Fysiikka2 Jouko Teeriaho syksy 2004

Sisältö Sähköstatiikkaa Tasavirtapiirit Magnetismi Puolijohdekomponentit Sähkömagneettinen säteily

Sähköstatiikkaa Virta ja varaus Influenssi Coulombin voima Sähkökenttä, potentiaali ja jännite Johde ja eriste sähkökentässä Homogeeninen sähkökenttä Kondensaattori Vastus ja resistanssi (Ohmin laki ja kytkennät) Tasajännitelähteet (kuormitussuora) Vastuskytkennät Tasavirtapiirit

Sähkövirta I ja varaus Q sähkövirta=electrical currency, varaus = charge I = Q / t Sähkövirta on varausten liikettä johtimen läpi. Virta = johtimen poikkipinnan läpi kulkeva virta aikayksikössä , kaavana I = Q / t Virran yksikkö on 1 A (Ampeeri), joka määritellään magneettisten voimavaikutusten avulla myöhemmin Varauksen yksikkö = 1 As = 1 C (Coulombi eli Ampeerisekunti )

Varaus (Electrical Charce) Q * yksikkö: 1C (Coulombi eli Ampeerisekunti) * erimerkkiset varaukset vetävät toisiaan puoleensa, samanmerkkiset hylkivät * alkeisvaraus e = 1,6021 * 10-19 C (elektronilla -e) * eristeessä, kuten lasisauvassa varaus on paikallaan * johteessa, kuten metallissa varaus pääsee liikkumaan ja jakautuu koko kappaleeseen * kappaleen sähkövaraus johtuu elektronien yli-tai alijäämästä

Influenssi=varausten jakautuminen ulkoisen varauksen vaikutuksesta Positiivisesti varattu sauva aiheuttaa varaamattomassa kappaleessa varausten jakautumisen johde + + + + - - - + + +

Varauksen jakautuminen johteessa ja eristeessä Johteessa varaus (elektronit) hakeutuu ulkonemiin Eristeessä varaus ei pääse liikkumaan alkuperäiseltä paikaltaan - - - - - - - - - Mieti, mihin perustuu ukkosenjohdattimen toiminta tai esim. kärkien käyttö kipinän synnyttämisessä?

Coulombin laki F + Q1 r + Q2 F Kahden pistevarauksen Q1 ja Q2 välillä vallitsee sähköinen voima F + Q1 r = varausten välimatka  = väliaineen permitiivisyys Tyhjiössä  = 0 = r + Q2 F Muussa kuin tyhjiössä  = r 0 missä r on väliaineen suhteellinen permitiivisyys

Esim. Laske kahden toisistaan 50 cm päässä olevan 2 Esim. Laske kahden toisistaan 50 cm päässä olevan 2.0 C varauksen välinen voima a) tyhjiössä b) lasissa, jolle r=2.5 Ratkaisu: a) tyhjiö b) lasissa sähköinen voima on 1/2.5 osa tyhjiön arvosta eli 0.090 N

Sähkökenttä E (Electric Field) Varaus Q vaikuttaa siis ympäristössään oleviin muihin varauksiin sähköisellä voimalla Tätä voimavaikutusta +1C:n testivarausta kohden kutsutaan sähkökentäksi Kenttää kuvataan kenttäviivoilla A q r +Q Pistevarauksen sähkökenttä pisteessä A

Potentiaali V ja jännite U Kun varausta liikutetaan sähkökentässä, joudutaan tekemään työtä Potentiaali = työ varausyksikköä kohden, joka tarvitaan tuomaan varaus äärettömän kaukaa tiettyyn pisteeseen sähkökentässä Potentiaali on sähkökentän tietyn pisteen ominaisuus Jännite on kahden pisteen välinen potentiaaliero Potentiaali Potentiaalin yksikkö 1 J/C on nimeltään 1 V (Voltti)

Homogeeninen sähkökenttä Jos esim. levyn pinnalla on varaus jakautunut tasaisesti, on sähkökentän suuruus levyn lähellä vakio ja se on kohtisuorassa levyjä vastaan kenttä E =  /(2) missä  = Q/A = levyn varauskate (varaus pinta-alayksikköä kohti) + + + + + + + + + + + +

Kenttä kahden levyn välissä mm. kondensaattorilevyjen välissä + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - kenttä E =  / missä  = Q/A = levyn varauskate (varaus pinta-alayksikköä kohti)