Rafhleðsla og rafsvið

Similar documents
Part 66. Requirements for exercising privileges Highlights of New Part 66 rule

Ritstuldarvarnir. Sigurður Jónsson

Samanburður vindmæla. Samanburðarmælingar í mastri LV v/búrfell 15. ágúst 30.sept 2011

Inngangur og yfirlit yfir rafmagnsvélar

CHEMISTRY. Efnajöfnur. Efnajöfnur. Kafli 3. Kafli 3. Hlutfallareikningur: AðA. reikna út fnum. Efnajöfnur. Efnajöfnur. Efnajöfnur

Möguleg útbreiðsla trjátegunda með hækkandi hitastigi á Íslandi

OPEN DAYS 2011 LOCAL EVENTS COUNTRY LEAFLET. East Iceland / Austurlands ICELAND / ÍSLAND

Tilraunahúsið Úrræði fyrir raungreinakennslu

Mikilvægi samræmdrar svæðisbundinar kortlagningar Hvað fangar hug og hjarta ferðamannsins

Power Engineering - Egill Benedikt Hreinsson. Lecture 25. Examples 2. Sýnidæmi 2

Ný tilskipun um persónuverndarlög

4. Newton s Laws of Motion

Mánudaga - föstudaga KEF - Airport» Reykjanesbær» Keilir» Fjörður» Reykjavík/HÍ


Leiðbeiningar um notkun XML-þjónustu Veðurstofu Íslands fyrir norðurljós

Sjónarhorn View. Outline view - Yfirlitshamur. Normal view (2000)/Notes Page View (Office97) - minnispunktahamur

Rannsóknarstofa í fjölmenningarfræðum. Raddir fjölbreyttra kennarahópa

Akureyrarbær Starfsmannakönnun 2015

FRAMKVÆMDARREGLUGERÐ FRAMKVÆMDASTJÓRNARINNAR (ESB) nr. 489/2012. frá 8. júní 2012

MARKAÐSSETNING HÖFUÐBORGARSVÆÐISINS Á ERLENDUM MÖRKUÐUM UNDIR VÖRUMERKINU REYKJAVÍK. Vörumerkið Reykjavík

SNERTIFLETIR ÍSLANDSSTOFU VIÐ FLUGREKENDUR

Rannsóknarskýrsla í sálfræði 103 á vorönn 2008 um. viðhorf nemenda til nokkurra þátta í skólastarfi ME.

Viðhorf erlendra söluaðila. Spurningakönnun framkvæmd í desember 2016 á meðal erlendra söluaðila á póstlista Íslandsstofu sem telur 4500 aðila.

Klettafjöllin, Grand Canyon og Laramide byltingin

Hljóðvist, rafsvið og segulsvið

Ég vil læra íslensku

Innihaldsyvirlit. til vegleiðing umsiting av kundum í FSL-debitor. seinast dagført 15. aug. 2017

Desember 2017 NMÍ 17-06

Áhrif lofthita á raforkunotkun

HVERNIG Á AÐ META ÁHÆTTU?

INNANLANDSFARÞEGAR UM ÍSLENSKA ÁÆTLUNARFLUGVELLI 2016

R E Y K J A V I C E N. Eðlisfræði 1. Kafli 1 - Mælistærðir. 24. ágúst Kristján Þór Þorvaldsson -

Hugvísindasvið. Lesið í landið. Fyrirbærafræði, fornleifaskráning og menningarlandslag. Ritgerð til B.A.-prófs. Ásta Hermannsdóttir

Rafbók. Loftnetskerfi. Kennsluhefti

Wind to Hot water MILL Detailed Specifications

Samantekt á atriðum sem framleiðendur snyrtivara þurfa að uppfylla

Sólin, virkni hennar og hvernig mismunandi virkni hefur áhrif á veðurfar jarðar

Stóra myndin. Uppbygging þekkingarsamfélags. Kristrún Frostadóttir, hagfræðingur Viðskiptaráðs Aðalfundur SFS 19. maí 2017

Til að forritið vinni með Word þarf að hlaða niður á tölvuna forritsstubbnum Cite While You Write

Skóli Ísaks Jónssonar INNRAMAT Í SKÓLANUM. Skýrsla fyrir skólaárið

Háskólabrú fjarnám. Bókalisti vorönn önn. Félagsvísinda- og lagadeild

CORINE-verkefniðog landgerðabreytingar á Íslandi milli 2000 og Ingvar Matthíasson Ásta Kr. Óladóttir

LV Breytingar á grunnvatns- og jarðvatnsborði á áhrifasvæði Kárahnjúkavirkjunar

1.3 Jean Luc Nancy um skynjun og tilveru Almennt um innsetningar Judith Rugg um innra og ytra rými... 11

VIKA VIÐFANGSEFNI EFNISTÖK NÁMSEFNI ANNAÐ

INNANLANDSFARÞEGAR UM ÍSLENSKA ÁÆTLUNARFLUGVELLI 2014

Stakerfðavísar hjá sauðfé - ráðstefna í Frakklandi í desember 2003

ÓHAPPATÍÐNI Í BEYGJUM OG LANGHALLA. Staða rannsóknarverkefnis

EFLA Verkfræðistofa. STUÐLAR UM AFHENDINGU RAFORKU Árin Reykjavík, júní 2014

Frostþol ungrar steypu. Kristján Andrésson

Áhrif brennisteins díoxíðs (SO 2 ) á heilsufar

Notkun á dýrum í listsköpun: Dýr sem list og list sem dýr

Viðauki 2e Tæknikröfur um búnað við fullan aðgang

VIKA VIÐFANGSEFNI EFNISTÖK NÁMSEFNI ANNAÐ

Hvað felst í menntun til sjálfbærrar þróunar og hvernig getur hún verið þungamiðja skólastarfs?

Hringrás kolefnis. Freyr Pálsson

Viðloðun radons við gler. Emil Harðarson

Hreinsun affallsvatns frá fiskeldi á landi

EFLA Verkfræðistofa. STUÐLAR UM AFHENDINGU RAFORKU Árin Reykjavík, apríl 2012

Fyrirkomulag forsjár barna af erlendum uppruna

Hraðamerkingar á hættulegum beygjum í vegakerfinu - 2. útgáfa -

Stjörnufræði og myndmennt

Samspil menntunar og þróunar strandbúnaðar - dæmi -

VIKA VIÐFANGSEFNI EFNISTÖK NÁMSEFNI ANNAÐ

Jarðskjálftagreining á háhýsi með kúluplötum

Eftirspennt Brúargólf Klóríðinnihald í nokkrum steyptum brúargólfum

Snælandsskóli Haustönn 2017 Námsgrein Enska Bekkur 10. bekkur Kennari: Hafdís Ágúst ágúst

WordPress viðbót fyrir Greiðslusíðu Borgunar

Efni yfirlitsins að þessu sinni er: HAGTÖLUR VR

Notkun merkis Veðurstofu Íslands. Veðurstofa Íslands Bústaðavegur Reykjavík

Líkamsþyngd barna á höfuðborgargsvæðinu

Einelti íslenskra skólabarna og heilsa

NMÍ Verknúmer 6EM Viðtakarannsóknir 2011: Setgildrur

Eiga gerlar þátt í ummyndun basaltgjóskunnar í Surtsey?

Hann þjálfar hendur mínar til hernaðar

Börn á höfuðborgarsvæðinu léttari nú en áður Niðurstöður úr Ískrá á þyngdarmælingum barna frá 2003/ /10

Maðurinn í málverki. eftir Ragnar Þórisson. Listaháskóli Íslands Myndlistardeild B.A.-ritgerð (janúar 2010) Leiðbeinandi: Ragna Sigurðardóttir

Sveiflur og breyttar göngur deilistofna. norðaustanverðu Atlantshafi

Verkun byggheilsæðis í blöndu með repju eða ertu

Trúðboð sannleiksengla á Íslandi

Reykjavík-Rotterdam, rannsókn á vöruútflutningi til Niðurlands (Hollands) Reykjavík-Rotterdam, a study of exports of goods to the Netherlands

EES-viðbætir við Stjórnartíðindi EB

KENNSLULEIÐBEININGAR

Notkun segulnæmra myndaraða í greiningu á örblæðingum og járnupphleðslu í heila

Gengið og verðlagsmælingar til mjög langs tíma

Fljótlegar mæliaðferðir með NIR (Nær innrauð litrófsgreining) tæki. Gyða Ósk Bergsdóttir

Ímynd stjórnmálaflokka

HEITGALVANISERING Á STÁLI ÍST EN ISO 1461

Nr desember 2014 REGLUGERÐ. um skjölun og milliverðlagningu í viðskiptum tengdra lögaðila.

Samsvörun milli heildarmagns tannátu meðal 12 og 15 ára barna (DMFT/DMFS) og tannátu í lykiltönnum

Skólanámskrá Waldorfskólans Sólstafa

Áhrif aðbúnaðar, mjaltatækni og júgurheilbrigðis á fjölda og tegundir gerla í innleggsmjólk

Viðhorfskönnun meðal erlendra söluaðila um íslenska ferðaþjónustu. September 2018

Fyrirhuguð heimsókn borgarstjórans í Philadelphia, Pennsylvaníuríki, Bandaríkjunum, til Reykjavíkur dagana 31. maí til 2.

Greinargerð Trausti Jónsson. Langtímasveiflur IV. Illviðrabálkar

Mat á eiginleikum malbiks fyrir íslenskar aðstæður Áfangaskýrsla I. Unnið fyrir rannsóknasjóð Vegagerðarinnar. Arnþór Óli Arason Pétur Pétursson

Sameining tveggja háskóla í Svíþjóð

Lilja Birgisdóttir. samspil

Sumargötur Vettvangsrannsókn á Laugavegi og Skólavörðustíg sumarið 2013

Tilraunir með áburð á kartöflur 2004 og yfirlit yfir niðurstöður tilrauna

Transcription:

Eðlisfræði II: Rafhleðsla og rafsvið Kafli 1 Jón Tómas Guðmundsson tumi@hi.is 2. vika vor 2016 1

Rafsegulkraftar Rafsegulvíxlverkun verður á milli agna sem hafa rafhleðslu Eins og hlutir sem hafa massa verða fyrir hröðun vegna þyngdarkrafta, verða rafhlaðnir hlutir fyrir hröðun vegna rafkrafta Rafstraumur er einfaldlega straumur hlaðinna agna sem flæðir vegna áhrifa rafkrafta Þegar hleðslur eru í hvíld í viðmiðunarkerfi okkar, þá verkar rafstöðukraftar á milli þeirra Rafsegulkraftar halda efnum saman 2

Rafsegulkraftar Sterki kjarnakrafturinn heldur kjarna atóma saman (mjög skammdrægur) en atóm tengjast saman vegna rafsegulkrafta Rafsegulkraftur er miklu sterkari en þyngdarkrafturinn en skýling dregur úr áhrifum rafkrafta Við þurfum að skoða smásæja eiginleika efnis til að útskýra rafkrafta 3

Rafhleðsla Grikkir þekktu til rafhleðslu um 600 árum fyrir Krist ef rafi (amber steingerð trjákvoða) er nuddað saman við ull þá dregur það til sín aðra hluti 4

Rafhleðsla Rafhleðsla varðveitist, eyðist ekki Forngríska orðið fyrir raf er elektron og þaðan kemur orðið electron Hvernig hleðst efni upp við snertingu? rafeindir í efninu færast frá öðru efninu yfir á hitt yfirleitt er nettóhleðslan lítið brot (< 10 12 ) at heildarhleðslu efnisins (rafeinda og róteinda) 5

Rafhleðsla Leysiprentari notar krafta milli hlaðinna hluta Ljósnæmt yfirborð tromlunar er hlaðið jákvæðri hleðslu Þegar tromlan snýst er skrifar leysigeisli á valin svæði á yfirborði tromlunnar og gerir þau neikvætt hlaðin 6

Rafhleðsla Jákvætt hlaðnar agnir tónersins loða aðeins við þau svæði á yfirborði tromlunnar þar sem skrifað hefur verið með leysinum Þegar pappír kemst í snertingu við tromluna þá festast agnir tónersins við pappírinn 7

Rafhleðsla Rafeindir ferðast umhverfis þéttan kjarna sem samanstendur af róteindum (jákvætt hlaðnar) og nifteindum Hleðsla rafeindar er Hleðsla róteindar er e = 1.6 10 19 C +e = +1.6 10 19 C Orka rafeindanna (og hverfiþungi) er skömmtuð og þær fylgja ákveðnum brautum (líkindadreifing) umhverfis kjarnana Þessar brautir kallast hvel, svigrúm eða hvolf 8

Rafhleðsla Rafeindir á brautum fjærst kjarna eru lausast bundnar við kjarnann og geta í sumum tilvikum flust á milli atóma Í föstum efnum eru það rafeindirnar sem binda saman atómin með svokölluðum efnatengjum Mismunandi tegundir slíkra tengja eru t.d.: jónatengi (Na + Cl ), málmtengi og samgild tengi (e. covalent bonding) 9

Rafhleðsla Dæmi um þetta er demantur sem samanstendur af kolefnisatómum kolefnisatóm hefur 6 rafeindir C:1s 2 2s 2 2p 2 rafeindir á svigrúmum 2s og2p taka þátt í efnatengjum (samgild tengi) hvert C atóm tengist fjórum grönnum með tvítengi hvert C atóm leggur til eina rafeind til hvers tvítengis rafeindir á svigrúmi 1s eru fast bundnar við sína atómkjarna og taka ekki þátt í efnatengjum Í demanti eru allar rafeindir bundnar við sín atóm eða í efnatengjum á milli þeirra Engar frjálsar rafeindir eru í demantkristalli þ.e. hann leiðir ekki straum og er því einangrari (e. insulator) 10

Rafhleðsla Samgildu tengin í demanti eru mjög sterk og hátt hitastig þarf til að rjúfa þau Aðrir einangrarar eru: gler (SiO 2 ) og ýmis plastefni Í leiðurum koma ekki allar rafeindir á ystu svigrúmum við sögu í efnatengjum, sem kölluð eru málmtengi Einhverjar rafeindir á ystu hvelum eru þess vegna laust bundnar við sín atóm og ferðast óhindrað um efnið Dæmi um málleiðni eru málmar eins og Fe, Cu Al, Ag, Au,... 11

Rafhleðsla Hálfleiðarar: Hreinir hálfleiðarar leiða ekki rafstraum og svipar til einangrara (líkt og demantur) Efnatengin eru á formi samgildra tengja Hins vegar er hægt að stýra leiðnini þeirra með íbót (e. doping) Íbætur breyta rafeindaskipan efnisins á þann hátt að hægt er að stýra leiðninni um 12 stærðarþrep frá einangrara til leiðara Dæmi eru Si, GaAs, GaN, grafín... 12

Rafhleðsla Frá Ibach and Lüth (2009) Þéttleiki gildisrafeinda í dæmigerðum jónakristalli (NaCl) Rafieindirnar halda sig að mestu umhverfis jónirnar 13

Rafhleðsla Frá Ibach and Lüth (2009) Þéttleiki gildisrafeinda í dæmigerðum kristalli með samgildum tengjum (Si) Rafieindirnar eru á tengjunum á milli atómanna 14

Rafhleðsla Þessir mismunandi rafeiginleikar efna eru forsenda allrar rafeindatækni Hálfleiðarar, einangrarar og málmar eru notaðir í smárásum 15

Rafhleðsla Hægt er að breyta hleðsluástandi hluta án beinnar rafeindatilfærslu Það er nefnt span (e. induction) Hlaðið efni getur einnig dregið til sín hlut sem er óhlaðinn (og er jafnvel einangrari) Sameindir óhlaðna efnisins pólast vegna rafkraftsins frá hlaðna efninu Þessi pólun er mismikil og háð efninu sem á í hlut 16

Lögmál Coulomb Rafkrafti á milli tveggja punkthleðslna í fjarlægð r frá hvor annarri er lýst með lögmáli Coulomb þar sem er rafsvörunarstuðull lofttæmis Þá er F = 1 q 1 q 2 4πǫ 0 r 2 ǫ 0 = 8.854 10 12 C 2 Nm 2 K = 1 9 10 9 Nm 2 4πǫ 0 C 2 Þetta samband gildir í lofttæmi en ekki í efni Hins vegar er þetta mjög góð nálgun fyrir andrúmsloft 17

Lögmál Coulomb Samlagningarlögmál Kraftur vegna einnar hleðslu er óháður öðrum hleðslum = Dæmi 1.1. = Dæmi 1.2. = Dæmi 1.3. 18

Lögmál Coulomb Berum nú saman rafkrafta og þyngdarkrafta Gerum ráð fyrir α-ögn, He kjarni af massa m = 6.64 10 27 kg og hleðsluq = +2e = 3.2 10 19 C Rafkraftur milli tveggja slíkra agna er og þyngdarkrafur á hvora ögn er F e = 1 4πǫ 0 q 2 r 2 F g = G m2 r 2 þar semg = 6.67 10 11 Nm 2 /kg 2 er þyngdarfastinn 19

Lögmál Coulomb Við sjáum að F e = 1 F g 4πǫ 0 G q 2 r 2 eða F e F g = 1 (3.2 10 19 ) 2 4π 8.85 10 12 6.67 10 11 (6.64 10 27 ) = 2 3.1 1035 Þyngdarkraftur á milliα-agnanna eru hverfandi Þetta gildir fyrir víxlverkun atóma Fyrir stærri hluti er heildarhleðslan jafnan mjög lítil og þá eru áhrif þyngdarkrafta meiri Athuga að það eru kjarnakraftar sem halda α-ögn saman 20

Rafsvið og rafkraftar Rafkrafti á milli hlaðinna agna er jafnan lýst með rafsviði (e. electric field) Rafsvið frá hleðsluqer fundið með hjálp ímyndaðrar tilraunahleðslu q 0 (e. test charge) Rafsvið frá hleðslu A í punkti P er E = F 0 q 0 sem er kraftur á hleðslueiningu frá hleðslu A sem verkar á tilraunahleðslu í P 21

Rafsvið og rafkraftar 22

Rafsvið og rafkraftar Rafsvið frá punkthleðslu E = 1 4πǫ 0 q r 2ˆr Raunverulegar hleðslur má oft nálga sem punkthleðslur ef r er stórt ( radíi agnarinnar) Samlagningarreglan gildir á sama hátt og fyrir rafkrafta Fyrst reiknum rafsvið frá einstökum hleðslum og leggjum síðan saman og fáum heildarrafsviðið 23

Rafsviðslínur Rafsvið er oft sýnt myndrænt með rafsviðslínum Rafsviðslínurnar eru þá oft teiknaðar frá + hleðslu til - hleðslu 24

Rafsviðslínur Stefna rafsviðsins í sérhverjum punkti er snertill (e. tangent) við rafsviðslínuna í gegnum punktinn Sviðsstyrkur er í réttu hlutfalli við þéttleika línanna Athuga að rafsviðslínur lýsa ekki brautum rafeinda (hlaðinna agna) þær fylgja almennt ekki rafsviðslínum 25

Raftvískaut Raftvískaut samanstendur af tveimur punkthleðslum sem hafa sama formerki og eru í fjarlægð d frá hvorri annarri Hægt er að lýsa rafeiginleikum fjölmargra efna og sameinda með raftvískautum (loftnet eru dæmi um raftvískaut) Vatnssameind er dæmi um raftvískaut 26

Raftvískaut Skoðum nú raftvískaut í einsleitu ytra rafsviði E heildarkraftur á tvískautið er 0 Á tvípólin verkar hins vegar kraftvægi sem leitast við að beina tvípólnum í stefnu rafsviðsins þetta kraftvægi má rita τ = p E þar semper raftvípólsvægið og kraftvægið τ stefnir inn í myndina 27

Raftvískaut Raftvípólsvægið er mælt í hleðslu sinnum vegalengd [C m] Almennt er rafvípólsvægið vigurstærð p Útfrá miðju tvípóls er τ = pesinφ = qdesinφ Til samanburðar þá er í aflfræði τ = r F = Dæmi 1.4. = Dæmi 1.5. = Dæmi 1.6. 28

Raftvískaut Örbylgjuofnar byggja á tvípólshegðun vatnssameinda Þá er notast við riðspennu með tíðni 2.45 GHz Rafsviðið verkar á vatnssameindina (tvískaut) sem leitast við að lækka mættisorku sína, þ.e. tvípóllinn leitar í stefnu rafsviðsins hverju sinni Sveiflur vatnsssameinda auka árekstrartíðni á milli þeirra og orka losnar sem varmi 29

Raftvískaut Rafsvið mælt langt fá upptökum: Raftvískaut E r 3 Rafhleðsla Löng hleðslulína E r 2 E r 1 Fyrir stóra plötu er rafsviðið óháð r Í rafstöðufræðum ríkir kraftjafnvægi og engar hleðslur eru á hreyfingu Ef rafsvið væri innan leiðar myndu hleðslur reka af völdum rafsviðsins Í rafstöðufræði er þess vegna E = 0 innan leiðara 30

Frekari upplýsingar Þessi kafli er að mestu byggður á kafla 21 hjá Young and Freedman (2015). Heimildir Ibach, H. and H. Lüth (2009). Solid-State Physics: An Introduction to Principles of Materials Science (4 ed.). Berlin Heidelberg: Springer Verlag. Young, H. D. and R. A. Freedman (2015). University Physics with Modern Physics (14 ed.). Harlow, England: Pearson Education. 31