Elektrik Potansiyel Elektrik potansiyel E 0 olduğundan Elektrik alan korunumludur. Bir q gibi yükün F qE yaptığı iş yolda bağımsızdır W Fdl q Edl Ayrıca E 0 olduğuna göre E elektrik alanı bir skaler fonksiyonun gradiyantı olarak yazılabilir . E V + + - - - + + + - - - Burdaki V skaler elektrik potansiyel olarak tanımlanır. Ayrıca bir E elektrik alanı içinde birim test yükünü P1 noktasından P2 noktasına getirmek için elektrik alanına karşı yapılan iş potansiyel farkı olarak tanımlanır. P2 W E.dl V1 V2 P1 q Bu formül bize birim yük başına düşen elektrik potansiye enerji farkını verir . P2 P2 P2 E.dl V .dl dV V2 V1 . P1 P1 P1 (Potansiyel fark) Hatırlatma: f an ( lim dlf ) an dfdl l 0 E 0 ise ( E ) ds E .dl 0 Zaten bir noktadan kalkıp aynı noktaya gelindiğinde yapılan iş sıfır potansiyel farkı da sıfırdır P noktasının saf Elektrik potansiyeli birm test yükünü sonsuzdan o noktaya getirmesi ile yapılan iş olarak tanımlanır. Vp E.dl b V AB E.dl V A VB A Noktasal Yükün Elektrik Potansiyeli EP q 4 . 0 . R R VR ( q 4 . 0 . R 2 2 aR dl dr.a R r.d .a r. sin .d .a ar )( dR.aR ) Q 4. . 0 R V R 1 4 o VR n q 4. . 0 . R qk RR k 1 ' k Birden Fazla Noktasal Yükün Oluşturduğu Potansiyel V n 1 4. . o k 1 qk R Rk' Örnek: Birbirinden d kadar uzakta Z ekseni üzerinde yerleştirilmiş +q yükünden oluşmuş elektrik dipolün elektrik potansiyelini ve Elektrik alanını bulunuz. V ( ) q 1 4. . 0 r1 1 r2 r1 r.a r d2 a z r2 r.a r d2 a z r>>l ise r1//r r1=r-(d/2)cos r2=r+(d/2)cos V 4.q.0 ( r d 1cos r d 1cos ) r 2k.(qd.d/ .2coscos ) 2 2 V k q.d r.cos q .d cos 2 Açı 1 r2 Dipol Momenti Faktörü Uzaklız Faktörü V küresel koordinatlarda E V R a R R1 R a R sin1 V 4.1.0 Sabit a V 1 V E V a R a V R qd a R 2 cos aa sin 3 4 o R qd a z p qd p olarak bulunur. ( dipol momenti ) Örnek : Eş potansiyel eğrilerini ve Elektrik alan çizgilerini dipol için çiziniz. ( Birbirine diktirler ). V kqd cos r2 V cos 2 kqd r 0 2 2 sabit V için sabit cos R2 1 cos 2 2 Cv r => r Cv cos R, 0 ’da max. 90 0 ’da minimumdur. için V’nin negatif olduğu simetrik görüntüsü oluşur. dl kE a R dR a R d a R sin d k a R E R a E a E dR R d R sin d ER E E Elektrik dipolunda ile değişim yok. dR R d dR 2d (sin ) ER E R sin dR 2d (sin ) R sin R C E sin 2 2 ’de R max. Sürekli Yüklerin Oluşturduğu Elektrik Potansiyeli V V V 1 4o R dV V 1 4o 1 4o ' [ V ] ( Hacimsel Yük ) ' S' s R l ds ' R dl ' [ V ] ( Yüzeysel Yük ) [ V ] ( Çizgisel Yük ) ' L Örnek: V = 1 4o s 4o s R S' 2 0 b r 0 ds' r ' dr ' d ' ds ' r ' dr ' d ' z 2 r'2 R z 2 r'2 1 s 2 2 2 z b z 2 o 1 s 2 2 2 a 1 z z b z 2 o = 1 a s 1 z z 2 b 2 2 z 2 o V E V a z z Z >> b için z z 2 b 1 2 2 Q az 4 o z 2 E Q a z 4 o z 2 b2 1 2 z 1 2 1 z0 z0 b 2 s b2 E az 2z 2 4o z 2 z0 z0 Örnek: V = l 4o L 2 dz ' z z' R z z' L 2 z L l 2 ln 4o z L 2 zL 2 l L V E a z az 2 z 4o z 2 L 2 zL Ödev: a yarıçaplı çemberin üzerinde düzgün Cm yük dağılımı varsa merkezinden dik z-uzaklığında V’yi ve E’yi bul. V a 4 o a 2 z 2 a E V 2 (V/m) 2 d 4 z a 2 z 3 2 2 az 2a o a2 z2 . D 0 .. E 0 . D E -V 2 V= 0 (Loplaca denklemi) 2V=- (Poission denklemi) Örnek: d 2V 0 d y2 sadece y’ ye bağlı olduğundan 2V d 2 dV C1 dy dy y 2 2V d 2 dV C1 V = C1y+C dy dy y 2 V V0 y olarak bulunur, y ile lineer d y = 0’da V = 0 ve y = d dk V = V0 ise olarak potansiyelin arttığı görülür. dV V E ay ay o (y’den bağımsız) V’nin artış yönüne zıt olduğuna dikkat et. dy d Örnek: O<R<b = -0 E = ? a) elektron bulutunun içinde O<R<b için 2 V = / , / 0 dV 1 d (R 2 i ) o 2 dR to R dR R2 dVi o R 3 C1 dR Z o d 2 dVi o 2 R .R entegre edilir. dR dR f o dVi o R C1 dR Zt 0 R 2 Ei a R o R z o ORb b) Elektrik bulutunun dışında 2 Vo 0 (Hat : R 0' da E i 0 C1 0) R>b 1 2 dVo R 0 dR R 2 R dV0 C E 0 V0 o R o R 2 dR R2 dV Ei Vi o R i dR dVo C 2 dR R 2 R b’de E0 ve Ei birbirine eşittir. İletkenlerin statik Elektrik Alanı İçindeki Davranışı İletkenlerin İçinde 0 EO Elektrik alanı iletkenin yüzeyine her zaman diktir. İletkenlerin yüzeyi eş potansiyel yüzey oluşturur. Bir başka deyişle iletkenin her yerinde elektrik potansiyel aynıdır. xE 0' dan E.d. 0 İletken- hava yüzeyi için yazılırsa c lim E .d E teg .W 0 E teg C h O iletkenin içinde elektrik alan yok. D .dS s .S iletken- hava yüzeyi için yazılırsa .D s ' dan s D.ds t En 0 E n .S s s s o Not: Demek ki iletkenlerde yükler yüzeyde toplanır. Öyle bir diziliş oluştururlar ki iletkenin içinde elektrik olan oluşamaz. Sonuç olarak iletken- hava (Serbest Uzay) yüzeyindeki sınır koşulları Eteğ=0 En= s o Elektrik alanın teğetsel bileşeni yok. Normal bileşeni var. Yani yüzeye dik elektrik alan mevcut. Elektrik alanının kaynağı ise yüzeyde biriken yüklerdir. Örnek: İa yarıçapı Re dış çapı Ro olan küresel iletken zırhın merkezinde pozitif Q yükü (Noktasal) bulunmaktadır. Elektrik alan Eve potansiyeli (V)’yi R’nin fonksiyonu olarak bulunuz a) R>Ro E R1 Q 2 E s1 .dS E R1 .4R o Q V /m 4 0 R 2 (S1 gauss yüzeyinden) b) Ri<RRo (S2 Gauss yüzeyinden) ER2= O D .ds Q S2 D.ds Q Q ER2 O (Not: Ri yüzeyinde –Q, Ro yüzeyinde Q yükü indüklenir. Dolayısıyla S2 Gauss yüzeyinin içindeki net yük Q-Q=O’dır.) Bu nedenle de ER2 = O’dur. V2 V1 R R o Q 4 o R o [ V] c) R<R1 (S3 Gauss Yüzeyi) D .ds Q E R3 S3 V3 E R 3 .dR C Q 4 o R 2 [V1m ] Q C 4 0 R C' yi R R İ ' de V3 bulabiliriz. C Q 4 0 1 1 Q V3 4 o Ro Ri 1 1 1 R Ro Ri Örnek : Q11 Q12 V V 4 R 1 4 R 2 1 1 1 2 Q11 Q12 Q1 Q 2 Q2 R2 R2 Q12 Q1 Q 2 Q12 R2 R1 R Q11 s Q11 4 R 12 V11 V21 s Q21 4 R22 Q11 Q1 Q2 4 R1 4 R1 R2 Q1 Q 2 .R 1 4 R 12 R 1 R 2 s s R1 R1 R Q1 Q 2 4 R s s R 2 Q1 Q 2 R 1 R 2 4 R 22 Q1 Q 2 En s olduğunu hatırla. Kapasitelerin Paralel ve Seri Bağlanması Seri Baglama +Q -Q +Q -Q +Q -Q +Q -Q V=Q/Ceş = Q/C1 + Q/C2+......+Q/Cn +Q -Q ------------------------- 1/Ceş =1/C1+1/C2+...+Cn Paralel Bağlama +Q -Q +Q -Q +Q -Q ------------------------- +Q -Q Q= Q1+Q2+..+Qn =C1V+C2V+..+CnV Q=(C1+C2+..+Cn)*V Ceş= C1+C2+..+Cn ELEKTROSTATİK ENERJİ (İŞ) Vnm :m.yük nedeniyle n.yükte olusan gerilim olmak üzere Uzayda başka hiçbir yük yoksa Q1 yükünü herhangi bir yere getirmek için herhangi bir iş yapmiş olmalız. Q2 yükünü Q1 in yanına getirmek için gerekli enerji W =Fdl = qEdl = q Edl = QV Q2 yi yerleştirmek için yapılan iş = Q2*V21 Benzer sekilde her ilave getirilecekyük için harcanacak enerji: Q3’ü yerleştirmek için yapılan iş = Q3 V31+Q3 V32 Q4’ü yerleştirmek için yapılan iş = Q4 V41+Q4 V42+Q4 V43 .................................................... = ............................................... Qn’ü yerleştirmek için yapılan iş = Qn Vn1+Qn Vn2+Qn Vn n-1 Toplam İş =Alanın Elektrostatik enerjisi =We W=Q2+V21+Q3V31+ Q3V32+ Q4V41+.. olarak yazılabilir. Q3 V31=Q3 Q1/40R13 = Q1 Q3/40R31 (R13 ve R31 Q1 ve Q3 arasındaki mesafeyi gosterdiğine göre) Q3 V31 = Q1 V13 yazılabilir.WE’nin içinde QnVnmQmVmn yazılırsa WE= Q1 V12+Q1 V13+Q2 V23+Q1 V14+...+.. 2WE = Q1(V12+V13+V14)+Q2(V21+V23+V24)+Q3(V31+V32+V34)+..+ (V12+V13+V14+..)= V1 (V21+V23+V24+...)= V2 (Vn1+Vn2+Vn3+..) = Vn yazılırsa WE= ½ (Q1V1+Q2V2+..+QnVn) yazılabilir WE= ½ k=1N Qk Vk [J] Vk=1/40 N j=1 Qj/Rjk Sürekli Yükler İçin Enerji: WE =1/2V’gVdv Örnek: b yarıçapında g hacimsel yük dağılımına sahip kürenin enerjisini bulunuz. WE= g/2 V’V dv =G/2 abV 4R2 dR V’nin iki ayrı bölgede belirlenmesi lazım (1) E1 =ar ER1 R= R=b ER1 =ar Q/40R2 = ar gb3/30R2 (2) E2 =ar ER2 R=b R=0 ER2 =ar Q/40R2 = ar gR/30 V= -RE ar dR = -[bER’ dR +bRER2 dR] = -[ bg b3/30R2 dR +bRgR/30 dR] =g/30 (b2+b2/2 –R2/2) =g/30(3/2 b2 –R2/2) WE =g/2 0bg/30 (3/2b2 –R2/2)4R2 dR WE = 4g2b5/15 0 Alan Büyüklükleri Cinsinden Elektrostatik Enerji : WE= ½ V’gVdV =1/2 V’(.D)V dV .(V D) = V .D + D. V (.D)V = .(VD)-D-V WE=1/2 V’(.VD)dV –1/2 V’D.EdV E=-V idi WE=1/2 V’VD.an dS +1/2 V’D.E dV WE=1/2 V’D.E dV [J] V1/R D 1/R2 D=E (lineer basit toplam) Yandaki şekildeki kapasitede depolanan enerjiyi bulun. E=V/Dd ise C=Q/V= ES/d E=gs/ =Q/S V= Q d/ES =Ed WE=1/2V’(V/d)2.dV=1/2 (V/d)2 Sd =1/2(S/d)V2 [J] ve Q=C V WE Q2 2C [J] WE 1 QV 2 [J] ve C= Q V Bu sonuçlar herhangi herhangi iki iletkenli kapasite içinde geçerli- dir. D ds Q S V E dl C L .E ds S E dl L +Q -Q V1 V2 Kapasitenin enerjisi : WE = 1 V1Q V2 Q 1 V1 V2 Q 1 VQ 2 2 2 +Q -Q Q=CV i dQ dt i + v(t ) i d CV dV C dt dt Devre teorisinde kullanılan formül. ÖDEV: ω genişliğinde ve L uzunluğundaki paralel levhalı kapasite kısmen dielektrik sabiti r olan malzeme ile doldurulmuştur.Levhalar arasına Vo voltluk gerilim uygulanmıştır.Levhalar arası mesafe d’dir. a) Her bir bölgede D,E ve s ’i b) Her bir bölgede depolanan enerjiyi eşit yapan x mesafesini bul. L ÖDEV: Q yüklü b yarıçaplı iletken kürenin depoladığı enerjiyi bulun. a) W E 1 QV ’den 2 b) WE 1 E 2 dv ’den hareketle bulun.İki sonucun da aynı 2V' olduğunu gösterin. Dielektrik Malzemelerin Statik Elektrik Alandaki Davranışı. İdeal dielektriklerin içinde serbest yük yoktur. Ama dielektrik malzemenin içinde bağlı yükler (bound charge) vardır.Bu bağlı yüklerin elektrik alana bir etkisi sözkonusudur. Her molekül elektron ve delikten oluşur. Elektrik alanı içinde proton ve elektronlar dipol gibi davranır.Zira elektrik alanı tesiri ile birbirinden kısmen uzaklaşırlar. Bazı dielektrik malzemede elektrik alanı uygulanmamış olsada kalıcı dipol momentine sahiptirler.Bu tip moleküller kutuplu moleküller olarak adlandırılır.Kutuplu C m moleküllerin dipol momentleri 10 30 seviyesindedir.Dış bir elektrik alanı uygulanmadığı sürece maddenin içinde mevcut ve rastgele dağılmış dipoller,makroskobik ölçekte net bir dipol momentine sahip değildirler.Fakat bu tip malzemeye de elektrik alanı uygulandığında kutupsuz moleküllerde olduğu gibi elektrik dipollerinin elektrik alanı etkilemesini bekleriz. Kutuplanmış(Polarize edilmiş) Dielektriklerdeki Eşdeğer Yük Dağılımı. İndüklenen dipollerin makroskobik etkisini analiz etmek için Polarizasyaon vektörü P tanımlayalım. P lim v 0 nv pk C / m 2 p qd (dipol momenti) k 1 n:birim hacimdeki atom sayısıdır . dv’ birim diferansiyel hacimdeki diferansiyel dipol momenti dp Pdv ' .böyle bir dipol momentide aşağıdaki gibi bir diferansiyel potansiyel oluşmasına neden olur.(dipolün potansiyeline bak) P aR Hatırlatma: -(+) q V [V] 4 0 R 2 P aR dv dV V’ hacmi içinde integrasyon yaparsak polarize edilmiş dielektrik 4 0 R 2 nedeniyle oluşan potansiyeli bulabiliriz. P aR V dv' 40 V' R 2 1 aR Hat: 2 R R 1 V 1 P ' ( )dv' 4 0 R 1 Hat: ' fA f' A A ' f A ' f ' fA f' A A P ve f=1/R yazılırsa P 1 'P V dv' ' dv' 4 0 V' R R V' Diverjans teoremi P aR 1 1 V ds' 40 s ' R 40 V 1 4 0 s' s R ds ' 1 4 0 v' 'P v' R dv' v R karşılaştır dv' Karşılaştırma sonucu polarize edilmiş dielektrik nedeniyle oluşan elektrik potansiyeli meydana getiren yüzeysel ve hacimsel bağlı yük (serbest yük değil) dağılımı bulunur. ve p P ps P a n Bunun manası ise alan hesaplamalarında polarize dielektrik malzeme yerine eşdeğer yüzeysel bağlı yük yoğunluğu ps ve eşdeğer hacimsel bağlı yük yoğunluğu 1 E p 0 0E p = p varmış gibi hesap yapılmalıdır. p P D C / m2 D 0E p [C/ m 3 ] Ddv dv v D ds Q v [C] s Eğer ortam lineer ve izotropik ise P 0 x e E D 0 E P 0 E 0 xe E D 0 1 xe E 0 r E E C / m 2 bağıl dielektrik sabiti D E Not edelim ki r uzay koordinatlarınınn fonksiyonu olabilir.Ama r pozisyondan bağımsızsa ortam homojen demektir.Lineer ,homojen ve izotropik ortama ise basit ortam denir. Örnek: Küresel dielektrik zırhın merkezinde noktasal Q yükü vardır. Dielektrik zırhın bağıl dielektrik sabiti r dir.buna gore E , V , D ve P ’yi R’nin fonksiyonu olarak bul.İç yarıçap Ri ve dış yarıçap da R0 ’dur. P D 0 E o r 1E Q Q E R1 V1 2 4 0 R 4 0 R Q DR1 0 E R1 PR1 0 4R 2 (a) R R0 Q (b) Ri R R0 ER2 1 PR 2 1 r R0 R R0 Q 4 0 r R 2 Q 4 R 2 DR 2 Q 4 R 2 Q 2 4R V2 E R1 dR E R 2 dR V1 R Q 1 dR 4 R0 R 2 R=R 0 V2 = c) Q 1 1 4 0 r R< Ri 1 1 [V] R0 r R Q Q DR 3 E R3 2 4 R 2 4 0 R R V3 V2 - E R 3 dR Rii Q 1 1 4 0 r PR 3 0 1 1 1 R0 r 1 1 Ri R R Ri ps P an P a R PR 2 İç yüzeyde : = 1 1 Q r 4 Ri 2 R Ri Dış yüzeyde: ps P a R = PR 2 R Ro = 1 1 Q r 4 R0 2 R R0 PR R R V R Ortamların Sınıflandırılması I . Sınıflandırma ( Lineerliğe Göre) 1- Lineer ortam : D ile E arasından Lineer bir bağlantı var. Ör:D b D; E (r , )d = ( x, y, z) E a 2 – Nonlineer Ortam : D ile Ör : D 3E 3 5 E Dile Eaynı yönde Ör : D 0 E 2. Anizotropik ortam: Ör: D1 E1; J 1 arasından Lineer bir bağlantı var. E II.Sınıflandırma (İzotropikliğe Göre ) 1.İzotropik Ortam : 3 Di ; E ij E j D2 Etarzında 2 D1 11 12 13 E1 D 2 21 22 23 E 2 D3 31 32 33 E3 III. Sınıflandırma ( Belllekli Olup Olmamasına Göre ) 1. Bellekli Ortam : D İle E arasındaki bağıntı ortamın daha önceki durumuna bağlı ise ( Yani sistemin geçmişi ortamı belirliyor.) 2. Bellleksiz ortam : D ile E arasındaki bağıntı ortamın geçmişine bağlı değil. IV Sınıflandırma ( Homojenliğe Göre ) 1. Homojen ortam : her yerde aynı ise 2. Homojen Olmayan Ortam : her yerde aynı değil Basit Ortam : Lineer, İzotopik ve homojen bir atomdur. Elektrostatik Alanlarda Sınır Koşulları lim E .d l E1 .w E1 .(w) h o abcda =Elt w E 2 t w 0 E1t=E2t [V/m] Elektrik alanın teğetsel bileşeni süreklidir. D1t D 2 t 1 2 Gauss Kanunu uygulanırsa D.ds (D .a 1 n2 D 2 .a n1 )S g s S a n1 a n 2 s a n 2 .(D1 D 2 ) s g s 5 a n 2 .(D1 D 2 ) g s Dln D 2n g s D vektörünün normal bileşeni süreksizdir. Süreklilik gs’in miktarı kadardır. Eğer 2 ortam iletken ise D2=0 ve Dln = 1 E ln g s dir. Her iki ortamda didektrik ise ara yüzeyde serbest yükler oluşum yapacağından gs=0 Dln=D2n l E ln 2 E 2n bulunur. Elektrostatik Alanın sağlaması gereken sınır koşullarını genel olarak yazarsak Teğetsel Bileşenin E1t = E2t Örnek: Dielektrik sabitleri 1 ve 2 olan iki ortam aşağıdaki şekildeki gibi üzerinde yüzeysel yük dağılımı olmayan bir yüzeyle birbirinden ayrılmışlardır.1. ortamdaki P 1 noktasındaki elşektrik alanın genliği E1 ve normalle 1 lik bir açı yapmaktadır.2. ortamda P2 noktasındaki elektrik alan genişliği E2 ve normalle yaptığı açı 2’yi bulunuz. Elektrik alanın teğetsel bileşeninin sürekliliğinden E2.sin2 = E1 sin1 (1) Ve s= 0 için elektrik akı youğunluğu vektörü bileşeni de sürekli olur. 2E2 cos2 = 1 E1 cos 1 (2) 1. ve 2 . ifadeler birleştirilirse ; tan2/tan1=2/1 E2 ‘nin E2 = (e2t)2+(e2n)2 = (e2sin2)2 + (e2 cos 2)2 E2 = [(E1sin1)2+ (1/2 E1cos1)2]1/2 E2 = E1 [ sin21 + (1/2 cos 1)2]1/2 44-2 Hatırlatma: Sonsuz uzunluğundaki hattın D’sinin bulunması. D.ds=Q L > D.2rK=.K r D= 2r İletken bir kürenin yanında bulunan noktasal Q yükünün alanının bulunması Ödev:Bir noktasal Q yükü topraklanmış a yarıçaplı iletken kürenin merkezinden d uzaklığa yerleştiriliyor.(d>a) a)kürenin yüzeyünde endüklenen yük dağılımını (s) b)kürenin üzerindeki (endüklenen) toplam yük miktarını (Q) bulunuz. ÖDEV : Aşağıdaki şekildeki iletken materyalin iki yüzeyi arasındaki direnci hesaplayınız. V=0 Ø=0 V = 0 Ø = Π/2 d²V/d ز = 0 R = Π/2 G h ln(b/a)