingestades p-n siirde päripidiselt muudetakse elektrivälja suund siirdes eelnevaga võrreldes vastupidiseks, mis soodustab enamuslaengukandjate liikumist läbi siirde

Elektrivälja tugevus

kui suur jõud mõjub selles väljas

ühikulisele positiivse laenguga kehale

elektrivälja potentsiaal

kui suur on selles punktis ühikulise positiivse laenguga keha potentsiaalne energia

potentsiaalne väli

Väli, milles töö ei sõltu liikumistee kujust

Ekvipotentsiaalpind

Ühesugust potentsiaali omavate elektrivälja punktide hulk

pinge

Kahe elektrivälja potentsiaalide vahe

Elektrimahtuvus

füüsikaline suurus, mis iseloomustab kehade

süsteemi võimet salvestada endasse laengut ja seeläbi tekitada

elektrivälja

(osad anumad mahutavad rohkem vedelikku kui teised)

(alati kahe keha omavaheline mahutavus)

Omavaheline mahtuvus

näitab, kui suure laengu viimisel ühelt kehalt teisele tekib kehade vahel ühikuline pinge

kondensaator

Kehade süsteem, mis on loodud mingi kindla mahtuvuse

saamiseks

(Lihtsaim kondensaator koosneb kahest elektrit juhtivast plaadist

ehk kattest, mille vahel paikneb dielektrikukiht)

Vooluallika elektromotoorjõud

võrdne kõrvaliste jõudude tööga ühikulise laengu ümberpaigutamisel kogu suletud vooluringi ulatuses

Kõrvaljõud

töö vooluallikas, kus toimub mingi teise energialiigi (mehaanilise, keemilise vms) muutmine elektrienergiaks

toimivad lisaks elektriväljale ja liigutavd laenguid

(muutub vooluringis soojushulgaks, mis eraldub

nii vooluringi välisosas kui ka vooluallikas)

magnetväli

laetud osakeste liikumisel tekkiv jõuväli

(vooluga juhtme ümber)

Püsimagnet

olemusliku magnetväljaga keha

magneetumine

Pannes näiteks rauast keha lühi ajaliselt magnetvälja, siis välja

võtmisel võivad sellele rauale jääda magnetilised omadused

Magnetvälja jõujooned liigvad

põhjast —> lõunasse

liikuv laeng tekitab

enda ümber magnetvälja

Ampere´i katsete järeldused:

1. Paralleelsete juhtmete korral on jõud maksimaalne. Ristuvate

   juhtmete vahel jõud puudub

2. Samasuunalise vooluga juhtmete vahel on tõmbejõud.

   Vastassuunaliste vooludega juhtmete vahel on tõukejõud

3. Jõud on alati risti juhtmelõiguga

Ampere´i seadus (kaks paralleelset juhet)

kui kahe paralleelse, lõpmata pika ja lõpmata peenikese sirgjuhtme

vahel, mille vahe kaugus on üks meeter ja milles voolab ühesuguse

tugevusega vool, mõjub vaakumis juhtmete pikkuse iga meetri

kohta jõud 2·10-7 N, siis on voolutugevus juhtmes 1A

Ampere´i seadus (suvaline juhe)

Juhtmelõigule mõjuv magnetjõid F on alati võrdeline juhet läbiva

voolu tugevusega I, juhtme lõigu pikkusega l ja siinusega nurgast α

voolu suuna ja magnetvälja suuna vahel

Vasaku käe reegel

kui vasaku käe väljasirutatud sõrmed osutavad

voolusuunda ja magnetväli on suunatud peopessa, siis

väljasirutatud pöial näitab jõu mõjumise suunda

Magnetinduktsioon B

näitab magnetjõudu F, mis mõjub ühikulise vooluga ja ühikulise pikkusega juhtmelõigule selle juhtmega ristuvas magnetväljas

Väljade visualiseerimine

Välja olemasolu näitab jõud. Jõujoon on mõtteline joon, mille igas punktis on vektor suunatud piki selle joone puutujat. Mida tugevam oli väli, seda tihedamalt paiknevad jõujooned.

Kui punktlaengu läheduses ei leidu teisi laetud kehi, siis täidab seda ruumi vaid punktlaengu enda elektriväli.
Kahe või enama punktlaengu või muu laetud keha piisavalt väikese vahekauguse korral liituvad superpositsiooniprintsiibi kohaselt.

Parema käe rusikareegel

Kui rusikasse tõmmatud parema käe väljasirutatud pöial näitab voolu suunda, siis neli kõverdatud sõrme näitavad selle voolu magnetvälja suunda.

Elektromagnetvälja kaks omadust

1. Magnetvälja muutumine tekitab elektrivälja e elektromagneetiline induktsioon.

2. Elektrivälja muutumine tekitab magnetvälja.

Seisva laengu ümber on elektriväli, kui see laeng liikuma panna tekib magnetväli.

Seisev magnet

Seisva magneti ümber on magnetväli, kui see magnet liikuma panna tekib elektriväli. 

Lorentzi jõud

Ühele osakesele mõjuv jõud.

Induktsioonivool ja pööriselektriväli 

Lastes voolu läbi juhtme liigub see juhe magneti vahele. Vool läheb voolukandjatesse sisse ja selle tulemusel tõmmatakse juhet harude vahele. Kui vool liigub teises suunas, siis tõmbub juhe eemale. Juhtme liikumine magnetväljas tekitab juhtmes induktsiooni voolu. 

Induktsioonivool ja pööriselektriväli

Püsimagneti vahel on juhtmelõik ab lõikab, mis generaatorina toimivas mootoris liigub ülespoole mitte enam magnetjõu, vaid masina võlli päripäeva pöörava välisjõu toimel. Laengukandjad juhtmelõigus ab liiguvad koos juhtmega. Magnetväljas liikuvatele laetud osakestele mõjub Lorentzi jõud, mis positiivsetele laengukandjatele rakendub vasaku käe reegli kohaselt, “meist eemale” ehk suunas a → b. Analoogiliselt mõjub juhtmelõigus cd positiivse laengu kandjatele jõud suunas c → d ehk “meie poole”. Järelikult hakkavad positiivsed laengukandjad Lorentzi jõu mõjul liikuma suunas a → b → c → d.
Juhtmekeeru otste a ja d ühendamisel moodustub vooluring, milles keeru pööramise tulemusena kulgeb elektrivool. Juhtme liikumine magnetväljas tekitab juhtmes induktsioonivoolu.

Faraday katsed
Püsimagneti liikumine juhtme suhtes

Põhiliseks katsevahendiks on torukujulisele isoleerivale südamikule keritud juhtmepool ja püsimagnet. Kui püsimagnet liigub juhtme või pooli suhtes, siis muutub magnetvälja tegevus juhtmes. See muutuv magnetväli mõjutab juhtmeis olevaid laenguid ja paneb need liikuma, mistõttu tekib induktsioonvool. 
Voolu suund kujuneb alati selliseks, et see püüab takistada magnetvälja muutust, ainult siis kui magnet ja juhe teineteise suhtes liiguvad. Hetkel, mil liikumine lõpeb ja magnetväli enam ei muutu, kaob ka induktsioonivool. 

Faraday katsed
Vooluga juhtme liikumine teise juhtme suhtes 

Kui vooluga juhe liigub teise juhtme suhtes, siis muutub teist juhet läbiva magnetväli. Magnetvälja muutus tekitab teises juhtmes induktsioonivoolu. Voolu suund kujuneb nii, et ta püüab sellele muutusele vastu töötada: lähendamisel tekib vastassuunaline vool, eemaldumisel samasuunaline. 

Faraday katsed
Voolu muutmine juhtmes

Kui vool ühes juhtmes muutub, siis muutub ka selle juhtme ümber olev magnetväli. Selle magnetvälja muutus levib naaberjuhtmeni ja mõjub sealsete laengute peale samamoodi nagu juhtmete omavaheline liikumine. Seetõttu tekib naaberjuhtmes induktsioonivool. Näiteks, kui vool teises juhtmes sisse lülitada, siis magnetväli hakkab suurenema ja teises juhtmes indutseerub vastassuunaline vool. Ehk lihtsalt voolu muutmine ühes juhtmes muudab selle magnetvälja ja magnetvälja muutus tekitab teises juhtmes induktsioonivoolu. 

Superpositsiooniprintsiip

Printsiip, mille kohaselt väljad üksteist ei sega ja nende mõjud vektoriaalselt liituvad.