Witajcie drodzy uczniowie! Nadchodzi *sprawdzian z fizyki o elektryczności statycznej* od *WSiP*? Nie martwcie się! Przygotowałem dla Was ten przewodnik, aby wszystko stało się jasne i proste. Powodzenia!
Ładunek Elektryczny i Siła Oddziaływania
Zacznijmy od podstaw. Czym jest ładunek elektryczny?
To cecha materii, która sprawia, że oddziałuje ona z polem elektromagnetycznym. Mamy dwa rodzaje: ładunek dodatni i ładunek ujemny.
Ładunki jednoimienne (plus z plusem, minus z minusem) się odpychają. Ładunki różnoimienne (plus z minusem) się przyciągają.
Ile wynosi elementarny ładunek elektryczny? To wartość bezwzględna ładunku elektronu lub protonu, wynosząca około 1.602 × 10-19 kulomba (C). Oznaczamy go literą *e*.
Pamiętajcie o prawie Coulomba! Opisuje ono siłę oddziaływania elektrostatycznego między dwoma naładowanymi ciałami.
Wzór na siłę Coulomba to: F = k * |q1 * q2| / r2
Gdzie:
* F to siła elektrostatyczna,
* k to stała elektrostatyczna (k ≈ 9 × 109 N⋅m2/C2),
* q1 i q2 to wartości ładunków,
* r to odległość między ładunkami.
Zwróćcie uwagę na wartość bezwzględną w wzorze! Siła jest zawsze dodatnia. Kierunek siły wynika z rodzaju ładunków (przyciąganie lub odpychanie).
Zadania z Prawem Coulomba
Spróbujmy rozwiązać proste zadanie. Dwa ładunki o wartościach 2 μC i -3 μC znajdują się w odległości 10 cm od siebie. Oblicz siłę, z jaką oddziałują.
Rozwiązanie:
* q1 = 2 × 10-6 C
* q2 = -3 × 10-6 C
* r = 0.1 m
* k ≈ 9 × 109 N⋅m2/C2
F = (9 × 109) * |(2 × 10-6) * (-3 × 10-6)| / (0.1)2 = 5.4 N
Siła wynosi 5.4 N i jest to siła przyciągania (ponieważ ładunki są różnoimienne).
Pole Elektryczne
Pole elektryczne to obszar wokół naładowanego ciała, w którym na inne naładowane ciało działa siła elektrostatyczna.
Pojęcie natężenia pola elektrycznego (E) jest kluczowe. Definiujemy je jako siłę działającą na jednostkowy ładunek próbny umieszczony w danym punkcie pola. Jednostką natężenia pola elektrycznego jest N/C (niuton na kulomb).
Wzór na natężenie pola elektrycznego pochodzącego od ładunku punktowego: E = k * |q| / r2
Gdzie:
* E to natężenie pola elektrycznego,
* k to stała elektrostatyczna,
* q to wartość ładunku,
* r to odległość od ładunku.
Linie pola elektrycznego obrazują pole. Dla ładunku dodatniego, linie "wychodzą" z ładunku. Dla ładunku ujemnego, linie "wchodzą" do ładunku.
Pamiętajcie o zasadzie superpozycji pól! Jeśli w danym punkcie znajduje się kilka ładunków, to wypadkowe natężenie pola jest sumą wektorową natężeń pól pochodzących od każdego z tych ładunków.
Zadania z Polem Elektrycznym
Jaki jest natężenie pola elektrycznego w odległości 5 cm od ładunku o wartości 4 nC?
Rozwiązanie:
* q = 4 × 10-9 C
* r = 0.05 m
* k ≈ 9 × 109 N⋅m2/C2
E = (9 × 109) * (4 × 10-9) / (0.05)2 = 14400 N/C
Potencjał Elektryczny
Potencjał elektryczny (V) to energia potencjalna elektrostatyczna przypadająca na jednostkowy ładunek umieszczony w danym punkcie pola. Jednostką potencjału elektrycznego jest wolt (V).
Wzór na potencjał elektryczny pochodzący od ładunku punktowego: V = k * q / r
Gdzie:
* V to potencjał elektryczny,
* k to stała elektrostatyczna,
* q to wartość ładunku,
* r to odległość od ładunku.
Różnica potencjałów między dwoma punktami to napięcie. Napięcie jest przyczyną przepływu prądu.
Pamiętajcie: zerowy potencjał wybieramy umownie, często w nieskończoności.
Zadania z Potencjałem Elektrycznym
Jaki jest potencjał elektryczny w odległości 2 cm od ładunku o wartości -5 μC?
Rozwiązanie:
* q = -5 × 10-6 C
* r = 0.02 m
* k ≈ 9 × 109 N⋅m2/C2
V = (9 × 109) * (-5 × 10-6) / (0.02) = -2250000 V
Pojemność Elektryczna
Pojemność elektryczna (C) to zdolność przewodnika (lub układu przewodników) do gromadzenia ładunku elektrycznego. Jednostką pojemności elektrycznej jest farad (F).
Najprostszym przykładem jest kondensator. Kondensator składa się z dwóch przewodników (okładek) oddzielonych izolatorem (dielektrykiem).
Wzór na pojemność kondensatora: C = Q / V
Gdzie:
* C to pojemność elektryczna,
* Q to wartość zgromadzonego ładunku,
* V to napięcie między okładkami.
Dla kondensatora płaskiego: C = ε * A / d
Gdzie:
* ε to przenikalność elektryczna dielektryka,
* A to pole powierzchni okładek,
* d to odległość między okładkami.
Zadania z Pojemnością Elektryczną
Kondensator o pojemności 10 μF został naładowany do napięcia 50 V. Jaki ładunek zgromadził się na okładkach?
Rozwiązanie:
* C = 10 × 10-6 F
* V = 50 V
Q = C * V = (10 × 10-6) * 50 = 5 × 10-4 C
Podsumowanie
Gratulacje! Dotarliśmy do końca. Pamiętajcie o najważniejszych punktach:
- Ładunek elektryczny: dodatni i ujemny, oddziaływanie jednoimienne - odpychanie, różnoimienne - przyciąganie.
- Prawo Coulomba: opisuje siłę elektrostatyczną.
- Pole elektryczne: obszar wokół naładowanego ciała, natężenie pola (E).
- Potencjał elektryczny: energia potencjalna na jednostkowy ładunek (V).
- Pojemność elektryczna: zdolność do gromadzenia ładunku (C), kondensatory.
Przejrzyjcie notatki, rozwiążcie dodatkowe zadania i bądźcie pewni siebie! Powodzenia na sprawdzianie!
