...
Kurser Alla kurser Min kurs Min sida Min sida Provbank Mina prov Läromedel Blogg Guider Om oss Kontakt Nationella prov Gamla högskoleprov Läxhjälp matematik Priser
Sök Mitt konto Logga ut Elev/lärare
-registrering
Logga in Köp Premium Köp Premium Prova gratis
Genom att använda den här sidan godkänner du våra användarvillkor, vår integritetspolicy och att vi använder cookies.
EXEMPEL I VIDEON
Lägg till som läxa
Lägg till som stjärnmärkt
  Lektionsrapport   Hjälp

Frågor hjälpmarkerade!

Alla markeringar försvinner.

Ta bort markeringar Avbryt
Kopiera länk Facebook X (Twitter) Repetera Rapportera Ändra status
KURSER  / 
Fysik 2
 /   Fält

Gravitationsfält och elektriska fält

Endast Premium- användare kan rösta.
Författare:Fredrik Vislander
Rapportera fel Redigera lektion Redigera text Redigera övning Redigera video Skapa thumbnails
Så hjälper Eddler dig:
Videor som är lätta att förstå Övningar & prov med förklaringar
Allt du behöver för att klara av nationella provet
Så hjälper Eddler dig:
Videor som är lätta att förstå Övningar & prov med förklaringar
Allt du behöver för att klara av nationella provet
Din skolas prenumeration har gått ut!
Påminn din lärare om att förnya eller fortsätt plugga med Eddler på egen hand.
Så funkar det för:
Elever/Studenter Lärare Föräldrar
Din skolas prenumeration har gått ut!
Förnya er prenumeration. Kontakta oss på: info@eddler.se

Vi har i Fysik 1 talat om hur elektriska laddningar kan påverka varandra med krafter trots att de inte är i kontakt, dvs de påverkar varandra med så kallade ”avståndskrafter”. Begreppet elektriska fält hjälpte oss då att beskriva hur detta kan ske.

Fält kan sägas vara en modell för att beskriva hur krafter kan verka på avstånd och är användbar i många sådana situationer, inte bara när det gäller elektriska krafter. Fältmodellen kan även appliceras på andra avståndskrafter såsom gravitationskrafter och magnetiska krafter.

Vi ska i den här lektionen fördjupa oss i fältmodellen för att i kommande lektioner applicera den på magnetfält och magnetiska krafter.

Fältmodellen

I fältmodellen tänker vi oss att ett objekt med en viss egenskap skapar en störning i ”rummet”. Med ”rummet” avses den tredimensionella rymd som vi lever i. Den här störningen gör sedan att andra objekt med motsvarande egenskap, som befinner sig i denna förändrade del av rummet, reagerar på störningen. Detta tolkar vi som att de påverkas av en kraft.

I fallet med elektriska laddningar tänker vi oss att ett objekt med egenskapen laddning, t ex en elektron, skapar en störning, ett elektriskt fält, omkring sig. Vi tänker oss även att en annan partikel, en så kallad testladdning, som har en positiv men mycket liten laddning och negligerbar massa, befinner sig i störningen, dvs i fältet. Testladdningen kommer då att påverkas av fältet och av en kraft riktad mot elektronen. Eftersom testladdningen har en så liten laddning så bortser vi från att den också skapar ett fält.

Vi kan ju inte se fältet, men det finns lite olika sätt att illustrera det. Till att börja med ska vi påminna oss om att laddningar påverkar varandra med krafter enligt Coulombs lag. Vi kallar testladdningens laddning för lilla  $q$q  medan vi tänker oss elektronen som en mycket större, stationär laddning som vi kallar stora  $Q$Q.

Coulombs lag:   $F_e=k\cdot$Fe=k· $\frac{Q\cdot q}{r^2}$Q·qr2   

Vi ser i formeln att kraften avtar med avståndet i kvadrat. Detta bör ju framgå då vi försöker illustrera fältet. Ett sätt är att tänka sig att det i alla  fältets punkter finns ett värde, en fältstyrka, som påverkar ett objekt som placeras där. Om fältstyrkan på avståndet  $r_1$r1 är $81$81, är fältstyrkan på avståndet  $r_2$r2  istället $9$9, och på avståndet  $r_3$r3  är den $3$3 osv. Ett exempel på detta ser vi i nästa bild.

Det finns flera, alternativa sätt att illustrera fältet. Den nedre bilden till vänster visar ett vektorfält. Här ritas pilar vars längd representerar fältets styrka.

Men även detta sätt kan bli lite omständligt och för att kvalitativt illustrera fältet används istället ofta så kallade fältlinjer, vilket vi ser i den nedre bilden till höger. Ju tätare fältlinjerna är, desto starkare är fältet. Vi ser att fältlinjerna är tätare närmare laddningen  $Q$Q  än längre ut, dvs fältet är starkare närmare laddningen. Pilarna visar fältets riktning. I fallet med elektriska laddningar gäller att fältets riktning alltid är såsom en positiv laddning skulle påverkas av fältet.

Fortsättningsvis kommer vi att använda detta sätt för att illustrera fält.

Fältstyrka

Elektrisk fältstyrka

Coulombs lag ger alltså kraften som en laddning  $q$q  påverkas av då den befinner sig i det elektriska fältet skapat av den stationära laddningen  $Q$Q.  $r$r  är avståndet mellan laddningarna, och  $k$k  är en konstant. Eftersom  $Q$Q  och  $k$k  är konstanta ser vi att på ett givet avstånd  $r$r  kommer kraften endast att bero på hur stor laddningen  $q$q  är. Om vi dividerar kraften med laddningen  $q$q  får vi ett konstant värde som gäller på avståndet  $r$r  från  $Q$Q:

 $\frac{F_e}{q}=$Feq = $k\cdot$k· $\frac{Q}{r^2}$Qr2  

Detta värde kallas fältstyrka, och i detta fall specifikt elektrisk fältstyrka. Vi betecknar detta värde  $E$E  (ofta med dubbel rygg för att inte förväxla det med beteckningen för energi) och får då att:

 $E=$E= $\frac{F_e}{q}=$Feq = $k\cdot$k· $\frac{Q}{r^2}$Qr2   

 

Gravitationell fältstyrka

Nu kan vi istället för egenskapen laddning utgå från egenskapen massa, och istället för en stationär elektron tänka oss jorden med massan $M$M. På avståndet  $r$r  finns istället för en testladdning en liten testmassa  $m$m, med så liten massa att den inte påverkar jordens fält. Utifrån detta kanske vi minns att Newtons gravitationslag beskriver gravitationskrafterna mellan dessa massor:

 $F_g=G\cdot$Fg=G·  $\frac{M\cdot m}{r^2}$M·mr2  

Vi ser att Coulombs lag och Newtons gravitationslag är väldigt lika. Vi kan på motsvarande sätt som med laddningar och elektriska fält prata om massor och gravitationsfält eller ”tyngdkraftsfält”. Vi tänker oss då på ett liknande sätt att objekt med egenskapen massa alstrar ett fält omkring sig som påverkar andra objekt som befinner sig i detta fält och har egenskapen massa. Vi ser att tyngdkraften avtar med avståndet i kvadrat.

Vi gör på samma sätt som med det elektriska fältet, vi dividerar med testmassan  $m$m  för att få bara konstanter i högerledet. Dessa konstanter bestämmer den gravitationella fältstyrkan på avståndet  $r$r  från $M$M . Vi kallar fältstyrkan  $g$g  och kan skriva:

 $g=$g= $\frac{F_g}{m}=$Fgm = $G\cdot$G· $\frac{M}{r^2}$Mr2  

Löser vi ut kraften får vi vårt bekanta uttryck för tyngdkraften, $F_g=mg$Fg=mg.

Det finns stora likheterna mellan elektriska krafter och gravitationskrafter i respektive fältmodell. Massa och laddning har motsvarande roller, precis som tyngdaccelerationen och elektriska fältstyrkan. Båda dessa fenomen kan alltså beskrivas av fältmodellen.

Homogena fält

Om vi tittar på det radiella tyngdkraftfältet som jorden alstrar pga sin massa, och zoomar in mer och mer, inser vi att fältlinjerna blir mer och mer parallella. Väldigt nära jordytan använder vi approximationen att fältlinjerna är helt parallella och att avståndet till jordens mittpunkt, dvs jordens radie, i stort sett är konstant. Överallt är då också fältstyrkan konstant och riktad åt samma håll. Ett sådant fält kallas ett homogent fält.

Fältstyrkan vid jordens yta är då:

 $g=$g= $\frac{F_g}{m}=$Fgm = $G\cdot$G· $\frac{M_j}{r_j^2}$Mjrj2 

 $g=6,67\cdot10^{-11}\cdot$g=6,67·1011· $\frac{5,97\cdot10^{24}}{\left(6,37\cdot10^6\right)^2}=$5,97·1024(6,37·106)2 = $9,8…$9,8…  N/kg

Detta är princip det värde på tyngdaccelerationen vi använt tidigare i kursen. Notera att tyngdaccelerationen kan anges både med enheten N/kg och m/s$^2$2

Löser vi ut tyngdkraften ur  $g=\frac{F_g}{m}$g=Fgm   får vi också det samband för tyngdkraften vi använt tidigare, $F_g=mg$Fg=mg. Vi kan se att detta samband är Newtons gravitationslag omformulerad för att gälla lokalt vid jordytan. Det spelar alltså ingen roll var (i närheten av jordytan) vi placerar en massa  $m$m. Kraften som den påverkas av är alltid  $F_g=mg$Fg=mg.

Homogent elektriskt fält

Nu har vi sett ett homogent gravitationsfält. För att skapa ett homogent elektriskt fält kan vi använda två parallella plattor med motsatt laddning. Mellan dessa plattor kan vi approximera fältet som homogent, dvs det har samma styrka och samma riktning överallt i fältet.

Detta visas även genom att fältlinjerna ritas lika tätt överallt. Det spelar alltså ingen roll var vi placerar en laddad partikel, det finns inte något avståndsberoende. Och på motsvarande sätt som för tyngdkraftfältet kan fältstyrkan skrivas $E=\frac{F_e}{q}$E=Feq . Löser vi ut kraften får vi att en laddning $q$q överallt i det homogena fältet påverkas av kraften $F_e=qE$Fe=qE. Från Fysik 1 vet vi också att om vi har spänningen  $U$U  och avståndet  $d$d  mellan plattorna ges fältstyrkan även av $E=\frac{U}{d}$E=Ud .

Sammanfattning

Vi har nu tittat på begreppet fält och sett att vi kan beskriva kraftverkan på avstånd med fältmodellen. I synnerhet har vi sett att vi kan hantera gravitationella fält och elektriska fält på liknande sätt.

Tabellen nedan är en sammanställning av det vi gått igenom om fält i den här lektionen.

Vi har sett att när det gäller radiella fält, såsom kring en massa eller en laddad partikel, ges storleken på krafterna av Newtons gravitationslag respektive Coulombs lag. Dividerar vi bort massan  $m$m  respektive laddningen  $q$q  ur dessa formler får vi fältstyrkan $E=k\cdot\frac{Q}{r^2}$E=k·Qr2   för elektriska fält och $g=G\cdot\frac{M}{r^2}$g=G·Mr2   för gravitationella fält.

Fält som är lika starka och lika riktade i alla punkter kallas homogena fält.

I homogena fält har vi inget avståndsberoende, och fältstyrkan är lika stor och lika riktad överallt. Detta gör att vi kan skriva kraftverkan på en laddning  $q$q  eller massa  $m$m  som placeras i fältet som  $F_e=qE$Fe=qE  respektive  $F_g=mg$Fg=mg  och fältstyrkorna som  $E=\frac{F_e}{q}$E=Feq   samt  $g=\frac{F_g}{m}$g=Fgm .

Kom ihåg: Massa alltid är attraherande, medan elektrisk laddning kan vara attraherande eller repellerande. Här måste vi hålla koll på riktningen.

Exempel 1

En satellit går i en omloppsbana runt jorden på höjden  $20\text{ }000$20 000  km över jordytan. Hur stor är fältstyrkan hos jordens gravitationsfält på den här höjden?

Lösning

Vi vet att den radiella fältstyrkan är:  $g=G\cdot$g=G· $\frac{M}{r^2}$Mr2   

Men innan vi sätter in värden måste vi påminna oss om att avståndet  $r$r  i uttrycket är avståndet från jordens mittpunkt till satelliten, summan av jordens radie och höjden över jordytan, dvs $r=r_j+h$r=rj+h.

Vi sätter in detta uttryck för  $r$r  och sen våra värden:

 $g=G\cdot$g=G· $\frac{M}{\left(r_j+h\right)^2}$M(rj+h)2  

 $g=6,67\cdot10^{-11}\cdot$g=6,67·1011· $\frac{5,97\cdot10^{24}}{\left(6,37\cdot10^6+20\cdot10^6\right)^2}=$5,97·1024(6,37·106+20·106)2 = $0,572…$0,572…  N/kg. 

Svar: Jordens tyngdkraftfält på höjden  $20\text{ }000$20 000  km över jordytan är  $0,57$0,57  N/kg.

Exempel 2

En laddad oljedroppe befinner sig mellan två laddade plattor. Spänningen mellan plattorna är  $120$120  V  och avståndet är  $10$10  cm. Droppen har massan  $1,5\cdot10^{-6}$1,5·106  kg och svävar still mellan plattorna. Hur stor laddning har oljedroppen?

Lösning

Vi ritar en figur:

Droppen har en massa, vilket gör att den påverkas av tyngdkraften  $F_g=mg$Fg=mg  i jordens gravitationsfält.

Eftersom droppen är elektriskt laddad påverkas den samtidigt av en elektrisk kraft $F_e=qE$Fe=qE  i det elektriska fält.

Tyngdkraften är riktad nedåt och den elektriska kraften är ritad uppåt. Eftersom droppen hålls svävande mellan plattorna måste de båda krafterna vara lika stora, $\left|F_e\right|=\left|F_g\right|$|Fe|=|Fg|. Denna likhet kan vi skriva som $qE=mg$qE=mg  och till sist ersätter vi den elektriska fältstyrkan med $\frac{U}{d}$Ud  :

 $\left|F_e\right|=\left|F_g\right|$|Fe|=|Fg|
 $qE=mg$qE=mg 
 $q$q $\frac{U}{d}=$Ud = $mg$mg 

Nu löser vi ut laddningen  $q$q  ur sambandet och sätter in värden:

 $q=$q= $\frac{mgd}{U}=\frac{1,5\cdot10^{-6}\cdot9,82\cdot0,10}{120}=$mgdU =1,5·106·9,82·0,10120 =  $12,2…$12,2…  nC.

Svar: Oljedroppens laddning är  $12$12  nC.

Kommentarer


Endast Premium-användare kan kommentera.

██████████████████████████
████████████████████████████████████████████████████

e-uppgifter (5)

  • 1. Premium

    Redigera uppgift Rapportera fel Ändra till korrekt
    (1/0/0)
    E C A
    B 1
    P
    PL
    M
    R
    K
    M NP INGÅR EJ Uppgift från prov

    Hur stor är den elektriska fältstyrkan i en punkt 15,6 mm från en stationär laddning med en laddning på +3e? Hur är den riktad?

    Bedömningsanvisningar/Manuell rättning
    Klicka i rutorna och bedöm ditt svar.
    • Rättad
    • +1
    • Rättad
    Dela med lärare
    Rättar...
  • 2. Premium

    Redigera uppgift Rapportera fel Ändra till korrekt
    (1/0/0)
    E C A
    B 1
    P
    PL
    M
    R
    K
    M NP INGÅR EJ Uppgift från prov

    En partikel som har en laddning på 16,3 μC befinner sig i ett homogent elektriskt fält. Det gör att laddningen påverkas av en elektrisk kraft på 4,8 mN. Bestäm den elektriska fältstyrkan. Svara i kN/C med två värdesiffror.

    Svar:
    Ditt svar:
    Rätt svar:
    (Korrekta varianter)
    {[{correctAnswer}]}
    Bedömningsanvisningar/Manuell rättning
    Klicka i rutorna och bedöm ditt svar.
    • Rättad
    • +1
    • Rättad
    Dela med lärare
    Rättar...
  • 3. Premium

    Redigera uppgift Rapportera fel Ändra till korrekt
    M NP INGÅR EJ Uppgift från prov

    Om månens radie är $1737,1$1737,1 km och massan är $0,07342\cdot10^{24}$0,07342·1024 kg, hur stor är då månens tyngdkraftfält på månytan? Svara med tre värdesiffror och enheten $\frac{m}{s^2}$ms2 .

    Svar:
    Ditt svar:
    Rätt svar:
    (Korrekta varianter)
    {[{correctAnswer}]}
    Bedömningsanvisningar/Manuell rättning
    Klicka i rutorna och bedöm ditt svar.
    • Rättad
    • +1
    • Rättad
    Dela med lärare
    Rättar...
  • Så hjälper Eddler dig:
    Videor som är lätta att förstå Övningar & prov med förklaringar
    Allt du behöver för att klara av nationella provet
    Så hjälper Eddler dig:
    Videor som är lätta att förstå Övningar & prov med förklaringar
    Allt du behöver för att klara av nationella provet
    Din skolas prenumeration har gått ut!
    Påminn din lärare om att förnya eller fortsätt plugga med Eddler på egen hand.
    Så funkar det för:
    Elever/Studenter Lärare Föräldrar
    Din skolas prenumeration har gått ut!
    Förnya er prenumeration. Kontakta oss på: info@eddler.se
  • 4. Premium

    Redigera uppgift Rapportera fel Ändra till korrekt
    (1/0/0)
    E C A
    B
    P
    PL 1
    M
    R
    K
    M NP INGÅR EJ Uppgift från prov

    En satellit går i omloppsbana runt jorden på en höjd på $18\text{ }000$18 000  km över jordytan. Hur stor är fältstyrkan hos jordens gravitationsfält på den här höjden? Svara med två värdesiffror i enheten N/kg.

     

    Svar:
    Ditt svar:
    Rätt svar:
    (Korrekta varianter)
    {[{correctAnswer}]}
    Bedömningsanvisningar/Manuell rättning
    Klicka i rutorna och bedöm ditt svar.
    • Rättad
    • +1
    • Rättad
    Dela med lärare
    Rättar...
  • 5. Premium

    Redigera uppgift Rapportera fel Ändra till korrekt
    (1/0/0)
    E C A
    B
    P
    PL 1
    M
    R
    K
    M NP INGÅR EJ Uppgift från prov

    En laddad oljedroppe befinner sig mellan två laddade plattor med en spänning på $200$200 V mellan sig samt ett avstånd på $12$12 cm. Droppen svävar mellan plattorna, dvs. i ett homogent elektriskt fält, och har en massa på $1,5\cdot10^{-6}$1,5·106 kg. Hur stor laddning har oljedroppen? Svara i nC med två värdesiffror.

     

    Svar:
    Ditt svar:
    Rätt svar:
    (Korrekta varianter)
    {[{correctAnswer}]}
    Bedömningsanvisningar/Manuell rättning
    Klicka i rutorna och bedöm ditt svar.
    • Rättad
    • +1
    • Rättad
    Dela med lärare
    Rättar...

c-uppgifter (1)

  • 6. Premium

    Redigera uppgift Rapportera fel Ändra till korrekt
    (0/1/0)
    E C A
    B
    P
    PL 1
    M
    R
    K
    M NP INGÅR EJ Uppgift från prov

    Månen går i omloppsbana runt jorden på ett visst (medel)avstånd. Om styrkan på jordens gravitationsfält på detta avstånd är $0,0026$0,0026 N/kg,  vad är då (medel)avståndet mellan jordytan och månen? Räkna med att jordens massa är $5,97\cdot10^{24}$5,97·1024 kg, jordens radie är $6,37\cdot10^6$6,37·106 m och svara i hela tusentals kilometer.

    Svar:
    Ditt svar:
    Rätt svar:
    (Korrekta varianter)
    {[{correctAnswer}]}
    Bedömningsanvisningar/Manuell rättning
    Klicka i rutorna och bedöm ditt svar.
    • Rättad
    • +1
    • Rättad
    Dela med lärare
    Rättar...
Så hjälper Eddler dig:
Videor som är lätta att förstå Övningar & prov med förklaringar
Allt du behöver för att klara av nationella provet
Så hjälper Eddler dig:
Videor som är lätta att förstå Övningar & prov med förklaringar
Allt du behöver för att klara av nationella provet
Din skolas prenumeration har gått ut!
Påminn din lärare om att förnya eller fortsätt plugga med Eddler på egen hand.
Så funkar det för:
Elever/Studenter Lärare Föräldrar
Din skolas prenumeration har gått ut!
Förnya er prenumeration. Kontakta oss på: info@eddler.se