Füüsika II konspekt - ELEKTROSTAATIKA (5)

ELEKTROSTAATIKA
Elektrilaeng- osakese elektriline vastastikmõju seda ümbritsevate kehadega sõltub selle elektrilaengust. Samanimelite laengutega kehad tõukuvad, erinimelised tõmbuvad. Sama hulga ni neg kui ka pos korral on kehad neutraalselt elektriseeritud , vastasel juhul keha omab laengut ja on kas positiivselt või negatiivselt elektriseeritud.
Elektrijuhid- materjalid, millede küllaldane arv laetud osakesi võivad vabalt ümber paikneda, isolaatorid ehk mittejuhtide laetud osakesed ei oma vabaltliikumist.
Colomb’i seadus- kirjeldab elektrostaatilisi jõude kahe väikese liikumata laengu q1 ja q1 vahel, mis asuvad üksteisest kaugusel r
vaakumi dielektriline läbitavus
Laetud elementaarosakeste korral on nendevaheline gravitatsiooniline vastastikmõju võrreldes elektrilise vastastikmõjuga tühine ja seda pole vaja üldjuhul arvestada.
Elementaarlaeng - kõik suurtel kehadel olevad laengud on mingi vähima laengu täisarvkordsed. Elementaarlaeng on jääv suurus ja isolaatorite süsteemi kogulaeng on muutumatu
Elektriväli

• seotud keha elementaarlaenguga ja esineb laetud kehade ümber
  
• põhiomaduseks on laetud kehade mõjutamine
  
• elektriväli levib vaakumis valguse kiirusega
  

Elektrivälja tugevuse vektori definitsioon- elektrivälja tugevus suvalises punktis on defineeritud elektrostaatilise jõu kaudu, mis mõjub sellesse punkti asetatud positiivsele proovilaengule Suund on määratud positiivse laengule mõjuva suurusega.
Elektrivälja jõujooned- võimaldavad visualiseerida elektrivälja suurust ja suunda. Elektrivälja vektor välja suvalises punktis on seda punkti läbiva jõujoone puutujavektor. Jõujoone tihedus mistahes välja piirkonnas on võrdeline elektrivälja suurusega antud piirkonnas Jõujooned alagavad positiivsest laengust ja lõppevad negatiivses laengutel.
Elektrivälja superpositsiooniprintsiip - kui antud punktis tekitavad elektrivälja mitmed laengud, siis kogu elektrivälja tugevus on võrdne potentsiaalide summaga . E= E1 + E2 +...+ Ei=ΣEi
Gaussi teoreem- elektrivälja tugevuse E vektorvoog läbi kinnise pinna on võrdeline selles pinnas olevate laengute algebralise summaga ja pöördvõrdeline elektrilise konstandiga..; : -elektrivälja konstant
Punktilaengu elektriväli- punktilaeng q elektriväli punktis, mis asub kaugusel r laengust, avaldab kujul punktilaengu väli E on suunatud laengust eemale, kui laeng on positiivne ja laengu poole, kui laeng on negatiivne
Tasandi elektrivali – E=σ/2ε0
Erinimeliselt laetud tasandi elektrivali – E=σ/ε0
Sfääri elektrivali – kui r>R(kogu valja tekitav laeng q jaab pinna sisemusse ), kus r – kaugus
keskpunktist ja R – sfaari raadius, siis E(r) = 1/(4πε0)*q/r2 kui r=R, siis E(R) = σ/ε0 kui r=1, Diamagneetikud >1, ferromagneetikud säilitavad magnetilise kadumisel oma välimised omadused.
Näitab mitu korda on magnetvälja tihedus selles keskkonnas suurem kui vaakumis.
ELEKTROMAGNETILINE INDUKTSIOON JA VAHELDUVVOOL
Magnetvoog on füüsikaline suurus, mis näitab magnetilist suutlikust läbida vaadeldavat pinda
Tähis: (Fii)
Ühik: 1 Wb (veeber)
Põhivalem: 
kus
(Fii) on magnetvoog,
on pinna magnetinduktsioon
on pinna pindala ja
(beeta) on nurk pinna normaali ja magnetvälja suuna vahel.
Elektromagnetilise induktsiooni nahtus – Kinnises juhtivas kontuuris tekib magnetilise
induktsiooni voo muutumisel labi selle kontuuri poolt piiratud pinna elektrivool . Induktsioonvoolu
suurus on maaratud ainult voo muutumise kiirusega (dϕ/dt) Pooriselektrivalja joujooned on
kinnised kontuurid.
Elektromagnetilise induktsiooni seadus – Induktsiooni emj on arvuliselt vordne kontuuri labiva
magnetvoo muutumise kiirusega έ= Δϕ/Δt
Lenzi reegel – Induktsioonvool on alati suunatud selliselt , et ta mojub vastu teda esilekutsuvale
pohjusele. e= -ϕ.
Eneseinduktsiooni nahtus – Muutuv vool indutseeriv emj samas juhis, mis puuab takistada
voolukasvu. Isel elektrivooli inertsust.
Induktiivsus - eneseinduktsiooni elektromotoorjõud on võrdeline voolutugevuse muutmumise kiirusega, mida nimetatakse ka juhi induktiivsuseks.
ühik 1H, on sellise juhi induktiivsus, milleks voolumuutmine 1A võrra 1-es sekundis tekitab eneseinduktsiooni elektromotoorjõu 1V. Suurt induktiivsust omavad ferromagneetilisest ainest südamikuga poolid. Iseloomustab elektrivoolu inertsust voolutugevuse muutumise suhtes.
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
EM
Magnetvälja energia dþaulides
L
Induktiivsus henrides (H)
I
Vool amprites
induktiivtakistus mahtuvustakistus
kogutakistus X= sqrt (Rruut+(Xc-Xl) ruudus )
Vahelduvvoolu tekitamine – vahelduvvool e elektrivool, mille korral voolutugevus perioodiliselt
muutub. Eestis 50 Hz. Juhtivast materjalist raam pindalaga S pannakse magnetvaljas poorlema
nurkkiirusega ω. Raamis tekib emj, mis muutub harmooniliselt, max emj on vordeline magnetilise
induktsiooni, raami pindala ja ω ga. Kui raam uhendada vooluringi, tekib vahelduvvool, mis
muutub harmooniliselt i=I0sinωt funts jargi . Vahelduvvoolu tekitab generaator .
Voolutugevuse ja pinge efektiivvaartused – voolutugevuse efekt vaartus on alalisvoolutugevus,
mille korral eraldub juhis samasugune soojushulk nagu vahelduvvoolu korral. Kui vahelduvvoolu
efekt vaartus on 1A, siis I=Im/√2. Pinge efektiivvaartus U=Um/√2 Efektiivpinge 237V
Mahtuvuslik ja induktiivne takistus – mahtuvustakistuse puhul voolutugevuse maksimum
ennetab pingemaksimumi π/2'ndik perioodi vorra Rc=1/ωC. Induktiivse takistuse puhul on
voolutugevuse max pinge mksimumist π/2'ndik perioodi vorra hiljem. RL=ωL
Faaside vahe pinge ja voolutugevuse vahel-
Ohmi seadus vahelduvvooluringis(näitab kuidas 3 takistust koos mõjuvad)- Vahelduvvoolu korral kehtib seos
 , kus

• I on juhis kulgeva ja vooluahelat läbiva voolu tugevus
  
• U on pinge
  
• Z on vahelduvvoolu vooluringi lõigu näivtakistus.
  

Vahelduvvoolu korral esineb kolme liiki elektritakistust: aktiivtakistus (), induktiivtakistus () ja mahtuvustakistus ().X=sqrt(Rruut+(Xc-Xl)ruudus)
Vahelduvvoolu võimsus ja võimsustegur- P = I *U* cosφ, kus. I - voolutugevuse efektiivväärtus,. U - pinge efektiivväärtus ja φ - voolutugevuse ja pinge faaside vahe Voimsus on maksimaalne kui pinge ja voolutugevus on samas faasis (cosα=1)
Võimsus tegur
Pingeresonants - See tähendab, et madala sageduse juures on ülekaalus mahtuvustakistus ja kõrge sageduse juures induktiivtakistus. Sujuval sageduse muutmisel võib leida sageduse, mille juures pingekolmnurk taandub sirglõiguks. Vool on pingega faasis. ja vooluringi kogutakistuse määrab ainult aktiivtakistus. Niisugust olukorda nimetatakse pingeresonantsiks ja sagedust resonantssageduseks. Xl=Xc ja järelikult Ul=Uc, kus Uc-Ul=0
Kolmefaasiline süteem- Kolmefaasilist vahelduvvoolusüsteemi kasutatakse elektrijõumasinates ning ülekande- ja jaotusvõrkudes. Sellise süsteemi eeliseks on elektriliinide ja trafode väiksem materjalikulu. Veelgi olulisem on, et kolmefaasilise voolu pöörlev magnetväli võimaldab ehitada töökindlaid ning väga lihtsaid elektrimasinaid
Elektrienergia ülekanne- elektrienergia on üks laiemalt tarbitavaid energiavorme ning suur osa erinevatest allikatest saadavast primaarenergiast muudetakse elektrienergiaks. Elektrit toodetakse elektrijaamades, kõrgepingeülekandevõrkude kaudu kantakse üle tarbimispiirkondadesse ning jaotatakse tarbijatele kesk- ja madalpingejaotusvõrkude abil.[1] Elektrijaamades toodetud elektrienergiat ei saa suurtes kogustes salvestada , vaid tuleb kasutada otsekohe peale saamist, seepärast on vaja elektrienergiat üle kanda ka suurte kauguste taha. Elektrienergia transportimise oluliseks probleemiks on võrkude energiakaod . Kuna ülekandekaod on väiksemad kõrgemate pingete kasutamisel , siis kasutatakse transpordiks kõrget pinget, mida tarbija poole järjest alandatakse.
ELEKTROMAGNETVÕNKUMINE JA LAINE
Võnkering on lihtsaim süsteem, milles võib tekkida elektromagnetiline vabavõnkumine. Võnkering koosneb kondensaatorist ja selle katetega ühendatud induktiivpoolist.
Vaba elektromagnetvonkumine – Kondensaator hakkab tuhjenema ja tekitab induktiivpoolis
muutuva voolu. Kui kondensaator on tuhjenenud, siis vool ei lakka, vaid kondekas laadub uuesti,
kuid vastupidiselt esialgse olukorraga. Tekib vaba elektromagn. vonkumine, mis on sumbuv ja
harmooniline. Thompsoni valem vonkeperioodi kohta: T=2π√LC , kus L=vonkeringi indukt, C
kondeka mahuvus.
Elektromagnetiline isevonkumine – tekib vonkeringis, kuhu antakse perioodiliselt energiat juurde.
Vonkuv susteem taiendab ise valisest energiaallikast oma energiavarusid. N: korgsagedusgenekas
Korgsagedusvonkumiste saamine – Tagasiside- Vastuvotjaks peaks olema samasuguste
parameetritega avatud vonkering nagu saatjal. Vastuvotu vonkeringis toimub sobiva vonkumise
eraldamine resonantsi abil. Omasagedusest erinevad vonkumised sumbuvad.
Avatud vonkering – Kondeka plaatide teineteisest kaugemale nihutamisel ja nende pindalade
vahendamisel ning pooli pikemaks venitamisel (juhtmeks) vonkeringi sagedus suureneb.
Suurenevad nii elektrivalja kadu plaatidel kui magnetvalja kadu poolis. Avatud vonkeringis on
vaike induktiivsus ja mahtuvus , kuid suur korgesageduslik elektromagnetvali.
Elektromagnetlaine abil info edastamine – Saateantennist edastatud elektromagnetlained levivad
vastuvotuantennini kutsudes selles esile saateantenniga sarnase sagedusega elektromagnetvonkumised.
TV pohimote: Raadiolainete joudmisel vastuvotjani eraldatakse moduleeritud
korgsagedusvonkumisest madalsageduslik komponent ja taastatakse moduleeriv vonkumine.
Telefon: info levib valguskaablis optilise elektromagnetlainena. Levib rislainena, kiirus lahedane
valguse kiirusele. Laine levimiskiirus oleneb keskkonna elektrilisest ja magnetilistest omadustest.
Moduleerimine-Raadiolainete levikut kindlustavad korge sagedusega lained, neid edastavad aga
madala sagedusega vonkumised. Moduleerimine ongi kandesageduste (korgete sageduste) mojutamine madalate e edastussagedustega.
Resonants vastuvotjas – Raadiotehnikas voimaldab resonants signaalide selektiivset vastuvottu e
raadio- voi tv-sagedusele haalestamist.
Demoduleerimine – kaugsides protsess analoogsignaalide vastuvotmiseks ja nende digitaalkujule
muundamiseks.
Analoogsinaal – signaal , milles andmeid esitav tunnussuurus voib igal hetkel omandada suvalise
vaartuse mingist kindlast vahemikust. Naiteks voib analoogsignaal tapselt jargida mingi teise
andmeid esitava fuusilise suuruse parameetreid. x(t)=A cos(2πf t)
Digitaalsignaal – diskreetsignaal, milles andmed esitatakse lopliku arvu tapselt maaratletud
diskreetsete vaartustega, mida ta uks tunnussuurustest voib omandada ajas. ω=2πf;
x(n)=A*cos(ωn+φ)
Elektromagnetlaine levimise soltuvus lainepikkusest – levikut kirjeldatakse lainepikkuse kaudu.
Laine levimise kiirus on v=f*λ Eristatakse skaala jargi – vasakul madalasageduslikud ja pikad,
paemal korgesageduslikud ja luhikesed lained. EML omadused soltuvad nende lainepikkusest.
Raadiolained on eml'dest koige pikemad . Luhemad lained levivad sirgjooneliselt ja ei levi tokete
taha. EML peegelduvad juhtidelt tagasi ja raadiolainete levikuks on tingimata vajalik ionosfaari
olemasolu.
OPTIKA
Geomeetrilise optika pohilised seadused – ehk kiirteoptika a) homogeenses keskkonnas levib
valgus sirgjooneliselt ja vaakumis kiirusega c=300 000 km/s b) uks valguskiir ei sega teiste
levimist. Langev kiir peegeldub sama nurga alt tagasi, millega ta langeb. c) murdumisseadus – kahe
labipaistva keskkonna lahutuspinnal valguskiir murdub, langemis ja murdumisnurga siinus on jaav.
sinα/sinβ = n = v1/v2
Fotomeetria- optika haru, mis tegeleb valgusenergia mõõtmisega.
Valgusvoog- on kiirgusvoog , mis on fikseeritud silma kui instrumendi karakteristiku järgi. Ühik luumen [lm] -> [Φ]SI = 1cd*1sr = 1lm.
Ruuminurk -
Steradiaan (tähis sr) on ruuminurga mõõtühik. Steradiaan on tipuga kera keskmesse toetuv ruuminurk, mis eraldab kera pinnal raadiuseruuduga võrdse pindala.
Valgustugevus - on ühikulise ruuminurga kohta tulev valgusvoog. Valem:I=dΦ/dΩ. Ühik: [I]SI = 1cd ( kandela ).
Valgustatus- ehk valgustustihedus E on füüsikaline suurus, mis iseloomustab pinnaühikule langevat valgusvooguehk täpsemalt valgusvoo tugevust. Valgustatust mõõdetakse luksides (lx).
Lääts- on läbipaistvast ainest keha, mis koondab või hajutab valgust.
Läätsi liigitatakse kumer- ja nõgusläätsedeks. Kumerlääts on keskelt paksem ,nõguslääts on aga keskelt õhem kui servast. Kumerlääts koondab valgust, nõguslääts hajutab valgust. Läätsena toimib kumerate pindadega läbipaistvast ainest keha siis, kui keha materjali murdumisnäitaja erineb ümbritseva keskkonna murdumisnäitajast. Koondav lääts tekitab tõelise ümberpööratud suurendatud või vähendatud kujutise või näilise päripidise suurendatud kujutise. Koondavat läätse saab kasutada luubina. Hajutav lääts annab näilise päripidise vähendatud kujutise.
Läätse iseloomustavad suurused on fookuskaugus ja optiline tugevus.
Kiirte kaik –koonduv laats – optilise peateljega parallelne kiir labib peale laatses murdumist
fookuse , optilist keskpunkti labiv kiir ei muuda suunda, paralleelsete kiirte kimp koondub
fokaaltasandis. Hajuv laats – optilise peateljega paralleelne kiir murdub nii, et tema pikendus loikab
fookust. Optilist keskpunkti labiv kiir ei muuda suunda, fokaaltasandis koonduvad paralleelsete kiirt
pikendused .
Kujutise konstrueerimine – optilise peateljega paralleelne kiir labib fookuse, optilist keskpunkti
labiv kiir ei muuda suunda, paralleelsete kiirte kimp koondub fokaaltasandis.
Toeline kujutis – tekib kohas, kus koonduvad esemelt lahtuvad kiired.
Nailine kujutis – tekib kohas, kus koonduvd kiirte pikendused.
Optiline tugevus D=1/f [dptr]
Suurendus s – s=H/h=k/a
Sfaariline peegel – sile kerapinna osa, millelt valgus peegeldub. Jaotatakse nogusateks/kumerateks.
Analoogia laatsega: nogus peegel – koonduva laatse omadused; kumer peegel – nogusa laatse
omadused. Fookuskaugus f=R/2
Optilised riistad-luup – suurendusklaas, millena voib tootada iga kumerlaats ja mille optiline
tugevus jaab vahemikku 10-40 dptr, mis tagab suurenduse 2,5-10x
Mikroskoop – suurendus 20-2000x Koosneb 2st laatsest – objektiivist ja okulaarist. Ese asetatakse
mikroskoobi kasutamisel objektiivi fookuskaugusest vahe kaugemale, seljuhul saadakse esemest
suurendatud toelise kujutise, mida vaadeldakse omakorda okulaari kui luubiga ja saadakse
omakorda suurendatud kui nailine kujutis.
Teleskoop – koosneb objktiivist ja okulaarist. Kaugetest esemetest tuleb pikksilma paralleelne
kiirtekimp, mis tekitab kujutise objektiivi fookuses. Seda vaadatakse okulaari ja luubiga. Objektiivi
ja okulaari fookused langevad kokku ja pikksilmast valjub paralleelne kiirtekimp. Teleskoop
suurendab vaatenurka.
Valguse laineomadused – difraktsioon , interferents , polarisatsioon , dispersioon, peegeldumine ,
murdumine.
Difraktsioon – laine paindumine tokete taha (varju piirkonda). Jalgitav vaikeste avade ja tokete
korral.
Interferents (max ja min) – Lainete liitumine, mille tulemusena lained tugevdavad voi
norgendavad teineteist. Maksimum, kui liituvad samas faasis olevad lained, kui kaiguvahe Δ on
taisarv lainepikkusi. Kui Δ=2k*λ/2, kus k=0,2,4 Miinimum, kui liituvad vastasfaasides olevad
lained, kui kaiguvahe on paaritu arv poollainepikkusi. Δ=2k+1*λ/2, kus k=1,3,5
Difraktsioonvore – kujutab endast paljude paralleelsete pilude susteemi . Seda isel vorekonstant
d=a+b, kus a= pilu laius ja b= piludevahelise ala laius. Kui vorele langeb valgus, mis sisaldab
erineva λ komponente, siis tekkivad maksimumid on jalgitavad erinevates suundades. d*sinα=k*λ,
kus k= 0, }1,}2 jne.
Valguse polarisatsioon – Valgusallikast lahtuvas valguses toimuvad elektri-ja magnetvalja vonked
koikides valguse levimissuunaga risti olevates sihtides, polariseeritud valguses vaid uhes maaratud
sihis. Polarisatsioon naitab, et valguslained on ristlained .
Polaroid – kristall , mis vaanab valguslaine meile vajalikus suunas
Dispersioon – murdumisnaitaja soltuvus valguse lainepikkusest. Mida suurem on valguse sagedus,
seda suurem on murdumisnaitaja. N=sinα/sinβ