Gurumuda Hálózatok
Vizsgáljunk meg egy forgó részecskét. Az m tömegű részecskére F erő hat, aminek következtében a részecske az O tengely körül forog. A részecske r távolságra van a forgástengelytől. Először a részecske nyugalomban van (v = 0). Miután az F erő elmozdult, a részecskék bizonyos sebességgel mozognak, így tangenciális gyorsulásuk van. Az erő (F), a tömeg (m) és a részecskék tangenciális gyorsulása közötti kapcsolatot a 3. egyenlet fejezi ki:
Egy vezetőben, például a rézben, vannak olyan elektronok, amelyek szabadon, nagy sebességgel, véletlenszerűen mozognak, de nem szöknek ki a fémből. A szabadon mozgó elektronokat szabad elektronoknak nevezzük. Bár az elektronok szabadon mozoghatnak minden irányban, nincs teljes elektronáramlás egy adott irányban. Ez az állapot akkor fordul elő, ha nincs potenciálkülönbség a rézhuzal két vége között.
Amikor a vezetéket elektromos forráshoz csatlakoztatjuk, potenciálkülönbség keletkezik a rézhuzal két vége között, így elektromos mező jelenik meg a rézhuzalban. Az elektromos mező megléte miatt a szabad elektronok F = q E = e E elektromos erőhatást tapasztalnak, ahol F = elektromos erő , e = elektron töltése, E = elektromos mező . Ez az elektromos erő arra készteti az összes szabadon mozgó elektront, hogy együtt gyorsuljon, ami az elektromos erő irányával megegyező irányú.
A kondenzátor definíciója szerint egy olyan eszköz, amely elektromos töltést és elektromos helyzeti energiát tárol. Az egyszerű kondenzátor két vezető lemezből vagy lapból áll, amelyek egymáshoz közel helyezkednek el, de nem érintkeznek egymással, és egy szigetelő vagy vákuum választja el őket egymástól. A vezetők olyan anyagok, amelyek képesek vezetni az elektromos áramot, például a fémek, míg a szigetelők olyan anyagok, amelyek nem képesek vezetni az elektromos áramot, például a műanyag.
Eleinte a két vezető nem elektromosan töltött és nem is semleges. Ahhoz, hogy az egyik vezető pozitív, a másik pedig negatív töltésű legyen, elektronoknak kell átkerülniük az egyik vezetőről a másikra. Az elektronok az atom felületén vannak, így könnyen mozgathatók. Miután az elektronok az egyik vezetőről a másikra vándoroltak, az egyik vezetőben elektronfelesleg keletkezik ( protonhiány).
így negatív töltésűvé válik, míg a másik vezető elektronhiányos (protonfelesleggel rendelkező), így pozitív töltésűvé válik. A kondenzátorok elektromos töltéseinek feltöltődési folyamatának részletes leírását a kondenzátorokban történő elektromos energia tárolása témában tekintjük át.
Az elektromos potenciált az egységnyi töltésre jutó elektromos potenciális energiáként definiáljuk . Tegyük fel, hogy az a pontban a q töltés elektromos potenciális energiája egyenlő EP a -val , ekkor az a pont elektromos potenciálja a következőképpen fogalmazható meg:
V = elektromos potenciál, EP = elektromos potenciális energia, q = elektromos töltés
A V nemcsak az a pontban, hanem az elektromos tér minden pontjában jelen van. Az a pontot példaként használjuk. Amint azt később kifejtjük, a V nem függ a q töltéstől.
Mielőtt tanulmányoznánk ezt a témát, először is értsük meg a munkát, a konzervatív erőket, a konzervatív erők és a helyzeti energia közötti kapcsolatot , az elektromos erőket és az elektromos teret.
A gravitációs erő és a rugóerő mellett a konzervatív erő egy másik példája az elektromos erő. Ahhoz, hogy jobban megértsük, miért nevezzük az elektromos erőt konzervatív erőnek, ismerjük meg a következő magyarázatot.
Elektromos mező egyetlen ponttöltés által
Egyetlen pozitív töltés által létrehozott elektromos tér kiszámításához az első lépés egy r sugarú gömb alakú Gauss-felület kiválasztása, ahol a gömb középpontja az egyetlen töltés helyén van. A gömb felülete 4πr.2.
A gömb középpontjából kilépő elektromos tér merőlegesen hatol be a gömb felületébe, így az elektromos fluxus képlete Φ = E A. Gauss-törvény képlete Φ = Q/ε o
Coulomb törvényével kapcsolatban az elektromos töltések közötti erőt vizsgálták. Az elektromos tér áttekintése során a Coulomb törvény egy másik formáját tárgyalták, amelyet az F = q E egyenlet fejez ki,
ahol F az elektromos erő, q az elektromos töltés és E az elektromos mező. Elmondható, hogy Coulomb törvénye a fizika törvénye, amely az elektromos töltés (q) és az elektromos mező (E) közötti kapcsolatot magyarázza.
Gauss törvénye egy másik fizikai törvény, amely az elektromos töltések és az elektromos mezők közötti kapcsolatot magyarázza. Gauss törvényét Carl Friedrich Gauss (1777-1855), német elméleti fizikus és matematikus fogalmazta meg .
Az elektromos térrel kapcsolatban már tárgyaltuk az elektromos tér definícióját és egyenletét , amely felhasználható egy elektromos töltés, több elektromos töltés vagy egy elektromos töltéseloszlás által létrehozott elektromos térerősség kiszámítására. Az egy vagy két elektromos töltés által létrehozott elektromos térerősség kiszámítása könnyen megoldható az elektromos térerősség képletével. Ha az elektromos töltéseloszlás által létrehozott elektromos térerősséget számítjuk ki, a számítás bonyolultabb, ha az elektromos térerősség képletét használjuk, de könnyebb Gauss-törvényt használni . Mielőtt mélyebben tanulmányoznánk a Gauss-törvényt, először értsük meg az elektromos fluxust a Gauss-törvényben használt elektromos fluxus fogalma miatt.
Az elektromos töltés témájában megtanultuk, hogy az azonos töltések taszítják, míg a különböző töltések vonzzák egymást. Ha egy pozitív töltésű tárgyat egy negatív töltésű tárgy közelébe viszünk, a két tárgy egymáshoz húzódik, így egymás felé mozdulnak el. Fordítva, ha egy pozitív töltésű tárgyat egy pozitív töltésű tárgy közelébe viszünk, akkor a két tárgy taszítja egymást, így távolodnak egymástól. Ahogyan Coulomb törvényének tanulmányozása során is tanultuk, az elektromosan töltött tárgyak felgyorsíthatnak más elektromosan töltött tárgyakat, mert elektromos erő hat közöttük. Az elektromosan töltött tárgy által más elektromosan töltött tárgyakra kifejtett elektromos erő egy példa az olyan erőre, amely érintkezés nélkül is ható. Egy másik példa a távolról ható erőre a gravitációs erő . A gravitációs erőt egy tömegű tárgy fejti ki más tömegű tárgyakra.