Siła elektromotoryczna

1. Siła elektromotoryczna Aby wytworzyć stały przepływ ładunku, potrzebujemy ‘pompy ładunku’ – urządzenia utrzymującego różnicę potencjałów pomiędzy zaciskami. Urządzenie takie nazywa się źródłem siły elektromotorycznej (źródłem SEM). bateria elektryczna prądnica bateria słoneczna ogniwo paliwowe

2. Siła elektromotoryczna Źródło SEM wykonuje prace nad ładunkami i wymusza ich ruch z bieguna o mniejszym potencjale do bieguna o większym potencjale. W źródle SEM musi istnieć pewne źródło energii, którego kosztem jest wykonywana praca. Definicja SEM: (praca na jednostkę ładunku). Jednostką SEM jest 1 J/C = 1 V a) obwód elektryczny i b) jego grawitacyjny odpowiednik

3. Obwody o jednym oczku Drugie prawo Kirchhoffa: Suma zmian potencjałów napotykanych przy pełnym obejściu dowolnego oczka musi być równa zeru. Punkty po drodze: Va – potencjał w punkcie a E – przejście przez baterię od potencjału mniejszego do większego 0 – opór przewodów -IR - przejście przez opornik od potencjału wyższego do potencjału mniejszego Va – potencjał w punkcie a II prawo Kirchhoffa: Va + E – IR - Va = 0 E – IR = 0 Prąd: I = E/R

4. Opór wewnętrzny W rzeczywistości źródła nie są doskonałe i mają tzw. opór wewnętrzny r. Jest to opór elementów wewnętrznych źródła. Dla takiego obwodu: E - Ir - IR = 0 Prąd: I = E/(R + r)

5. Oporniki połączone szeregowo Oporniki połączone szeregowo możemy zastąpić równoważnym opornikiem Rrw, w którym płynie prąd o takim samym natężeniu I i takiej samej całkowitej różnicy potencjałów U, jak na rozważanych opornikach. Stosując II prawo Kirchhoffa: E – IR1 – IR2 – IR3 = 0 I = E/(R1 + R2 + R3) W obwodzie z oporem zastępczym Rw E – IRw = 0 Dla takiego obwodu: I = E/Rw Dostajemy: Rrw = R1 + R2 + R3 (n oporników połączonych szeregowo)

6. Oporniki połączone szeregowo Oporniki połączone szeregowo możemy zastąpić równoważnym opornikiem Rrw, w którym płynie prąd o takim samym natężeniu I i takiej samej całkowitej różnicy potencjałów U, jak na rozważanych opornikach. = Stosując II prawo Kirchhoffa: E – IR1 – IR2 – IR3 = 0 I = E/(R1 + R2 + R3) W obwodzie z oporem zastępczym Rw: I = E/Rw Dostajemy: Rrw = R1 + R2 + R3 (n oporników połączonych szeregowo)

7. Obwody o wielu oczkach Pierwsze prawo Kirchhoffa: Suma natężeń prądów wpływających do dowolnego węzła musi być równa sumie natężeń prądów wypływających z tego węzła. I1 + I2 = I3 + I4 + I5

8. Oporniki połączone równolegle Oporniki połączone równolegle możemy zastąpić równoważnym opornikiem Rrw, do którego jest podłączona taka sama różnica potencjałów U i w którym płynie prąd o natężeniu I równym sumie natężeń prądów w opornikach połączonych równolegle. = I1 = U/R1 I2 = U/R2 I3 = U/R3 Stosując I prawo Kirchhoffa w punkcie a: I = I1 + I2 + I3 = U(1/R1 + 1/R2 + 1/R3) W obwodzie z oporem zastępczym Rw: I = U/Rw Dostajemy: 1/Rrw = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 (n oporników połączonych równolegle)

9. Amperomierz i woltomierz Amperomierz (A) – przyrząd do pomiaru natężenia prądu. Opór wewnętrzny amperomierza powinien być mały w porównaniu z oporami w obwodzie. W przeciwnym razie obecność miernika zmieni natężenie prądu, które mierzymy. Woltomierz (V) – przyrząd do pomiaru różnicy potencjałów. Opór wewnętrzny woltomierza powinien być duży w porównaniu z oporami w obwodzie. W przeciwnym razie obecność miernika zmieni różnicę potencjałów, którą mierzymy. multimetr cyfrowy

10. Pole magnetyczne

11. Czy istnieją ładunki magnetyczne? Magnesy trwałe są dipolami magnetycznymi - zawsze posiadają dwa bieguny - północny (N) i południowy (S). Istnienie ładunków, czyli monopoli magnetycznych nie zostało dotychczas potwierdzone. Różnoimienne bieguny magnetyczne przyciągają się, a jednoimienne bieguny magnetyczne się odpychają.

12. Definicja wektora B Pole E: Indukcja magnetyczna pola B: siła Lorentza Jednostką indukcji magnetycznej B jest tesla (T). 1T = 1N/(Cm/s)

13. Kierunek siły Lorentza siła Lorentza Kierunek siły Lorentza znajdujemy z ‘reguły prawej dłoni’.

14. Kierunek siły Lorentza - przykład siła Lorentza Ślady elektronu (e-) i pozytonu (e+) komorze pęcherzykowej umieszczonej w jednorodnym polu magnetycznym.

15. Linie pola magnetycznego Pole magnetyczne można przedstawić graficznie za pomocą linii sił pola magnetycznego. • w dowolnym punkcie kierunek stycznej do linii pola określa kierunek wektora B • liczba linii sił na jednostkę powierzchni jest proporcjonalna do wartości wektora B

16. Pola skrzyżowane: zjawisko Halla Sprawdźmy czy nośniki w przewodniku są naładowane dodatnio, czy ujemnie. Rozdzielenie dodatnich i ujemnych ładunków powoduje powstanie wewnątrz paska pola elektrycznego E, skierowanego od lewej do prawej. Odchyla ono elektrony w kierunku przeciwnym niż pole B, aż do osiągnięcia stanu równowagi. Z polem elektrycznym E jest związana różnica potencjałów U = Ed, d –szerokość paska. Za pomocą woltomierza możemy zmierzyć, który brzeg ma większy potencjał. W wyniku obecności pola B, elektrony przemieszczają się w prawo, gromadząc się przy prawym brzegu paska. Nośniki ujemne – lewy brzeg ma większy potencjał Nośniki dodatnie – prawy brzeg ma większy potencjał

17. Ruch po okręgu w polu B Siła Lorentza F jest prostopadła do v, więc nie może zmieniać wartości prędkości, lecz jedynie jej kierunek. Gdy cząstka wpada w obszar pola z prędkością v prostopadłą do wektora B, porusza się ruchem jednostajnym po okręgu. Wiązka elektronów porusza się po okręgu w wyniku obecności pola magnetycznego. Fioletowe światło jest emitowane wzdłuż drogi elektronów w wyniku zderzeń z atomami gazu w komorze.

18. Ruch po okręgu w polu B W ruchu jednostajnym po okręgu: Promień toru: Okres obiegu: Częstość: (nie zależy od v)

19. Tory śrubowe Gdy cząstka wpada w obszar pola z prędkością v, która ma składową równoległą do wektora B, ruch cząstki będzie składał się z ruchu po okręgu w płaszczyźnie prostopadłej do wektora B, i ruchu postępowego w kierunku równoległym do wektora B.

20. Butelka magnetyczna Przy odpowiednim układzie pola B, cząstka naładowana może się poruszać tam i z powrotem pomiędzy obszarami silnego pola na obydwu końcach. Taki układ pól nazywa butelką magnetyczną. Butelki magnetyczne utrzymują plazmę w temperaturze 120 millionówK.

21. Pasy radiacyjne Van Allena Ziemskie pole magnetyczne tworzy ponad atmosferą butelkę magnetyczną w kształcie pętli między północnym i południowym biegunem magnetycznym. Są to tzw. pasy radiacyjne Van Allena Uwięzione w nich protony i elektrony odbywają drogę pomiędzy biegunami w ciągu kilku sekund.

22. Zorza polarna Wysokoenergetyczne protony i elektrony z wiatru słonecznego kierują cząstki z pasów Van Allena w dół do atmosfery. Cząstki zderzają się z atomami i cząstkami gazów powietrza powodując ich świecenie. Zorza polarna widziana z Międzynarodowej Stacji Kosmicznej 24 maja 2010

23. Zorza polarna

24. Przewodnik z prądem w polu magnetycznym Na przewodnik znajdujący się w polu magnetycznym działa siła poprzeczna. Jest to siła Lorentza działająca na poruszające się elektrony przewodnictwa.

25. Przewodnik z prądem w polu magnetycznym Wszystkie elektrony przewodnictwa znajdujące się w przewodniku o długości L, przejdą przez płaszczyznę xx’ w czasie t = L/vd. Przepływający w tym czasie ładunek jest równy: q = It = IL/vd Siła Lorentza: FB= ILB

26. Przewodnik z prądem w polu magnetycznym Jeżeli pole magnetyczne nie jest prostopadłe do przewodnika, siła jest określona jako:

27. Ramka z prądem w polu magnetycznym Na ramkę z prądem znajdującą się w polu magnetycznym działają siły magnetyczne F i –F wytwarzające moment siły, który usiłuje ją obrócić wokół własnej osi.

28. Ramka z prądem w polu magnetycznym Siła: F = ILBsinq widok z boku, ramka obrócona widok z góry widok z boku

29. Ramka z prądem w polu magnetycznym M M Siła: F = ILBsinq Moment siły (zdolność siły F do wprawiania ciała w ruch obrotowy): F b/2 b/2 M = 2*(b/2)aIBsinq = IabBsinq F

30. Ramka z prądem w polu magnetycznym Gdy pojedynczą ramkę zastąpimy cewką składającą się z N zwojów, moment siły działający na cewkę ma wartość: M = NIabBsinq

31. Silnik elektryczny Praca wykonywana przez silniki elektryczne pochodzi od siły magnetycznej działającej na przewodnik w polu magnetycznym.