Elektromos töltés helyzeti energiája, elektromos potenciál, az elektrosztatika I. alaptörvénye

Hasonló dokumentumok
Elektromos töltés helyzeti energiája, elektromos potenciál, az elektrosztatika I. alaptörvénye

Elektromos töltés helyzeti energiája, elektromos potenciál, az elektrosztatika I. alaptörvénye

Az elektromos kölcsönhatás

Az elektromos kölcsönhatás

9. ábra. A 25B-7 feladathoz

IV.2 Az elektrosztatika alaptörvényei felületi töltéseloszlás esetén

felületi divergencia V n (2) V n (1), térfogati töltéseloszlás esetében

FIZIKA. Ma igazán feltöltődhettek! (Elektrosztatika) Dr. Seres István

A Maxwell-féle villamos feszültségtenzor

FIZIKA. Ma igazán feltöltődhettek! (Elektrosztatika) Dr. Seres István

Az elektromos kölcsönhatás

Elektrosztatika (Vázlat)

Rugalmas hullámok terjedése. A hullámegyenlet és speciális megoldásai

Merev testek kinematikája

Elektrokémia 03. (Biologia BSc )

Q 1 D Q 2 (D x) 2 (1.1)

A magnetosztatika törvényei anyag jelenlétében

Mozgás centrális erőtérben

Az entrópia statisztikus értelmezése

A Coulomb-törvény : ahol, = coulomb = 1C. = a vákuum permittivitása (dielektromos álladója) k 9 10 F Q. elektromos térerősség : ponttöltés tere :

Vezetők elektrosztatikus térben

a domború tükörrıl az optikai tengellyel párhuzamosan úgy verıdnek vissza, meghosszabbítása

A Coulomb-törvény : 4πε. ahol, = coulomb = 1C. = a vákuum permittivitása (dielektromos álladója) elektromos térerősség : ponttöltés tere : ( r)

1. ábra. 24B-19 feladat

Az elektrosztatika törvényei anyag jelenlétében, dielektrikumok

A +Q töltés egy L hosszúságú egyenes szakasz mentén oszlik el egyenletesen (ld ábra ábra

Időben változó elektromos erőtér, az eltolási áram

Elektromos polarizáció: Szokás bevezetni a tömegközéppont analógiájára a töltésközéppontot. Ennek definíciója: Qr. i i

0. Matematika és mértékegységek

1. Elektromos alapjelenségek

6. MECHANIKA-STATIKA GYAKORLAT Kidolgozta: Triesz Péter egy. ts. Négy erő egyensúlya, Culmann-szerkesztés, Ritter-számítás

ELEKTROMÁGNESSÉG. (A jelen segédanyag, az előadás és a számonkérés alapja:) Hevesi Imre: Elektromosságtan, Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 2007

Elektromos alapjelenségek

10. előadás: Vonalas létesítmény tegelyvonalának kitűzése. (Egyenes, körív, átmeneti ív) *

Lencsék fókusztávolságának meghatározása

Elektrokémia 02. (Biologia BSc )

a térerősség mindig az üreg falára merőleges, ezért a tér ott nem gömbszimmetrikus.

Elméleti összefoglaló a IV. éves vegyészhallgatók Poláris molekula dipólusmomentumának meghatározása című méréséhez

d(f(x), f(y)) q d(x, y), ahol 0 q < 1.

17. tétel A kör és részei, kör és egyenes kölcsönös helyzete (elemi geometriai tárgyalásban). Kerületi szög, középponti szög, látószög.

HARDVEREK VILLAMOSSÁGTANI ALAPJAI

A Maxwell-egyenletrendszer:

( X ) 2 összefüggés tartalmazza az induktív és a kapacitív reaktanciát, amelyek értéke a frekvenciától is függ.

Elektrosztatika. I. Az elektrosztatika alapegyenleteinek leszármaztatása a Maxwell-egyenletekből

4. STACIONÁRIUS MÁGNESES TÉR

α v e φ e r Név: Pontszám: Számítási Módszerek a Fizikában ZH 1

X. MÁGNESES TÉR AZ ANYAGBAN

f r homorú tükör gyűjtőlencse O F C F f

Elektrosztatikai alapismeretek

Az elektrosztatika törvényei anyag jelenlétében, dielektrikumok

XV. Tornyai Sándor Országos Fizikai Feladatmegoldó Verseny a református középiskolák számára Hódmezővásárhely, április

1. Elektrosztatika A megdörzsölt üvegrudat a fémpohárhoz érintve az elektromos állapot átadódik

Elektrokémia 03. Cellareakció potenciálja, elektródreakció potenciálja, Nernst-egyenlet. Láng Győző

1. Elektrosztatika A megdörzsölt üvegrudat a fémpohárhoz érintve az elektromos állapot átadódik

5. IDŐBEN VÁLTOZÓ ELEKTROMÁGNESES TÉR

BSC fizika tananyag MBE. Mechatronika szak. Kísérleti jegyzet

ELEKTROSZTATIKA. Ma igazán feltöltődhettek!

1. MECHANIKA-STATIKA GYAKORLAT (kidolgozta: Triesz Péter, egy. ts.; Tarnai Gábor, mérnök tanár) Trigonometria, vektoralgebra

IVÁNYI AMÁLIA HARDVEREK VILLAMOSSÁGTANI ALAPJAI

Hely és elmozdulás - meghatározás távolságméréssel

Kirchhoff 2. törvénye (huroktörvény) szerint az áramkörben levő elektromotoros erők. E i = U j (3.1)

IV x. 2,18 km magasan van a hôlégballon.

A mágneses tér energiája, állandó mágnesek, erőhatások, veszteségek

1. ábra. r v. 2. ábra A soros RL-kör fázorábrái (feszültség-, impedancia- és teljesítmény-) =tg ϕ. Ez a meredekség. r

Merev test mozgása. A merev test kinematikájának alapjai

Segédlet a Tengely gördülő-csapágyazása feladathoz

v i = v i V. (1) m i m i (v i V) = i P = i m i V = m i v i i A V = P M

,...,q 3N és 3N impulzuskoordinátával: p 1,

Elektromos áram. telep a) b)

Műszaki folyamatok közgazdasági elemzése. Kevert stratégiák és evolúciós játékok

(Gauss-törvény), ebből következik, hogy ρössz = ɛ 0 div E (Gauss-Osztrogradszkij-tételből) r 3. (d 2 + ρ 2 ) 3/2

FIZIKA II. Dr. Rácz Ervin. egyetemi docens

Elektrosztatika tesztek

METROLÓGIA ÉS HIBASZÁMíTÁS

Matematikai ismétlés: Differenciálás

4 2 lapultsági együttható =

1.4. Mintapéldák. Vs r. (Használhatjuk azt a közelítő egyenlőséget, hogy 8π 25.)

Lendület. Lendület (impulzus): A test tömegének és sebességének szorzata. vektormennyiség: iránya a sebesség vektor iránya.

W = F s A munka származtatott, előjeles skalármennyiség.

Numerikus módszerek. A. Egyenletek gyökeinek numerikus meghatározása

MECHANIKA 1. félév 2006

Elektrosztatika Mekkora két egyenlő nagyságú töltés taszítja egymást 10 m távolságból 100 N nagyságú erővel? megoldás

Bevezetés a kémiai termodinamikába

6. Kérdés A kormányzati kiadások növelése hosszú távon az alábbi folyamaton keresztül vezet a kamat változásához: (a)

azonos sikban fekszik. A vezetőhurok ellenállása 2 Ω. Számítsuk ki a hurok teljes 4.1. ábra ábra

Műszaki folyamatok közgazdasági elemzése Előadásvázlat október 17. A technológia és a költségek dualitása

Gyakorlat 30B-14. a F L = e E + ( e)v B képlet, a gravitációs erőt a (2.1) G = m e g (2.2)

Tiszta és kevert stratégiák

q=h(termékek) H(Kiindulási anyagok) (állandó p-n) q=u(termékek) U(Kiindulási anyagok) (állandó V-n)

Statisztikai próbák. Ugyanazon problémára sokszor megvan mindkét eljárás.

Általános esetben az atomok (vagy molekulák) nem függetlenek, közöttük erős

2. STATIKUS ELEKTROMOS TÉR

Keresztmetszet másodrendű nyomatékainak meghatározása

462 Trigonometrikus egyenetek II. rész

ELLIPSZISLEMEZ MÁSODRENDŰ RÖGZÍTÉSE. Írta: Hajdu Endre

Folyadékok és gázok mechanikája

Bé ni. Barna 5. Benc e. Boton d

FOKOZAT NÉLKÜLI KAPCSOLT BOLYGÓMŰVES

Darupályák ellenőrző mérése

Statisztika I. 3. előadás. Előadó: Dr. Ertsey Imre

Átírás:

TÓTH : lektosztatka/ (kbővített óavázlat) lektomos töltés helyzet enegája, elektomos potencál, az elektosztatka I alaptövénye mechankában láttuk, hogy konzevatív eőtében helyzet enega vezethető be zt a kédést, hogy az elektosztatkus eőté konzevatív vagy nem, csak a tapasztalat segítségével lehet eldönten tapasztalatok azt mutatják, hogy az elektosztatkus eőté konzevatív, tehát egy elektomos töltésnek az elektomos eőtében helyzet enegája van helyzet enegát tt s a mechankában defnált módon, az eőté által végzett munka segítségével adjuk meg, amely konzevatív eőtében nem függ az elmozduló töltés pályájától, csak az elmozdulás kezdő- és végpontjától lektomos eőtében egy q töltésnek az pontból töténő elmozdulása soán (ába) az eőté által végzett munka: a P pontba töténő tetszőleges pályán P P W eőté lm Fe Fe d q d helyzet enega defnícójának megfelelően az eőtében lévő q töltés helyzet (potencáls) enegája a P pontban, az ponta vonatkozóan: F e q F e q P h ( P) W eőté q P d Mnt említettük, a két pont között elmozdulás pályáját nem kell megadn, hszen ez a munka konzevatív eőtében nem függ a pályától Mnt mnden helyzet enega, egy töltés elektosztatkus helyzet enegája s függ a vonatkoztatás ponttól q töltés helyzet enegája nem csak a helytől és a jelenlévő eőtétől függ, hanem éthető módon magától a töltéstől s helyzet enega azonban aányos a töltéssel, ezét, ha a helyzet enegát elosztjuk a töltéssel, akko a töltéstől független mennységet kapunk: h ( P ) U ( P ) UP q d z a mennység má csak az eőtétől és a P pontnak az vonatkoztatás ponthoz vszonyított helyzetétől függ zzel az eljáással tehát az eőté bámely P pontjához hozzáendelhetünk egy skalás mennységet (számszeűleg az egységny töltésen az P elmozdulás soán végzett munkát), amelyet az elektosztatkus eőté P pontbel potencáljának nevezünk Ilyen módon a töltéssel való osztás évén a töltés egy jellemző adatából, a helyzet enegából, a té egy jellemző adatát, a potencált kapjuk potencál egysége, defnícójának megfelelően: J V betűt használják zzel az egység: V C P J, amt volt-nak neveznek és jelölésée a C potencál hasonlóan a helyzet enegához mndg egy vonatkoztatás ponthoz (tt az ponthoz) vszonyított mennység z azonban endszent nem okoz nehézségeket, met egy fzka pobléma megoldása soán általában nem a helyzet enega és a potencál abszolút étékée van szükségünk, hanem azok megváltozásáa (két pontban felvett étékek különbségée), am vszont nem függ a vonatkoztatás ponttól, amnt azt a helyzet enegáa

TÓTH : lektosztatka/ (kbővített óavázlat) vonatkozóan a mechankában má kmutattuk Bá ez az állítás nylvánvalóan a potencála s gaz (a két mennység csupán egy állandó szozóban különbözk egymástól), példaként tt most a potencála vonatkozó bzonyítást s megadjuk Két pont között a potencálkülönbséget úgy kapjuk meg, hogy meghatáozzuk az egyes pontokban a közös vonatkoztatás ponthoz vszonyított potencált, majd kszámítjuk ezek különbségét z ábán látható B pontnak az ponthoz vszonyított U B potencálkülönbségét az U U U U U B B( ) B( ) kfejezés, lletve a potencál defnícójának felhasználásával kapott U B összefüggés adja meg d d B B d d d B d d B () B () nnek megfelelően egy elem d elmozdulás kezdő- és végpontja közt potencálkülönbséget a skalás szozat adja meg du d mechankában láttuk, hogy a konzevatív eőtének az a sajátsága, hogy munkája független a pályától, úgy s megfogalmazható, hogy egy zát L göbén köbejáva, a végzett összes munka nulla setünkben ez azt jelent, hogy elektosztatkus eőtében egy q töltést egy zát L göbén köbemozgatva, a té által végzett összes munka nulla lesz: L q d bből következk, hogy a zát göbe mentén a potencálkülönbségeket összegezzük, akko szntén nullát kapunk: d L zt az összefüggést gyakan az elektosztatka I tövényének nevezk, am tehát azt fejez k, hogy az elektosztatkus té konzevatív bből a tövényből következk, hogy az elektosztatkus té eővonala nem lehetnek akámlyenek Például nem lehetségesek önmagukban záódó eővonalhukok, met ha zát göbeként egy lyen eővonalhukot választunk, akko ee kszámítva a fent köntegált, bztosan nullától különböző eedményt kapunk nnek az az oka, hogy lyenko a téeősség és az elmozdulás a göbe mnden pontján egyányú vagy ellentétes ányú egymással, ezét az d elem skalás szozatok vagy mnd negatívak vagy mnd poztívak, így összegük nem lehet nulla B

TÓTH : lektosztatka/ (kbővített óavázlat) 3 Potencál konkét eőteekben Most néhány egyszeű esetben bemutatjuk a potencál kszámításának módját Potencál homogén eőtében legegyszeűbb, ezét bonyolultabb eőteek d d közelítéseként gyakan használt eőté a homogén eőté, amelyben a téeősség mndenütt ugyanolyan nagyságú és P ányú z eőteet egyenletes sűűségű páhuzamos eővonalakkal szemléltethetjük (ába) Homogén eőtében a potencáls enega és a potencál meghatáozása vszonylag egyszeű Így például az ábán látható homogén elektomos eőtében egy poztív q elektomos töltés helyzet enegája a P pontban ( h (P )), lletve az elektomos potencál a té ugyanezen d P' d pontjában az ponthoz vszonyítva (U (P )) az alább módon kapható meg: ( P ) q d d qd h P P lletve h ( P ) U ( P ) d q (z ntegálásnál, felhasználtuk, hogy a té munkavégzése nem függ a választott útvonaltól, ezét egy célszeű útvonalat választottunk, ahol a munka az P szakaszon nulla, hszen tt d ) Mnt látható, homogén tében a potencál és a helyzet enega s csak attól függ, hogy a vzsgált pont és a vonatkoztatás pont egymástól mét távolságának a téeősséggel páhuzamos vetülete (d ) mekkoa z ábán bejelölt P pontban temészetesen mnd a helyzet enega, mnd pedg a potencál negatív: h ( P ) qd, lletve U ( P ) d Ponttöltés potencálja potencál (lletve helyzet enega) a téeősség ntegálásával kapható meg Következő példaként (ába) számítsuk k egy poztív ponttöltés által létehozott elektomos d eőtében a potencált a ponttöltéstől mét távolság függvényében Ha a potencál vonatkoztatás pontját az pontban vesszük fel, akko, felhasználva a ponttöltés eőteée vonatkozó smeetenket, a potencál defnícója alapján íhatjuk U ( ) d d d z ntegálás eedménye: U ( ) Ha vonatkoztatás helyként a ponttöltéstől végtelen távol pontot ( végtelen) választunk, akko a leggyakabban használt U ( ) U( ) P P

TÓTH : lektosztatka/ (kbővített óavázlat) 4 alakot kapjuk (ennek jelölésée általában a külön ndex nélkül U használatos) Látható, hogy ezzel a választással egyben a potencál nulla pontját s a végtelen távol pontban vettük fel Két tetszőleges pont ( és ) között potencálkülönbség a fentek alapján: U U( ) U( ) U, ahol alkalmaztuk a szokásos U U jelölést potencálkülönbség a váakozásnak megfelelően nem függ a vonatkoztatás pont választásától Gyakan fontos smen egy elektomos tében a potencálvszonyokat, vagys azt, hogy a potencál mlyen ányban változk, és mlyen ütemben zt szemléletes módon lehet bemutatn azoknak a felületeknek a beajzolásával, amelyek mentén mozogva a potencál állandó zek az ekvpotencáls felületek, amelyek a potencál defnícójából következően a téeősségvonalaka mndenütt meőlegesek Ha ezeket úgy ajzoljuk be, hogy a szomszédos felületek potencálkülönbsége meghatáozott éték, akko az ábáól a potencál nagyságának helyfüggését s leolvashatjuk (hasonlóan, ahogy a tékép szntvonalaól a magasság változásat) Ponttöltés esetén a fent egyenletből könnyen megkaphatjuk az ekvpotencáls felületek egyenletét: U n, U ahol U n különböző potencálétékeket jelöl, amelyeket U az n soszámmal különböztethetünk meg z U 3 egyenletből következk, hogy az U n potencálétékekhez tatozó ekvpotencáls felületek gömbök (ába), amelyeknek sugaa n 4 πε U n z ábán az egyes potencálétékek között ugyanakkoa a különbség (a potencálok étéke ende,, 3, egység) szntvonalak szemléletesen s mutatják, hogy a töltéshez közeledve a potencál étéke egye meedekebben emelkedk (az azonos potencálkülönbségű göbék sűűsödnek) Több ponttöltés együttes eőteében a potencál kszámítása egyszeű, ha feltételezzük, hogy a szupepozícó elve évényes kko az egyes töltések által az adott helyen (pl egy P pontban) létehozott potencálokat egyszeűen összeadjuk (a potencál skalás mennység): U( P ) U ( P ), ahol az -edk ponttöltés töltése (előjelesen), a távolsága a P ponttól ********************* ********************* ****************** Folytonos töltéseloszlás potencálja gy V téfogatban folytonosan eloszló töltés potencálját a Gauss-tövény tágyalásánál megsmet módon, a töltésnek pontszeű észeke töténő osztásával kaphatjuk meg Ha a ρ téfogat töltéssűűséget mndenütt smejük, akko egy P pont köül felvett elem dv téfogatban lévő töltést k tudjuk számítan a d ρdv összefüggéssel Ha feltételezzük, hogy évényes a szupepozícó elve és vákuumban, dőben állandó eőté esetén a tapasztalat szent évényes akko a pontszeűnek tekntett elem észtöltések által létehozott potencál:

TÓTH : lektosztatka/ (kbővített óavázlat) 5 U( P ) V ρdv, ahol a dv téfogatelem a távolsága a P ponttól Hasonló módon jáunk el, ha a töltés egy felületen oszlk el folytonosan, és a felület mnden pontjában smejük a σ felület töltéssűűséget nnek defnícója a következő: ha egy elem felületen töltés van, akko ott a felület töltéssűűség közelítő étéke σ felület töltéssűűség egy pontban évényes étékét úgy kapjuk meg, hogy a pont köül felvett felületet egye csökkentjük, és meghatáozzuk a σ lm V d d hatáétéket z az adott pontban a felület töltéssűűség, amely előjeles mennység, előjele az adott helyen lévő töltés előjelével egyezk meg Ha az felületet elem d észeke osztjuk, akko az egyes felületelemeken lévő, pontszeűnek teknthető töltés: d σd, így a felületen elhelyezkedő töltés által okozott potencál egy P pontban σd U( P ), ahol a d felületelem a távolsága a P ponttól lektomos töltések kölcsönhatás enegája ddg egy töltés helyzet enegáját egy smeetlen foásból számazó elektomos eőtében vzsgáltuk, és feltételeztük, hogy a vzsgált töltés az eőteet nem változtatja meg z eőteet azonban sztatkus esetben mndg valamlyen töltés hozza léte, így a kszámított enega a vzsgált töltés és a teet létehozó smeetlen töltés kölcsönhatásának a következménye zt s mondhatjuk, hogy ez a helyzet enega a kölcsönható töltések közös enegája, amt kölcsönhatás enegának nevezünk z, hogy a kölcsönhatás enega valóban mndkét kölcsönható töltéshez tatozk, jól látszk két ponttöltés kölcsönhatása esetén Helyezzünk el két ponttöltést ( és ) egymástól távolságban, és számítsuk k előszö, hogy menny a helyzet enegája a töltésnek egy töltés által létehozott elektomos eőtében töltéstől távolságban a potencál a töltés helyzet enegája tt, U h U Látszk, hogy ebben az enega-kfejezésben teljesen szmmetkus módon szeepel a két töltés, és az összefüggésben szeeplő s az egymástól mét távolság: az enega nem endelhető hozzá kzáólagosan egyk töltéshez sem Még nylvánvalóbbá válk az enega közös jellege, ha kszámítjuk, hogy menny a helyzet enegája a töltésnek a töltés által létehozott elektomos eőtében töltéstől távolságban a potencál a töltés helyzet enegája tt am megegyezk az előző eedményünkkel, U h U, Vagys bámelyk töltés enegáját számoljuk k a másk eőteében, ugyanazt az eedményt kapjuk Ismét azt látjuk, hogy ez az enega nem endelhető hozzá egyk töltéshez sem: ez a két ponttöltésből álló endsze közös helyzet enegája vagy más néven a két töltés kölcsönhatás enegája zt a kölcsönhatás enegát az szmbólummal jelölve, egymástól távolságban lévő ponttöltések esetén h

TÓTH : lektosztatka/ (kbővített óavázlat) 6 h Mvel két töltés kölcsönhatása számos esetben gen fontos szeepet játszk (lyen kölcsönhatás tatja össze pl az atomban a poztív töltésű magot és a negatív töltésű elektonokat), ennek az enegának a távolságfüggését szemléletesen s bemutatjuk a mellékelt ábán z ába a) észe két azonos előjelű ponttöltés kölcsönhatás enegáját mutatja a két töltés egymástól mét távolságának függvényében b) ába ugyanezt mutatja két ellentétes előjelű ponttöltés esetén z ábákon azt s ézékeltetjük, hogy az pontbel töltéshez bámely ányból közelítjük a másk töltést, mndg ugyanolyan jellegű a helyzet enega változása zonos töltések esetén tehát a közelített töltésnek egy helyzet enega-hegyet kell legyőzne, vagys a endsze enegája a közeledésnél nő, míg ellentétes töltések esetén a közelített töltés egy helyzet enega-gödöbe esk be, és a endsze enegája csökken a nulla helyzet enegának megfelelő végtelen távol helyzethez képest helyzet enega nullpontjának lyen megválasztása az oka annak, hogy vonzó kölcsönhatás esetén a endsze helyzet enegája negatív h h a) b) Ha több ponttöltésből (,,,, ) álló töltésendsze kölcsönhatás enegáját akajuk kszámítan, akko kválasztunk egy töltést, és meghatáozzuk a kválasztott pl az -edk töltés helyén a több töltés által létehozott U potencált z -edk töltés helyzet enegáját ekko az U h összefüggés adja meg töltések teljes helyzet enegáját, vagys a töltésendsze kölcsönhatás enegáját, az egyes ponttöltések helyzet enegának összegéből kaphatjuk meg: kh h U z ½ szozóa azét van szükség, met az összegzés soán mnden töltéspá kölcsönhatás enegáját kétsze vesszük fgyelembe Mvel ponttöltésekől van szó, a helyzet enega könnyen kszámítható Ha az -edk és j-edk töltés között távolságot j -vel jelöljük, akko az -edk töltés helyén a több töltés által létehozott U potencál z -edk töltés helyzet enegája tehát h U U j, j j j j, j z összes töltés helyzet enegája, vagys a töltésendsze kölcsönhatás enegája kh h j j, j j 8 j j πε, j, j Hatáozzuk meg a fentek alapján egy vezetőn elhelyezkedő töltés helyzet enegáját hhez a vezetőn lévő töltést ponttöltéseknek teknthető apó észeke osztjuk, és az így kapott töltésendsze helyzet enegáját számítjuk k Tudjuk, hogy egy vezető mnden pontján azonos a potencál Jelöljük ezt U-val kko a potencál a észtöltés helyén s U, így ennek a töltésnek a helyzet enegája h U z összes töltés helyzet enegája pedg kh h U U U gy vezetőn elhelyezett töltés helyzet enegája tehát aányos a vezetőn lévő töltéssel és a vezető potencáljával ********************** ********************* ****************** j j

TÓTH : lektosztatka/ (kbővített óavázlat) 7 gyszeű töltéselendezések elektomos eőtee z elektosztatkus té alaptövénye segítségével egyszeűbb töltéseloszlások által keltett elektomos eőtében a téeősség lletve az elektomos potencál kszámítható z általunk használt ntegál-tövények lyen céla csak akko használhatók, ha a töltéseloszlásnak valamlyen szmmetája van (pl gömbszmmeta) Gömbszmmetkus töltéseloszlások tee Ponttöltés legegyszeűbb lyen töltéseloszlás a ponttöltés Ha egy magában álló ponttöltés teée alkalmazzuk a II alaptövényt, akko temészetesen vsszakapjuk a Coulomb tövényből kapott téeősség-kfejezést, hszen abból találtuk k a II alaptövényt Vezető gömb Kevésbé nylvánvaló egy R sugaú vezető gömb elektomos tee, amelye poztív töltést vttünk fel vezető olyan tulajdonságú anyag, amelyen az elektomos töltések szabadon elmozdulhatnak, ezét a töltések amelyek taszítják egymást egyensúlyban egymástól a lehető legtávolabb, tehát a gömb felületén helyezkednek el számításhoz célszeűen felvett felület egy gömbfelület (a (felület) végeedmény a felület választásától nem függ), amelynek középpontja a töltött gömb középpontjával egybeesk (ába) Mvel ez a töltéseloszlás gömbszmmetkus, a té s az lesz, tehát a téeősség nagysága () a felvett d gömbfelület mnden pontjában azonos, és sugáányban kfelé mutat Így a felületen mndenütt d, és állandó, ezét az elektosztatka II alaptövénye egyszeű alakban íható fel: d d d d 4 π ε töltött gömbön belül nncs töltés, így a gömb felületén belül felvett zát felület által bezát töltés, a gömbön kívül felvett zát felület által bezát töltés Így a töltött gömb tee, ha < R ha R, vagys a töltött vezető gömb belsejében nncs elektomos té, a gömbön kívül eső pontokban pedg a té olyan, mntha a gömb töltése a centumában koncentált ponttöltés lenne (ezét lehet a ponttöltések kölcsönhatását töltött gömbök segítségével megmén) téeősség távolságfüggését az alább ába a) észe mutatja potencál most s a téeősség ntegálásával kapható meg gömbön kívül a téeősség a ponttöltés téeősségével azonos, ezét ott () U() a potencál s megegyezk a ponttöltés potencáljával: U( ), >R gömb felületén R, a R R potencál mndenütt ugyanaz a) b)

TÓTH : lektosztatka/ (kbővített óavázlat) 8 U( R ) U gömb R R gömbön belül nncs eőté, a potencál ezét állandó, és azonos a gömb felületén lévő potencállal: U belül U( R ) R R potencál távolságfüggése a fent ába b) észén látható Téeősség és potencál töltött síkok könyezetében, a síkkondenzáto legegyszeűbbek, ezét a valóságos teek közelítéseként gyakan használt eőteek a homogén eőteek z alábbakban lyen eőteekkel kapcsolatos számításokat smetetünk Szmmeta-meggondolások alapján belátható, hogy homogén té jön léte egy elektomosan töltött, végtelen ktejedésű lemez két oldalán, amelyen a felület töltéssűűség (egy elem felületen elhelyezkedő d töltés és a d felület hányadosa: σd/d) mndenütt azonos Számítsuk k a téeősséget ( ), d ha a lemez töltése poztív téeősség az elektosztatka II alaptövénye alapján egyszeűen d d megkapható, ha a fluxust olyan zát felülete számítjuk k, amelynek csak téeősséggel páhuzamos és téeőssége meőleges észe vannak (ába) e a zát felülete vett fluxus σ zá t Φ d d d másészt vszont a II alaptövény szent Φ zá t ε két egyenletből (felhasználva, hogy Σ σ) a téeősség: σ ε Negatívan töltött lemeze ugyanlyen nagyságú, csak ellenkező ányú téeősséget kapunk (ába) z eedmények σ σ σ σ - - szgoúan véve végtelen ktejedésű lemeze gazak, közelítőleg évényesek azonban - - véges lemezeknél s, ha a lemeztől mét távolság sokkal - - ksebb, mnt a lemez szélétől a) b) c) mét távolság Édekes és fontos eset, ha két olyan lemezt helyezünk el egymással páhuzamosan és egymáshoz közel, amelyeken a töltéssűűség azonos nagyságú, de ellentétes előjelű (σ és -σ) kko - mnt az ába s mutatja - a két lemez között a teek egyányúak, ezét ott a téeősség megduplázódk, a lemezeken kívül azonban a teek koltják egymást Így a két lemez között homogén té jön léte, amelynek nagysága: σ, ε

TÓTH : lektosztatka/ (kbővített óavázlat) 9 ánya pedg a poztívan töltött lemeztől a negatív felé mutat Mvel a kalakult eőté homogén, könnyen kszámíthatjuk az ellentetten töltött páhuzamos vezető-lemezek között potencálkülönbséget s poztív () lemez U potencálja a negatívhoz (-) képest: U σ d d d d d ahol d a lemezek között távolság (Itt felhasználtuk, hogy és d ellentétes ányú, vagys d<) z összefüggés jó közelítéssel véges felületek esetén s alkalmazható, ha d kcs a lemezek lneás méetéhez képest Töltés elhelyezkedése vezetőn, töltött vezető potencálja, a kapactás z elektomos kölcsönhatás kísélet vzsgálata soán láttuk, hogy egy vezetőben hosszú távú mozgása képes töltéshodozók vannak zek a töltések a vezetőben külső hatás jelenléte nélkül az ellenkező előjelű - töltésekkel összekeveedve helyezkednek - - el, a vezető kfelé elektomosan töltetlen - - - (semleges) testként vselkedk (a) ába) - - - - többlet-töltést nem tatalmazó, semleges - - vezetőben azonban külső elektomos eőtéel töltésátendeződés hozható léte, és a) b) lyenko a vezetőben szétvált töltések matt a vezető nem semleges testként vselkedk: köülötte elektomos eőté jön léte (b) ába) z a jelenség az elektomos megosztás, amt koábban kíséletleg s vzsgáltunk zt s láttuk, hogy egy vezetőe többlet elektomos töltést tudunk felvnn, és a vezetőben ez a töltés s mozogn tud Mvel az azonos előjelű töltések egymást taszítják, a többlet-töltések a vezetőn váhatóan egymástól távol póbálnak elhelyezkedn nnek a feltevésnek a helyességét kíséletekkel s gazoln lehet KÍSÉRLTK: Töltés elhelyezkedését vzsgáljuk vezetőn Vezetőként nyílással ellátott, belül ües fémgömböt lletve fémhenget használunk, a töltés jelenlétének vzsgálatáa szolgáló eszköz egy ksméetű, szgetelt nyéle szeelt fémgolyó és egy elektométe belül ües fémgömböt feltöltjük, majd a fémgolyóval kívülől megéntjük Ha fémgolyót az elektométehez éntjük, az töltést mutat, vagys a fémgömb külső felületén van töltés fémgolyót a nyíláson keesztül a feltöltött, ües fémgömb belső felületéhez, majd az elektométehez éntjük z elektométe nem mutat töltést: a feltöltött fémgömb belső felületén nncs töltés fémgömböt a nyíláson keesztül belülől töltjük fel fent kíséletek eedménye most s ugyanaz: a töltés ekko s a fémgömb külső felületée megy ε KÍSÉRLT: bben a kíséletben vezetőként nyílással ellátott, belül ües, két végén nytott fémhenget használunk fémhenge belső és külső felületée s bodzabél elektoszkópot helyezünk el káhol vszünk fel töltést a hengee, mndg csak a külső felülete szeelt elektoszkóp mutat töltést

TÓTH : lektosztatka/ (kbővített óavázlat) kíséletekből vlágosan kdeül, hogy a vezetőn a töltések valóban egymástól a lehető legnagyobb távolságban, a vezető külső felületén helyezkednek el Számos tapasztalat mutatja, hogy egy vezetőe felvtt töltések gen övd dő alatt egyensúly állapotba keülnek, és nem mozognak tovább bből a tapasztalatból tovább megállapításoka juthatunk gyensúly állapotban egy vezető belsejében nem lehet elektomos eőté z azét van így, met, ha lenne elektomos eőté, akko annak hatásáa a töltések mozognának, így nem lehetne egyensúly zét, ha egy vezetőben (pl a feltöltése pllanatában) elektomos eőté alakul k, akko a töltések addg mozognak, amíg olyan töltéseloszlás jön léte, am a vezetőben megszüntet az elektomos eőteet z akko s gaz, ha a vezetőt nem töltjük fel, hanem elektomos eőtébe helyezzük, am a benne lévő töltéseket megosztja Ilyenko a megosztott töltések elhelyezkedése lesz olyan, hogy a vezető belsejében nem lesz elektomos eőté Hasonló a helyzet egy zát, üeges vezető esetében s: egyensúly (sztatkus) állapotban az üeg belsejében nncs elektomos eőté z könnyen belátható, ha meggondoljuk, hogy egy tömö vezetőből úgy csnálhatunk üegest, hogy kvágjuk a belsejét kko olyan észt távolítunk el, amelyben nncs elektomos eőté, és amelynek jelenléte vagy hánya az elektomos eőteet nem befolyásolja, így a kvágás után semm sem változk meg z a tény gyakolat szempontból gen fontos, hszen ez azt jelent, hogy ha egy fémdobozt dőben állandó elektomos eőtébe teszünk, akko a belsejében nem lesz elektomos eőté szokásos - kfejezést használva: a fémdoboz leányékolja a külső - - elektomos eőteet Más a helyzet akko, ha egy üeges vezetőben helyezünk el - - töltést kko a töltés maga köül elektomos eőteet hoz léte, így az üegben s lesz eőté z az eőté megosztja a - - vezető üegfal töltéset, és az eőté a vezetőn kívül s - megjelenk (ába) vezető Mvel két pont között elektomos potencálkülönbség csak akko lehet, ha elektomos eőté van jelen (du-d), egyensúly állapotban egy vezető mnden pontjában azonos a potencál Ha egy vezetőt feltöltünk, akko a felületén lévő töltések a vezetőn kívül elektomos eőteet hoznak léte kalakult téeősség azonban a felületen csak olyan lehet, hogy a téeősségvonalak a vezető felületée meőlegesek (ha a téeősségnek lenne a felülettel páhuzamos komponense az elmozdítaná a töltéseket) z akko s így van, ha a vezető nem töltött, de elektomos eőtében van, és a felületén a megosztás matt van töltés Kapactás, kondenzátook különböző töltéselendezések elektomos eőteének vzsgálatánál azt az eedményt kaptuk, hogy a magában álló (azaz más töltésektől gen messze elhelyezett) vezető gömb potencálja aányos a ajta lévő töltéssel, az aányosság tényező pedg csak geometa adatokat tatalmaz: U R vez specáls esetben kapott eedményől kmutatható, hogy általánosan s gaz: tetszőleges alakú, magában álló, elektomosan töltött vezető végtelen távol ponta

TÓTH : lektosztatka/ (kbővített óavázlat) vonatkozó potencálja aányos a ajta lévő töltéssel: U vez ~ zt az aányosságot az alább módon szokás felín U C vez, ahol a C állandót a vezető kapactásának nevezk (mnél nagyobb a C éték, annál több töltést tud táoln a vezető adott potencálon) szent egy R sugaú vezető gömb kapactása a fent egyenletek alapján: C gömb R Hasonló eedménye jutottunk, amko két páhuzamos síkon azonos nagyságú, de ellentétes előjelű töltést helyeztünk el két sík között potencálkülönbsége azt kaptuk, hogy σ U d ε Ha a két töltött sík két vezető anyagból (pl fémből) készült sík lemez, akko az elendezést síkkondenzátonak nevezzük, am töltések táolásáa alkalmas Ha a σ töltéssűűséget kfejezzük a lemezeken lévő összes töltéssel a σ / összefüggés segítségével, akko a potencála az U d ε kfejezést kapjuk z az összefüggés hasonló a kapactás defnícójáa szolgáló egyenlethez (a potencálkülönbség és a töltés aányos) z analóga alapján bevezethetjük a síkkondenzáto kapactását: ε C U d ε nnek az összefüggésnek átendezett, U alakjából látható, hogy adott d potencálkülönbség mellett annál több töltés táolható a kondenzátoon, mnél nagyobb a kapactása, vagys mnél nagyobb a lemezek felülete és mnél ksebb a köztük lévő távolság potencálkülönbségnek és egyúttal a kapactásnak a lemezek távolságától való függését kvaltatív módon könnyen gazolhatjuk az alább egyszeű kísélettel KÍSÉRLT: Mozgatható lemezből készült kondenzátot feltöltve és a lemezek távolságát változtatva, változk a potencálkülönbség, amt a lemezekhez csatlakoztatott elektométe ktéése mutat d növeléseko a potencálkülönbség nő, csökkenéseko csökken, a kapott összefüggésnek megfelelően Mvel a lemezeken eközben a töltés nem változk, ez az eedmény egyben azt s mutatja, hogy a d távolság növeléseko a kapactás csökken, d csökkenéseko pedg nő, amnt az a fent összefüggésből következk csúcshatás töltéseknek vezetőn töténő elhelyezkedésével függ össze az a tapasztalat, hogy a töltött vezető ks göbület sugaú csúcsos észenél a téeősség sokkal nagyobb, mnt a nagyobb göbület sugaú lapos észeknél zt a jelenséget egyszeű kíséletekkel bemutathatjuk

TÓTH : lektosztatka/ (kbővített óavázlat) KÍSÉRLTK: Függőleges tengely köül fogatható, S alakban meghajlított, végen khegyezett dótot (ába) feltöltünk (pl Van de Gaaf-geneátoal) dót gyos fogásba jön, mntha a dótvégekből valam káamlana és a eakcóeő hajtaná az eszközt (hasonlóan, mnt egyes locsolókészülékeknél a káamló víz) Nagy feszültsége feltöltött, khegyezett fémtű olyan eős légáamlatot (ún elektomos szelet) hoz léte, am képes elfújn a csúcsa közelében elhelyezett gyetyát töltés jelenség magyaázata az, hogy a csúcsnál kalakuló nagy elektomos téeősség matt a csúcs polazálja (dpólussá alakítja), és magához vonzza a levegő semleges molekulát csúcsnál a molekulák a csúccsal azonos töltést vesznek fel, ezét a csúcs eltaszítja azokat, és így jön léte a tapasztalt légáam nagy elektomos téeősség kalakulása azzal függ össze, hogy a mndenütt azonos potencálú vezetőben a csúcsnál nagyobb a felület töltéssűűség, mnt más helyeken ******************** ****************** ******************** zt számítással s alátámaszthatjuk, ha a vezetőt vékony vezető szállal összekötött két gömbbel modellezzük, amelyek közül az egyk ks-, a másk pedg nagy sugaú (ába) z egyes gömbök töltését -gyel lletve -vel jelölve, a két gömb felületén az azonos potencál (a gömbök vezetővel össze vannak kötve): bből következk, hogy felület töltéssűűség az egyes gömbökön amből azt kapjuk, hogy U U R R R R σ lletve σ 4πR 4πR, σ R σ R 4πR 4πR Mvel a felület közvetlen közelében a téeősség aányos a töltéssűűséggel: R R, lletve vagys a ksebb sugaú (csúcsosabb) észnél nagyobb a téeősség vezető szál R R R, R vezető gömbök ~ σ, ezét ******************** ****************** ******************** z elektomos dpólus z elektomos eőté leíása szempontjából fontos szeepet játszk az a specáls töltéselendezés, amely egymáshoz nagyon közel elhelyezkedő, pontszeű, azonos nagyságú poztív- és negatív töltésből áll (ába) z az elektomos dpólus dpólussal jól

TÓTH : lektosztatka/ (kbővített óavázlat) 3 modellezhetők azok a semleges atomok vagy molekulák, amelyekben a poztív és negatív töltések súlypontja valamlyen okból (pl szekezet sajátságok vagy külső hatás matt) nem esk egybe Ilyen esetekkel a későbbekben elsősoban az anyag jelenlétében kalakuló elektomos eőté leíásánál találkozunk z elektomos dpólus eőtee dpólus két különálló ponttöltésből áll, ezét köülötte elektomos eőté alakul k téeősséget bámely pontban kszámíthatjuk a szupepozícó elve segítségével: az egyes töltések által létehozott téeősségvektookat - összeadjuk Ilyen szekesztés vázlata - látható a mellékelt ábán (a) ába), - - amelyen a dpólus eőteét 3- téeősségvonalakkal s szemléltettük (b) ába) 3 3 téeősség helyfüggése matematka fomulával s megadható, ezzel azonban tt nem foglalkozunk a) b) lektomos dpólus vselkedése elektomos eőtében Homogén eőté Homogén elektomos eőtében a dpólus két töltésée ellenkező ányú, azonos nagyságú eő hat, am a dpólusnak a téeősség ányához vszonyított helyzetétől függően egy fogatónyomatékot eedményez dpólus tehát ha fogásképes az eőté hatásáa elfodul dpólusa ható eőket az ába mutatja, amnek alapján kszámíthatjuk a dpólusa ható fogatónyomatékot Látható, hogy a dpólusa ható eők eedője nulla, de fellép egy fogatónyomaték, amelynek nagysága M Fl' Fl snα l snα z a fogatónyomaték az óamutató jáásával egy ányban fogat, tehát a F - - fogatónyomaték vekto a ajz síkjáa meőlegesen befelé mutat l' α d e l α F fogatónyomaték kfejezésében felsmehető a dpólmomentum nagysága, amt beíva, az alább alakot kapjuk: M d snα e z a kfejezés két vekto nagyságának (d e és ) és az általuk bezát szög (α) sznuszának a szozata, tehát egy vektoszozat nagyságaként s felfogható zzel a fogatónyomaték vekto alakját s megkaphatjuk: M d e nnek a nagysága megadja a fogatónyomaték nagyságát, és ánya s a valóságos fogatónyomaték ányával egyezk (a vektoszozat eedménye a ajz síkjáa meőlegesen befelé mutat) dpólusa ható fogató nyomaték tehát a té ányába fogatja a dpólust té ányába beállt dpólusa má nem hat fogatónyomaték (a két eő egy egyenesben működk), vagys ez a dpólus egyensúly helyzete

TÓTH : lektosztatka/ (kbővített óavázlat) 4 zt a vselkedést egy egyszeű dpólus-modell segítségével kíséletleg s bemutathatjuk KÍSÉRLT: Súlyzó alakú, féméteggel bevont testet függőleges tengely köül fogathatóan kétkét cénaszála felfüggesztünk, amelyek közül az egyk pá alulól, a másk pá felülől ögzít a súlyzót (a két szál bztosítja, hogy a testnek meghatáozott egyensúly helyzete legyen, ahová külső hatás nélkül mndg vsszaté) súlyzót egy kondenzáto lemeze közé tesszük, és kezdetben úgy állítjuk be, hogy tengelye nagyjából a kondenzáto lemezevel páhuzamosan álljon zután a kondenzátot nagy feszültsége feltöltjük lemezek között létejött elektomos eőtében a súlyzó fémbevonatában megosztás évén az egyk gömb poztív- a másk gömb negatív töltésű lesz, vagys egy dpólus jön léte dpólus modell az eőtében elfodul, és a kondenzáto lemezee meőlegesen, vagys az elektomos téeősséggel páhuzamosan áll be Ha az eőteet megszüntetjük, akko a dpólus vsszaté az eedet helyzetébe kísélet tehát megeősít azt az elmélet következtetésünket, hogy a dpólus valóban a téeősség ányába fodul be Inhomogén eőté Inhomogén eőtében a dpólus befodul az adott helyen fennálló téeősség ányába, és ekko megszűnk a dpólusa ható fogatónyomaték Mvel azonban a téeősség változk a hellyel, a dpólus két töltésée ható eők nem lesznek azonosak, így a dpólusa egy eedő eő lép fel, amnek hatásáa a dpólus ha mozgásképes elmozdul z eedő eő x számítását az ába alapján végezzük el, ahol a lokáls téeősség ányába má beállt dpólus látható bben F az ányban vettük fel a koodnátaendszeünk x- d x x tengelyét dpólus két végpontja az x- lletve x x e koodnátájú helyen van, így a dpólus hossza l x - z eedő eő, amelynek tt csak x-komponense van: F - - x F x F F ( x x ) ( x ) Mvel feltételezzük, hogy a dpólus töltése nagyon közel vannak egymáshoz, az (x) függvény smeetében az (x x) étéket lneás extapolácóval hatáozzuk meg: d( x ) ( x x ) ( x ) x dx zt felhasználva, az eedő eőe azt kapjuk, hogy d( x ) d( x ) F x ( x ) x ( x ) x dx dx Fgyelembe véve, hogy a dpólmomentum nagysága tt d e x, végül azt kapjuk, hogy d( x ) Fx d e dx szent a dpólusa ható eedő eő a dpólmomentumon kívül a téeősség változásának eősségétől szakkfejezéssel a téeősség gadensétől függ, annak növekedésével nő

TÓTH : lektosztatka/ (kbővített óavázlat) 5 dpólus ha ezt a köülmények lehetővé teszk a növekvő téeősség ányában mozdul el z az oka pl annak s, hogy az nhomogén eőteet létehozó megdözsölt üvegúd magához vonzza a dpólussá tett szgetelődaabkákat, vagy a megosztás matt ugyancsak dpólusként vselkedő könnyű fémfóla-daabokat lektomos dpólus helyzet enegája elektomos eőtében Láttuk, hogy egyensúly állapotban a dpólus befodul az elektomos téeősség ányába Ha ebből a helyzetből k akajuk fodítan, akko eőt kell kfejtenünk, és munkát kell végeznünk z a munkavégzés azt eedményez, hogy a dpólus helyzet enegáa tesz szet Most kszámítjuk, hogy homogén elektomos eőtében hogyan függ ez a helyzet enega a dpólus elfodulásának nagyságától (a dpólmomentum- és a téeősségvekto között dϕ M té szögtől) dpólust kezdetben az egyensúly helyzethez (vagys a téeősségvektohoz) képest ϕ szöggel elfodítjuk, majd dϕ d e megnézzük, hogy egy tovább, gen kcs dϕ szögelfodulásnál mekkoa a helyzet enega megváltozása ϕ (ába) zután végghaladva az összes lehetséges szögétéken, az elem helyzet enega-változásokat összegezzük (azét kell elem lépésekben haladn, met a különböző szögeknél más és más az eőté által kfejtett fogató nyomaték, és így a munka s) z eőté által végzett elem munka dwté M tédϕ M tédϕ d e snϕdϕ (tt khasználtuk, hogy a szögelfodulás- és a fogatónyomaték vektoa páhuzamos, de ellentétes ányú, továbbá alkalmaztuk a fogatónyomatéka koábban kapott kfejezést) helyzet enega defnícójának megfelelően a dpólus helyzet enegájának elem megváltozása a ϕ szöggel jellemzett helyzetben d dw d snϕdϕ h té Tetszőleges ϕ helyzetg töténő teljes elfodulásnál a helyzet enega megváltozása ϕ h d e snϕdϕ d e ϕ e ϕ ϕ snϕdϕ (Itt khasználtuk, hogy az eőté homogén, tehát az összegzésből kemelhető) helyzet enega kszámításához meg kell adn a vonatkoztatás helyzetet, vagys a ϕ szöget Vonatkoztatás helyzetként a dpólusnak azt az állását szokás megadn, amko a dpólus meőleges a téeőssége, vagys ϕ / zzel a helyzet enega ϕ h d e snϕdϕ d e π / π ϕ [ cosϕ] d cosϕ Mvel a választott vonatkoztatás szög egyben a helyzet enega nullpontja s ( cos π / ), az egyensúly állapotban a dpólus helyzet enegája negatív helyzet enega kfejezése tömöebb, vekto alakban s felíható, ha khasználjuk azt a tényt, hogy ϕ a dpólmomentum-vekto és a téeősségvekto által bezát szög, vagys a fent kfejezés a két vekto skalás szozatával egyenlő: d e h π / e