WYKŁAD #5 Elektryczność i Magnetyzm · dr in ż. S.Winiarski 5 17 Rodzaje prądu stosowanego w...

dr inż. S.Winiarski

www.winiarski.awf.wroc.pl 1

1

WYKŁAD #5WYKŁAD #5

Elektryczność i MagnetyzmElektryczność i Magnetyzm1. Elektrostatyka

2. Elektrodynamika

Przykład wyładowań elektrostatycznych przewodzonych przez zjonizowane powietrze

2

ElektrycznośćElektryczność –– dziedzina zjawisk w której dziedzina zjawisk w której istotną rolę odgrywają ładunki lub prądy istotną rolę odgrywają ładunki lub prądy elektryczne);elektryczne);

ElektrostatykaElektrostatyka (ładunki nie poruszają się);(ładunki nie poruszają się);

ElektrodynamikaElektrodynamika (ładunki elektryczne w (ładunki elektryczne w ruchu);ruchu);

MagnetyzmMagnetyzm –– oddziaływania między oddziaływania między prądami elektrycznymi i magnesami prądami elektrycznymi i magnesami stałymi (cząstki posiadające elementarny stałymi (cząstki posiadające elementarny moment magnetycznymoment magnetyczny: : elektrony, protony i elektrony, protony i

neutronyneutrony););

* Nazwa elektryczność pochodzi od greckiego słowa "elektron", co znaczy bursztyn.

3

PrzykładyPrzykłady bioprądów:bioprądów:(jednostka motoryczna)(jednostka motoryczna)

Potencjały nerwowe i Potencjały nerwowe i czynnościowe (skurcz czynnościowe (skurcz mięśniowy)mięśniowy)

#5. Elektryczność i Magnetyzm#5. Elektryczność i Magnetyzm

4

1. Elektrostatyka1. Elektrostatyka

ładunkiładunki –– cząstkicząstki naładowanenaładowane elektrycznieelektrycznie;;


enQ ⋅±= e = 1,6*10e = 1,6*10 --1919 C C ((ładunek elementarny = ładunek elementarny =

ładunek elektronu)ładunek elektronu)

Elektrostatyka to dziedzina fizyki zajmująca się oddziaływaniami pomiędzy nieruchomymi ładunkami elektrycznymi.

Oddziaływania te zwane są elektrostatycznymi.

Jednostką ładunku elektrycznego w układzie SI (jednostka pochodna układu SI) jest

kulomb (C).



5

Natężenie pola elektrycznego:

(pochodzące od ładunku q i działające [N/C = V/m]na ładunek próbny q0)

Siła elektrostatyczna [N]

(siła Coulomba):

Prawo CoulombaPrawo Coulomba

Siła wzajemnego oddziaływania dwóch punktowych Siła wzajemnego oddziaływania dwóch punktowych ładunków elektrycznych jest wprost proporcjonalna ładunków elektrycznych jest wprost proporcjonalna do iloczynu tych ładunków i odwrotnie proporcjonalna do iloczynu tych ładunków i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi.do kwadratu odległości między nimi.

Charles Augustin de

Coulomb (1736-1806)

++ __

F1 F2

2

21

021

4

1

r

qqFF

rεπε==

200 4

1

r

q

q

FE

rεπε==

6

Elektrostatyka kondensatora


Natężenie pola elektrycznego:(pomiędzy okładkami kondensatora)

U

d

U

dE =

−=

21 ϕϕ

d – odległość między okładkami

d

S

U

QC rεε0==

Pojemność kondensatora (płaskiego):

S – powierzchnia okładek

[C/V=F]

– farad[V/m]

kondensatorkondensator –– układukład dwóchdwóch przewodnikówprzewodników ii

izolatoraizolatora gromadzącygromadzący ładunekładunek elektrycznyelektryczny ww

swojejswojej pojemnościpojemności;;

7

Błona komórkowa a kondensator


Rodzaj komórki Potencjał spoczynkowy Akson kałamarnicy - 70 mV

Komórka mięśniowa - 90 mV

Erytrocyt - 10 mV

Neuron kota - 80 mV

d

UE m=

Selektywne kanały jonowe

UUmm –– potencjał membranowypotencjał membranowy

dd –– grubość błony komórkowejgrubość błony komórkowej

Pole elektryczne błony komórkowej:Pole elektryczne błony komórkowej:

8

2. Elektrodynamika2. Elektrodynamika

Dział fizyki zajmujący się badaniem Dział fizyki zajmujący się badaniem zachowania się ciał obdarzonych ładunkiem zachowania się ciał obdarzonych ładunkiem elektrycznym, w szczególności:elektrycznym, w szczególności:

wytwarzaniem pól elektrodynamicznych przez wytwarzaniem pól elektrodynamicznych przez poruszające się ładunki poruszające się ładunki

polami pochodzącymi od ładunków w ruchu polami pochodzącymi od ładunków w ruchu (elektromagnetyzm) (elektromagnetyzm)

oddziaływaniami pól z ładunkami oddziaływaniami pól z ładunkami elektrycznymi elektrycznymi



9

Wielkości opisująceWielkości opisująceprąd elektrycznyprąd elektryczny

PrądPrąd elektrycznyelektryczny jestjest toto uporządkowanyuporządkowany ruchruch ładunkówładunkówelektrycznychelektrycznych

NatężenieNatężenie prąduprądu:: [A[A -- amper]amper];;

GęstośćGęstość prąduprądu:: [A/m[A/m22]];;

lublub


e —>

t

qI

∆

∆=

S

Ij =

Ej ⋅= σ

σσσσσσσσ –– przewodnictwo właściwe (przewodność)przewodnictwo właściwe (przewodność)

10

OpórOpór elektrycznyelektryczny:: [[ΩΩ -- om]om];;ρρ –– opóropór właściwywłaściwy (oporność)(oporność) [[ΩΩ ..mm –– omometr]omometr]

ll –– długośćdługośćprzewodnikaprzewodnika[m][m]

SS –– polepole przekrojuprzekroju przezprzez przewodnikprzewodnik [m[m22]]

PrzewodnictwoPrzewodnictwo elel.:.:

PARAMETRYPARAMETRY MATERIAŁOWEMATERIAŁOWE

PrzewodnictwoPrzewodnictwo właściwewłaściwe (przewodność)(przewodność)

ρρ –– opóropór właściwywłaściwy (oporność)(oporność)


S

lR ⋅= ρ

]simens - 1

[ 1

SR

=Ω

=κ

] 1

[ 1

m

S

m=

Ω=

ρσ

l

SWielkości opisujące prąd elektryczny

11

Właściwości elektryczne ciałWłaściwości elektryczne ciał(Podział pod względem (Podział pod względem opornościoporności lub lub przewodnościprzewodności właściwej)właściwej)

PrzewodnikiPrzewodniki –– przewodząceprzewodzące prądprąd elektrycznyelektryczny::

npnp.. metalemetale ii elektrolityelektrolity;;

DielektrykiDielektryki –– ciałaciała izolująceizolujące (nie(nie przewodzące)przewodzące)::

npnp.. próżniapróżnia;;

PółprzewodnikiPółprzewodniki –– przewodząceprzewodzące ww pewnychpewnych

warunkachwarunkach (przewodnictwo(przewodnictwo rośnierośnie zz

temperaturą)temperaturą):: npnp.. german,german, krzem,krzem, kryształy)kryształy)


12

Prawo Ohma dla prądu stałegodla prądu stałego

dladla przewodnikaprzewodnika (odbiornika)(odbiornika) zz prądemprądem::


IRU ⋅=

R i

U

IU ~

„„Natężenie prądu (I) jest wprost proporcjonalne do spadku napięcia na Natężenie prądu (I) jest wprost proporcjonalne do spadku napięcia na przewodniku (U), a stałą proporcjonalności jest opór elektryczny Rprzewodniku (U), a stałą proporcjonalności jest opór elektryczny R””



13

Typy połączeń opornikówTypy połączeń oporników

1.1. PołączeniePołączenie szeregoweszeregowe jestjest toto takitaki rodzajrodzaj połączeniapołączenia elementówelementów elektrycznych,elektrycznych, wwktórymktórym konieckoniec jednegojednego elementuelementu łączyłączy sięsię zz początkiempoczątkiem następnegonastępnego.. PołączeniePołączenietakietakie tworzytworzy szeregszereg (łańcuch)(łańcuch) elementów,elementów, ww którymktórym prądprąd elektrycznyelektryczny musimusiprzepływaćprzepływać kolejnokolejno przezprzez wszystkiewszystkie elementyelementy..

2.2. PołączeniePołączenie równoległerównoległe jestjest toto takitaki rodzajrodzaj połączeniapołączenia elementówelementów elektrycznych,elektrycznych, wwktórymktórym wszystkiewszystkie końcekońce orazoraz wszystkiewszystkie początkipoczątki składowychskładowych elementówelementów sąsąpołączonepołączone razemrazem..


POŁĄCZENIE NATĘŻENIE NAPIĘCIE OPÓR ZASTĘPCZY szeregowe

R1 R2 RN

I=I1=I2=...=IN U=U1+U2+...+UN R=R1+R2+...+RN

równoległe

R1

R2

RN

I=I1+I2+...+IN U=U1=U2=...=UN NRRRR

1...

111

21

+++=

14

Praca i moc Praca i moc pola elektrycznegopola elektrycznego

PracaPraca:: [J[J -- dżul]dżul]

MocMoc:: [W[W -- wat]wat]


tIUUQW ⋅⋅=⋅=

IUt

WP ⋅==

1 elektronowolt (1eV) jest pracą, jaką wykonuje pole elektryczne, gdy przenosi ładunek jednego elektronu przez różnicę potencjałów jednego wolta.

15

Prawo Joule’a – Lenza

Ilość ciepła wydzielanego w czasie przepływu prądu elektrycznego przez przewodnik elektryczny jest wprost proporcjonalna do iloczynu oporu elektrycznego przewodnika, kwadratu natężenia prądu i czasu jego przepływu.

tRI∆Q 2 ⋅⋅=

• Zjawisko wydzielania się ciepła podczas przepływu prądu elektrycznego jest obecnie wykorzystywane do zamiany energii elektrycznej na energię wewnętrzną.

• Ma to miejsce we wszystkich urządzeniach wyposażonych w grzałki elektryczne np. czajniki elektryczne, pralki, zmywarki, promienniki.

• Zjawisko to jest jednak często niepożądane, na przykład przy przesyłaniu energii. Wówczas wydzielane ciepło jest energią traconą. W urządzeniach elektronicznych zjawisko Joule'a powoduje wydzielanie się ciepła wewnątrz aparatury i wymaga usuwania go stamtąd, aby urządzenie mogło stabilnie pracować. Dlatego komputery wymagają chłodzenia.

• W fizykoterapii prawo Joule’a-Lenza znalazło zastosowanie w zabiegu DIATERMII

James Prescott Joule

(1818-1889)

Heinrich Lenz

(1804-1865)

16

Zjawiska elektrokinetyczne

Zjawiska (efekty) elektrokinetyczne - ściśle powiązane ze sobą efektywynikające z istnienia warstwy elektrycznej podwójnej na granicydwóch faz, poruszających się względem siebie dzięki przyłożonemuzewnętrznemu polu elektrycznemu lub działaniu sił mechanicznych.

RuchRuch ładunkówładunków (jonów)(jonów) ww ośrodkachośrodkach:: ElektroforezaElektroforeza –– ruchruch ładunkówładunków elektrolituelektrolitu (zawiesiny(zawiesiny lublub cieczy)cieczy) podpod

wpływemwpływem przyłożonegoprzyłożonego zewnętrznegozewnętrznego polapola elektrycznegoelektrycznego;; ElektroosmozaElektroosmoza –– ruchruch jonówjonów przezprzez przegrodęprzegrodę (lub(lub kapilarę)kapilarę) podpod

wpływemwpływem zewnętrznegozewnętrznego polapola elektrycznegoelektrycznego;; ZjawiskaZjawiska odwrotneodwrotne;;

ZabiegZabieg jontoforezyjontoforezy -- zabiegzabieg elektroleczniczyelektroleczniczy polegającypolegający nana wprowadzeniuwprowadzeniu dodotkanektkanek siłamisiłami polapola elektrycznegoelektrycznego jonówjonów działającychdziałających leczniczoleczniczo..DziałanieDziałanie leczniczelecznicze jontoforezyjontoforezy toto międzymiędzy innymiinnymi rozmiękczanierozmiękczanie blizn,blizn,przeciwzapalne,przeciwzapalne, odczulające,odczulające, uszczuplająceuszczuplające naczynia,naczynia, pobudzającepobudzającenaczynianaczynia krwionośne,krwionośne, znieczulające,znieczulające, rozszerzającerozszerzające ii zwężającezwężającenaczynia,naczynia, bakteriostatycznebakteriostatyczne




17

Rodzaje prądu stosowanego w Rodzaje prądu stosowanego w ElektroterapiiElektroterapii


1.1. Prąd stały.Prąd stały.GalwanizacjaGalwanizacja --użycieużycie prąduprądu stałegostałego npnp.. ww JontoforezieJontoforezie

((jontogalwanizacjajontogalwanizacja)) ZabiegZabieg tenten możemoże byćbyć wykonywanywykonywany zzzastosowaniemzastosowaniem wannywanny (komory)(komory) napełnionejnapełnionej wodąwodą lublub roztworemroztworemlekówleków (kąpiele(kąpiele wielokomorowe)wielokomorowe);;

2.2. Prądy impulsowe małej Prądy impulsowe małej częstotliwościczęstotliwości : : AA––

prostokątne, Bprostokątne, B––trójkątne, Ctrójkątne, C––

trapezowe,trapezowe, DD––faradyczne, faradyczne,

EE––neofaradyczne, Fneofaradyczne, F––

diadynamicznediadynamiczne (Bernarda)(Bernarda);;

3.3. Prądy średniej częstotliwościPrądy średniej częstotliwościinterferencyjne Nemeckainterferencyjne Nemecka(prądy o modulowanej (prądy o modulowanej

amplitudzie);amplitudzie);

4.4. Prądy o dużej częstotliwościPrądy o dużej częstotliwości(stosowane np. w diatermii)(stosowane np. w diatermii)

I B)

t

I A)

t

I C)

t

I E)

t

I D)

t

I F)

t

WYKŁAD #5 Elektryczność i Magnetyzm · dr in ż. S.Winiarski 5 17 Rodzaje prądu stosowanego w...

Documents

Transcript of WYKŁAD #5 Elektryczność i Magnetyzm · dr in ż. S.Winiarski 5 17 Rodzaje prądu stosowanego w...