FÜÜSIKA III

1. FÜÜSIKA III ELEKTRODÜNAAMIKA

2. Töökorraldus • Esmalt tutvustan loengu vormis teemade teoreetilisi aspekte. (Hoiatan ette, et käsitlen teemasid sisulisemalt kui õpikus, mistõttu loengutel aktiivselt osalemine tuleb kasuks) • Paralleelselt käsitletavate teemadega lahendame ülesandeid, kui võimalik, siis teeme ka laboratoorseid töid (ülesannete tekstid saate trükitult, palun need säilitada) • Valemeid ei ole vaja pähe õppida. Saate mult valemete lehed, palun ka need säilitada • Mõne teema puhul valmistan ette elektroonilised töölehed, nende täitmine enne kontrolltööd on kohustuslik (NB! Palun mulle avalikustada oma e-posti aadressid. Minu omad on enn.kirsman@audentes.ee või enn@kirsman.ee) • Enam kui 1/3 tundidest põhjuseta puudunutele kursuse hinnet välja ei panda.

3. Kursuse hindamine • Kursuse hinne pannakse välja jõuluvaheaja alguseks. • Kursuse hinne kujuneb 3-4 kontrolltöö hinde koondina. Kõigi kontrolltööde tegemine on kohustuslik! • Kontrolltööst informeerin teid vähemalt 1 nädal ette, annan kordamisküsimused ja kordamisülesanded. Vähemalt ühe kontrolltöö eelse tunni kulutame konsultatsioonile. • Töös küsin täpselt neidsamu küsimusi ja samatüübilisi ülesandeid. • Kontrolltöö ülesannete punktikaal on teada. Hindamise skaala: 90 ... 100% - „5“; 75 ... 89% - „4“; 45 ... 74% - „3“; 20 ... 44% - „2“; 0 ... 19% - „1“ • Kõik kontrolltööst põhjuseta puudujad saavad automaatselt hinde „1“

4. Kursuse hindamine • UUENDUS! Mitterahuldavaid hindeid EI OLE VÕIMALIK jooksvalt parandada. Tööd saavad järgi vastata AINULT PÕHJUSEGA puudujad. Reeglina toimub järlevastamine füüsikatunni ajal. • Kursuse lõpus on tervet kursuse materjali hõlmav arvestustöö. See on KOHUSTUSLIK nendele, kellel on kaks või enam mitterahuldavat hinnet. Kursuse tööd võivad soovi korral teha ka need, kes tahaksid oma kursusehinnet parandada. Arvestustöö hinde kaal on kursuse hindest 50% • Arvestustöö koostamisel võtan näidiseks füüsika riigieksami vormi st selle sooritamisel eeldan kursusel õpitu mõistmist, mitte pähe õpitud teksti ettekandmist

5. KURSUSEL KÄSITLETAVAD TEEMAD • ELEKTROSTAATIKA • Elektrilaeng • Coulomb’i seadus • Elektrilised jõud • Elektriväli • Elektriline pinge • Aine elektriväljas • Kondensaatorid

6. KURSUSEL KÄSITLETAVAD TEEMAD • ALALISVOOL • Elektrivool metallides • Ohmi seadus • Millest sõltub juhi takistus? • Juhtide jada-ja rööpühendus • Alalisvoolu töö ja võimsus • Elektrivool vedelikes • Elektrivool gaasides

7. KURSUSEL KÄSITLETAVAD TEEMAD • MAGNETISM • Püsimagnetid • Magnetväli • Voolu magnetväli • Ampere’i seadus • Lorenzi jõud • Laetud osakeste liikumine magnetväljas • Aine magnetväljas

8. ELEktrostaatika FÜÜSIKA III

9. ELEKTRILAENG ELEKTROSTAATIKA FÜÜSIKA III

10. elektrilaeng • Milline muudatus toimub kehaga, kui temale anda või temas tekitada ELEKTRILAENG? • Elektrilaengut omavatel kehadel on võime astuda teiste kehadega elektrilisse vastasmõjusse • ELEKTRILAENG on füüsikaline suurus, mis iseloomustab keha omadust astuda teiste kehadega elektrilisse vastasmõjusse • Millised on kehade elektriseerimise viisid? • Kehad elektriseeruvad omavahelisel hõõrdumisel, kusjuures elektriseeruvad mõlemad hõõrdumisest osa võtvad kehad • Kehad elektriseeruvad kokkupuutel teiste elektrilaengut omavate kehadega

11. KaHTE liiki elektrilaengud • Kuna elektrilaengut omavad kehad võivad omavahel nii tõukuda kui ka tõmbuda, siis järeldub sellest, et looduses eksisteerib kahte liiki elektrilaenguid • Laenguid liigitatakse „positiivseteks“ ja „negatiivseteks“ laenguteks • Samaliigilised elektrilaengud tõukuvad, eriliigilised tõmbuvad

12. + + - - - +

13. KEHADE LAADUMISMEHHANISM • Kõik kehad koosnevad AATOMITEST • Aatomid koosnevad posiivselt laetud AATOMITUUMAST ja negatiivselt laetud ELEKTRONKATTEST • Aatomituum sisaldab vähima võimaliku positiivse laenguga PROOTONEID, elektronkate vähima võimaliku negatiivse laenguga ELEKTRONE • Pootoni positiivne laeng on absoluutväärtuselt võrdne elektroni negatiivse laenguga • Prootonite ja elektronide laengut nimetatakse ELEMENTAARLAENGUKS • Tuumas sisalduvate prootonite arv on normaaltingimustel võrdne elektronide arvuga elektronkattes – aatom on tervikuna elektrilaenguta

14. Kehade laadumismehhanism • Selleks, et keha omandaks elektrilaengu, tuleb muuta kehas sisalduvate elektronide arvu Prootonite arv N1 prootonite kogulaeng q1=N1· e+ Elektronide arv N2 elektronide kogulaeng q2=N2· e- Normaaltingimustes on N1=N2 ja et ka q1=q2, siis Σq=0

15. Kehade laadumismehhanism • Kehale negatiivse elektrilaengu andmiseks tuleb suurendada elektronide arvu kehas Prootonite arv N1 prootonite kogulaeng q1=N1· e+ Elektronide arv N2 elektronide kogulaeng q2=N2· e- Kui N1<N2 siis Σq<0 KEHAL ON NEGATIIVNE LAENG

16. Kehade laadumismehhanism • Kehale positiivse elektrilaengu andmiseks tuleb vähendada elektronide arvu kehas Prootonite arv N1 prootonite kogulaeng q1=N1· e+ Elektronide arv N2 elektronide kogulaeng q2=N2· e- Kui N1>N2 siis Σq>0 KEHAL ON POSITIIVNE LAENG

17. LAENGU ÜHIKUD • Laengu suurust mõõdetakse KULONITES (1C) • Kui voolutugevus juhis on 1A, siis läbib igas sekundis juhi ristlõiget 1C suurune elektrilaeng  1C=1A· 1s ehk 1 C = 1 A· s • Elementaarlaengu suurus on e = 1,6021773·10-19 C • NB! Akude „eluiga“ mõõdetakse ampertundides. Mida tähendab aku laengu seisukohalt, et aku eluiga on 2100 mAh? 2100 mAh = 2100 mA·1h = 2,1A·3600s = 7560 As (ehk C)

18. Elektrilaengu jäävuse seadus • Elektriliselt isoleerituks nimetatakse sellist süsteemi, kus laengute hulk iseenesest ei muutu • Elektriliselt isoleeritud süsteemis on elektrilaeng jääv suurus Σq = Σq’ • kus Σq – süsteemi kogulaeng mingi protsessi alguses ja Σq’ - süsteemi kogulaeng pärast mingi protsessi toimumist

19. LAENGU JÄÄVUS KEHADE LAADUMISEL (HÕÕRUMINE) Keha I laeng vaatluse alghetkel on 0 KEHA I Seega süsteemi kogulaeng on samuti 0 KEHA II Keha II laeng vaatluse alghetkel on 0

20. LAENGU JÄÄVUS KEHADE LAADUMISEL (HÕÕRUMINE) KEHA I KEHA II Hõõrume kehi omavahel

21. LAENGU JÄÄVUS KEHADE LAADUMISEL (HÕÕRUMINE) Keha I omandab hõõrdumise tagajärjel laengu q KEHA I sest kehtib laengu jäävuse seadus ja süsteemi kogulaeng peab olema jätkuvalt 0 q + (-q) =0 KEHA II siis peab teine keha omandama samal ajal laengu -q

22. LAENGU JÄÄVUS KEHADE LAADUMISEL (PUUTEL) Keha I laeng vaatluse alghetkel on 0 KEHA I Seega süsteemi kogulaeng on samuti q2 KEHA II Keha II laeng vaatluse alghetkel on q2

23. LAENGU JÄÄVUS KEHADE LAADUMISEL (PUUTEL) KEHA I KEHA II Viime kehad kokkupuutesse ja eemaldame siis teineteisest

24. LAENGU JÄÄVUS KEHADE LAADUMISEL (PUUtEl) Keha I omandab kokkupuute tagajärjel laengu q1’ KEHA I sest kehtib laengu jäävuse seadus ja süsteemi kogulaeng peab olema jätkuvalt q2  (q2 – q1’) + q1’ = q2 KEHA II siis peab teine keha omandama samal ajal laengu q2’=q2-q1’

25. coulomb’i seadus • Laetud kehi, mille mõõtmed võib kehade suurust ja kehadevahelist kaugust silmas pidades jätta arvesse võtmata, nimetatakse punktlaenguteks. • Punktlaengute vahel võivad mõjuda nii tõmbe- kui tõukejõud, nende elektriliste jõudude suurus määratakse Coulomb’i seadusega • Coulomb’i seadus: Kaks punktlaengut mõjutavad teineteist vaakumis jõududega, mis on võrdelised laengute suurustega ja pöördvõrdelised nende vahelise kauguse ruuduga.

26. COULOMB’i SEADUS • kus Fc – elektriline jõud (N), q1 – I laengu suurus, q2 – II laengu suurus (mõl. C), r – laengute vaheline kaugus (m), k = 9·109 m2 /(N· C2) – elektriline konstant • Osakestele mõjuvad elektrilised jõud on suunatud pikki laenguid ühendavat sirget.

27. q1 q2 Kaks keha (punktlaengut) mõjutavad teineteist jõududega, mis on sama suured, kuid suunalt vastupidised (Newtoni III seadus)   F12=F21

28. Vektoriaalsed suurused FÜÜSIKA III

29. Vektoriaalsed suurused • Füüsikalisi suurusi, millel lisaks suurusele on olemas ka suund, nimetatakse vektoriaalseteks. • Vektoriaalsed suurused on näiteks: kiirus, kiirendus, jõudjpt. • Vektoriaalseid suurusi kirjeldatakse VEKTORITE abil • Vektor on suunatud sirglõik • Vektoriaalset suurust iseloomustava vektori pikkus ühtib vektoriaalse suuruse arvväärtusega, suund aga selle suuruse suunaga

30. N Keha liigub kiirusega 4 m/s põhja suunas

31. Vektori koordinaadid y a x

32. Vektorite liitmine (graafiline)

33. VEKTORITE LIITMINE (Koordinaatide meetod)

34. LIITMISE ERIJUHUD

35. VEKTORI KORRUTAMINE ARVUGA • Vektori korrutamisel positiivse arvuga muutub vektori pikkus korrutatava arvuga võrdne arv korda, vektori suund ei muutu. • Vektori korrutamisel negatiivse arvugamuutub vektori pikkus korrutatava arvuga võrdne arvkorda ning vektori suund muutub esialgsega võrreldes vastupidiseks • Vektorit, mida on korrutatud arvuga (-1), nimetatakse selle vektori vastandvektoriks

36. ühik

37. Vektorite Lahutamine (graafiline) Vektorite lahutamisel liidetakse vähendatavale vähendaja vastandvektor

38. Vektori koordinaadid ja suund y a α x

39. ARVUTA ANTUD: _________________ Arvuta: • ja suund • Vastus: • =3,6 ja α=-34° • =12,4 ja α=76°

40. ELEKTRIVÄLI FÜÜSIKA III

41. VASTASTIKMÕJU VAHENDAJAD Kehadevaheline vastastikmõju võib: 1) olla vahetu ... ... so vastastikmõjus olevad kehad on omavahel vahetus kokkupuutes. 2) toimuda läbi vahendaja • Vahendajaks on kas: • mingi kolmas keha so aine • eriline mateeria vorm – väli

42. ELEKTRIVÄLI • Elektrilise vastastikmõju vahendajaks so kuloni-liste jõudude tekkepõhjuseks on ELEKTRIVÄLI • Elektrivälja omadused: • elektriväli on materiaalne objekt – ta eksisteerib alati elektrilaengute ümber • elektriväli mõjutab teisi temas asuvaid laenguid elektriliste jõududega • elektriväli levib ruumis lõpliku kiirusega (elektrivälja levimise kiirus on 300 000 km/s) • ühes ja samas ruumipunktis võib olla samaaegselt mitu välja

43. ELEKTRIVÄLJA TUGEVUS • Elektrivälja iseloomustatakse temasse asetatud punktlaengule mõjuva jõu abil. • Punktlaengule elektriväljas mõjuv jõud on võrdeline tema elektrilaenguga: • kus - laengule mõjuv jõud (N); q – punktlaengu elektrilaeng (C) ja - elektrivälja tugevus selles punktis

44. ELEKTRIVÄLJA SUUND • Elektrivälja tugevuse vektori suunaks loetakse selles ruumipunktis positiivse laenguga punktlaengule mõjuva jõuga ühtivat suunda • Kui väljas asub negatiivse laenguga punktlaeng, siis on elektrivälja tugevuse suund sellele mõjuva jõuga vastassuunaline

45. ELEKTRIVÄLJA SUPERPOSITSIOONI PRINTSIIP • Kui mingis ruumipunktis on korraga mitme laengu poolt tekitatud elektriväljad, siis liituvad need üheks resultantväljaks või • Kui mingis punktis on korraga mitu elektrivälja, siis liituvad nende väljade tugevused selles ruumipunktis nagu vektorid

46. ELEKTRIVÄLJA JÕUJOONED • Elektrivälja jõujooned on mõttelised jooned, mille igas punktis on elektrivälja tugevus suunatud pikki selle joone puutujat

47. ELEKTRIVÄLJADE JÕUJOONTE PILDID • Punktlaengu elektriväli(joonis) • Kahe punktlaengu elektriväli(joonis) • Kahe laetud plaadi vaheline elektriväli(joonis) • Teraviku elektriväli • Elektriväli elektrijuhi sees • Elektrijuhi sees elektriväli puudub! Seda nähtust nimetatakse varjestamiseks

48. TÖÖ LAENGU LIIKUMISEL ELEKTRIVÄLJAS FÜÜSIKA III

49. TÖÖ MÕISTE • kus A – jõu poolt keha liigutamisel tehtav töö (J), – kehale mõjuv jõud, keha poolt sooritatav nihe (m); – nurk vektorite ja vahel (rad või kraadi) • Kui 0°≤α <90° või 270° < α ≤ 360°, siis A>0 – öeldakse jõud teeb tööd • Kui 90°>α>270°, siis A<0 – öeldakse tööd tehakse jõu ületamiseks • Kui α=90° või α=270°, siis A=0 – keha liigutamiseks jõud tööd ei tee α

50. ELEKTRIVÄLJA JÕUDUDE TÖÖ LAENGU LIIKUMISEL homogeenses ELEKTRIVÄLJAS ++++++++++++++ -------------- + + d1 – d2 Elektrivälja jõudude töö ei sõltu keha liikumise trajektoorist!!