Füüsika II eksami küsimused ja vastused (2)

Elektrostaatika
Laengute vastastikune toime ja laengu jäävuse seadus
Jõud, millega üks laeng mõjub teisele on võrdeline nende laengute suurusega ja pöördvõrdeline nende langute vahekauguse ruuduga . Ühenimeliste laengute korral on jõud positiivne (tõukuvad) ja erinimeliste puhul negatiivne(tõmbuvad)
Elektrilaengu jäävuse seadus on füüsika seadus, mille kohaselt elektriliselt isoleeritud süsteemis on igasuguse kehadevahelise vastasmõju korral kõigi elektrilaengute [algebraline summa] jääv:
Elektrostaatilise välja tugevus ja selle graafiline kujutamine
Elektrostaatiline väli - paigalseisvate laengute tekitatud elektriväli Elektrivälja tugevus- elektrivälja tugevus näitab, kui suur jõud mõjub selles väljas ühikulise positiivse laenguga kehale. Homogeene elektriväli- homogeense välja jõujooned on omavahel paralleelsed sirged, mille vahekaugus ei muutu Elektrivälja punkti potentsiaal- näitab, kui suur on selles punktis ühikulise positiivse laenguga keha potentsiaalne energia. Pinge- kahe punkti potentsiaalide vahet nim. Pingeks
Gaussi teoreem ja rakendused praktikas
Juhtivale kehale antud laeng jaotub samanimeliste laengute tõukumise tulemusena keha pinnale. Keha sees valitud mistahes kinnise pinna ehk Gaussi pinna ( Gaussian surface) poolt piiratud ruumalas laenguid ei paikne. Seetõttu ei läbi valitud pinda ka elektrinihke või väljatugevuse voog ning järelikult on elektrivälja tugevus sellise pinna punktides null. Joonis (b):Analoogiliselt on elektrivälja tugevus null ka juhul, kui valitud pinna sees paikneb õõnsus. Juhtiva aine kihiga kaetud õõnsuses on elektrivälja tugevus null isegi juhul, kui juhtivale kattele on antud laeng (meenutagem katset Faraday puuriga). Joonis (c):Kui algselt neutraalse juhtiva keha sees paiknevasse õõnsusesse viia laeng +Q, siis indutseeritakse sama suur negatiivne laeng –Qsisepinnale ning positiivne laeng +Qkeha välispinnale. Sisemise ja välimise laetud kihi vahel paiknevat kinnist Gaussi pinda ei läbi elektrinihke voog, sest pinna sees paiknevate laengute algebraline summa on null. Järelikult on elektrivälja tugevus mistahes sellise pinna punktides null. Juhtiva keha sees ei ole elektrivälja.

Elektrostaatilise välja jõudude töö ja potentsiaal
Samuti nagu gravitatsiooniväljas paikneva keha potentsiaalne energia on võrdeline keha massiga m, on elektrostaatilises väljas paikneva laengu potentsiaalne energia pW võrdeline selle laengu suurusega q. Elektrostaatilise välja jõudude töö A laengu ümberpaiknemisel väljas võrdub selle laengu potentsiaalse energia muudu vastandväärtusega: A = -(Wp2-Wp1)
Elektrostaatilise välja energia
Samuti nagu gravitatsiooniväljas paikneva keha potentsiaalne energia on võrdeline keha massiga m, on elektrostaatilises väljas paikneva laengu potentsiaalne energia pW võrdeline selle laengu suurusega q. Elektrostaatilise välja jõudude töö A laengu ümberpaiknemisel väljas võrdub selle laengu potentsiaalse energia muudu vastandväärtusega: A = -(Wp2-Wp1)
Elektriväli dielektrikutes
Aatom on mittepolaarne- ei oma pooluseid. Kui aga aatomitest moodustub molekul , siis ei pruugi erimärgiliste laengute raskuskeskmed kokku langeda. Selliseid molekule nimetatakse polaarseteks. Kui poolusi on kaks nimetatakse laengusüsteemi dipooliks. Dielektrik on aine, milles vabade laengute hulk normaaltingimustel on väga väike.
Dielektriku polarisatsioon . Polaarsetes dielektrikutes on molekulide dipoolmomendid tavaliselt
orienteeritud täiesti ebakorrapäraselt.Kogu keha summaarse dipoolmomendi arvutamisel saame tulemuseks 0 . Kui dielektrik asetada välisesse elektrivälja muutub dielektrik polaarseks ja
omandab dipoolmomendi.Elektriväli püüab korrapärastada dipoolmomente, soojusliikumine segab seda.Polarisatsiooni tugevust iseloomustatakse aine ruumiühiku dipoolmomendiga
P = 1/” delta ”V”sum”p
Väljatugevuse nõrgenemist iseloomustatakse aine dielektrilise läbitavusega ehk konstandiga “epsilon” ,milline on alati suurem kui üks.
Piesoelektriline efekt
Senjettelektrikud on eri liiki dielektrikud, mille polarisatsioon võib tekkida iseeneslikult, välise elektrivälja mõjuta. Senjettelektriku omadused võivad tekkida ainult kristallilistel ainetel. Kui tavalistel dielektrikutel on E vahemikus 10, siis senjettidel on see vahemikus 10 000- 100 000. Polarisatsioon võib tekkida senjettelektrilistes ainetes ka mehaanilise mõjutamise teel. Seda nimetatakse piesoelektriliseks efektiks . Piesoelektriline efekt on ka räni kristallidel, mida kasutatakse ka tehnikas, näit. kvartsgeneraatorid.
Elektrimahtuvus ja kondensaatorid
Elektrimahtuvus- laeng, mis kulub keha laadimiseks teatud potensiaalini. Keha potensiaal kasvab võrdeliselt talle antud laenguga. fii-q Võrdeteguriks on 1/C C=q/fii. Elektrimahtuvus on laeng, mis tuleb anda juhile, et muuta potensiaali ühe ühiku võrra. C/v=F( farad )
Kondensaatoriks nimetatakse teineteise lähedale asetatud ja teineteisest isoleeritud elektrijuhi paari. Juhipaari mahtuvus C=q/ fii1-fii2 Kondeka mahtuvus on laeng, mis tuleb viia kondeka ühelt juhilt teisele, et muuta potensiaalide vahet ühe ühiku võrra. Laetud juhi energia võrdub laadimisel kulutatud tööga dA=fii*d*q Kondensaatori energia w=Curuut/2
Laetud kondensaatori energia
Kondensaatori mahtuvus on laeng , mis tuleb viia kondensaatori ühelt juhilt teisele , et muuta nende potensiaalide vahet ühiku võrra. Plaatkondensaatori elektrimahtuvus on võrdeline dielektriku läbitavusega , plaadi pindalaga ja pöördvõrdeline plaatidevahelise kaugusega. (vt.ka lk.10 ). C = epsilon0 epsilonS / d Laetud juhi energia võrdub laadimisel tehtud tööga. dA = fii dq Kogu töö keha laadimisel laenguni q on A = fii q / 2
Alalisvool
Ohmi seadus
Ohmi seadus- mööda homogeenset metallijuhti kulgeva voolu tugevus(I) on võrdeline pingelanguga(U) juhil. I=U/R (A) R-juhi elektritakistus (oom) R=ƿl/S l-juhi pikkus S-ristlõikepindala ƿ-elektriline eritakistus
Vooluallika kasutegur
Elektriahel koosneb reeglina vooluallikast, ühendjuhtmetest ja tarbiast e. koormusest R0-sisetakistus R-koormuse takistus. Kui R=, siis U=E seega pinge on ahelast lahtiühendatud vooluallika klemmidel võrdne tema elektromotoorjõuga. Kasuliku võimsuse suhe vooluallika kogu võimsusesse määrab allika kasuteguri.
Pk=RJ2= R=
r= r-vooluringi sisetakistus
Kirchhoffi reeglid
1.seadus: Sõlmes koonduvate voolude algebraline summa on võrdne nulliga. st. punkti tulevate ja sealt väljuvate voolude summad on võrdsed.
: ∑Ik = 0
Ahela sõlmeks nimetatakse punkti, kus koondub rohkem,kui kaks juhet.
2.seadus: Kinnises kontuuris võrdub emj. algebraline summa pingelangude (IR)
algebralise summaga .
Mistahes kinnises ahelas on pingete summa null, st. sellesse ahelasse jäävate vooluallikate elektromotoorjõudude summa on võrdne ahelas olevatel koormistel (takistitel) kujunevate pingelangude summaga.
Elektrivool metallides ja elektrolüütides
Metallides, pooljuhtides on laengukandjateks elektronid. Elektrolüütides, ioniseeritud gaasides lisanduvad veel ioonid . Vool juhis kestab hetkeni , millal juhi kõigi punktide potensiaalid on võrdsustunud ja väljatugevus juhi sees kahanenud nullini. Et vool ei lakkaks peab juhi osade potensiaalide vahet säilitama. Sellega peab äravoolanud laengud mingit teist teed mööda endisele kohale tagasi viima. Neid tagasiviivaid jõude nim kõrvalisteks jõududeks. Kõrvalisi jõude tekitav seadeldis kannab vooluallika nime. Juhte millede potensiaalide vahet säilitatakse, nim vooluallika klemmideks. Kui voolu suund juhis ei muutu, siis nim voolu alalisvooluks.
Magnetväli
Voolude vastastikune mõju
Paigalseisva laengu puhul magnetvälja ei täheldata.Magnetväli tekib koos liikuvate laengute ehk elektrivooluga. Magnetvälja põhiomadus on, et ta mõjutab välja asetatud liikuvat laengut ehk elektrivoolu jõuga. Seda nimetatakse magnetiliseks jõuks. Seega: Elektrivool on nii magnetvälja tekitaja kui ka selle mõju vastuvõtja. Amper `i seadus: Juhile avalduv jõud on võrdeline voolutugevusega ja juhi pikkusega ning oleneb juhi asendist magnetväljas ja magnetvälja tugevusest.
F = k1 B I l sin”alfa” , kus võrdetegur k1 = 1.
Liikuva laengu väli, Biot- Savart Laplace seadus
Mis tahes voolu magnetväli on arvutatav selle voolu elementide poolt põhjustatud magnetvälja tugevuste summana. Vooluelementide väljatugevus: dB=k2IdL sina*1/r ruut
a(alfa) on nurk vooluelemendi vektori IDL ja sellelt välja punkti viiva raadiusvektori r vahel ning dB vektori suund on risti mõlema vektoriga.
Sirge- ja ringvoolu väli
Magnetvälja mõju vooludele ja laengutele
Elektrivool ja magnetväli on teineteisest lahutamatud
Voolu suuna muutmisel juhis pöörduvad kõik magnetnõelad selle magnetväljas 180° võrra. Seega võib voolu magnetväja jõujoontele omistada kindla suuna, mis sõltub voolu suunast juhis.
Magnetite ja vooluga poolide erinimelised poolused tõmbuvad ja samanimelised tõukuvad.
Magnetväli aines
Elektromagnetilise induktsiooni seadus, induktsiooni elektromotoorjõud
Kinnises, ilma vooluallikata kontuuris tekkivat voolu nimetatakse induktsioonivooluks. Selle põhjustaja on magnetvoo muutumine ajas. Faraday: igas kinnises kontuuris indutseeritakse elektrivool, kui muutub kontuuri poolt aheldatud magnetvoog ajas. Lenzi: induktsioonivoolul on alati selline suund, et tema magnetväli takistab induktsioonivoolu esilekutsuvat magnetvoo muutust. El.magnet. induktsiooniseadus: kontuuris indutseeritud elektromotoorjõud on võrdeline kontuuri läbiva magnetvoo muutumise kiirusega. E=dȹ/dt
Induktsioonvoolu , nagu igasugust elektrivoolu , tekitab mingi
elektromotoorjõud. Vastavad kõrvaljõud on magnetjõud.Need tekitavad
induktsiooni elektromotoorjõu εi .
Magnetvälja energia
Magnetvälja tekitamiseks tuleb kulutada elekrienergiat ja vastupidi: kadumisel indutseerib magnetväli elektromotoorjõu ja voolu, see tähendab, et magnetvälja energia muundub elektrienergiaks.
Energia, mis salvestub magnetväljas voolu suurenemisel nullist I-ni, väljendub valemiga
WM
Magnetvälja energia dþaulides
L
Induktiivsus henrides (H)
I
Vool amprites
Ψ
Aheldusvoog veebrites (Wb)
Vahelduvvool
Aktiivtakistis läbiv vahelduvvool (JOONIS. Vasakpoolne)
Aktiivtakisti puhul on pinge- ja vooluvektor ühes suunas ehk pinge ja vool on faasis
Induktiivpooli läbiv vahelduvvool(JOONIS. Keskmine)
Kui rakendame poolile vahelduva pinge ,tekib poolis vahelduvvool, mis indutseerib eneseinduktsiooni elektromotoorsejõu.
Kui eeldame, et poolis R ~ 0, siis vastavalt ohmi seadusele tekib takistus, mida
nimetatakse induktiivseks reaktiivtakistuseks ja tähistatakse xL = ωL
Pingelang pooli otstel edestab pooli läbivat voolu faasis 90’ võrra.
Kondensaatorit läbiv vahelduvvool(JOONIS. Parempoolne)
Olgu vahelduvpinge rakendatud kondensaatorile C . Kondensaatori pideva
ümberlaadimise tõttu kulgeb vooluringis vahelduvvool. Kui eeldada, et kondensaatoris R
~ 0, siis vastavalt ohmi seadusele tekib takistus, mida nimetatakse mahtuvuslikuks Joonis on Vektordiagrammina. Vektordiagramm on perioodiliselt muutuvate suuruste väärtuste ja suurustevahelise seoste graafiline vektorite abil esitatud kujutis.
reaktiivtakistuseks ja tähistatakse xc=1/ωC
Pinge kondensaatoril jääb teda läbivast voolust faasis maha 900 võrra .
Optika
Fermat printsiip, valguse peegeldumis - ja murdumisseadus :
Fermat’ printsiip: valgus levib mööda sellist teed, mille läbimiseks kuluv aeg on minimaalne.
Valguse sagedus ja lainepikkus
Valguse värvuse määrab ära sagedus; muutub lainepikkus ja levimiskiirus. c = l * f
Valguslainetel nagu ka kõigil elektromagnetlainetel on omadus interfereeruda omavahel, omandada lineaarset polarisatsiooni ja painduda.
Valguse intensiivsuse mõõtühikud
ainest läbiminekul valguse intensiivsus väheneb - valgus neeldub aines. Elektronide võnke amplituud ning ka valguse neeldumine on kõige suurem resonantssagedustel. Seetõttu valguse neeldumine aines sõltub ainest ja on selektiivne, st. eri värvi valgus neeldub erinevalt.
Valguse intensiivsuseks Φ nimetatakse pinnaühikult ühes sekundis kiiratud energiavoogu
Valgustugevuse I mõõtühikuks on kandela : 1 cd kiirgab absoluutselt must keha 1/60 cm² suuruse pinnalt normaali suunas temperatuuril 2042,5 K
Valguse interferents ja difraktsioon
Ideaalne tasalaine on laine, millel on üks kindel lainepikkus, sagedus ja võnkeperiood . Valguse puhul meie silm edastab eri lainepikkusega lainetest erinevaid värvusaistinguid vahemikus 0,4-0,75µm(valguse spektrivärvid) Polükromaatiline kiirgus ei oma kindlat lainepikkust, sagedust ja perioodi. Nende lainete liitmisel ei teki piisavat interferentsipilti. Lainete korral on olemas *interferentis maksimum-valguslained tugevdavad teineteist *miinimum, kus lained kustutavad teineteist Interferentsinähtuste rakendamine *gaasi murdumisnäitaja määramine *täpseks pikkuse ja nurkade mõõtmiseks *pindade töötluse kvaliteedi hindamiseks
Difraktsiooniks nimetatakse geomeetrilise optika seaduspärasustest kõrvalekaldumisenähtust valguse levimisel, mis on tingitud valgusele ette jäävatest tõketest.
See avaldub kõige selgemini valguse levimises geomeetrilise varju piirkonda.
Printsiip: Kõiki valguslaine frondi punkte võib vaadelda uute valgusallikatena, millest
Difraktsioonivõreks nimetatakse üksteisega paralleelsete pilude süsteemi.
Valguse polarisatsioon
võnkumise sihi ja kiiruse
poolt määratud tasandit nim. polarisatsioonitasandiks. Loomulikus valguses vahelduvad erisihilised võnkumised üksteisega kiirelt ja korrapäratult. Valgust, milles võnkumiste sihid on mingil viisil korrastatud nim. polariseerituks.
Kui valgusvektor võngub ainult ühes tasandis , siis nim valgust lineaarselt polariseerituks.