Z doświadczenia znamy następujące fakty:

2. Z doświadczenia znamy następujące fakty: 1. Przyciąganie skrawków sukna przez bursztyn, czyli (Electrum) zauważone zostało przez Greków ok.. 700 roku p.n.e. 2. Około roku 1600 Gilbert zauważa, że „elektryzowanie” jest powszechnie występującym zjawiskiem. 3. W roku 1730 C. Dufay stwierdza, że istnieje dwa rodzaje „elektryczności”. Obecnie jest dla nas oczywistością istnienie dwóch typów ładunków – typu szklanego – dodatnie, - typu ebonitowego – ujemne. Istnienie ładunkówdodatnich i ujemnych pokazał w roku 1750 Benjamin Franklin.

3. 4. Materia w stanie równowagi jest neutralna, lecz wiemy, że składa się z ładunków, Ładunek należy do podstawowych własności atomu W atomach ładunek jest umieszczony w jądrze atomowym i na powłokach elektronowych. powłoka -- -Ze Z elektronów, każdy o ładunku –e jądro --+ZeZ protonów, każdy o ładunku +e Pomiędzy jądrem a elektronami działają siły.

4. Jednym z podstawowych praw dotyczących ładunków jest Prawo Zachowania Ładunku. Sumaryczny ładunek układu odizolowanego elektrycznie pozostaje stały Nie można zniweczyć, ani wytworzyć odosobnionych ładunków jednego znaku. Przykładem może być rozpad alfa jądra uranu 238: Ładunek jest tutaj zawarty w protonach i widać, że liczba protonów przed i po rozpadzie jest taka sama. Ładunek został więc zachowany.

5. Prawo Coulomba W 1785 roku w oparciu o doświadczenia z ładunkami Charles Augustin Coulomb doszedł do trzech następujących wniosków dotyczących siły F działającej pomiędzy dwoma ładunkami Q1 i Q2; • F Q1 •Q2 • F  1/r2 • F jest przyciągająca dla ładunków przeciwnych (+/-) • a odpychająca dla jednakowych (+/+), (-/-) i działa wzdłuż • linii łączącej ładunki. W doświadczeniach swoich Coulomb posługiwał się tzw. Wagą Skręceń

6. Waga Skręceń + + - Równowaga następowała wtedy, gdy moment sił sprężystości nici był równy momentowi związanemu z oddziaływaniem ładunków. Prawo swoje Coulomb sformułował następująco: (4.1)

7. Wektor jest wektorem położonym na linii łączącej dwa oddziaływujące ładunki. Ze znajomości wielkości siły i odległości pomiędzy ładunkami możemy przez definicję stałej k zdefiniować wielkość ładunku. W układzie SI Gdzie c jest prędkością światła w próżni: c = 299792458 m/s jest przenikalnością elektryczną próżni i jest równe:

8. Jednostką ładunku w układzie SI jest KULOMB. Ciało posiada ładunek jednego kulomba jeśli na równy sobie działa z odległości jednego metra siłą 9. 109 Newtona. Prawo Kulomba jest spełnione w fizyce makroskopowej i atomowej z dokładnością jak 1 do 109. Jeśli umieścimy dwa ciała o masach po 1 kilogramie i ładunku Jednego kulomba w odległości 1m od siebie, to stosunek siły kulombowskiej do siły grawitacji ma się jak 1019: 1. 1C 1C 1m 1 kg 1 kg

9. Pole elektryczne Natężenie pola elektrycznego Z prawa Coulomba wiemy, że ładunki oddziaływują pomiędzy sobą siłą zależną od wielkości tych ładunków i ich odległości. Możemy więc powiedzieć, że wokół każdego ładunku roztacza się pewien obszar, POLE, w którym na inne ładunki działają siły kulombowskie. Pole wytworzone przez ładunki elektryczne nazywamy polem elektrycznym. Pole takie charakteryzuje się natężeniem informującym nas o wielkości siły działającej na ładunek umieszczony w tym polu.

10. Natężenie pola elektrycznego definiujemy jako stosunek siły Działającej na ładunek próbny q0umieszczony w polu, do wielkości tego ładunku. z E F q0 r y Q x (5.1)

11. We wzorze (5.1) granicę dla q0 0 wprowadzamy dlatego, aby otrzymać wartość natężenia pola elektrycznego pochodzącego tylko od ładunku Q . Q2 z Q1 Q3 Fakt, że natężenie pola elektrycznego jest proporcjonalne do wielkości ładunku, leży u podstawy zasady superpozycji. Zasada ta mówi, że natężenie pola elektrycznego w danym punkcie jest sumą pól pochodzących od poszczególnych ładunków. P x Q4 r - i r i Qi y x

12. Dla układu ładunków punktowych otrzymujemy zgodnie z zasadą superpozycji następujące wyrażenie na natężenie pola elektrycznego: (5.2) Ładunek może być rozłożony nie tylko punktowo, ale również objętościowo lub powierzchniowo. Jeśli zdefiniujemy gęstość ładunku jako (x,y,z) [C/cm3], toładunek zawarty w elemencie objętości djest równy: dQ =  d.

13. P z  x r -  r d  Obłok ładunku y Natężenie pola w punkcie pochodzącego od ładunku rozmieszczonego w objętości  dane jest wzorem: x (5.3)

14. Analogiczny wzór możemy napisać dla ładunku rozłożonego na powierzchni A z gęstością powierzchniową (x,y,z). z P x dA A r  Natężenie pola w punkcie P pochodzącego od ładunku rozmieszczonego na powierzchni A dane jest wzorem: y x (5.3a)

15. W oparciu o podane wyrażenia możemy wzór na natężenie pola elektrycznego pochodzącego od objętościowego rozkładu ładunkównapisać następująco: . Funkcję skalarną (5.10) Nazywamy skalarnym potencjałem pola elektrycznego.

16. Analogiczne wyrażenia na potencjał pola dla układu ładunków powierzchniowych, punktowych i dla ładunku pojedynczego Dla pojedynczego ładunku mamy: Wiadomo, że ,

17. Czyli . . Po wycałkowaniu otrzymujemy : Przyjmujemy, że w nieskończoności (r =) potencjał pochodzący od ładunku Q jest równy zero. Musimy wtedy przyjąć, że stała C jest równa zero.

18. Ten sam wynik otrzymamy, jeśli wprowadzimy odpowiednie granice całkowania (5.11) Można łatwo pokazać, że wyrażenie pod całką jest równe czyli , (5.11a) Potencjał określony we wzorze (5.11) jest równy pracy potrzebnej do przeniesienia ładunku jednostkowego q=1C z nieskończoności na odległość r od ładunku Q.

19. W oparciu o definicję potencjału (5.11a) możemy zdefiniować różnicę potencjału UAB pomiędzy dwoma punktami pola elektrostatycznego. (5.11b) Ze względu na to, że pole elektryczne jest polem centralnym i ma charakter zachowawczy (r. (5.9) ), tak samo jak w mechanice, praca potrzebna na przesunięcie ładunku w polu jest niezależna od drogi po której ją wykonujemy.

20. Q1 Q2 Q3 Q1 Q2 Q3 Praca potrzebna do przesunięcia ładunków Q z A do B w polu elektrycznym jest taka sama niezależna od drogi. A B

21. Ponieważ ds Możemy w oparciu o ostatnie równanie napisać; 2 1 (5.12) Dla układu N ładunków punktowych otrzymamy na potencjał w punkcie r wyrażenie: (5.13)

22. Prąd elektryczny – uporządkowany (skierowany) ruch ładunków elektrycznych. • Wielkością opisującą prąd elektryczny jest natężenie prądu elektrycznego I, które definiuje się jako stosunek ładunku elektrycznego q, który przepływa przez poprzeczny przekrój przewodnika, do czasu tprzepływu tego ładunku: •                       lub • Jednostką natężenia prądu elektrycznego w układzie SI jest amper [A]. • Natężenie prądu I można wyrazić też przez liczbę ładunków przepływających przez powierzchnię S, mających prędkość v • gdzie: n - koncentracja nośników prądu wyrażona przez ich liczbę na jednostkę objętości (poruszających się w tym samym kierunku), q - ładunek każdego z nośników, v - składowe prędkości nośników w kierunku prostopadłym do powierzchni S, przez którą płynie prąd o natężeniu I.

23. Opór i Prawo Ohma Rezystancja jest miarą oporu, z jakim element przeciwstawia się przepływowi prądu elektrycznego. Zwyczajowo rezystancję oznacza się symbolem R. Jednostką rezystancji w układzie SI jest om (1 Ω). Odwrotność rezystancji to konduktancja, której jednostką jest simens. Dla większości materiałów ich rezystancja nie zależy od wielkości przepływającego prądu lub wielkości przyłożonego napięcia. Prąd i napięcie są wtedy do siebie proporcjonalne, a współczynnik proporcjonalności to właśnie rezystancja. Zależność ta znana jest jako prawo Ohma. Miarą oporu, z jaką dany materiał przeciwstawia się przepływowi prądu elektrycznego, jest rezystywność. Jeżeli znamy wymiary geometryczne elementu i rezystywność materiału, z jakiego został wykonany, to jego rezystancję obliczamy według wzoru:                              gdzie L - długość elementu, S - pole przekroju poprzecznego elementu, ρ - rezystywność materiału.

24. Opór i Prawo Ohma • Prawo Ohma mówi, że natężenie prądu stałego I jest proporcjonalne do całkowitej siły elektromotorycznej w obwodzie zamkniętym lub do różnicy potencjałów (napięcia elektrycznego) między końcami części obwodu niezawierającej źródeł siły elektromotorycznej. Prawidłowość tę odkrył w 1827 roku niemiecki fizyk, profesor politechniki w Norymberdze i uniwersytetu w Monachium Georg Simon Ohm. Można ją opisać jako: • Współczynnik proporcjonalności w tej relacji nazywany jest konduktancją, oznaczaną przez G. • lub w ujęciu tradycyjnym: • Odwrotność konduktancji nazywa się oporem elektrycznym przewodnika: • Prawo Ohma określa opór elektryczny przewodnika:

25. Pierwsze prawo Kirchhoffa Suma algebraiczna natężeń prądów dopływających(+) i odpływających(-) z danego węzła jest równa 0. lub Suma natężeń prądów dopływających do węzła jest równa sumie natężeń prądów wypływających z tego węzła. Dla każdego węzła obwodu elektrycznego suma algebraiczna wartości chwilowych prądów jest równa zeru. Przyjmuje się konwencję, że prądy zwrócone do węzła mają znak (+), zaś prądy ze zwrotem od węzła mają znak (-), np.: I1 + I2 + I3 − I4 − I5 − I6 = 0

26. Drugie prawo Kirchhoffa • Treść prawa: • Suma wartości chwilowych sił elektromotorycznych występujących w obwodzie zamkniętym równa jest sumie wartości chwilowych napięć elektrycznych na elementach pasywnych tego obwodu: • Gdzie ek to wartość chwilowa sem k-tego źródła; ul - napięcie na l-tym elemencie oczka. • Prawo to występuje również w prostszej wersji: • Suma napięć źródłowych w dowolnym • obwodzie zamkniętym prądu stałego równa • jest sumie napięć na odbiornikach.

27. Zastosowanie praw Kirchoffa. a) I prawo Kirchoffa umożliwia obliczanie prądów w obwodach nierozgałęzionych z dowolną ilością źródeł.b) II prawo Kirchoffa umożliwia obliczanie napięć między dwoma dowolnymi punktami obwodu.c) II prawo Kirchoffa umożliwia zapisywanie napięcia całkowitego dowolnej gałęzi obwodu.d) I i II prawo Kirchoffa umożliwiają obliczenie prądów i napięć w obwodach rozgałęzionych z dowolną ilością źródeł.

28. Praca i moc prądu elektrycznego. Prawo Joule'a Lenza. Pracę wykonaną przez siły elektryczne przy przenoszeniu ładunku podczas przepływu prądu nazywamy pracą prądu elektrycznego. Jest ona równa iloczynowi napięcia, natężenia prądu i czasu jego przepływu. W = U * I * t [W] = 1J = 1VAs = 1Ws co po przeliczeniu możemy wyrazić w [kWh] Przepływowi prądu przez przewodnik (rezystor) towarzyszy zawsze wydzielanie się ciepła, oznacza to, że na elementach posiadających rezystancję, energia elektryczna zamieniana jest na energię cieplną. O ilości wydzielonego ciepła mówi prawo Jouel'a Lenza:Ilość ciepła (Qc) wydzielonego na przewodniku o rezystancji R podczas przepływu prądu o natężeniu I jest proporcjonalne do kwadratu natężenia prądu, rezystancji i czasu przepływu prądu. Qc = k * I^2 * R * t gdzie:k - to cieplny równoważnik energii k = 0,24 cal/J, pozwala przeliczać jednostki z dżuli na kalorie.Fakt zmiany energii elektrycznej na ciepło wykorzystano w grzejnictwie.

29. MOCMocą prądu elektrycznego nazywamy iloczyn napięcia i natężenia prądu. P = U * I [P] = 1W => 1 wat Moc wytworzona, moc tracona, moc oddawana.Moc wytworzona jest to moc wytworzona w źródle i jest ona równa iloczynowi SEM i natężenia prądu. Pwyt = I * E Moc stracona - to moc stracona na rezystancji wewnętrznej źródła. Pstrat = I * Uw = I2 * Rw Moc oddana - jest różnicą mocy wytworzonej i mocy straconej. Podd = Pwyt - Pstrat Moc oddawana przez źródło jest równa mocy pobieranej przez odbiornik. Sprawnością źródła h (eta) nazywamy stosunek mocy oddanej do wytworzonej wyrażany w procentach. Największą moc źródło oddaje (a odbiornik pobiera) gdy prąd w obwodzie jest polową prądu zwarcia. Rezystancja odbiornika jest wtedy równa rezystancji wewnętrznej źródła. Taki stan, w którym odbiornik pobiera największą moc nazywamy stanem dopasowania a odbiornik odbiornikiem dopasowania.

30. Następny wykład -charakterystyka prądu zmiennego -teoria przewodnictwa -izolatory, przewodniki i polprzewodniki -sygnały