Üld- ja bioloogiline füüsikaplantphys.ut.ee/oppetoo/fuusika_alused/slaidid...e Q E r R k r! Miks...
Transcript of Üld- ja bioloogiline füüsikaplantphys.ut.ee/oppetoo/fuusika_alused/slaidid...e Q E r R k r! Miks...
-
Linnulennuline
ülevaade kursusest Sissejuhatus
Matemaatiline põhivara
Liikumine
Energia ja entroopia
Elekteromagnetism ja optika
Elektrilaeng, elektriväli ja elektrivälja tugevus
Elektriline potentsiaalne energia, potentsiaal ja pinge
Elektrivälja töö ja võimsus
Magnetväli
Elektromagnetiline induktsioon
Valgus ja praktiline optika
Bioelektromagnetism (iseseisvalt)
Eesmärgiks on saada ettekujutus molekulaarse (sh bioloogilise) aine ehitusest ja funktsioneerimise üldistest seaduspärasustest
Bioloogiline füüsika kitsamalt uurib füüsika põhipostulaatide kehtivust ja asjakohasust bioloogiliste küsimuste lahendamisel
-
Elektriõpetus
• Füüsika osa, mis käsitleb
seisvate ja liikuvate
elektrilaengutega seotud
nähtusi
• Jaguneb • elektrostaatikaks, mis käsitleb
paigalasuvate laengute
vastastikmõju ja asetumist
• elektrodünaamikaks, mis uurib
liikuvate laengutega toimuvat • Vrdl staatika ja dünaamika
mehaanikas
-
Põhimõisteid
Elektrilaeng: mõnede oskeste omadus, mis määrab nende
elektromagnetilise vastastikmõju.
Laengu jäävuse seadus:
Katsed näitavad, et suletud süsteemis kogulaeng (st + ja –
laengute summa) ei muutu
Elektrivool: elektrilaenguga osakeste voog
Elektriväli: elektrilaengu mõjuväli teistele elektrilaengutele
Elektriline potentsiaal: iseloomustab elektrivälja võimet
sooritada laengutega tööd
-
Laengutevahelised jõud
Ühemärgiliste laengute vahel
mõjuv tõukejõud (nn Coulomb’i
seadus)
2
G
MF(r) ma mG
r
Charles Augustin de Coulomb (1736 –1806)
Elektroni laeng on -e
Positroni laeng +e
2 2 2e e e e
qQ Q QF k qk qa qk
r r r
Võrdle gravitatsioonijõuga &
gravitatsioonilise kiirendusega,
mis iseloomustab välja tugevust 𝐹
𝑞= 𝑘𝑒
𝑄
𝑟2
𝐹
𝑚= 𝐺
𝑀
𝑟2
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Charles_de_coulomb.jpghttp://en.wikipedia.org/wiki/January_27http://en.wikipedia.org/wiki/1880
-
Publish or perish: Coulomb’i seaduse
avastas hoopis Henry Cavendish
Henry Cavendish (1731-1810)
Ei avalikustanud, oli nii töösse
süvenenud, et suhtles isegi
kodustega kirja teel
-
Elektrilaengu ühik on kulon (C)
Kulon on väga suur ühik. Vastab
6.25 *1018 elektroni laengule
Mitu mooli laenguid on 1 C?
Ühe elektroni laeng on
1/ 6.25 *1018 =1.6*10-19 C
Defineeritakse Coulomb’i seaduse
kaudu:
2
9
2
2
9
2
1 19.0 10
1
9.0 10
e
e
e
qQF k
r
k N
mk N
C
1 m
Võrdle
gravitatsioonikonstandiga
2G
mMF k
r
1C 1C
-
Keskonna dielektiline
läbitavus (SI süsteemis)
Vaakumis: Numbriline väärtus tingitud
ajalooliselt valitud ühikutest
Keskkonnas räägitakse
keskkonna suhtelisest
dielektrilisest läbitavusest:
Dimensioonitu suurus, mis
varieerub 1 (vaakum) ja 81
(destilleeritud vesi) vahel
Valkudes 2-3
Lipiidides 2
ja keskkonna dielektrilisest
läbitavusest:
konkreetne väärtus sõltub
temperatuurist!
0
12 2 2
2
9
2
1
4
1
4 *8.8542*10 / ( )
9*10
ek
C m N
Nm
C
0
1
4
1
4
e
s
Keskkonnas
k
0
s
2e
qQF k
r
0 s
-
Keskonna suhtelise dielektilise
läbitavuse füüsikaline sisu
Dielektriliseks nimetatakse
keskkonda, kus ei ole vabu laenguid
Dielektrikud on halvad elektrijuhid,
kuid nad on elektriliselt
polariseeritavad
Suhteline dielektriline läbitavus
kirjeldab, mitu korda nõrgeneb
laengute vahel mõjuv jõud, kui
laengud asuvad (vaakumist erinevas)
dielektrilises keskkonnas, nt raku
vedelikus või vees
samuti, mitu korda väheneb laengute
omavahelise interaktsiooni
potentsiaalne energia (seda mõistet
õpime hiljem)
0
1
4
1
4
e
s
k
:
ln :
pot
e
pot e
E QPotentsiaal V k
q r
QPotentsiaa e energia E qV qk
r
2
0
1
4s
qQF
r
-
Dielektriline konstant
bioloogias
Mida suurem on dielektriline konstant, seda väiksem on
laenute omavahelise interaktsiooni potentsiaalne energia
Seepärast kogunevad ioonid, makromolekulide ioniseeritud
osad ja polaarsed molekulid üldse kõrge dielektrilise
läbitavusega piirkondadesse (nt tsütoplasmasse), kus
nende energia on väiksem
Samal energeetilisel põhjusel tõrjutakse elektrilist laengut
omavad molekulid ja/või nende osad välja madala
dielektrilise läbitavusega keskkondadest (nt lipiididest), kus
nende energia on kõrge
0
ln :
1
4pot
s
Potentsiaa e energia
QE qV q
r
-
Kus on jõud laengute vahel
suuremad, vaakumis või vees?
Vaakum
Polaarne keskkond,
nt vesi
-
Elektrivool
Voolutugevus on
suurus, mida
mõõdetakse elektrijuhet
ajaühikus läbinud
laenguühikute arvuga
Voolutugevuse ühikuks
on Amper (A)
Voolutugevus on üks A,
kui juhet läbib üks C
laetud osakesi sekundis,
1 A=1 C/ 1 s
André-Marie Ampère (1775 –1836)
QI
t
1C=1A*s
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Ampere_Andre_1825.jpg
-
Elektrivoolu
suund Voolu suund on positiivse laengu
liikumise suund
Benjamin Franklini eksliku arvamise
järgi, et metallis liiguvad +
laengukandjad
Osutab potentsiaalide erinevusele
kahe meelevaldse ruumipunkti vahel
Joonisel on kujutatud ioonide voog
läbi rakumembraani.
Määrake voolu suund
Määrake
elektroni
liikumise
suund +
-
0
I
-
Elementaarvooluring
Tinglik skeem
Tehniline realisatsioon
Ohmi seadus: I = U/R
Takistuse ühik on oom
(Ω)
1 oom on juhtme
takistus, milles pingel 1V
voolab vool 1 A
Kaugeltki mitte kõik
materjalid ei allu Ohmi
seadusele, head juhid
aga küll
I
Georg Simon Ohm
(1789-1854)
Elektrilise
pinge
allikas
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Ohms_law_voltage_source.svghttp://en.wikipedia.org/wiki/File:Ohm3.gif
-
Etteruttavalt: Ainete liigitus
elektrilijuhtivuse järgi
Isolaatorid (dielektrikud)
ideaalseid isolaatoreid pole olemas
pooljuhid
metallid
-
Kehi (sh laetud kehi) ümbritsevad
väljad
Kehad ei eksisteeri tühjuses. Neid ümbritsevad väljad
Need väljad avastas Faraday
Keha/osakese tunneme ära sellest, et tal on olemas mass, mis samaaegselt väljendub nii liikumise inertsis kui ka keha ümbritsevas gravitatsiooniväljas
Kehal võib samuti olla elektrilaeng, mis põhjustab teda ümbritseva elektri- ja magnetvälja Joonis kujutab kahte (N ja S)
magnetpoolust ümbritsevat jõuvälja,
mida aitab näitlikustada paberile
raputatud rauapulber.
-
Skalaarsed väljad ja vektorväljad
Väljad võivad olla nii skalaarsed kui ka vektoriaalsed
Skalaarsed on potentsiaalse energia väljad Potentsiaalse energia
väljad, sest nende energia sõltub vaid kehade omavahelisest asendist ruumis
Vektorväljad on
jõudude väljad
Energiaväljad ja
jõuväljad on üksteisega
üks-üheselt seotud
F gradE
-
Elektriväli ja tema
jõujooned
Elektrivälja allikaks on elektrilaeng (+ või -)
Punktlaengu, mille väärtuseks on Q, poolt
tekitatud elektrivälja tugevus on ühikulisele
positiivsele + laengule mõjuv jõud (vektor!)
Elektrivälja tugevus ei sõltu proovilaengust
(samuti nagu gravitatsioonivälja tugevus
(kiirendus) ei sõltu teda proovivast massist)
Elektriväli on samasuunaline + märgiga
(proovi)laengule mõjuva jõuga
2e r
r
F QE k u
q r
u on F suunaline
ühikvektor
FE
q
- q q Jõud on suunatud
välja jõujoone
puutuja suunas
-
Elektriväljad laetud
kehade vahel
Välja jõujooned algavad +
laengult ja suubuvad – laengule
Elektrivälja tugevuse vektor E
välja igas punktis on jõujoone
puutuja suunaline näidates +
laengule mõjuva jõu suunda
Ükski välja jõujoon ei tohi
teisega lõikuda
Välja jõujoonte tihedus läbi
joontega ristioleva ühikulise
pinna on proportsionaalne välja
tugevusega (ehk seda välja
põhjustavate laengute arvuga)
Väljade näiteid
𝐹
𝑞= 𝑘𝑒
𝑄
𝑟2
𝐹
𝑚= 𝐺
𝑀
𝑟2
FE
q
-
Elektrivälja tugevus
on jõud
Ühik:
1 N/C =1 J/mC=1 J/Cm
=1 V/m
J/C=V; J=CV
Ühikulise laengu viimisel välja
ühest punktist teise, kui nende
punktide potentsiaalide vahe
on 1 V, tehakse töö 1J
Paneme tähele analoogiat
gravitatsioonivälja
tugevusega (ehk
kiirendusega), kus
ühikulise laengu asemel
seisab ühikuline mass
Ühik:
N/kg=J/mkg=J/kgm
Eraldi tähistust sellele aga
mehaanikas ei omistata
2e
F QE k
q r
F qE
2
2
mMF G
r
F MG
m r
-
Elektriväljade liitmine:
Jõud liituvad vektoriaalselt
Kahe positiivse
punktlaengu poolt
tekitatud summaarne
elektriväli ühes
punktis
-
Äike ehk
pikne
• Elektriväljas mõjub laengu q
elektrivälja jõujoonte puutuja
suunaline jõud
• Kui õhus olev elektriväli ületab
teatud kriitilise väärtuse, siis
toimub elektriline läbilöök –
protsess, milles elektriväli rebib
elektrone õhu aatomitest välja.
• Õhk hakkab elektrit juhtima.
Liikuvad elektronid põrkuvad oma
teekonnal teiste õhu aatomitega,
pannes neid valgust kiirgama.
• Pikne on seega vabade elektronide
liikumisjälg õhus. Artificially generated lightning crackles around Nikola Tesla's Colorado laboratory.
-
Elektrivälja
potentsiaalne energia
Tööd, mida tehakse laengu q nihutamisel teise laengu Q väljas
lõpmatusest antud välja punkti r nimetatakse selle punkti
potentsiaalseks energiaks
Välja tugevus sõltub koordinaadist, seega tulen töö leidmiseks
väikestel nihetel leitud tööd kokku liita (integreerida)
Elementaartöö, mida tuleb teha ehk kulutada (st töö on negatiivne)
selleks, et suurendada laengute vahelist kaugust dr võrra
2
( )
e
dA dr qEF r
qQk
dr
rr
d
,
( )
,
e
pot
e
qQk laengusamamärgilised
rr
erimärgili
d
A EqQ
k laengudsedr
NB! Tõmbuvate laengute potentsiaalne energia on negatiivne, tõukuvatel positiivne
-
Elektrivälja potentsiaal Igat välja punkti iseloomustab tema
potentsiaal
Tööd, mida tehakse ühikulise
positiivse laengu q nihutamisel teise +
laengu Q väljas lõpmatusest antud
välja punkti r nimetatakse selle punkti
potentsiaaliks
Elektrivälja potentsiaali mõõdetakse
voltides: 1V=1J/1 C
Siit on näha, et elektrivälja potentsiaal
on elektrivälja energia 1 laengu ühiku
(C) kohta
NB! Jõud on pöördvõrdeline kauguse
ruuduga, potentsiaal ja/või energia
aga pöördvõrdeline kaugusega
pot
e
E QV k
J
q
C
r
V
Alessandro Volta (1745 – 1827)
0,00 0,05 0,10 0,15
-80
-40
0
40
80
TÕMBUV
En
erg
ia/la
en
g (
V)
Kaugus, r
y=1/r
y=-1/r
TÕUKUV
2e
F QE k
q r
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/52/Alessandro_Volta.jpeg
-
Elektrivälja tugevus ja potentsiaal
elektrit juhtiva kera ümber ja sees
Laetud elektrijuhis tõrjuvad
ühemärgilised laengud üksteist juhi
pinnale
Homogeenses keras on laengud
jaotunud kera pinnal ühtlaselt
Kera sees väli puudub (E=0)
Kerast väljas on aga välja tugevus
(jõud!) samasugune, kui kera
keskpunkti koondunud laengu Q puhul
Potentsiaal kera pinnal
Potentsiaal kerast eemal 0 e
QV k
R
eQ
V r R kr
2( )
e
QE r R k
r
Miks on
tüdruku
juuksed
harali?
-
0,00 0,05 0,10 0,15
-80
-40
0
40
80
TÕMBUV
En
erg
ia
Kaugus, r
y=1/r
y=-1/r
TÕUKUV
Elektrivälja potentsiaal ja
potentsiaalne energia
sama
p
eri
pot
ot
e
e
T
Tõukuv
QE
õ
r qkr
mbuv
QE r qk
r
:
ln :
pot
e
pot e
E QPotentsiaal V k
q r
QPotentsiaa e energia E qV qk
r
-
Gravitatsiooniväli vs elektriväli Gravitatsioonjõud on alati
tõmbejõud, elektrilised jõud võivad olla nii tõmbe- kui tõukejõud
Elektrilised jõud on ka väga tugevad, ületades aatomi osakeste puhul gravitatsioonijõude peaaegu 40 suurusjärgu võrra
Miks ei kuku elektron tuumale nagu õun Maa pinnale?
0,00 0,05 0,10 0,15
-80
-40
0
40
80
TÕMBUVEn
erg
ia ja
/võ
i p
ote
nts
iaa
l
Kaugus keskpunktist
y=1/r
y=-1/r
TÕUKUV
Kodune ülesanne: Võrrelge 1 nm kaugusel asuvate prootoni ja elektroni vahelise elektrilise ja gravitatsioonilise tõmbejõu tugevust
Vajalikud laengute ja masside andmed leiate käsiraamatutest
-
Mitme laetud osakese välja
tugevus ja potentsiaal
Välja tugevused (mis
on vektorid-jõud!)
liituvad vektoriaalselt
Välja potentsiaalid
(mis on skalaarid)
liituvad algebraliselt
i
i
ei
QV
rk
1 2
1 2
1 2
1
4
V V V
Q Q
r r
-
Näide: Elektrilise
dipooli tekitatud väli
Elektrilise dipooli
moodustavad kaks
teineteise lähedal olevat
vastasmärgilist elektrilaengut
Dipooli tekitatud elektrivälja
potentsiaal punktis P:
VQ
r
Q
r
Q r r
r rp
1
4 41 2
2 1
1 2
-
Elektriline
dipool
Paljud molekulid on elektrilised dipoolid
Dipool tekib kui molekuli + ja - laengu keskmed ei lange kokku
Elektrilist dipooli iseloomustab tema dipoolmoment (- laengult + laengule suunatud vektor)
Dipoolmoment võib olla nii püsiv kui ka ajas muutuv ehk dünaamiline (nt kvantsiirdeid iseloomustavad dipoolmomendid)
SI ühik: C x m Traditsiooniline ühik: Debye
(D) 1D=3.336 10-30 Cm
Kaks 1 A (0.1 nm) kaugusel asuvat 1 elektroni laenguga võrdset erinimelist laengut moodustavad dipooli, mille moment 4.8 D p q r
1.84 D
-
Elektreet: Püsiv (makroskoopiline) elektriline dipool
Elektreet on dielektrik, mille ümber on püsiv
elektriväli, püsimagneti elektriline analoog.
Valmistatakse sulatatud dielektrikust,
mida lastakse tarduda tugevas elektriväljas.
Teflonist valmistatud elektreedid võivad hoida
lisalaengut kümnendeid, koguni sajandeid.
Kasutus: elektreetmikrofon, tolmufiltrid,
õhu radioaktiivsuse mõõturid.
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/57/Electret_condenser_microphone_capsules.jpg
-
Dipooli välises
elektriväljas
Elektriväljas orienteerub dipool välja
suunas, sest kummalegi laengule
mõjub jõud F=qE0.
Positiivsele laengule mõjub jõud välja
suunas, negatiivsele aga vastassuunas
Nende jõudude põhjustatud
pöördemomenti võib arvutada valemiga
(p on dipoolmoment):
Seega põhjustab elektriväli lahuse
polariseerumist
Välja suunas orienteeritud dipooli
potentsiaalne energia on minimaalne
(tasakaaluolek)
0M p E
p
0potE pE
-
Mikrolaineahi
Miks võib
mikrouunis
kuumutatud
moosipirukaga suu
kergesti ära
põletada?
-
Polariseerumine
elektriväljas Polariseerumisnähtuse tõttu
avalduvad elektrijõud ka elektriliselt neutraalsetes kehades
Elektronid saavad aines suhteliselt vabalt liikuda, positiivsed tuumad aga seisavad enamasti paigal
Keskkonna polariseerumine on nn
indutseeritud polariseerumise ind ning
orienteerumisest tuleneva
polariseerumise or summa.
Indutseeritud polariseerumisega on
seotud indutseeritud dipoolmoment
pind, mis on võrdeline elektrivälja
tugevusega pind=indE
Dipoolide täielikku
orientatsioonilist
polariseerumist takistab
reaalses elus (T>0 K)
osakeste soojusliikumine
Seepärast arvutatakse
orienteerumisest
põhjustatud polariseerumine
keskväärtusena:
ind or
2
3or
p p
E kT
ind
-
Õite tolmlemine põhineb elektrilisel
polarisatsioonil (elektrostaatikal)
Läbi õhu lendamisel omandab
mesilase keha + laengu
See laeng polariseerib õietolmu
terakesed, mis seetõttu mesilase
kõlge kleepuvad
Kui õietolmuga kaetud mesilane
teise taime – laetud (maandatud)
emakasuudme lähedusse satub,
siis tõmmatakse õietolm
elektrostaatiste jõududega
emakasse
+
+
-
-
-
Midagi perenaistele: Miks tolmuterad tolmurullideks kokku kogunevad?
Indutseeritud polariseerumine
(staatiline)
Van der Waalsi jõud
(dünaamiline)
-
Ekvipotentsiaalpinnad
Terrass-riisipõllud Hiinas
Liikumine
ekvipotentsiaalipinnal risti
elektrivälja jõujoonetega ei
kuluta energiat
Positiivse laengu
liikumise suund
Kuidas näevad välja
ekvipotentsiaalsed pinnad
joonisel kujutatud kondensaatori
plaatide vahel?
-
Elektriväli ei tungi metallist
puuri sisse Tasakaaluolekus oleva juhi sees
vabasid laenguid ei ole
Nad kõik koonduvad juhi pinnale
ehk üksteisest nii kaugele kui
võimalik (nagu tüüpiline eestlane)
Ohmi seadusest, R=U/I, järgneb, et
ideaalse juhi (R=0) korral on iga
juhi punkt sama potentsiaaliga ehk
ekvipotentsiaalne
Ekvipotentsiaalpinnal on
potentsiaalide vahe kahe suvalise
punkti vahel =0
Laengu liigutamisel piki
ekvipotentsiaalpinda tööd ei tehta Miks oleks kasulik puur maandada?
-
Kuidas saavad linnud häirimatult
kõrgepingekaablil puhata?
I*R=U
-
Atmosfäärielekter
ja kaitse pikse vastu
Miks piksekaitset vaja on?
Milles seisneb pikse ohtlikkus?
Kuidas tuleb piksekaitse paigutada,
et tast ka kasu oleks?
+++++++++++
_ _ _ _ _ _ _ _ _
_ _ _ _ _ _ _ _ _
-
Tööd, mida tehakse ühikulise positiivse laengu q nihutamisel teise laengu Q väljas lõpmatusest antud välja punkti r nimetatakse selle punkti potentsiaaliks
Pinge on potentsiaalide vahe kahe ruumipunkti vahel
Nii potentsiaali kui pinget mõõdetakse voltides
Ka gravitatsiooniväljas võib rääkida potentsiaalide vahest, kuid erilist sõna selle tähistamiseks ei kasutata
Teadused arenevad üksteisest sõltumata (ja tulevaste õppurite huvisid arvestamata)
Pinge =
potentsiaalide vahe
Kosk Colorado jõel
U
-
Pinge vooluvõrgus
Pinge on potentsiaalide vahe kahe ruumipunkti vahel
Elektrotehnikas võetakse mugavusest lähtudes üheks punktiks Maa pind (ja sellele vastav potentsiaal)
Tavaline võrgupinge: 230 V
Kõrgepinge: 103-106 V Elektrivälja kahe punkti
potentsiaalide vahe on 1 V, kui laengu 1 C viimisel ühest punktist teise tehakse tööd 1 J
maandus
Kui suur (ligikaudu) on elektrivälja
tugevus pistikus?
-
0.00 0.05 0.10 0.15
-80
-40
0
40
80
U TÕMBUVEne
rgia
/lae
ng
(V
)
Kaugus, r
y=1/r
y=-1/r
TÕUKUV
Sammupinge
Pinge on
potentsiaalide
vahe kahe
ruumipunkti vahel
Kuidas on tark
mahalangenud
kõrgepingekaabli juures
hätta jäänud sõpra
aidates toimida?
-
Elektrivälja kahe punkti potentsiaalide vahe on 1 V kui laengu 1 C viimisel ühest punktist teise tehakse tööd 1 J Mitu J tööd teeb vooluvõrgust
võetud 1A vool 1s jooksul?
Ühe elektroni viimisel läbi potentsiaalide vahe 1 V tehakse tööd 1 elektronvolt (eV)
Energeetiliselt on elektronvolt džaulist niisama palju kordi väiksem kui elektroni laeng on väiksem kulonist
19
19
1 1 1.6 10
1.6 10
pEU
q
V
V
J
C
eV C
J
Volt ja elektronvolt on tööga
(energiaga) seotud mõisted
-
Elektrivälja töö laetud plaatide
korral: U=const.
Nihutades laengu q ühelt
plaadilt teisele tuleb teha
tööd:
W=qU
E d U
:
:
( )
:
Arutluskäik
Töö W Fd
Laengule q elektriväljas tugevusega E mõjuv jõud F qE
W qE d
Pinge Ed U
W qU
-
Elektrivälja võimsus
Teades pinget
(potentsiaalide vahet) U
ja erinevate välja
punktide vahel voolavat
voolu I, saame välja
arvutada ajaühikus
kulutatud energia ehk
võimsuse P
pot
I
qI
t
P U
PEU
t
q
t
Dimensioonid
J J C
s C s
22I
I I RW U q U t U
P Ut t t
R
R
U I
-
Elektrimahtuvus
Elektrilaenguid (ja nendega seotud energiat) saab edasiseks kasutamiseks salvestada
Oletame, et meil on 2 juhtivast materjalist plaati. Võtame vasakult elektrone ja lisame paremale. Plaatide vahele tekib siis pinge (potentsiaalide vahe) U, mis on proportsionaalne ülekantud laenguga q.
Suhe q/U iseloomustab sellise kondensaatori laadumisvõimet ja nimetatakse elektrimahtuvuseks, C
Mahtuvust võime seega defineerida kui antud pinge U juures kehas akumuleeritud laengute q mõõtu
Mida suuremat pinget kondensaator kannatab, seda rohkem laenguid (ja energiat) ta sama mahtuvuse korral mahutab
Mahtuvuse ühik on Farad (F), 1 F= 1C/V
1U q
C
qC
U
+q -q
-
Farad on päratult suur mahtuvus
Ühik F (Farad)=C/V
1F on mahtuvus, mille korral laeng 1C põhjustab potentsiaalide vahe 1V
Elektrit juhtiv kera, mille pinnal paikneb laeng Q, elektrimahtuvus on
Plaatkondensaatoril:
0
4C R
Õhus
C(maakera) ~ 0.71 mF
Kontrollige!
AC
d
-
Elektrienergia salvestamine: Kondensaator, patartei, aku
Kondenstaator (salvestab elektrilaenguid)
Patarei on (tavaliselt) ühekordselt kasutatav
elektrilaengute salvesti
Ühe patarei elemendi poolt genereeritav
pinge on 1.2-1.5 V
Patarei prototüübiks oli Volta sammas (1800)
(vahelduvad Zn ja Cu kettad, nende vahel
soolvees leotatud papitükid)
Aku on korduvalt laetav salvesti. Aku poolt
genereeritava pinge standard on 12 V
Patarei ja aku on elektrokeemilised seadmed,
millel rajaneb suur osa nüüdsest
elektroonikast
Patarei/aku muundavad keemilise energia
elektriliseks energiaks
+ -
-
Patareis/akus
salvestatud energia
Kui elektrivälja kahe
punkti potentsiaalide
vahe on 1 V, siis
tehakse laengu 1 C
viimisel ühest punktist
teise tööd 1 J
-
Elektrivälja töö
avaldatuna mahtuvuse kaudu
Arvutame patareis/akus/kondensaatoris
akumuleeritud energia mahtuvuse kaudu
Peame arvestama, et pinge muutub laadimise või
tühjenemise käigus pidevalt laengu muutumise tõttu
22
0
1 1
2
)
2
(
Q
dW U dq dq
q QW dq
q
CUC C
C
Q CU
q
-
Elekter/laeng ei ole energia! Loe: http://amasci.com/elect/elefaq1.html#ae
CHARGE flows in a circle.
The flow is measured in Amperes
It flows inside the wires.
It's provided by the metal.
Batteries pump it through themselves.
None is created, none is ever lost.
EM ENERGY flows from the battery to
the resistor.
The flow rate is measured in Watts
It flows in the space outside the wires.
It's made of invisible fields.
It's the same as light and radio, but
lower in frequency.
Batteries create it. Electric heaters
consume it.
-
Rakendusi:
Elektronmikroskoop Leiutajad Ernst Ruska ja Max Knoll
(1931)
Eristatakse
Läbivat elektronmikroskoopiat (TEM-Transmission Electron Microscopy)
Skaneerivat elektronmikroskoopiat (SEM- Scanning Electron Microscopy)
TEM lahutusvõime ~10 x parem kui SEM
Elektronmikroskoobi lahutusvõime on määratud elektronide kineetilise energiaga. Mida suurem energia, seda väiksemaid kaugusi saab kompida:
-
Rakendusi:
Elektrolüüs Elektrolüüs on elektrivoolu toimel kulgev (aineid
lagundav) redoksprotsess.
Redoksreaktsioonid toimuvad elektroodide pinnal
Negatiivselt laetud katoodil on tekitatud elektronide
küllus, seal toimub positiivsete ioonide
redutseerimine; positiivselt laetud anoodil on aga
elektrone puudu, seal toimub negatiivsete ioonide
oksüdeerimine.
Elektrolüüsil eraldunud aine mass (m) on võrdeline
elektrolüüti läbinud elektrilaenguga (It, kus I on
voolutugevus ja t on aeg):
m = kIt=kq Võrdetegurit k nimetatakse elektrokeemiliseks
ekvivalendiks mis on ainele omane konstant.
A
Mk
Fz
F eN
z valents
M mooli
mass
+ -
4H
2O
+ 4
e =
4O
H- +
2H
2
4 O
H- -
4e
= 2
H2O
+ O
2
http://et.wikipedia.org/wiki/Masshttp://et.wikipedia.org/wiki/Elektrilaeng
-
Faraday arv
(Faraday konstant) Faraday arv ehk Faraday konstant
(F, mitte segi ajada jõuga!) on füüsikas ja keemias kasutatav konstantne arv, mis näitab ühe mooli elektronide elektrilaengu absoluutväärtust
Faraday arv saadakse Avogadro arvu korrutamisel elektroni laenguga
Faraday konstandi väärtus on 96 485,3415 C/mol
Teiste sõnadega: 1 mool sisaldab ligikaudu 96 500 korda rohkem elektrone kui on neid 1 kulonis
Ühe elektroni viimisel läbi potentsiaalide vahe 1 V tehakse tööd 1 elektronvolt (eV)
Elektrivälja kahe punkti potentsiaalide vahe on 1 V kui laengu 1 C viimisel ühest punktist teise tehakse tööd 1 J
Siit: Kui läbi 1 V potentsiaalide vahe viiakse 1 mool elektrone, siis tehakse 96485.3 J tööd
Kui 1 mool ioone valentsiga z viiakse läbi potentsiaalide vahe U, siis arvutame töö järgmiselt:
19
19
1 1 1.6 10
1.6 10
pEU
q
V
V
J
C
eV C
J
W zFUAF eN
-
Kilde Eesti kultuuriloost: Moritz Hermann von Jacobi (1801-1874)
Saksa päritolu vene füüsik ja arhitekt.
Õppis Göttingenis ja Königsbergis
ehituskunsti.
Tartu Ülikooli professor 1835–1840, 1835–
1837 ühtlasi Tartu Ülikooli arhitekt.
Peterburi Teaduste Akadeemia akadeemik
(1847) .
Uuris elektromagnetismi, eriti masinaehituse
seisukohalt, samuti elektrimootoreid ja
traadiga telegraafi.
Leiutas galvanoplastika (galvanoplasty).
Galvanoplastika on keemiline meetod
metallist osade valmistamise etteantud
vormi järgi.
Positiivsed metalli ioonid redutseeritakse
katoodil ja sadenevad metallina välja
An electrical current flows from the
battery, through the copper anode,
the electrolyte, and the coated
mold. A copper film (the electrotype)
grows onto the electrically
conducting coating of the mold.
http://et.wikipedia.org/wiki/F%C3%BC%C3%BCsikhttp://et.wikipedia.org/wiki/Arhitekthttp://et.wikipedia.org/wiki/G%C3%B6ttingenhttp://et.wikipedia.org/wiki/K%C3%B6nigsberghttp://et.wikipedia.org/wiki/Tartu_%C3%9Clikoolhttp://et.wikipedia.org/wiki/1835http://et.wikipedia.org/w/index.php?title=Tartu_%C3%9Clikooli_arhitekt&action=edit&redlink=1http://et.wikipedia.org/wiki/Peterburi_Teaduste_Akadeemiahttp://et.wikipedia.org/wiki/Akadeemikhttp://et.wikipedia.org/wiki/1837http://et.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetismhttp://et.wikipedia.org/wiki/Masinaehitushttp://et.wikipedia.org/wiki/Elektrimootorhttp://et.wikipedia.org/w/index.php?title=Telegraaf&action=edit&redlink=1http://et.wikipedia.org/w/index.php?title=Galvanoplastika&action=edit&redlink=1
-
Molekulide transport elektriväljas:
Elektroforees
Paljudel molekulidel on elektrilaeng
(nende laengu jaotus võib olla
ebasümmeetriline).
Kui laengut pole, siis võib molekule
eesmärgipäraselt ioniseerida
Kui sellised molekulid liiguvad
elektriväljas, siis neile mõjuvad jõud.
+ -
( )
:
h
h
Elektrivälja mõju laetud molekulile
F zqE
Keskkonna hõõrdejõud väikestel kiirustel
F fv
Jõudude tasakaalu F F korral v const
zqEv
f
6f R
f on sisehõõrdejõud, mis
kerakujuliste molekulide
puhul avaldub molekuli
raadiuse ja keskkonna (nt geel) viskoossuse kaudu kui
-
Rakendusi:
Eletroforees
, mida nimetatakse liikuvuseks,
iseloomustab (ühe ja sama
levikeskkonna puhul, nt geel) vaid
molekuli
Sellel põhineb biomolekulide
lahutamise meetod - elektroforees
2/ / /:
/ ( / ) / ( / ) /
Tasakaalu tingimusest
zqEv
f
v zq
E f
m s m s m s mÜhik
N C J m C J C m Vs
-
Magnetväli
Manetvälja allikaks on
liikuvad elektrilaengud
ja laetud osakeste
(tuumad, elektronid)
spinniga seotud
sisemised
magnetmomendid
Spinni olemuse avab
kvantmehaanika Samanimelised poolused tõukuvad, erinimelised tõmbuvad
-
Voolu magnetväli
Vooluga juhet ümbritseb
magnetväli
Magnetvälja suunda saab
määrata parema käe reegliga
Tõestus: Magnetnõel pöördub
alati vooluga juhtme suhtes risti
Erinevalt elektrivälja
jõujoontest, magnetvälja
jooned ei alga ega lõpe
kusagil, vaid moodustavad
suletud kontuure
-
Voolu magnetvälja
tugevus Katseliselt on leitud, et magnetvälja tugevus
(ka magnetvoo tihedus või magnetiline
induktsioon, B) kaugusel r vooluga juhtmest
avaldub valemiga:
B mõõdetakse teslades (T)
Tihti kasutatakse ka süsteemivälist gaussi (G)
ühikut: 1T=104 G=10 kG
Magnetvoo ühik on veeber (1 Wb=1 Txm2)
1
2B I
A r
Magnetvoog
BA
• on juhet ümbritseva
keskkonna magnetiline
läbitavus. • Ühik []=1 Vs/Am
• Magnetilist läbitavust võib
avaldada kui =r0, kus
0=410-7 Vs/Am on
vaakumi magnetiline
läbitavus.
Tavaliselt r1, kuid
ferromagnetilistel ainetel
võib see ulatuda kümnete
tuhandeteni
1 1F Ns
B TQ v Cm
-
Segav mõistete paljusus
Alternative names for B
Magnetic flux density
Magnetic induction
Magnetic field
Alternative names for H
Magnetic field intensity
Magnetic field strength
Magnetic field
Magnetizing field
-
Gravitatsiooni-, elektri-
ja magnetvälja võrdlus
2
F Ma G
m r
2e
F QE k
q r
Põhi, N
Lõuna, S
1
2
Magnetvoo
tihedus
B Ir
Välja tugevust iseloomustavad suurused:
Maa magnetväli
-
Magnetilised jõud
Magnetilised jõud avalduvad
liikuvate laengute vahel, lisaks
elektrilistele interaktsioonidele
Need jõud on proportsionaalsed
laengute liikumise kiirusega
Mõjuvad alati laengute
liikumisega ristisuunas
Kasutusnäiteid:
Kineskoobiga televiisorites
kasutatakse elektronkiire
kallutamiseks/skaneerimiseks
Samuti laetud oskeste kiirendites,
sh LHC
1820
Hans Christian Ørsted
(1777-1851)
laengu korral
F
Magnetiline jõu
qv B
laengu korral
F q
d
v B
( )
Elektrilise ja magnetilise jõu
koosmõjul saadakse Lorentzi jõ
F q v B
d
E
u
-
Laetud osakesed magnetväljas:
Mass-spektromeetria
Kuna jõu vektor on risti kiiruse vektoriga,
siis muutub vaid liikumise suund
Osake liigub mööda ringi raadiusega R
2
r
laengu korral
F ma qv B
Osakese kiirendus
qvBa a
m
qvB v
m R
mvR m
qB
m
v
Pildil on mõjuva jõu suund vastupidine
meie konventsioonile!
-
Maa magnetväli
ja biosfäär Maa magnetvälja põhjuseks on tema
vedela tuuma konvektsioonvoolud tugevusega kuni 2x1012 A
Maa magnetvälja tugevus ekvaatoril ~0.5*10-4 T=0.5 G
Ajus kulgevate voolude m-välja B~1 pT
Dipolaarne magnetväli kaitseb Maa atmosfääri ja biosfääri kosmosest (eelkõige Päikeselt) tulevate kõrge energiaga laetud osakeste (nn päikesetuule) eest
Kuidas?
Magnetvälja puudumisel pühiks päikesetuul atmosfääri ajaga lihtsalt minema
Nii on juhtunud nt Marsil
laengu korral
F qv B
B
F
-
Virmalised
(Aurora/nothern lights)
Miks on virmalised jälgitavad vaid poolustel? Vastust vt siit:
http://www.kmg.tartu.ee:8000/~aare/virmalised/virmalised.htm
-
Maa magnetväli
muutub ajas
Magnetvälja allikaks on
elektrivool
Maa magnetvälja põhjuseks on
tema vedela tuuma
konvektsioonvoolud tugevusega
kuni 2x1012 A
Geograafiline põhi ja magnetiline
lõuna asuvad täna ühel pool
poolkera
Magnetilised poolused aga
vänderdavad ringi, vahetades
pooli keskmiselt kord 250000 a
kohta
-
Michael Faraday
(1791 –1867 ) Pärit käsitöölise (isa oli sepp) perest
Ei saanud formaalset (sh matemaatilist) haridust. Oma teaduslikud tööd esitas peamiselt jooniste ja graafikute kujul
Juhuse tahtel sattus kuulsa keemiku Davy assistendiks Royal Institution-is Londonis. Hiljem samas Davy järglane
Liigutades ühel päeval hajameelselt lapse magnetit pooli suhtes märkas ta, et pooli läbib elektrivool, st magnetit ümbritsevad väljad mõjutavad elektrone, ilma et magnet juhet puudutaks
Nii avastati elektromagnetism, milleta poleks tänapäevast elektril põhinevat moodsat ühiskonda
•Loe: E. Kilkson. Michael
Faraday. Iseõppija – füüsik,
kes on andnud maailmale rea
tähtsaid leiutisi. Tartu 1934
Faraday pärand:
•Elektromagnetilise
induktsiooni seadus
(1831)
U = N × dΦ/dt
•Elektrolüüsi seadused:
m = kIt=kq
•El. mahtuvuse ühik Farad
(F=C/V)
1
2B I
A r
Magnetvoog
BA
http://info.ee.surrey.ac.uk/Workshop/advice/coils/terms.html
-
Elektromagnetismi katseid, mis panid
aluse kaasaegsele elektrotehnikale
Magnetnõel pöördub vooluga juhtme suhtes risti (B suunas)
Magnetväljas asuv juhe hakkab liikuma, niipea kui teda läbib vool
Mähises tekib (indutseeritakse) elektrivool niipea, kui teda mõjutatakse magnetiga (pole vahet, kas liigutate magnetit või pooli)
F qE
qv B
-
Induktsioon
Liikuv elektrijuht statsionaarses
magnetväljas
Elektronile mõjuv jõud F
Elektronid liiguvad nii kaua, kuni
+ ja – laengute eraldamise tõttu
tekkinud elektrivälja poolt
põhjustatud jõud qE
tasakaalustab magnetilise jõu
Juhtme otste vahel
indutseeritud pinge, mis on
seotud elektrivälja vastu tehtud
tööga juhtme pikkusel l: U=El
elekter magnet
indutseeritud
F F
qE qv B
E v B
U vBl
sest U El
-e-le mõjuv jõud
+
-
U
-
Induktsiooniseadus
Pöörelgu ringjuhe, millega piiritletud
pindala on A, nurkkiirusega
magnetväljas tugevusega B .
Juhtmes indutseeritakse siis pinge
(Faraday induktsiooniseadus):
Lenzi reegli järgi on indutseeritud
voolu suund selline, et see takistaks
magnetvoo muutusi,
siit – märk valemis
0cos sinid d d
U B A BA BA tdt dt dt
Pindala A normaali suunaline vektor
Indutseeritud pinge ja
voolu suund muutuvad
perioodiliselt ajas.
Nii genereeritakse
vahelduvvoolu
-
Elektrigeneraator
ja -mootor
laengu korral
F qv B
Põhinevad elektromagnetilisel
induktsioonil (Faraday, 1831)
Tesla elektrigeneraatorid
0sinid
U BA tdt
http://www.walter-fendt.de/ph14ee/electricmotor_ee.htm
http://en.wikipedia.org/wiki/Thomas_Edisonhttp://www.pat2pdf.org/pat2pdf/foo.pl?number=0223898
-
Miks on alalisvoolumootoril
(generaatoril) palju pooluskingi?
-
Induktsiooniseaduse rakendus:
Transformaator (trafo)
Vp/Vs = Np/Ns
-
Miks elektri ülekandeliinides kõrgepinget madalpingele &
vahelduvvoolu alalisvoolule eelistatakse?
2
kaduP V I I R
IsVs = IpVp secondary s
primary p
V N
V N
Oka ääres asuvad Suhhovi
hüperboloid-püloonid (128 m) on maailmas ainulaadsed
-
Maapinnal asuv elektrijuht, sisuliselt suur ja
jäme kaabel, kus liigub vool tugevusega 200
miljonit amprit, tekitab magnetvälja, mille abil
lükatakse taeva poole vägev toru. (Startram)
Maglev (Magnetic levitation)
//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/dc/JR_Maglev-Lev.pnghttp://www.google.com/url?sa=i&rct=j&q=levitation&source=images&cd=&cad=rja&docid=na1Ds_Q5heyuyM&tbnid=muc2jo-CJZsHcM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.arvindguptatoys.com/toys/levitation.html&ei=XNg-UeX3NY-SswaovIGwDg&psig=AFQjCNHbuwOY_KXBZ-DCwmlDhN0BrekY6g&ust=1363159434627985//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c2/Maglev_Propulsion.svg
-
Tuleviku transport? Induktsioonimootorid 2013
Tesla Motorsi, PayPali ja SpaceXi asutaja Elon Musk tutvustas ülikiiret transpordiviisi
nimega Hyperloop, millega on tema sõnul võimalik jõuda 30 minutiga Los Angelesest San
Franciscosse.
Muski visiooni kohaselt koosneb Hyperloop vaakumis terastorust, mille sees asuvad
reisijateveoks mõeldud alumiiniumist kapslid. Kapslid paneb liikuma toru otstes asuvad
lineaarsed induktsioonmootorid.
Hyperloopi väljanägemine meenutab kaheraudset püssi, kuna terastorud asuvad kogu tee
pikkuses üksteisega paralleeelselt, sulgedes mõlemas linnas «silmuse».
Kapslid saavutavad torudes kiiruse kuni 1300 kilomeetrit tunnis ning võivad lisaks
inimestele kanda ka autosid.
«Sa sõidad lihtsalt kapslisse ning see lahkub jaamast,» ütles Musk.
Los Angelese ja San Francisco vahele jääva maa kohal rippuva ühenduse loomise
maksumuseks on Muski hinnangul 6-10 miljardit dollarit, olenevalt sellest, kas lisaks
inimestele soovitakse transportida ka sõidukeid.
Reisijatele peaks Hyperloopi kasutamine minema palju vähem maksma kui lennupilet ning
olema ka turbulentsi puudumise tõttu mugavam.
Kuna Hyperloopi energiatarbivus võrreldes konkureerivate transpodiviisidega on väike,
loodab Musk, et selle võivad katta ka süsteemiga integreeritavad päikesepaneelid.
-
Kokkuvõte: Elektromagnetism ja optika
Elektrilaeng, elektriväli ja elektrivälja tugevus
Keskkonna dielektrilise läbitavuse füüsikaline sisu
Elektriline potentsiaalne energia, potentsiaal ja pinge
Elektrivälja töö ja võimsus
Elektrilise dipooli mõiste ja polarisatsioon elektriväljas
Magnetväli
Elektromagnetiline induktsioon kui kaasaegse energeetika alus
Elektriliste ja magnetiliste nähtuste praktilisi rakendusi
Lihtsamad elektriahelad
Ohmi seadus
-
Milleks kulub toodetud
elekter?
25% India ja
57% Aafrika
elanikkonnast
ei omanud
veel 2014. a
alguses elektrit
Energiakaod on lubamatult suured Säästupirnid kuni 5x efektiivsemad
-
Kuidas elektrit toodetakse:
Hüdroenergia Impulsi jäävuse seadus töös
Probleemiks maa raiskamine
Vasakul maailma
võimsaima (14 GW)
Itaipu (Brasiilia) h-jaama
tamm, mida peetakse
üheks 7-st moodsa
maailma tehnoloogiliseks
imeks
Hooveri tamm Arizona ja Nevada piiril
-
Kuidas elektrit toodetakse:
Soojuselektrijaam
Tarbijani jõuab vaid veidi üle 30%!
Ülejäänu hajub (suures osas kasutu) soojusena
Kaasaegne lahendus: Kombijaamad
-
Tuumakatel
1 235 141 92 1
0 92 56 36 03 ?n U Ba Kr n MeV
-
Liitsüsteemide energia
Liit- või seotud osakeste energia koosneb koostisosade massist
nende liikumise kineetilisest energiast
liitosakesi siduva välja potentsiaalsest energiast (seoseenergiast)
Osa seisumassist konverteerub seoseenergiaks
Selliselt üldistatud massi ja energia jäävus kehtib nii mikro- kui ka makromaailmas
-0,20 -0,15 -0,10 -0,05 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20
-100
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
Y A
xis
Title
X Axis Title
r0
Eseos
-
Tuumaenergeetika
Osa nukleonide massist peitub nende seoseenergias
Stabiilseimad tuumad on massiarvuga 30-50
Energiat võib seega saada nii raskemate tuumade sünteesil kergematest kui ka raskemate tuumade killustumisel/lõhustumisel kergemateks
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0
50
100
lõhustumine
Nu
kle
on
i m
ass (
su
hte
line
üh
ik)
Tuuma number
sünteeskeskmine vaba nukleoni mass
Skemaatiline, mitte täpne joonis
2E mc
𝛥𝑚
𝛥𝑚
-
Uraani rikastamine Looduslik: 99.3% 238U+0.7% 235U
Iraani president Mahmoud Ahmadinejad (esiplaanil)
uraanirikastamistehases Natanzis.
Foto: AFP / Scanpix
Looduses
Tuumakatlas
Pommis
-
Plutoonium, mitte uraan on põhiline tuumapommi materjal
Reactor-grade plutonium is produced in the core of a reactor when uranium-238 is irradiated with neutrons.
1 MW-day (thermal energy release (not electricity output) of operation produces 1 gram of plutonium in any reactor using 20-percent or lower enriched uranium
Consequently, a 100 MW reactor produces 100 grams of plutonium per day and could produce roughly enough plutonium (6 kg) for one weapon every 2 months.
Mis tants nende tuumajaamade
ümber käib?
F-22 Raptor
-
Tuumasünteesienergeetika
2 3 4 1
1 1 2 0 17.6H H He n MeV
-
Saasteoht
Jäätmete ladustamise probleem siiani lahendamata
Soojusreostus sama suur kui soojuselektri-jaamadel
(Termo)tuumaenergeetika
probleeme Fukushima tuumajaam
pärast 2011. a maavärinat
-
More than 180 million
people live within 50
miles of a nuclear
power plant in the US
— the radius the US
suggested be
evacuated during the
nuclear crisis at
Fukushima Daiichi.
-
Tsernobõli katastroof:
Maakera on avatud süsteem
-
Tsernobõli 137Cs Eesti pinnases mõõdetud
01.05.86 (Enn Realo andmetel) Soome laht
Venemaa
Läti
Eesti
kBq m-2
(1986)
21 -- 50
11 -- 21
5.1 -- 10
2.1 -- 5
1.1 -- 2
0.11 -- 1
Hinnatud 134Cs andmetest
(1991-3)
-
Radioaktiivsus
Paljud keemilised elemendid, millest koosneb maapind, veekogud ja õhk, on radioaktiivsed, st nad kiirgavad iseeneslikult suure energiaga osakesi.
Radioaktiivsetest ainetest väljub kolme liiki osakesi: alfa-, beeta- ja gammaosakesed.
Alfaosakesed (heeliumi aatomite tuumad) on kõige suurema massiga ja vähima läbitungimisvõimega.
Beetaosakestel (kiired elektronid) on mass väiksem ja läbitungimisvõime suurem.
Gammaosakestel (elektromagnetilise välja osakesed ehk footonid) ei olegi paigalseisumassi ning nende läbitungimisvõime on suurim.
Looduslikus õhus maapinna lähedal on ülalnimetatud neli kiirgusliiki peamisteks ioniseerijateks. Summaarselt põhjustavad nad 1 s umbes 10 neutraalse aatomi või molekuli lõhkumist 1 cm3.
Ioniseeriva kiirguse toimet keskkonnale väljendatakse doosiga, mida defineeritakse füüsikaliselt ioniseerivate osakeste energia neeldumise järgi. Neeldumisdoosi mõõdetakse kiiritatava aine massiühikus neeldunud kiirgusenergia hulgaga. Mõõduks on grei. 1 Gy = 1 J/kg.
Bioloogilist mõju väljendatakse ekvivalentdoosiga või efektiivdoosiga. Elundi või koe ekvivalentdoos saadakse neeldumisdoosi (mida mõõdetakse Gy) ja kiirgusfaktori korrutisena. Gammakiirguse kiirgusfaktoriks on 1. Efektiivdoos omakorda summeerub koefaktoriga korrutatud elundite ja kudede ekvivalentdoosidest ning iseloomustab inimese saadud doosi. Mõlema doosi ühikuks on siivert (Sv), mis on sama dimensiooniga kui Gy: 1 Sv = 1 J/kg.
Efektiiv- või ekvivalentdoosi kiirus väljendab, kui suure efektiiv- või ekvivalentdoosi saab inimene ajaühikus. Mõõtühikuks on mikrosiivert tunnis (µSv/h). Looduslik taustakiirgus maapinna lähedal on ~0.1 µSv/h. Võrdluseks: Tshernobõli avarii järel 1986 a mõõdeti Soomes maksimaalselt 5 µSv/h. Sama suur on doosikiirus lennukis 10 km kõrgusel.
-
Esimene
ühendteooria (1861)
Elekter ja
magnetism
Ühe ja sama näo
kaks poolt
Valgus on
elektromagnetiline
kiirgus 30 aastane geenius
Maxwell, James Clerk (1831-1879)
-
Maxwelli võrrandid
Stig Stenholm:
The discovery of
Maxwell’s equations
has already paid for all
fundamental research
for the following 500
years, because it laid
the foundations of most
of modern technology
ρ = laengutihedus
J = voolutihedus
Maxwell, James Clerk (1831-1879)
-
Elektromagnetiline
kiirgus ehk valgus
Kui materiaalsete lainete, nt merelainete, levimiseks on vaja
keskkonda, siis elektromagnetilised lained levivad ka vaakuumis
hcE h
c
Päevaküünal Kihnu kohal
Mark Soosaare foto
-
Elektromagnetilise kiirguse spekter ulatub 0-st
c
c
-
Kui sagedus muutub -st 0-ni, mis juhtub siis lainepikkusega?
c
Võrdle vahelduv-
ja alalisvoolu
-
Heli ei ole elektromagnetiline
kiirgus!
Heli rõhk on helilainete poolt põhjustatud rõhu kõrvalekalle lokaalsest keskkonnarõhust
Helilained erinevalt elektromagnetilistest lainetest vaakuumis ei levi
Kui elektromagnetilise kiirguse kvante nimetatakse footoniteks, siis helilainete kvandid on foononid, mis on tahkiste füüsika uurimisobjekt
Maailma helikindlaim ruum Orfieldi
laboratooriumis, kus inimene ei
suuda viibida kauem kui tund
-
Nähtav valgus
Inimese silmale nähtavaks valguseks loetakse kiirgust lainepikkuste vahemikus 380-780 nm
Inimene tajub spektri lühilainelist jagu sinise ja pikalainelist osa punase värvusena
Moonipõld Hollandis
-
Miks Päike kiirgab enamiku oma
kiirgusest nähtavas piirkonnas?
6000 K
-
Edisoni leiutise aeg
hakkab ümber saama
Sama valgusvoo juures
kulutab LED 80% vähem
energiat
Valgusvoo SI ühik on luumen (lm)
The unit of luminous flux, a
measure of the total "amount" of
visible light emitted by a source.
The flux density unit is lux: Lux is
one lumen per square meter.
Luminous flux differs from power
(radiant flux) in that luminous flux
measurements reflect the varying
sensitivity of the human eye to
different wavelengths of light, while
radiant flux measurements indicate
the total power of all light emitted,
independent of the eye's ability to
perceive it.
Silma
tundlikkus
Miks LED valgus (punane
joon) tundub külm?
-
Nägemise füüsika
& füsioloogia
Inimese silma võrkkest koosneb 125 miljonist kepikeset ja kuuest
miljonist kolvikesest.
See on võrdväärne digikaameraga, mille lahutusvõime on 130
megapikslit. Tavaliste digikaamerate lahutusvõime on 8, parematel
peegelkaameratel 20 megapikslit.
Viide iseõppimiseks:
P. Nelson www.physics.upenn.edu/~pcn
Leonardo DaVinci joonis
http://www.physics.upenn.edu/~pcn
-
Isia Levianti maal "Enigma“ (1981)
• "Enigma" on teadlastele korduvalt
huvi pakkunud, kuid nüüd
selgitasid Barrow’ neuroteaduste
instituudi teadlased Susana
Martinez-Conde juhtimisel välja, et
triki põhjustavad meie silmades
pidevalt toimuvad väikesed
liigutused ehk mikrosakaadid.
Nende liigutuste eesmärk pole
senini päris selge, küll on teada, et
nende liigutuste sagedus muutub
pidevalt.
• Kui liigutuste sagedus langes,
kadus ka illusioon.
New Scientist
-
luminous efficacy (lm/W) of a source
and efficiency for various light
sources
luminous efficacy () Overall
luminous efficiency[note 1] Combustion candle 0.3[note 3] 0.04% gas mantle 1–2[10] 0.15–0.3%
Incandescent 100–200 W tungsten incandescent (230 V) 13.8[11]–15.2[12] 2.0–2.2% 100–200–500 W
tungsten glass halogen (230 V) 16.7[13]–17.6[12]–19.8[12] 2.4–2.6–2.9% 5–40–100 W tungsten
incandescent (120 V) 5–12.6[14]–17.5[14] 0.7–1.8–2.6% 2.6 W tungsten glass halogen (5.2 V) 19.2[15]
2.8% tungsten quartz halogen (12–24 V) 24 3.5% photographic and projection lamps 35[16] 5.1%
Light-emitting diode white LED (raw, without power supply) 4.5–150 [17][18][19][20] 0.66–22.0% 4.1 W
LED screw base lamp (120 V) 58.5–82.9[21] 8.6–12.1% 5.4 W LED screw base lamp (100 V 50/60 Hz)
101.9[22] 14.9% 6.9 W LED screw base lamp (120 V) 55.1–81.9[21] 8.1–12.0% 7 W LED PAR20
(120 V) 28.6[23] 4.2% 7 W LED PAR30 (110-230 V) 60.0[24] 8.8% 8.7 W LED screw base lamp (120 V)
69.0–93.1[21][25] 10.1–13.6% Theoretical limit (white LED with phosphorescence color mixing) 260.0–
300.0[26] 38.1–43.9% Arc lamp xenon arc lamp 30–50[27][28] 4.4–7.3% mercury-xenon arc lamp 50–
55[27] 7.3–8.0% Fluorescent T12 tube with magnetic ballast 60[29] 9% 9–32 W compact fluorescent 46–
75[12][30][31] 8–11.45%[32] T8 tube with electronic ballast 80–100[29] 12–15% PL-S 11 W U-tube,
excluding ballast loss 82[33] 12% T5 tube 70–104.2[34][35] 10–15.63% Gas discharge 1400 W sulfur
lamp 100[36] 15% metal halide lamp 65–115[37] 9.5–17% high pressure sodium lamp 85–150[12] 12–
22% low pressure sodium lamp 100–200[12][38][39] 15–29% Plasma display panel 2-10[40] 0.3–1.5%
Cathodoluminescence electron stimulated luminescence 30[citation needed] 5% Ideal sources Truncated
5800 K blackbody[note 2] 251[7] 37% Green light at 555 nm (maximum possible luminous efficacy)
683.002[9] 100%
http://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Candlehttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Gas_mantlehttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Incandescent_light_bulbhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diodehttp://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diodehttp://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diodehttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Edison_screwhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Parabolic_aluminized_reflector_lighthttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Parabolic_aluminized_reflector_lighthttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Arc_lamphttp://en.wikipedia.org/wiki/Xenon_arc_lamphttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Mercury_(element)http://en.wikipedia.org/wiki/Xenonhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Fluorescent_lamphttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Compact_fluorescent_lamphttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Gas-discharge_lamphttp://en.wikipedia.org/wiki/Sulfur_lamphttp://en.wikipedia.org/wiki/Sulfur_lamphttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Metal_halide_lamphttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Sodium_vapor_lamphttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Sodium_vapor_lamphttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Plasma_display_panelhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Electron_stimulated_luminescencehttp://en.wikipedia.org/wiki/Electron_stimulated_luminescencehttp://en.wikipedia.org/wiki/Wikipedia:Citation_neededhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacy
-
Inimene (vasakul) ja mesilane
(paremal) näeb lille erinevalt?
Värvid nagu lennuraja tuled,
juhivad mesilase otseteed sihile
-
Liigne UV kiirgus
ohustab meie tervist UV-A (“black light”) 400-315 nm
UV-B 315 nm–280 nm
Ohutut kiirgusdoosi pole olemas!
Aga, me vajame D-vitamiini!
-
Organismid kohastuvad Repair and replication of DNA in mouse skin are
controlled by the circadian clock
Repair is at its maximum in the afternoon/evening
hours and at its minimum in the early morning.
In contrast, DNA replication in epidermal
keratinocytes is high in the mornings and low in the
afternoon.
As a consequence, UV-induced DNA damage is
more likely to cause mutation and skin cancer in
mice in the morning hours than the same UV
damage inflicted in the afternoon/ evening hours.
The human circadian clock is very similar to that of
the mouse, but has the opposite phase.
Therefore, it is predicted that UV radiation would be
less carcinogenic to humans in the mornings than
in the afternoon/evening hours.
PNAS 108 (2011) 18857
-
Atmosfääri elutähtis roll
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/34/Atmospheric_electromagnetic_opacity.svg
-
Tasub mõelda, kas osta korter
tornmaja pööningule või I korrusele
The Burj Dubai in Dubai, United
Arab Emirates is the world's
tallest (>800 m) freestanding
structure on land, but not for
long....
http://www.ohtuleht.ee/438026
-
Raadio, TV & mobiilside
Tähistused
UFM: Ultra-high frequency
VHF: Very high frequency
FM: Frequency Modulation
AM: Amplitude Modulation
0.1 m
GSM
N
E
E
L
D
U
M
I
N
E
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/8a/Electromagnetic-Spectrum.pnghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/34/Atmospheric_electromagnetic_opacity.svg
-
Pikkade ja lühikeste EM lainete
levimise eripära
Pariisi Ladina kvartalis asuvast
observatooriumist edastatud
laserkiir müonide avastamiseks.
Foto: AFP / Scanpix Miks on kogu maa täis
mobiili-ja televisoonimaste,
mitte aga raadiomaste?
Mis füüsikanähtusega(tega)
on tegemist?
Ionosfäär
-
Infrapunakiirguse
rakendusi
Soojamajandus
Militaar
(Seaduslik) jälitustegevus
Varjatud tulekollete otsimine
Tehnika Nt mootorite/seadmete
ebaühtlane kuumenemine
-
Termofoto, mis väidetavalt aitas tabada 2013. a
Bostoni pommiplahvatuste korraldaja
Auto treilerisse
peitunud inimene
-
Suitsus ja
sudus
näeb IR
kiirtega
paremini
-
Elektromagnetilise kiirguse skaalat saab ka
temperatuuri ühikutes kirjeldada
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/cf/EM_Spectrum_Properties_edit.svg
-
Kaasaegsed optilised mikroskoobid
on väga võimekad
Live fluorescence microscopy
imaging of metastasis — the
spread of cancer — showing
melanoma cells (green)
invading lymphatic vessels
(thick red vessels).
Nature 494 (2013) 131
-
BIOELEKTER
e.
bioelektromagnetism
Henn Käämbre
TÜ FI
Loeng 24.03.2010
Vt lisas:
http://plantphys.ut.ee/kursused/fyysika/2010-HK-Bioelekter.pdf
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Electric-eel2.jpg
-
Lorentzi jõud
Magnetvälja
võib defineerida
mitmel erineval
moel, sõltuvalt
tema mõjust
ümbrusele
Lorenzi jõud
Often the magnetic field is defined by the
force it exerts on a moving charged particle. It
is known from experiments in electrostatics
that a particle of charge q in an electric field E
experiences a force F = qE.
However, in other situations, such as when a
charged particle moves in the vicinity of a
current-carrying wire, the force also depends
on the velocity of that particle. The velocity
dependent portion can be separated out such
that the force on the particle satisfies the
Lorentz force law,
Here v is the particle's velocity and × denotes
the cross product. The vector B is termed the
magnetic field.
Lorentzi jõu
elektriline komponent
Lorentzi jõu
magnetiline komponent
http://en.wikipedia.org/wiki/Electrostaticshttp://en.wikipedia.org/wiki/Lorentz_force_lawhttp://en.wikipedia.org/wiki/Cross_product
-
Kilde Eesti kultuuriloost: Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804 Tartu – 1865 Rooma)
Tartus sündinud ja õppinud baltisaksa füüsik.
Sõnastas induktsioonivoolu määramise Lenzi reegli (sellest
tuleneb - märk Faraday induktsiooniseaduse valemis).
1820–1823 tudeeris Tartu Ülikoolis keeleteadust ja
teoloogiat.
1823–1826 võttis osa Otto von Kotzebue
ümbermaailmareisist, tehes geofüüsikalisi mõõtmisi.
Aastast 1828 kuulus Peterburi Teaduste Akadeemiasse.
Peterburi ülikooli professor 1840, rektor 1863.
Tema nime kannab Lenzi neem Taimõri järves.
http://et.wikipedia.org/wiki/1804http://et.wikipedia.org/wiki/Tartuhttp://et.wikipedia.org/wiki/1865http://et.wikipedia.org/wiki/Roomahttp://et.wikipedia.org/wiki/Baltisakslasedhttp://et.wikipedia.org/wiki/1820http://et.wikipedia.org/wiki/1823http://et.wikipedia.org/wiki/Tartu_%C3%9Clikoolhttp://et.wikipedia.org/wiki/Otto_von_Kotzebuehttp://et.wikipedia.org/wiki/1828http://et.wikipedia.org/wiki/Peterburi_Teaduste_Akadeemiahttp://et.wikipedia.org/wiki/Peterburi_%C3%BClikoolhttp://et.wikipedia.org/wiki/1840http://et.wikipedia.org/wiki/1863http://et.wikipedia.org/w/index.php?title=Lenzi_neem&action=edit&redlink=1http://et.wikipedia.org/wiki/Taim%C3%B5ri_j%C3%A4rv
-
There is an induced current in a closed conducting loop if and only if the magnetic flux through the loop is changing. The direction of the induced current is such that the induced magnetic field always opposes the change in the flux.
-
Kilde Eesti kultuuriloost: Thomas Johann Seebeck (Tallinn 1770- Berliin 1831)
Avastas termoelektrilise efekti
(nimet ka Peltier-Seebecki efektiks)
Efekt seisneb pinge genereerimises
kahe juhi ühenduskohtade vahel,
mis asuvad eri temperatuuridel
S sündis Tallinnas Saksa
kaupmehe perekonnas.
Läks 1788 Berliini Ülikooli
arstiteadust õppima (mitte
füüsikat!).
Peale edukaid eksameid
arstiteaduses ja praktilises kirurgias
siirdus ta 1792 Bayreuthi, et
iseseisvalt füüsikaga tegelda.
http://et.wikipedia.org/wiki/1788http://et.wikipedia.org/wiki/Berliini_%C3%9Clikoolhttp://et.wikipedia.org/wiki/1792http://et.wikipedia.org/wiki/Bayreuth
-
Tuuma-
magnetresonants
Nuclear magnetic resonance (NMR) is a physical phenomenon in which
nuclei in a magnetic field absorb and re-emit electromagnetic radiation.
This energy is at a specific resonance frequency which depends on the
strength of the magnetic field and the magnetic properties of the isotope of
the atoms; in practical applications, the frequency is similar to VHF and
UHF television broadcasts (60–1000 MHz).
NMR allows the observation of specific quantum mechanical magnetic
properties of the atomic nucleus. Many scientific techniques exploit NMR
phenomena to study molecular physics, crystals, and non-crystalline
materials through NMR spectroscopy.
NMR is also routinely used in advanced medical imaging techniques, such
as in magnetic resonance imaging (MRI).
http://en.wikipedia.org/wiki/Physical_phenomenonhttp://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_nucleushttp://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_fieldhttp://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_radiationhttp://en.wikipedia.org/wiki/Resonancehttp://en.wikipedia.org/wiki/Isotopehttp://en.wikipedia.org/wiki/VHFhttp://en.wikipedia.org/wiki/UHFhttp://en.wikipedia.org/wiki/Television_channel_frequencieshttp://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_mechanicalhttp://en.wikipedia.org/wiki/Magnetichttp://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_nucleushttp://en.wikipedia.org/wiki/Molecular_physicshttp://en.wikipedia.org/wiki/Crystallographyhttp://en.wikipedia.org/wiki/NMR_spectroscopyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Medical_imaginghttp://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_resonance_imaging
-
Tsüklotronsagedus
2,
1 1
2
RKuna T siis
v
tsüklotronsagedus
qBf
T m
-
Elektrokeemia Redokspotentsiaal
Kemiosmootiline hüpotees
Electron transfer chain
Nernsti valem
Membraanipotentsiaal
An electrochemical gradient is a spatial variation of both
electrical potential and chemical concentration across a
membrane; that is, a combination of the membrane potential
(delta-psi) and the pH gradient (delta-pH). Both components are
often due to ion gradients, particularly proton gradients
(differences in the concentrations of hydronium ions), and the
result can be a type of potential energy available for work in a
cell. This can be calculated as a thermodynamic measure, termed
electrochemical potential, that combines the concepts of energy
stored in the form of chemical potential, which accounts for an
ion's concentration gradient across a cellular membrane, and
electrostatics, which accounts for an ion's tendency to move
relative to the membrane potential.
http://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_potentialhttp://en.wikipedia.org/wiki/Concentrationhttp://en.wikipedia.org/wiki/Hydroniumhttp://en.wikipedia.org/wiki/Potential_energyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Thermodynamichttp://en.wikipedia.org/wiki/Electrochemical_potentialhttp://en.wikipedia.org/wiki/Chemical_potentialhttp://en.wikipedia.org/wiki/Cellular_membranehttp://en.wikipedia.org/wiki/Electric_chargehttp://en.wikipedia.org/wiki/Membrane_potential
-
Ülesandeid
Õues on pakane, toas soe.
Kuidas kraadiklaasita määrata toa temperatuuri, kui teil on patarei,
voltmeeter ja ampermeeter, külluses vaskjuhet ja põhjalik füüsikateatmik?
Ühendame järjestikku patarei, traadikera ja ampermeetri, volt-
meetri lülitame mõõtma pingelangu traadikeral.
Kummagi mõõturi näitude järgi arvutame Ohmi seadusest traadikera
takistuse toa-temperatuuril RT.
Siis pistame kera sulavasse lumme.
Nüüd saame arvutada kera takistuse sulava lume temperatuuril R0.
Takistus sõltub temperatuurist valemi Rt=R0(1+αT) kohaselt, siit leiame
õhutemperatuuri toas.
Toatemperatuuri lähedal on α= 0,0043 K-1.
-
Arvuta prootoni ja elektroni
vahel mõjuv kulonline jõud
vesiniku aatomis, kui
osakeste vaheline kaugus on
0.53 A.
Kas jõud on tõmbuv või
tõukuv?
Millise kiirenduse see
elektronile annab?
Elektoni mass on:
Kuidas arvutada?
12 2 2 1
0
2
9
2
1 1
4 4 *8.8542*10
8.99*10
e
Vaakuumis
kC m N
Nm
C
2e
qQF k
r
-
1. Isa, kes parasjagu märkis üles voolumõõtja näitu, lubas
poja tunniks õue. Isal kella pole.
Kuidas ta saab poega kontrollida?
2. Kuidas määrata hoburaudmagneti pooluseid (tähised on
kustunud) televiisori abil?
3. On vaja selgitada, kui pikk ja millise massiga on vaskjuhe,
millest on tehtud elektromagneti mähis.
Kas tulete toime, kui teil on vooluallikas, voltmeeter,
ampermeeter ja mikromeeter?
4. Miks on kehad elektriliselt laetud?