TKTK esimese aasta füüsika eksam (0)

ELEKTROSTAATIKA
1) Elektrilaeng ja -väli
Elektrileng(+elementaarlaeng) ja laengu jäävuse seadus(+valem, näide)

• Elektrilaeng on mikroosakese fundamentaalne omadus, mis iseloomustab osakeste võimet avaldada erilist (elektrilist) mõju ja ka ise alluda sellele mõjule.
  
• Elementaarlaeng on 1,6*10-19 C
  
• Elektriliselt isoleeritud süsteemis (s.o. süsteemis, kuhu ei tule elektrilaenguid juurde ja kust neid ei lahku) on elektrilaengute algebraline summa jääv. q1+q2...+qn= const
  

Elektriväli(välja kujutamine jõujoontega/joonis)

• Elektriväli-Laengu elektriväli on materiaalne objekt, ta on ruumiliselt pidev ja võib mõjutada teisi elektrilaenguid.”
  

Elektrivälja tugevus(valemid ja mõõtühikud)

• Elektrivälja tugevus = väljapunkti asetatud ühiklaengule (q0=1C) mõjuv jõud
  
• 
  

2)Elektriväli aines-dielektrikud
Polaarne ja mittepolaarne dielektrik, dielektrikd välises elektriväljas(joonis)

• Mittepolaarse dielektriku aatomid (molekulid) näevad normaaltingimustel neutraalseks tänu mõlema laengu (+ ja –) “raskuskeskmete” kokkulangemiseleb( Klaasid / Keraamika • Kummid • Parafiin • Õhk)
  
• Polaarse dielektriku aatomite (molekulide) erimärgiliste laengute raskuskeskmed ei lange kokku (Distsilleeritud vesi • Piiritus )’
  

Indutseeritud ja summaarne väli elektriku sees, dielektriline läbitavus.

• Indutseeritud laeng mittepolaarses dielektrikus tekib tänu neutraalsete molekulide polarisatsioonile (erinimelised molekuli osad nihkuvad erinevates suundades, osaliselt deformeerudes molekuli) ja nende järgenvale ümberorienteerumisele
  
• Mõlemal juhul tekitab laengute nihkumine täiendava elektrivälja, mida nimetatakse indutseeritud väljaks E’, mis on vastupidine välise väljaga E0.
  
• Keskkonna dielektriline läbitavus ε näitab, mitu korda on elektrivälja tugevus E homogeenses dielektrikus väiksem väljatugevusest E0 vaakumis
  
• ε = Evak /Edil >1
  

3)Juhid ja kondensaatorid
Juhid, juht välises elektriväljas, elektriväli juhi sees (+joonis)

• Juhtideks nimetatakse kehi, milles laengud võivad elektrivälja mõjul vabalt liikuda
  
• Elektronkatte väliskihi elektronid on nõrgalt seotud aatomituumaga, nendel on palju energiat, mille arvel nad moodustuvadki juhi sees nn. elektrongaasi
  
• Enamik metalle/ Hape ja soola vesilahused / Hõõggaasid ja teised ained / Inimese keha
  
• Juhi sees on elektrivälja tugevus null (elektronide külluse tõttu)
  

Elektrostaatiline ekraneerimine (+selgius ja rakenduste näited)

• Elektrivälja puudumisel igas elementaarruumalas olev negatiivne vaba laeng on kompenseeritud positiivse ioonkristallvõrega
  
• Elektrivälja mõjul toimub erinimeliste laengute eraldumine, negatiivsed laengud liiguvad elektritugevusega vastupidises suunas
  
• Juhi pinnal tekib nn. pinna laeng või indutseeritud laeng
  
• Juhtide (kondansaatori katete) vaheline ruum on täielikult ekraniseeritud
  
• N: piksekaitse , kõrgepingeliinid
  

Kondensaator ja elektrimahtuvus(mõõtühik,millest see oleneb, rakenduste näiteid)

• Elektrostaatikast on pärit ka üks "tehniline objekt" – kondensaator
  
• Kondensaator on kahe juhi süsteem, millest üks asub teise õõnsuses või Øteineteise lähedale asetatud ja teineteisest isoleeritud elektrijuhi paar.
  
• Kondensaatori mahtuvus on laeng , mis tuleb viia kondensaatori ühelt juhilt teisele , et muuta nende potensiaalide vahet ühiku võrra
  
• Näited:1. Välklamp fotograafias – laetud kondensaator tühjeneb kiiresti (samuti ka laserimpulsi saamiseks) 2. Kondensaator võib käituda amortisaatorina, siludes elektriahelas järske pingemuutusi3) Võnkering, mis on kogu raadioside aluseks, koosneb kondensaatorist ja induktiivpoolist 4) Arvuti detailide ühendamisel käituvad ühenduskohad kondensaatoritena 5) Kondensaatoriga käivitatakse auto turvapadi 6) Ülikondensaatoreid kasutatakse mäluseadmetes
  

Kondensaatorite rööp-ja jada ühendus(joonised ja valemid) Skitseerida paberilt valemid ja skeemid.
ALALISVOOL
4) Elektrivool , Ohmi seadus ahela osa kohta
Elektrivool (suund), voolutugevus ja voolutihedus (valemid/mõõtühikud)

• Elektrivool on igasugune laengute korrapärane (suunatud) liikumine.
  
• Voolutugevus on ajaühikus juhi ristlõiget läbinud elektrilaeng
  
• Voolu suunaks loeme kokkuleppeliselt positiivsete laengute liikumise suunda. Voolutugevus sõltub laengukandjate arvust ja kiirusest
  
• Voolutihedus on juhi ühikulist ristlõiget läbiv voolutugevus
  

Ohm’i seadus ahela osa kohta (valem)

• Ohm’i seadus (1986) Voolutugevus juhis on võrdeline pingega
  
• St. kui pinge suureneb n korda, suureneb n korda ka voolutugevus (lineaarne sõltuvus )
  
• Juhi takistus R on juhti elektrijuhtimist iseloomustav suurus, mis defineeritakse kui Ohm'i seaduses oleva võrdeteguri pöördväärtus
  
• 
  

Takistuste jada- ja rööplülitus(joonis ja valemid)

• Jadalülituse korral on meil üks mittehargnev mitmest takistist koosnev vooluring .
  
• Et ahel on lineaarne, peab vool läbi kõigi tarbijate olema ühesugune
  
• JADA:
  
• Rööplülituse korral on pingelang kõigil takistitel ühesugune
  
• Rööp:
  

5)Elektromootorjõud ja Kirchoff ’i reeglid
Kõrvaljõud, kõrvaljõu elektromootorjõud(valem)

• Alalisvoolu saamiseks peab juhi ühest otsast kandma laenguid tagasi teise otsa väljaspool juhti mitteelektrostaati liste jõudude mõjul ehk kõrvaljõudude mõjul
  

Kõrvaljõud teostavad laengute pumpamist eesmärgiga saada meie poolt väljavalitud juhis püsiv vool
Kõrvaljõud liigutavad laenguid elektrijõududele vastupidises suunas, hoides potentsiaalide vahe jäävana

• Seadet , kus toimub laengute üleviimine kõrgemale potentsiaalile, nimetatakse vooluallikaks ja selle seadme poolt ühiklaengu üleviimisel tehtud tööd tema elektromotoorjõuks
  

Elektromotoorjõud (emj) ε on töö, mida teevad kõrvaljõud ühikulise laengu (1 C) üleviimisel
Elektromotoorjõud on maksimaalne pinge, mida antud vooluallikas üldse suudab tekitada – allikapinge
Ohm’i seadus kogu vooluringi kohta(valemid,skeem)

• Ohm’I seadus suletud ahela (kogu vooluringi) kohta:
  

Kirchoff’i reeglid(valem ja joonis)

• Esimene reegel: Hargnemispunktides voolude summa on null, kusjuures sisenevad voolud loetakse positiivseteks, väljuvad voolud – negatiivseteks e. summaarne vool hargnemispunktis on null.
  

• Teine reegel: Kinnises kontuuris elektromotoorjõudude ε summa võrdub pingelangude (RI) summaga takistitel, kusjuures emj on positiivne, kui kontuuri ringkäigu suund ühtib emj allika poolt tekitatud voolu suunaga ja pinge on positiivne, kui valitud haruvoolu suund ühtib kontuuri valitud ringkäigu suunaga.
  

6) Voolu töö ja võimsus, Vooluallika kasutegur
Joul- Lenz ’i seadus, juhtmed eralduv soojus (valem)

• Kasutades Ohm’i seadust ahela osa kohta võib sellele anda veel kaks kasulikku kuju:
  

• Voolu võimsus on järelikult:
  

Kuidas põlevad erineva takistusega lambid rööp- ja jadalülitamisel (ja miks)?
Vooluallika kasutegur (sõltuvua kasulikust võimsusest) VB

• Allika kasutegur on kasuliku võimsuse ja koguvõimsuse suhe
  
• Maksimaalse võimsuse saame kätte vooluallikast sise- ja välistakistuse võrdsuse korral R = r
  
• Maksimaalse võimsuse korral on vooluallika kasutegur 50%
  
• 
  

ELEKTROMAGNETISM
7)Magnetostaatika
Magnetväli , magnetvälja jõujooned(võrdlus elektrivälja jõujoontega)

• Magnetväli eksisteerib (ainult) liikuva laengu ümber ja seda on võimalik avastada liikuvale laengule mõjuva jõu kaudu. Elektrivool on nii magnetvälja tekitaja kui ka mõju vastuvõtja. Magnetväli on dünaamiline efekt nii tekitamise kui ka avastamise seisukohalt. Magnetväli on matemaatiline kirjeldus sellest, kuidas see mõjutab elektrivoolu ja magnetilisi materjale.
  
• Magnetvälja jõujooned on suletud kõverad (ei ole algust ega lõppu). Jõujooned näitavad magnetilise induktsiooni vektori (B) suunda
  
• 
  

Amper ’i jõud, selle suund, jõu avastamise põhilised katsed (+valem,joonis)

• Ampere uuris voolu ja magnetvälja vastasmõju ning sõnastas seaduse: Juhile avalduv jõud on võrdeline voolutugevusega ja juhi pikkusega ning oleneb juhi asendist magnetväljas ja magnetvälja tugevusest.
  
• F = IBsinα
  

F – Ampere’i jõud • B – magnetiline induktsioon • I – voolutugevus • l – juhtme pikkus • α – nurk magnetvälja suuna ja juhtme vahel
Lorentz’i jõud, selle suund (valem,joonis)

• Üksikule laetud osakesele e mõjuvat jõudu nimetatakse Lorentz’i jõuks.
  
• j = I*S
  

8) VOOLU MAGNETVÄLI JA MAGNEETIKUD
Diamagneetikud (χ • Magnetiline vastuvõtlikkus χ on negatiivne ja väike ja konstantne • (Ainult ülijuhis on see täpselt –1)
• Indutseeritud väli on algväljale vastupidise suunaga
Diamagneetikute aatomi magnetmoment on 0, nt. täiesti kerasümmeetrilise elektronide liikumise puhul
• heelium , argoon , neoon, vask, berüllium, süsinik jt.
§ Välises väljas hakkab diamagneetiku elektroni orbiit vurritaoliselt pretsesseeruma nii, et nurk magnetmomendi ja välja suuna vahel säilib –> lisaringvoolu tekkimine –> lisamagnetmoment
Need lisamagnetmomendid püüavad takistada magnetvälja kasvu – diamagneetikutes tekkiv väli on vastupidine nendele mõjuvale magnetväljale.
Kokkuvõttes väheneb aines magnetinduktsioon võrreldes välise välja magnetinduktsiooniga
Diamagnetiline effekt on omane kõikidele aatomitele. Siiski jälgitav ainult siis, kui aatom ei oma magnetmomenti ilma välise väljata.
Paramagneetikud (χ > 0, µ > 1) • Magnetiline vastuvõtlikkus χ on positiivne ja väike ja konstantne
• Väljad on samasuunalised
VB!!!! Feromagneetik on aine, mis tahkes olekus võib välise välja puudumisel olla magneetunud
§ Nad on püsimagnetid.
• Raud, nikkel , koobalt, gadoliinium , nende sulamid ja ühendid
§ Ferromagnetism pole klassikalise füüsikaga põhjendatav
§ Ferromagneetiku magneetumust annab väga hästi kirjeldada hüstereesisilmusega
§ Curie punkt: temperatuur, mille juures ferromagneetik kaotab omadused.
HÜSTEEREESILMUS
9) ELEKTROMAGNETISM
Elektromagnetiliseks induktsiooniks nimetatakse elektrivoolu tekkimist juhtivas kontuuris (näiteks suletud juhtmekeerus), kui muutub selle kontuuri pinda läbiv magnetvoog .
Elektromagnetilise induktsiooni poolt põhjustatud elektrivoolu nimetatakse induktsioonivooluks.
VOOLU TEKITAMINE
Näiteks tekib elektrivool paljudest juhtmekeerdudest koosnevas poolis, kui viimase läheduses või sees liigutada püsimagnetit.
Faraday SEADUS : Ajas muutuv magnetväli tekitab elektrivälja ja ajas muutuv elektriväli omakorda magnetvälja.
Valem:
Lenz’i reegel: Indutseeritud magnetvoo muutus on alati vastupidine seda põhjustava magnetvoo muutusega. Indutseeritud magnetvoo muutus on alati vastupidine seda põhjustava magnetvoo muutusega.
Eneseinduktsiooni nähtus – voolutugevuse muutumine juhtmes tekitab sellessamas juhtmes induktsiooni elektromotoorjõu. Lihtsamalt öeldes näitab induktiivsus vaadeldava juhtmesüsteemi inertsust temas toimuvate voolu muutuste suhtes.
Võrdetegur L – kontuuri induktiivsus kirjeldab magnetvoo olenevust kontuurist, selle kujust , mõõtmetest, keskkonna magnetilistest omadustest.
VALEM:
KASUTUS:
Kõlarites ja mikrofonides kasutatakse magnetilist induktsiooni, et kas vastavalt muuta voolu muutus mehaaniliseks liikumiseks või mehaaniline liikumine elektrisignaaliks.
SPIDOMEETER, INDUKTSIOON PLIIT, METALLI DETEKTOR, LENNUJAAMA TURVAVÄRVAD.
10) POOLJUHID JA ELEKTROLÜÜDID
Pooljuhid erinevad metallidest suurema eritakistuse ja selle ümberpööratud temperatuurisõltuvuse poolest.
Pooljuhtmaterjalide eritakistus ρ oleneb eelkõige:
koostisest (väga olulised on lisandid)
§ valmistamise tehnoloogiast
§ välis-mõjudest (temperatuur, elektriväljatugevus, valgustatuse intensiivsusest jne.)
TEMPERATUURI SÕLTUVUS:
Madalatel temperatuuridel on pooljuhid praktiliselt isolaatorid
§ Temperatuuri tõusmisel tõuseb ka elektronide liikumise kiirus ja järelikult energia
GRAAFIK:
LISANDPOOLJUHID:
Juhtivust on võimalik oluliselt suurendada, lisandite viimisega pooljuhti
§ Lisanditega pooljuhte nimetatakse legeeritud pooljuhtideks, kus põhiaine kristallvõresse on viidud lisandaine aatomid.
Doonorlisandid (n- pooljuht ) – loovutavad kergesti elektrone; voolu tekitajaks on elektronid – elektronjuhtivus. Doonorlisandid annavad pooljuhile juhtivuselektrone.
Aktseptorlisandid (p-pooljuht) – haaravad vabu elektrone enda koostisse, e. tekivad aines augud (aukjuhtivus) (mis on tegelikult elektronidest tühjad kohad keemilises sidemes, neil on positiivne laeng ja nad saavad aines vabalt liikuda sarnaselt vabadele elektronidele). Aktseptorlisandid kristallvõres hõivavad elektrone (p- juhtivus ).
PN- SIIRE PÕHIOMADUS:
pn-siire juhib voolu ainult ühes suunas, nn. ventiili omadus (siis, kui ta on pingestatud pärsisuunaliselt, p-osast n-osasse).
Siirde päripingestamisel ühendatakse välise vooluallika plussklemm pooljuhitüki p-osaga ning miinusklemm n-osaga
§ Sel juhul nõrgendab välise allika elektriväli tõkkekihi välja, enamus-laengukandjad tungivad siirdesse ja siire hakkab juhtima elektrivoolu (siire avaneb)
Vastupingestamisel (plussklemmi ühendamisel n-osaga ning miinusklemmi lülitamisel p-osa külge) liituvad välise allika ja tõkkekihi elektriväljad.
§ Siire sulgub (juba väikestel vastupingetel) enamuslaengukandjatele veel kindlamini kui pingestamata olekus.
DIOODIDE RAKENDUSI: pooljuhtdioodid -vahelduvvoolu alaldamiseks, moduleeritud elektrivõngete detekteerimiseks (näiteks raadiovastuvõtjates), ka sageduse muundamiseks ja segustamiseks ülikõrgsagedustel.
Dioode kasutatakse ka valgustundlike elementidena ja päiksepatareidena.
Valgusdioodid (väikesed pirnikesed)
TRANSISTORITE RAKENDUSI:
Transistoreid kasutatakse elektrisignaalide muundamiseks, võimendamiseks ja genereerimiseks.
12) ja 13) VAHELDUV VOOL JA TRANSFORMAATORID
LC VÕNKERING:
Elektriskeemidel kujutatakse seda tavaliselt nn. võnkeringina, mis koosneb induktiivsusest L ning mahtuvusest C
§ IGAL juhil on nii mahtuvus kui ka induktiivsus
Vahelduvvooluks nimetatakse voolu, mille suund ja tugevus ajas perioodiliselt muutub. Peaaegu igal pool maailmas kantakse elelktrienergia ühest kohast teise üle vahelduvvooluna. teda on võimalik lihtsalt ja ökonoomselt transformeerida ning saada sel teel nii kõrge- kui ka madalpinge elektrivõrke.
IMPEDANTS :
Kogu takistus Z (impedants) on aktiivtakistuse R ja reaktiivtakistuste XL ning XC vektorsumma.
OHMI SEADUS vahelduvvoolu puhul, valem:
TRANSFORMAATOR :
Transformaator ( trafo ) (ladina keelsest “transformatore” – muundama) on elektromagneetiline seade (energiamuundur) vahelduvvoolu pinge muutmiseks
§ Seejuures muutub ka voolutugevus, kuid sagedus jääb samaks.
Trafo põhiosad on mähised ja südamik.
Üldine energia ülekande reegel: Energiat tuleb üle kanda nii kõrge pingega ja nii madala vooluga kui võimalik.

ELEKTROMAGNET LAINED JA OPTIKA ,
14) ELEKTROMAGNETLAINED JA GEOMEETRILINE OPTIKA
Elektromagnetlaine on elektri- ja magnetväljade häirituse levik ruumis.
Elektromagnetlaines ei võngu levimisel mingi keskkond
• Järelikult ei vaja levimiseks keskkonda (levib ka vaakumis)
§ EM-laines võnguvad elektrivektor ja magnetvektor tasandites, mis on risti omavahel ja samas faasis, ja risti ka laine levimise suunaga (seega EM-laine on ristlaine )
• Levib vaakumis valguse kiirusega, ca 3×108 m/s
EM- KIIRGUSTE LIIGITUS:

Infrapuna ”valgust” kiirgavad kõik kuumad kehad – tajume infravalgust soojusena § Soojusdetektorid § Öönägemine.
VALGUSE DUALISM, KAKSTEOORIAT:
Laineteooria 1678.a. tuli prantsuse akadeemik Christiaan Huygens välja teravmeelse, kuid nõrgalt põhjendatud ideega, et valgus on keskkonna ülikiire (suure sagedusega) lainetus
• Lainete sõltumatus
Korpuskulaarteooria Newtoni järgi on valgus väikeste osakeste – korpusklite (lad. corpusculum = kehake) – voog
• Osakesed liiguvad väga suure kiirusega ning on väga väikesed.
VALGUSE MURDUMISNÄITAJA JA VALGUSE DISPERSIOON:
Murdumisnäitaja on väga fundamentaalne suurus
§ See on seotud valguse levimiskiirusega
Valguse kiiruse sõltuvus valguse lainepikkusest nimetatakse valguse dispersiooniks.
Valge valgus on oma olemuselt liitvalgus
§ Läbides klaasi (hõredama keskkonda) “lõhustub” valgus tänu dispersioonile paljudeks värvilisteks valgusteks – spektriks
§ Mida väiksem on valguse lainepikkus , seda rohkem ta keskonnas murdub.
VIKERKAARE NÄIDE
15) LAINEOPTIKA
Interferents on (koherentsete) lainete liitumine, ja liitumisel tekkiv püsiv energia ümberjaotumine ruumis, mis tuleneb lainete vastastikusest üksteise tugevdamisest ühtedes punktides ja nõrgendamisest teistes.
Eri teid mööda tulevate kiirte hilinemine tähendab automaatselt faasi erinevust.
Näited: CD plaadi kirju virvendus, õli laik poriloigus, seebimulli virvendus. Looduses on nt paabulinnu sule , putukate kitiin kest.
Difraktsioon on laine kõrvalekaldumine sirgjoonelisest levimisest ning paindumine ümber väikeste takistuste või levimine väikesest avast välja. Takistuse suurus peab olema samas suurusjärgus laine lainepikkusega või väiksem.
Difraktsiooninähtused on seletatavad Huygens’i – Fresnel ’i printsiibi abil, mis kehtib kõikide lainete puhul: Kõiki valguslaine frondi punkte võib vaadelda uute valgusallikatena, millest kiirgunud lainete (sekundaarlainete) interfereerumise tulemusena määratakse lainefrondi iga uus asend. Kui võnkumine on jõudnud mingisugusesse ruumipunkti, siis see punkt muutub uueks võnkumiste levitajaks.
VALGUSE POLARISATSIOON :
Kui elektrivälja tugevus muutub ainult ühes kindlas sihis, on valgus täielikult e. lineaarselt polariseeritud.
Valgust polariseerivat seadet nimetatakse polarisaatoriks (polaroiks), mis laseb E-vektoril võnkuda ainult ühes läbilasketasandis ehk polarisatsioonitasandis
• Ristuvad suunad neelduvad polaroidis
• Polarisaatorid on anisotroopsed ained so. mingis ruumisuunas aine elektronstruktuuri korrastatuse poolest tähelepanuväärsed ained.
RAKENDUSI: polaroidprillid 3d filmide vaatamiseks