Sürekli yük dağılımlarının potansiyeli, yüklü iletkenler ve Millikan deneyi
Halka, disk ve çubuğun potansiyeli için V = k∫dq/r, yüklü iletkenin eşpotansiyel olması, sivri uç etkisi ve Millikan yağ damlası deneyi.
Şimdiye kadar potansiyeli nokta yükler için topladın. Gerçek cisimlerde yük bir çubuğa, halkaya ya da diske yayılmıştır. Yöntem aynı: cismi küçük parçalarına böl, her birinin katkısını topla (yani integre et). Alan hesabına göre büyük avantaj: potansiyel skaler olduğu için bileşen ayırmak, simetriyle iptal aramak yok. Haftanın ikinci yarısı iletkenler: yüklü bir iletkenin bütün noktaları aynı potansiyeldedir ve bu basit gerçek sivri uç etkisini, paratoneri ve Faraday kafesini açıklar. Son olarak Millikan deneyi yükün kuantumlu olduğunu gösterir. Sınavda halka ve disk formülü, tel ile bağlı küreler ve Millikan denge sorusu çok sık çıkar.
Altın kurallar:
- . Önce ‘yu yaz (, ), sonra ‘yi integrasyon değişkeni cinsinden yaz.
- Halka ve disk ekseninde her şey hazır formül. Ezberle, türetmeyi de bir kez gör.
- İletken = eşpotansiyel. İçinde , yüzeydekine eşit (sıfır değil).
- Tel ile bağlanan iletkenler aynı potansiyele gelir. Yük yarıçapla orantılı dağılır.
- Millikan: . Yük her zaman ‘nin tam katı çıkar.
Sürekli dağılımlarda potansiyel
Her küçük parça bir nokta yük gibi:
Yük yoğunlukları: çizgisel (linear charge density) , ; yüzeysel (surface charge density) , . Referans yine sonsuzda .
İkinci yol da var: alan zaten biliniyorsa (Gauss yasasıyla bulduğun küre, kabuk gibi) ile integre edersin. Simetrik cisimlerde ikinci yol daha hızlıdır.
Halka (ring), eksen üzerinde
yarıçaplı halkada yükü düzgün dağılmış. Eksende merkezden uzaklıktaki noktaya halkanın her parçası aynı uzaklıkta: . Bu sabit integralden çıkar:
Merkezde () , uzakta () , yani nokta yük. Eksen boyunca alan türevden çıkar:
Bu, alan haftasında uzun uzun bileşen ayırarak bulduğun sonucun aynısı. Potansiyel üzerinden iki satırda geldi.
Disk, eksen üzerinde
yarıçaplı diski yarıçaplı, kalınlıklı halkalara böl. Her halkanın yükü , eksendeki noktaya uzaklığı :
Merkezde .
Çubuk, uzantısı üzerinde
uzunluklu çubuk ile arasında, nokta çubuğun ucundan kadar ötede (). Parçanın noktaya uzaklığı :
TUZAK · Yükü tek noktaya toplamak. Çubuk ya da disk yakından bakıldığında nokta yük değildir. Bütün yükü merkeze koyup yazmak yanlış sonuç verir; integral şart. Bu yaklaşım sadece uzaklık cismin boyutundan çok büyükse geçerli.
Dolu küre ve kabuk
Gauss yasasından alanları biliyorsun. Sonsuzdan içeri integre edersen:
| Cisim | Dışarıda () | İçeride () |
|---|---|---|
| İletken küre veya ince kabuk | (sabit) | |
| Düzgün yüklü yalıtkan dolu küre |
Yalıtkan kürenin merkezinde . İçeride alan sıfır olmadığı için potansiyel yüzeyden merkeze doğru artmaya devam eder.
Yüklü iletkenin potansiyeli
Elektrostatik dengedeki iletkenin içinde , yüzeyde alan yüzeye dik. Yüzey üzerinde yürürken , içeride ise . Sonuç: iletkenin tamamı (içi ve yüzeyi) tek bir potansiyeldedir.
TUZAK · İçeride alan sıfırsa potansiyel de sıfırdır. Hayır. demek potansiyelin değişmediği demek. İçerideki değer yüzeydeki değere eşit: yüklü kürede .
Sivri uç etkisi
Yarıçapları ve olan, birbirinden uzak iki iletken küreyi ince tel ile bağla. Aynı potansiyele gelirler:
Küçük küre daha az yük alır ama yüzeyindeki alan daha büyüktür. Bir iletkenin sivri ucu küçük yarıçaplı küre gibi davranır: yük yoğunluğu ve alan orada en büyüktür. Alan havanın dayanabileceği sınırı (yaklaşık V/m) aşarsa hava iyonlaşır, korona boşalması (corona discharge) olur. Paratoner bu yüzden sivri yapılır.
İletken içindeki boşluk
Yüklü iletkenin içinde yük barındırmayan bir boşluk varsa boşlukta da olur. Faraday kafesi ve araba içinde yıldırımdan korunma buna dayanır.
Millikan yağ damlası deneyi
Millikan, iki yatay plaka arasında yüklü küçük yağ damlalarını inceledi. Plakalar arasındaki potansiyel farkını ayarlayınca bir damla havada asılı kalır. O anda:
Binlerce ölçümde hep C’nin tam katı çıktı: . Bu, yükün kuantumlu (quantization of charge) olduğunun deneysel kanıtıdır. Damlanın kütlesi gerçek deneyde alan kapalıyken limit hızından bulunur; sınavda genelde verilir.
Uygulamalar
- Van de Graaff üreteci (Van de Graaff generator): Bir kayış yükü iletken bir kubbenin içine taşır. İçeriye verilen yük hemen dış yüzeye geçtiği için kubbenin potansiyeli çok yükseğe (milyonlarca volt) çıkabilir. Sınırı korona boşalması belirler, bu yüzden kubbe büyük ve pürüzsüz yapılır.
- Elektrostatik çöktürücü (electrostatic precipitator): Baca gazındaki toz parçacıkları yüksek gerilimli bir telin çevresindeki korona bölgesinde yüklenir ve topraklı duvarlara çekilip tutulur.
Çözümlü örnekler
Örnek 1. Halka. m, nC. Eksende m’de ve merkezde potansiyel?
r = kök(0.40² + 0.30²) = 0.50 m
V(0.40) = kQ/r = (8.99e9)(12e-9)/0.50 = 216 V
V(0) = kQ/a = (8.99e9)(12e-9)/0.30 = 360 V
Örnek 2. Disk. m, . Eksende m’de potansiyel?
kök(x² + R²) = kök(0.0025 + 0.0100) = 0.1118 m
V = 2π(8.99e9)(2.0e-6)(0.1118 - 0.050) = 6.98e3 V
Merkez: V = 2πkσR = 1.13e4 V
Örnek 3. Çubuk. m, nC, nokta uzantıda uçtan m ötede.
λ = 6.0e-9 C/m
V = kλ ln((1.0 + 0.50)/0.50) = (8.99e9)(6.0e-9)(ln 3) = 59.3 V
Örnek 4. Millikan. Kütlesi kg, yükü olan damla, aralığı 1.2 cm olan plakalar arasında asılı kalsın. Gereken gerilim?
ΔV = mgd/q = (3.3e-15)(9.80)(0.012)/(3 × 1.60e-19)
ΔV = 809 V
Alan yukarı mı aşağı mı? Damla negatif yüklü (fazla elektron) ise kuvvetin yukarı olması için alan aşağı bakmalı; yani üst plaka pozitif.
Örnek 5. Tel ile bağlı küreler. Yarıçaplar 2.0 cm ve 8.0 cm, toplam yük 50 nC.
q1/q2 = r1/r2 = 1/4 -> q1 = 10 nC, q2 = 40 nC
Ortak potansiyel: V = kq1/r1 = (8.99e9)(10e-9)/0.020 = 4.50e3 V
Yüzey alanları: E1 = kq1/r1² = 2.25e5 V/m, E2 = kq2/r2² = 5.62e4 V/m
E1/E2 = 4 = r2/r1
Sık yapılan hatalar
| Yanlış düşünce | Doğrusu |
|---|---|
| Halka ekseninde | |
| Çubuk/diski merkezde nokta yük almak | şart |
| İletkenin içinde | İçeride = yüzey değeri, |
| Kabuk içinde | İçeride sabit |
| Yalıtkan kürenin merkezinde | |
| Bağlı kürelerde yük eşit bölünür | |
| Büyük kürede alan daha büyük | : küçük kürede büyük |
| Sivri uçta potansiyel daha yüksek | Potansiyel her yerde aynı, alan büyük |
| Millikan’da | , metre |
| Her yerde kısayolu | Sadece nokta yük için |
Kendini test et
Sınavdaki gibi İngilizce sorular. Önce kâğıt kalemle çöz, sonra cevabı aç.
A thin ring of radius 0.10 m carries a uniformly distributed charge of nC. What is the electric potential on the ring's axis at a distance of 0.24 m from its center?
- 187 V
- 173 V
- 450 V
- 665 V
- 0 V
Cevabı göster
Halkanın her parçası eksendeki noktaya aynı uzaklıkta: m. V.
187 V, uzaklık olarak sadece kullanmaktır; 450 V halkanın merkezindeki değerdir.
A disk of radius 0.20 m carries a uniform surface charge density . What is the potential on its axis at 0.15 m from the center?
- 1.7 × 10⁴ V
- 2.3 × 10⁴ V
- 3.4 × 10⁴ V
- 8.5 × 10³ V
- 1.7 × 10¹⁰ V
Cevabı göster
. V.
2.3 × 10⁴ V, diski merkezde bir nokta yük () gibi almaktır. 3.4 × 10⁴ V, yerine kullanmaktır.
A thin rod of length 0.50 m lies along the axis from to m and carries nC spread uniformly. What is the potential at m?
- 72 V
- 144 V
- 79 V
- 48 V
- 58 V
Cevabı göster
C/m. Çubuktaki noktasındaki ile P arasındaki uzaklık . V.
72 V, bütün yükü çubuğun ortasına (0.50 m uzağa) koymaktır; 144 V ise en yakın uca koymaktır.
An isolated conducting sphere of radius 0.15 m is at a potential of 3.0 kV relative to infinity. How much charge does it carry?
- 5.0 nC
- 50 nC
- 7.5 nC
- 0.50 μC
- 3.3 nC
Cevabı göster
İletken kürenin dışı nokta yük gibi davranır, yüzeyde . C nC.
7.5 nC, formülde kullanmaktır.
Two conducting spheres of radii 4.0 cm and 12 cm are far apart and connected by a thin conducting wire. A total charge of 32 nC is placed on the system. How much charge ends up on the smaller sphere?
- 16 nC
- 24 nC
- 8.0 nC
- 3.6 nC
- 2.0 nC
Cevabı göster
Tel ile bağlı iletkenler aynı potansiyelde: . nC, nC.
Yük yarıçapla orantılı dağılır. Ama yüzey alanı daha küçük olduğu için küçük kürenin yüzeyindeki alan 3 kat büyüktür.
In a Millikan-type experiment, an oil drop of mass kg is held stationary between two horizontal plates 1.0 cm apart when the potential difference is 490 V. How many excess electrons does the drop carry?
- 1
- 2
- 3
- 5
- 300
Cevabı göster
Damla dengede: , . C..
300 çıkarsan cm'yi metreye çevirmemişsin.
A solid insulating sphere of radius 0.10 m has a total charge of nC distributed uniformly through its volume. What is the potential at its center?
- 0 V
- 540 V
- 810 V
- 1080 V
- 270 V
Cevabı göster
Yüzeyde V. İçeride alan sıfır değil (), merkeze girerken potansiyel artmaya devam eder. V.
540 V, onu iletken küre gibi düşünmektir. 0 V, alanı potansiyelle karıştırmaktır.
A charged conductor has a flat region and a sharply pointed tip. Where on its surface is the electric field strongest, and why?
- At the flat region, because more charge fits there.
- At the sharp tip, because the surface charge density is largest where the radius of curvature is smallest.
- Everywhere equal, because the conductor is an equipotential.
- Inside the conductor, near the tip.
- At the sharp tip, because the potential is highest there.
Cevabı göster
Bütün yüzey aynı potansiyelde. Bağlı küre modeli: eşitse olur, küçük yarıçaplı bölgede yük yoğunluğu büyük.
Yüzeyin hemen dışında , dolayısıyla alan sivri uçta en büyük. Paratoner ve korona boşalması bu yüzden.
E şıkkı yanlış: potansiyel her yerde aynı.
A ring of radius 0.10 m carries nC. How much work must an external agent do to move a nC point charge from the center of the ring to infinity?
Cevabı göster
Merkezde V. Sonsuzda . J.
Negatif yükü pozitif halkadan uzaklaştırmak için iş yapman gerekir; pozitif çıkması mantıklı.
For the ring of Question 1 (radius 0.10 m, nC), the axial potential is . Using , find the field on the axis at m.
- 173 V/m
- 614 V/m
- 665 V/m
- −614 V/m
- 0 V/m
Cevabı göster
V/m.
665 V/m, kısayolunu kullanmaktır; o sadece nokta yük için geçerli. −614 V/m, türevdeki eksi işaretini kaybetmektir; pozitif halkanın alanı eksende merkezden dışa () bakar.
A thin conducting spherical shell of radius 0.20 m carries nC. What is the potential at a point 0.10 m from its center?
- 0 V
- 360 V
- 719 V
- 180 V
- 1.8 × 10³ V
Cevabı göster
Kabuğun içinde alan sıfır, potansiyel sabit ve yüzeydeki değere eşit. V.
719 V, formülünü içeride kullanmaktır. 0 V, "alan sıfırsa potansiyel de sıfır" hatasıdır.
Doğrulama: Tüm sayısal cevaplar node ile hesaplandı (verify/PHY1002/07.mjs): halka, disk, çubuk ve dolu küre potansiyelleri 2×10⁵ parçalı orta nokta kuralıyla sayısal integralden bulunup kapalı formlarla karşılaştırıldı; halka ekseninde E, V'nin sayısal türeviyle; iletken küre ve Millikan soruları doğrudan formülden.