FY06 1-5 Flashcards
miten ukonilma ja salamat syntyvät?
ilmakerrosten hangatessa toisiaan, jolloin pilviin voi kertyä suuri sähkövaraus
miksi sähköinen vuorovaikutus syntyy, kun kappaleita hangataan toisiaan vasten?
osa toisen kappaleen pinnalla olevista elektroneista irtoaa ja siirtyy toiseen kappaleeseen. Tällöin elektroneja vastaanottaneessa kappaleessa on ylimäärä elektroneja, joten sen sähkövaraus on negatiivinen. Toisen kappaleen sähkövaraus on positiivinen, koska siinä on enemmän positiivisesti varattuja hiukkasia (protoneja) kuin elektroneja.
mikä määrää varausten siirtymisen ja siirtymisen suunnan?
materiaalin kemialliset ominaisuudet
sähkövaraus
hiukkasen tai kappaleen ominaisuus, joka aiheuttaa sähköisen vuorovaikutuksen. Tämä havaitaan kappaleeseen kohdistuvana veto- tai hylkimisvoimana. Erilaiset voimat selittyvät sillä, että sähkövarausta on kahta lajia, positiivista ja negatiivista.
sähköinen vuorovaikutus
varattujen hiukkasten, kuten elektronien ja protonien, välinen etävuorovaikutus
sähköisten hylkimis- ja vetovoimien suuruus
Sähköiset hylkimis- ja vetovoimat ovat Newtonin III lain (voiman ja vastavoiman lain) mukaisesti yhtä suuret ja vastakkaissuuntaiset.
sähköisesti neutraali
kappaleessa on yhtä paljon positiivisia ja negatiivisia varauksia
alkeisvaraus
pienin luonnossa havaittu sähkövaraus
elektroskooppi
Sähkövarausten olemassaolo ja määrä voidaan todeta elektroskoopin avulla. Elektroskoopin eristetyssä kotelossa on varsi, jonka toiseen päähän on kiinnitetty kiertymään pääsevä viisari. Elektroskoopin varsi ja viisari muodostavat yhtenäisen johdinkappaleen. Kun elektroskooppia kosketetaan sähköisesti varatulla sauvalla, varsi ja viisari varautuvat samanmerkkisiksi. Tällöin viisari ja varsi hylkivät toisiaan. Mitä suurempi sähkövaraus on, sitä suurempaan kulmaan viisari kiertyy.
kappaleen sähkövaraus
Kappaleen sähkövaraus Q on alkeisvarauksen e monikerta eli Q = ±ne
miten sähkövarauksen merkki voidaan selvittää hohtolampun avulla?
Hohtolampun sisällä on kaasua ja kaksi toisistaan erillään olevaa metallilankaa eli kohtiota. Kappaleen sähkövaraus on negatiivinen, jos hohtolampussa valo välähtää kappaleen puoleisessa kohtiossa. Jos välähdys näkyy vastakkaisessa kohtiossa, kappaleen sähkövaraus on positiivinen.
mitä voi käydä jos varatut kappaleet tuodaan toistensa lähelle tai irrotetaan toisistaan nopeasti?
sähkövaraus voi siirtyä kappaleesta toiseen voimakkaana purkauksena. Tämä voidaan nähdä pienenä salamana. Vastaavasti kappaleiden nopea irrottaminen toisistaan voi saada aikaan varausten siirtymisen kappaleiden välillä: tämä voi ilmetä kipinöintinä.
sähkövarauksen säilymislaki
Eristetyssä systeemissä positiivisten ja negatiivisten sähkövarausten summa on vakio.
johteet
Johteissa kuten metalleissa atomin uloimmat elektronit eivät ole kiinteästi sitoutuneet tiettyyn atomiytimeen, vaan pääsevät liikkumaan melko vapaasti. Näitä elektroneja kutsutaan johde-elektroneiksi.
eristeet
Eristeissä kuten muovissa tai kumissa atomin elektronit ovat sidottuja aineen atomeihin, joten eristeaineessa sähkövaraus ei pääse siirtymään.
Coulombin laki
Hiukkaset, joiden sähkövaraukset ovat Q1 ja Q2, kohdistavat toisiinsa sähköisen voiman, jonka suuruus on suoraan verrannollinen sähkövarausten tuloon ja kääntäen verrannollinen hiukkasten välisen etäisyyden neliöön.
miten sähkövaraukset sijoitetaan Coulombin lain yhtälöön?
Sähkövarausten arvot sijoitetaan Coulombin lain yhtälöön ilman etumerkkejä. Voimien suunnat riippuvat siitä, onko varauksilla sama vai vastakkainen etumerkki.
milloin Coulombin laki pätee tarkasti?
Coulombin laki pätee tarkasti tyhjiössä oleville pistemäisille varatuille hiukkasille sekä kappaleille, joiden varausjakauma on pallosymmetrinen. Coulombin lakia voidaan käyttää varsin hyvällä tarkkuudella silloinkin, kun sähkövaraukset ovat ilmassa.
sähkökenttä
alue, jonka jokaisessa pisteessä varattuun hiukkaseen tai kappaleeseen vaikuttaa sähköinen voima. Varatun kappaleen ympärillä on sähkökenttä, joka ilmenee muihin varattuihin kappaleisiin ja hiukkasiin vaikuttavana voimana.
sähkökentän voimakkuus
kuvaa varatun kappaleen ympärillä olevaa sähkökenttää. E=F/Q, N/C tai V/m
sähkökentän voimakkuuden suunta
sama kuin sähkökentässä olevaan positiivisesti varattuun hiukkaseen kohdistuvan sähköisen voiman suunta.
kenttäviivat
Sähkökentän voimakkuus osoittaa sähkökentän (kenttäviivojen) suunnan. Kenttäviivojen tiheys ilmentää kentän voimakkuutta. Mitä voimakkaampi sähkökenttä on, sitä tiheämmässä kenttäviivat ovat sillä alueella. Sähköinen voima on kussakin sähkökentän pisteessä kenttäviivan tangentin suuntainen.
pistemäisen varatun kappaleen sähkökenttä
pistemäisellä kappaleella tarkoitetaan kappaletta, jonka koolla ei ole vaikutusta tarkasteltavaan ilmiöön.
E=k*Q/r^2
Sähkökentän voimakkuuden suunta on varauksesta poispäin, jos Q on positiivinen, ja kohti varausta, jos Q on negatiivinen.
homogeeninen sähkökenttä
Homogeenisessa sähkökentässä sähkökentän voimakkuuden suuruus ja suunta ovat kaikkialla kentässä samat. suunta on korkeammasta potentiaalista alempaan
hiukkasen potentiaalienergia homogeenisessä sähkökentässä
Varatun hiukkasen potentiaalienergia homogeenisessa sähkökentässä on
Ep = QEx, jossa Q on hiukkasen varaus, E sähkökentän voimakkuuden suuruus ja x etäisyys nollatasosta.
sähkökentän potentiaali
V= E_p/Q. voltti V
homogeenisessä sähkökentässä V=Ex. potentiaali kasvaa, kun liikutaan kentän suuntaa vastaan.
miten erimerkkiset hiukkaset liikkuvat sähkökentässä?
Negatiivisesti varattu hiukkanen liikkuu sähköisen voiman vaikutuksesta sähkökentän suuntaa vastaan kohti korkeampaa potentiaalia, positiivisesti varattu hiukkanen sähkökentän suuntaisesti kohti alempaa potentiaalia.
kumpi levy valitaan yleensä potentiaalin nollatasoksi?
negatiivinen
maankuoren potentiaali
Maankuorta voidaan pitää äärettömän suurena johdekappaleena. Sen potentiaaliksi on sovittu V = 0 V.
sähkölaitteen maadoittaminen
laitteen tietyn kohdan tai osan, tavallisesti kuoren, yhdistäminen maahan suojamaadoitetun pistorasian metalliliuskojen välityksellä. Tämän kohdan potentiaaliksi tulee tällöin V = 0 V riippumatta siitä, millainen sähkökenttä laitteessa muuten on. Vikatilanteessa syntyvä sähkövirta siirtyy maankuoreen.
maadoittaminen sähkökenttäpiirusten yhteydessä
maadoittaminen tarkoittaa potentiaalin nollatason valintaa. Tällöin nollatasoa voi merkitä lyhyesti maadoituksen piirrosmerkin avulla.
tasapotentiaalipinta
Kaikissa kentän pisteissä, jotka ovat samalla etäisyydellä potentiaalin nollatasosta, on sama potentiaali. Näiden pisteiden sanotaan muodostavan tasapotentiaalipinnan. Tämä pinta on kohtisuorassa sähkökenttää vastaan eli graafisessa mallissa kohtisuorassa kenttäviivoja vastaan.
jännite
kahden sähkökentän pisteen välinen potentiaaliero
jännite homogeenisessä sähkökentässä
Korkeammassa potentiaalissa olevan pisteen ja matalammassa potentiaalissa olevan pisteen välinen jännite homogeenisessa sähkökentässä on U = Ed,
jossa E on sähkökentän voimakkuuden suuruus ja d pisteitä vastaavien tasapotentiaalipintojen välimatka.
sähköisen voiman tekemä työ
Kun varattu hiukkanen liikkuu sähkökentässä, siihen vaikuttava sähköinen voima tekee työn W = QU, jossa Q on hiukkasen sähkövaraus ja U hiukkasen radan alku- ja loppupisteen välinen jännite.
potentiaalienergian muutos ja työ
Kun positiivisesti varattu hiukkanen siirtyy korkeammasta potentiaalista matalampaan, sähköinen voima tekee positiivisen työn ja hiukkasen potentiaalienergia pienenee vastaavalla määrällä. Vastaavasti negatiivisesti varatun hiukkasen potentiaalienergia pienenee, kun se liikkuu sähkökenttää vastaan. Työn vaikutuksesta potentiaalienergia muuntuu liike-energiaksi.
Faradayn häkki
johdinaineella rajattu tila. Sähkökentässä olevan johdekappaleen sisällä sähkökentän voimakkuus on nolla eli ei ole sähkökenttää. Ilmiön kannalta ei ole merkitystä, onko johdekappale umpinainen vai ontto
Faradayn häkin hyödyntäminen
Herkät sähkölaitteet suojataan usein ulkoisilta sähkökentiltä asettamalla niiden ympärille Faradayn häkkinä toimiva metallisuojus, koska sähkökenttä ei läpäise metallisuojusta. Myöskään radioaallot eivät pääse metallisuojuksen sisälle
sähkövarausten sijainti varatussa johdekappaleessa
Varatussa johdekappaleessa sähkövaraukset ovat sen pinnalla. Varaustiheys on suuri kappaleen ulospäin kaarevissa pinnoissa ja kärjissä. Myös sähkökentän voimakkuus on kärjen läheisyydessä suuri. Tästä voi seurata sähkövarausten purkautuminen ilmaan.
sähköinen influenssi
Ulkoisen sähkökentän johteessa aiheuttama varausten järjestyminen.
positiivisesti varattu kappale vetää puoleensa johteen elektroneja. Johteessa on vapaita johde-elektroneja, jotka ovat jakautuneet tasaisesti. Kun johdekappale tuodaan sähkökenttään, sähköinen voima siirtää osan elektroneista kentän suuntaa vastaan kohti kappaleen reunaa, joka varautuu negatiivisesti. Johdekappaleen vastakkainen reuna jää varaukseltaan positiiviseksi. Coulombin lain mukaisesti johdekappaleeseen kohdistuu voima, joka vetää sitä kohti positiivisesti varautunutta kappaletta. Kun kappaleet koskettavat toisiaan, johde luovuttaa kosketuksessa toiselle kappaleelle elektroneja, minkä jälkeen kappaleet hylkivät toisiaan.
johdekappaleen sisällä oleva sähkökenttä
sähkökentässä olevan johdekappaleen sisällä oleva sähkökenttä on alkuperäiselle kentälle vastakkaissuuntainen. Kun kappaleen sisäinen kenttä kumoaa ulkoisen kentän, elektronien siirtyminen lakkaa.
sähköinen polarisoituminen
sähkökenttä voi aiheuttaa eristeaineessa sähköisen polarisoitumisen eli molekyylin sisäisen varauksen jakautumisen.
mihin sähköinen polarisoituminen perustuu?
sähköisen vuorovaikutuksen syntyminen perustuu eristeen sisältämien molekyylien tai atomien sisäisiin varausjakaumiin. Eriste voi koostua pysyvistä dipolimolekyyleistä, joissa on negatiivinen ja positiivinen osittaisvaraus. Vaikka molekyylit eivät olisikaan dipoleja, ulkoinen sähkökenttä aiheuttaa niissä sähköisen polarisoitumisen eli molekyylin sisäisen varauksen jakautumisen. Näin syntyneet pysymättömät dipolimolekyylit voivat asettua sähkökentän suuntaisesti. Polarisoituminen tapahtuu myös sähkökentässä olevissa atomeissa.
