Top Banner
UNIVERZITET U NIŠU TEHNOLOŠKI FAKULTET U LESKOVCU ELEKTROTEHNIKA Predavanja: Sreten Stojanović Računske vežbe: Miloš Stevanović Laboratorijske vežbe: Miloš Stevanović
54

ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

Aug 29, 2019

Download

Documents

doanthien
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

UNIVERZITET U NIŠU

TEHNOLOŠKI FAKULTET U LESKOVCU

ELEKTROTEHNIKA Predavanja:

Sreten Stojanović

Računske vežbe:

Miloš Stevanović

Laboratorijske vežbe:

Miloš Stevanović

Page 2: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

ISPIT AKTIVNOSTI POENI NAPOMENA

Predispitne obaveze

predavanja 5 min

30 praktična nastava 15

kolokvijumi 50

Završni deo ispita test provere znanja 30

Poeni Ocene

51-60 6

61-70 7

71-80 8

81-90 9

91-100 10

Page 3: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

LITERATURA Predavanja:

1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013.

2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska misao,Beograd, 2013.

3. D. Mitić, “Elektrotehnika I, II”, Petrograf, Niš, 2007, 2008. 4. M. Cvetković, Elektrotehnika, Tehnološki fakultet, Leskovac,

1990.

Vežbe (računske):

5. Đ. Vukić, Zbirka ispitnih zadataka iz elektrotehnike, Poljoprivredni fakultet Beograd, 2003.

6. D. Mitić, Elektrotehnika I, II u obliku metodičke zbirke zadataka”, Petrograf, Niš, 2007, 2008.

Vežbe (laborat.):

7. I. Mladenović, S. Stojanović: Elektrotehnika sa elektronikom, praktikum za laboratorijske vežbe, Tehnološki fakultet, Leskovac, 2003.

Page 4: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

Sadržaj predmeta:

1. Elektrostatika

2. Elektrokinetika

3. Magnetizam

4. Naizmenične struje

Page 5: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

1. ELEKTROSTATIKA

Elektrostatika je nauka o elektricitetu.

Ona proučava:

- elektricitet u stanju mirovanja,

- raspored elektriciteta na telima,

- uzajamno dejstvo naelektrisanih tela, ...

Page 6: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

1.1 NAELEKTRISANJE ELEMENTARNIH ČESTICA

Naelektrisanje je svojstvo subatomskih čestica (elektrona, protona)

Elektron je čestica koja nosi elementarno negativno naelektrisanje. 191 1.60 102e C

Proton je čestica koja nosi elementarno pozitivno naelektrisanje.

191 1.602 10e C

Jedinica naelektrisanja je kulon C: 181 6.242 10C e

Napomena: 1C je veoma velika veličina - koriste se manji delovi C:

1mC, 1C, 1nC,...

Koristeći pojam naelektrisanja mogu se objasniti električne i magnetne INTERAKCIJE između naelektrisanih tela (čestica).

Page 7: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

1.1.1 NAELEKTRISANJE TELA

Jednako je algebarskom zbiru naelektrisanja svih njegovih čestica.

Oznake za naelektrisanje tela:

Q (Const.), q i q(t) (promenljivo)

Naelektrisanje tela: Q = ±Ne

N – broj elementarnih naelektrisanja

ELEKTROSTATIKA proučava statički elektricitet

Q je nepokretno i nepromenljivo u vremenu

Zakon o održanju elektriciteta:

U zatvorenom sistemu ukupna količina naelektrisanja uvek ostaje ista.

Page 8: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

1.2 MEĐUSOBNO DELOVANJE NAELEKTRISANIH TELA

Dejstvo između naelektrisanih čestica (tela) opisuje se pomoću

elektrostatičkih sila.

Ove sile mogu biti privlačne ili odbojne.

(+)(+) ili (-)(-) odbijanje

(+)(-) privlačenje

Definicija. Tačkasto naelektrisanje je naelektrisano

telo čije dimenzije u datim uslovima možemo zanemariti.

A

tačkasto naelektrisano telo

Page 9: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

1.2.1 KULONOV ZAKON

Definiše električnu silu između dva tačkasta naelektrisanja u vakumu:

1 212 21 2

Q QF F F k N

r

9 2 2

0

19 10

4k Nm C

12F - sila kojim prvo naelektrisanje deluje na drugo

21F - sila kojim drugo naelektrisanje

deluje na prvo

Dielektrična konstanta vakuma:

12 2 2

0 8.85 10 C Nm Q

1

Q2

r

F12

F21

F21

=F12

=F

+

+

Page 10: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

1 2

2

Q QF k

r

1 2 0 0Q Q F - odbojna sila

1 2 0 0Q Q F - privlačna sila

1 2

2

Q QF k

r - algebarska vrednost sile (sa predznakom, 0, 0F F )

1 2

2

Q QF k

r - intenzitet sile (skalarna vrednost) ( 0F )

+ -

+ +

Page 11: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

VEKTORSKI OBLIK SILE

1 212 122

Q QF k r

r

1 2

2

Q Qk

r - algebarska vrednost

12r - jedinični vektor usmeren od

prvog ka drugom naelektrisanju.

1 221 212

Q QF k r

r

21r - jedinični vektor usmeren od

drugog ka prvom naelektrisanju

21 12 12 21r r F F

+ +

+ +

+ -

+ -

Page 12: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

-Q2

r13

r23

F13

F23

F

+Q1

+Q3

TEOREMA SUPERPOZICIJE

Rezultujuća sila kojom n tačkastih naelektrisanja deluju na dato

naelektrisanje jednaka je vektorskom zbiru svih električnih sila kojima

pojedinačna naelektrisanja deluju na dato naelektrisanje:

1

n

i

i

F F

Primer.

1 3

13 2

13

Q QF k

r ,

2 3

23 2

23

Q QF k

r

Kosinusna teorema:

2 2 2

13 23 13 232 cosF F F F F

Page 13: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

1.3 ELEKTROSTATIČKO POLJE

To je posebno fizičko stanje u okolini nepokretnog naelektrisanog tela.

Opisuje se vektorom jačine elektrostatičkog polja E .

E se definiše se preko Kulonove sile i probnog naelektrisanja pq .

Probno naelektrisanje je tačkasto naelektrisanje naelektrisano malom količinom

pozitivnog naelektrisanja ( 0)pq tako da ono svojim električnim poljem ne utiče

na spoljašnje električno polje.

Vektor jačine elektrostatičkog polja

p

FE

q ,

N

C

E brojno je jednaka količniku Kulonove sile koja deluje na probno nalektrisanje i kol. probnog

naelektrisanja. E ima pravac i smer sile F koja deluje na pq .

0r - jedinični vektor

usmeren od izvora

polja ka spolja

Page 14: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

1.3.1 ELEKTROSTATIČKO POLJE USAMLJENOG TAČKASTOG

NAELEKTRISANJA

Vektor jačine elektrostatičkog polja

02

02

p

p p

Qqk r

F QrE k rq q r

N

C

02

QE k r

r

0Q E je istog smera kao 0r

E je usmereno od Q

0Q E je supr. smera od 0r

E je usmereno ka Q

+

-

+ +

2

QE k

r - algebarska vrednost

2

QE k

r - skalarna vrednost

Page 15: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

1.3.2 ELEKTRIČNO POLJE SKUPA TAČKASTIH NAELEKTRISANJA

2n tačkasta naelektrisanja

1 21 2 01 022 2

0 1 2

2

0210

1

4

1

4

ii

i i

Q QE E E r r

r r

Qr

r

n n tačkastih naelektrisanja

021 10

1

4

n ni

i i

i i i

QE E r

r

2E

E 1E

+

-

Page 16: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

1.3.3 RASPODELA NAELEKTRISANJA NA TELIMA

LINIJSKA RASPODELA NAELEKTRISANJA

Naelektrisanje je raspodeljeno duž tanke niti (linijsko naelektrisanje)

Podužna gustina naelektrisanja:

Konstantna podužna gustina naelektrisanja ( ) .Q l Q Const

( )C m na l

QQ Q Q l

l

Promenljiva podužna gustina naelektrisanja ( )Q l :

( )

( )na dldQ

Q ldl

( ) ( )na dldQ Q l dl

Page 17: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

POVRŠINSKA RASPODELA NAELEKTRISANJA

Naelektrisanje je raspodeljeno po površini (površinsko naelektrisanje) Površinska gustina naelektrisanja ( )S :

Konstantno površinska gustina naelek. ( ) .S Const

2

(n S)C m a

QQ S

S

Promenljiva površinska gustina naelek.

(n dS)( )

adQS

dS (n dS) ( )adQ S dS

dS

Page 18: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

ZAPREMINSKI RASPODELA NAELEKTRISANJA

Naelektrisanje je raspodeljeno po zapremini V

Zapreminska gustina naelektrisanja ( )V :

Konstantna zapreminska gustina naelek. ( ) .V Const

3

(n V)C m a

QQ V

V

Promenljiva zapreminska gustina naelek.

(n dV)( )

adQV

dV (n dV) ( )adQ V dV

dV

V

Page 19: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

1.3.4 PREDSTAVLJANJE ELEKTROSTATIČKOG POLJA

Linije elektrostatičkog polja su zamišljene linije u elektrostatičkom polju u

čijim tačkama se vektor E ponaša kao tangenta.

Smer linija polja je određen smerom

vektoraE .

Q1<0 Q2>0

A tangenta E

linija polja

Linije polja u okolini „+“ usamljenog tačkastog naelektrisanja

Linije polja u okolini

dva tačkasta „+“ i „-„

naelektrisanja

Page 20: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

EKVIPOTENCIJALNE POVRŠI U ELEKTROSTATIČKOM POLJU

Ekvipotencijalne površi u elektrostatičkom polju su zamišljene površine u elektrostatičkom polju kroz koje linije polja prolaze pod pravim uglom.

Page 21: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

1.4 FLUKS ELEKTROSTATIČKOG POLJA

Fluks elektrostatičkog polja E kroz površinu S predstavlja gustinu linija elektrostatičkog polja kroz tu površinu.

To je skalarna veličina.

Fluks ( ) homogenog elektrostatiškog polja E

S S n - vektor površine

n - vektor jedinične normale na površ S

cos nE S n E S E S

S

Page 22: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

Specijalni slučajevi:

0 , onda maxES

090 , onda 0

Page 23: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

Fluks ( ) nehomogenog elektrostatičkog polja E

Elementarni fluks vektora jačine električnog polja E kroz površ dS:

nE - komponenta električnog polja duž normale na površ.

Ukupni fluks E kroz površinu S:

Page 24: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

1.4.1 GAUSOVA TEOREMA

Fluks vektora jačine električnog polja E kroz zatvorenu površinu S jednak je količniku algebarskog zbira svih količina naelektrisanja koja su obuhvaćena tom površinom i dielektrične konstante vakuma 0 :

Namena. Gausova teorema služi za određivanje elektrostatičkog polja naelektrisanih tela koja imaju neku simetriju.

+ - + +

+

- +

+

Page 25: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

PRIMENA GAUSOVE TEOREME

Usamljeno tačkasto naelektrisanje u vakumu

Za zatvorenu površ S usvajamo loptu sa centom u tačkastom naelektrisanju.

2

0

4S S

QEdS EdS r E

2 2

04

Q QE k

r r

Q

S

+

Page 26: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

Površinski naelektrisana metalna sfera

Za zatvorenu površ S usvajamo loptu čiji se centar poklapa sa centom sfere.

r R

2

0

4S S

QEdS EdS r E

,

Q Q 2 2

04

Q QE k

r r

24Q S R 2 2

2 2

0 0

4

4

R RE

r r

2

2

0

RE

r

r R 0E , jer u unutrašnjosti sfere nema naelektrisanja

Page 27: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

Površinski naelektrisana beskonačna ravan

Za zatvorenu površ S usvajamo valjak simetrično postavljen u odnosu na naelektrisanu ravan.

Q S , 1 2S S S

simetrija 1 2E E E

0 1 2

1 2

0 1 2

0

1 2

1 2

0 0

0 2

2

S S S S

S S

EdS EdS EdS EdS

EdS EdS

ES ES ES

Q SES

02E

, Polje je homogeno (ne zavisi od rastojanja od ravni)

Page 28: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

Dve površinski naelektrisane beskonačne ravani sa suprotnim

naelektrisanjima

1 2

02E E

Polje van ploča ne postoji:

1 2 0E E E

Polje između ploča je homogeno a njegov intenzitet iznosi:

1 2 1

0 0

2 22

E E E E

0

E

Page 29: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

1.4.2 POTENCIJAL ELEKTROSTATIČKOG POLJA

Definicija. Potencijal proizvoljne tačke A elektrostatičkog polja E u odnosu na referentnu tačku R definiše se kao:

R

A

A

V Edl V

Zakon cirkulacije u elektrostatičkom polju:

0C

Edl , C – zatvorena kontura

Potencijal taške A ne zavisi od oblika putanje već samo od početne i referentne tačke.

1 2

A

L L

V Edl Edl , - dve proizvoljne putanje L1 i L2 od A do R

Za potencijal referentne tačke usvaja se vrednost 0: 0

R

R

R

V Edl

Page 30: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

ODREĐIVANJE POTENCIJALA NEKIH NAELEKTRISANIH TELA

Potencijal usamljenog tačkastog naelektrisanja ( Rr )

Jačina polja: 2

QE k

r

Potencijal: putanje A-R i A-B-R

0

2 2

1 1R R

B A A

E dlE dlR B R R

EdlA A B B

r r

r r r A R

Edl Edl Edl Edl

Q drk dr

r rk Q

rk

rQ

Za ,R Ar r r ,

0

( )4

Q QV r k

r r

Q

R

A

rR rA

+ +

B

Page 31: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

Potencijal površinski naelektrisane metalne sfere ( Rr )

r R , 2

QE k

r

2 2

2

0 0 0 0 0

1 4

4 4 4 4

RR

A A

rrR

A

A A AA r r

Q dr Q Q R RV Edr

r r r r r

,

2

0

( )R

V rr

r R , 2

QE k

r

2

0 0

( )R R

V RR

,

0

( )R

V R

r R , 0E

2

0 0

( ) 0 ( )4

A

R

r R R

Q drV r E dr Edr V R

r

0

( )R

V r

,

Potencijal unutar metalne sfere je 0 iako je jačina

električnog 0E .

Page 32: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

Potencijal u polju dve naelektrisane ravani ( Rr d )

0

E

,

0

?

0 0

R R

A A

r rR R

RA A

A A r r

rV Edr Edr dr dr r

Referentna tačka se usvaja na negativnoj ploči ( Rr d ):

0

( )V r d r

r

V

d

?

Page 33: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

1.4.3 NAPON ELEKTROSTATIČKOG POLJA

Napon elektrostatičkog polja između dve tačke jednak je razlici potencijala

tih tačaka. R R B R R B

AB A B

A B A B B A

A R

U V V Edl Edl Edl Edl Edl Edl

B

AB A B

A

U V V Edl V

- Napon ne zavisi od oblika putanje između tačaka A i B , već od položaja ovih tačaka.

- Napon između bilo koje dve tačke jedne ekvipotencijalne površine je 0.

0

B

A B

E dlA

U V V Edl

(na ekvipotencijalnoj površi važi E dl )

+

E

R

A

+

B

Page 34: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

1.4.4 ELEKTROSTATIČKI DIPOL

Elektrostatički dipol čine dva tačkasta naelektrisanja, Q i

Q , postavljena na malom međusobnom rastojanju.

Električni moment dipola: p Qd

Vektorski oblik: p Qd

Posmatramo N dipola proizvoljno orjentisanih u određenoj zapremini V.

Vektor polarizacije predstavlja zapreminsku gustinu električnih mometa

posmatranih dipola

ipP

V

Page 35: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

1.5 RAD U ELEKTROSTATIČKOM POLJU I POTENCIJALNA ENERGIJA

NAELEKTRISANJA

RAD U ELEKTROSTATIČKOM POLJU

Rad elektrostatičkih sila pri pomeranju naelektrisanja q iznosi

0eFA - rad vrši električna sila

0eFA - rad je izvršen protiv električne sile (rad vrši spoljna sila)

B

A

+

B

e

A

B

A

A

A

B

B

F dl

q E dl

qU

A

q V V

Page 36: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

POTENCIJALNA ENERGIJA NAELEKTRISANJA

Neka je B referentna tačka sa nultim potencijalom: 0BV

Odredimo rad koji vrši spoljna sila iF protiv sile električnog polja

pri premeštanju naelektrisanja q iz R u datu tačku A

elektrostatičkog polja:

0A

A

A

A q V

qV

W

Potencijalna energija naelektrisanja u datoj tački elektrostatičkog polja ( )AW brojno je jednaka radu koji izvrši spoljna sila pri premeštanju ovog

naelektrisanja iz referentne tačke u datu tačku polja.

A

+

Page 37: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

1.6 ELEKTRIČNO POLJE U SUPSTANCAMA

Podela supstanci u odnosu na sadržaj slobodnih elementarnih nosioca

naelektrisanja:

Provodnici – sadrže veliki broj slobodnih elementarnih naelektrisanja

srebro, zlato, platina, bakar, aluminijum, gvožđe,…

Dielektrici – skoro da ne sadrže slobodna elementarna naelektrisanja

staklo, porcelan, PVC, kvarc

Poluprovodnici – sadrže manji broj slobodnih nosioca naelektrisanja

silicijum, germanijum

Page 38: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

1.6.1 PROVODNICI U ELEKTRIČNOM POLJU

USAMLJEN PROVODNIK U ELEKTROSTATIČKOM POLJU U VAKUMU

Pod dejstvom polja E , dolazi do kretanja slobodnih elektrona u provodniku u suprotnom smeru od linija polja.

Elektroni dolaze do ivice provodnika i prestaju sa daljim kretanjem (stacionarno stanje).

Posledica: u prisustvu spoljašnjeg polja dolazi do vrlo brze preraspodele slobodnih elektrona unutar provodnika.

Zaključak. Pošto nema usmerenog kretanja elektrona unutar provodnika, elektrostatičko polje unutar

provodnika ne postoji, tj. 0uE .

+ + +

- - -

Page 39: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

GRANIČNI USLOVI

Posmatrajmo provodnik u vakumu koji se nalazi u spoljašnjem elektrostatičkom

polju E .

I granični uslov Tangencijalna komponenta elektrostatičkog polja uz površinu provodnika jednaka je nuli.

0tE

Linije električnog polja su normalne na površinu provodnika!

II granični uslov Normalna komponenta elektrostatičkog polja koja dodiruje površinu provodnika proporcionalna je površinskoj gustini slobodnih nosilaca naelektrisanja.

UTICAJ OBLIKA TELA NA RASPODELU SLOBODNIH NOSIOCA

provodnik

vakum

+ + + +

+ +

+

+

0

nE

Page 40: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

NAELEKTRISANJA

Posmatramo dva provodna sferna tela (a b) povezana provodnikom

( )a bV V . Uporedimo Q, i E na njihovim površinama.

0 0

0 0

1.4 4

4 4

a ba

a b b

b aa bb

Q QaV

Q Q Qa db

Q QQ QV

b d

2. 24

aa

Q

a

,

24

bb

Q

b

2 2

2 2

/ ( / ) /1

/ /

a a b

b b b

Q a a b Q a b

Q b Q b a

a b

3. 0

0

/1

/

a a a

b b b

E

E

a bE E

Površinska gustina naelektrisanja veća je na manjim telima (oštre ivice)

Količina naelektrisanja veća je na većem predmetu

Polje je jače na oštrijim ivicama predmeta (princip rada gromobrana)

Page 41: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

Primeri raspodela naelektrisanja na provodnim telima

Na graničnoj površini provodnik-vakum važi:

0tE 0/nE

Površinska gustina slobodnih naelektrisanja je veća na oštrijim površinama.

Ječina eleltrostatičkog polja unutar provodnika jednaka je nuli.

Page 42: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

ELEKTRIČNI KAPACITET (KAPACITIVNOST)

Kapacitivnost usamljenog provodnog tela

Posmatramo usamljeno provodno naelektrisano telo sa kol. nael. Q i

potencijalom R

M

V Edl na površini.

Kapacitivnost usamljenog provodnog tela se definiše kao količnik njegove

količine naelektrisanja Q i potencijala V :

R

M

Q QC

VEdl

Primer. Kapacitivnost sferičnog naelektrisanja poluprečnika r a

04

QV

a

0

0

4/ 4

QC a

Q a

, 04C a

Page 43: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

Kondenzator i njegova kapacitivnost

Kondenzator je sistem od dva blisko postavljena provodna tela (elektrode) naelektrisana istom količinom naelektrisanja ali suprotnih znakova.

Kapacitivnost kondenzatora se definiše kao količnik količine naelektrisanja Q i napona

između elektroda kondenzatora: Q

CU

Primer. Pločasti kondenzator

0 0 0

B B B

A A A

QU Edl Edl dl d d

S

0SQC

U d

Page 44: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

1.6.2 DIELEKTRICI U ELEKTROSTATIČKOM POLJU

Dielektrik je materijal koji, idealizovano posmatrano, nema slobodnih

naelektrisanja.

Dielektrični materijali:

- čvrsti - papir, staklo, guma, PVC, ….

- tečni – čista voda, transformatorsko ulje, …

- gasoviti – vazduh, vodonik, …

Atom dielektrika je električno neutralan.

Molekuli dielektrika mogu biti polarni i nepolarni.

Kod nepolarnih dielektrika, centri pozitivnog i negativnog naelektrisanja poklapaju se.

Kod polarnih, centri pozitivnog i negativnog naelektrisanja ne poklapaju se.

Page 45: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

POLARIZACIJA ATOMA DIELEKTRIKA

Dielektrik u stranom elektrostatičkom polju E :

Dolazi do pomeranja centara pozitivnog i negativnog naelektrisanja atoma dielektrika.

Nastaje diplol, čiji je električni moment:

p Qd

Električni moment dipola srazmeran je jačini

elekrostatičkog polja:

p E E

- koeficijent polarizacije atoma

isti je za sve atome jednog dielektrika

Page 46: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

POLARIZACIJA DIELEKTRIKA KAO CELINE

pre polarizacije nakon polarizacije

- E - strano polje, pE - polje usled polarizacije,

rE - rezultujuće polje u dielektriku

- Nakon polarizacije, na površini dielektrika javlja se tzv. vezano naelektrisanje površinska gustine v .

- Unutrašnjosti dielektrika je električno neutralna.

- Polarizacuju dielektrika opisujemo vektorom

polarizacije /iP p dV .

- Za linearan dielektrik važi: P E

E

Negativno vezano naelektrisanje

Pozitivno vezano naelektrisanje

Polarizovani molekuli

0E

0E

strano polje

Page 47: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

POVRŠINSKA GUSTINA VEZANIH NAELEKTRISANJA U DIELEKTRIKU

Površinska gustina vezanog naelektrisanja po brojnoj vrednosti jednaka je normalnoj komponenti vektora polarizacije

v nP

Za linearan dielektrik (P E ):

v nE

+ + + +

+ +

+

+

dielektrik

vakum

Page 48: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

UTICAJ DIELEKTRIKA NA JAČINU ELEKTROSTATIČKOG POLJA

Posmatramo provodnik i linearni dielektrik u

spoljašnjem električnom polji E .

Veza između v i na graničnoj površi između

provodnika i linearnog dielektrika iznosi:

1 rv

r

Zaključak: Sa pozicije elektrostatike,

dielektrik možemo zameniti sistemom

naelektrisanja površinske gustine jednaka v

koja se nalaze u vakumu uz površinu provodnika.

provodnik

linearni

dielektrik

+ + + +

+ +

+

+

+ +

+

- - - -

- -

-

-

- -

provodnik

dielektrik zamenjen

vakumom

+ + + +

+ +

+

+

+ +

+

- - - -

- -

-

-

- -

Page 49: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

Superpozicija:

u v

r

u

r

u

r

E

0 0

, E

,

r

EE

0

Zaključak:

1. Prisustvo dielektrika smanjuje površinsku gustinu slobodnih nosioca naelektrisanja u provodniku r puta.

2. Prisustvo dielektrika smanjuje elektrostatičko polje r puta.

provodnik

dielektrik zamenjen

vakumom

+ + + +

+ +

+

+

+ +

+

provodnik

vakum

+ + + +

+ +

+

+

+ +

+

Page 50: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

Primer. Pločasti kondenzator

- sa vakumom između elektroda

0

0

E

,

0 0

SC

d

- sa dielektrikom izmeću elektroda

u v

r

,

u

r

, 0

r

EE

0

0

r

r

Q Q S SC

U Ed dd

0 0r r

SC C

d

Page 51: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

ZAPREMINSKA GUSTINA ENERGIJE ELEKTROSTATIČKOG POLJA

Posmatramo pločasti kondenzator sa linearnim dielektrikom

E

Zapreminska gustina energije elektrostatičkog polja iznosi:

2

1 1 1

2 2 2

1

2

e

V

e

W QU SEd EE Sd

E V w V

2

3

1

2e

Jw E

m

eW je lokalizovana u prostoru gde postoji elektrostatičko polje, bez obzira

da li je taj prostor ispunjen vakumom ili nekim dielektrikom.

Page 52: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

1.6.3 MEĐUSOBNO VEZIVANJE VIŠE KONDENZATORA

REDNA VEZA KONDENZATORA

1 2 1 1 2 2

1 2

1 21

1 1

,

1 1 1

n n ne

ni

nn

e i

qUq q q C U C U C U

C

U U U U qC

C CC C

2 kondenzatora: 1 2

1 2

e

C CC

C C

Page 53: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

PARALELNA VEZA KONDENZATORA

Uslovi:

1 1 2 2

1 2 1 2

1

,, , en n

nn

e i

i

n

qU

Cq C U q C U q C U

q q q q C CC

CC

U

Page 54: ELEKTROTEHNIKA - tf.ni.ac.rs · LITERATURA Predavanja: 1. S. Stojanović, Elektrotehnika, PDF Prezentacija predavanja, 2013. 2. A. Đorđević, Osnovi elektrotehnike 1-4, Akademska

MEŠOVITA VEZA KONDENZATORA

23 2 3C C C

1 2 31 2313

1 23 1 2 3

C C CC CC C

C C C C C