elektra ir magnetizmasfotonas.su.lt/new/wp-content/uploads/2015/03/iii-kurso-metodiniai... ·...
TRANSCRIPT
LIETUVOS FIZIKŲ DRAUGIJA
ŠIAULIŲ UNIVERSITETO
JAUNŲJŲ FIZIKŲ MOKYKLA bdquoFOTONASldquo
ELEKTRA IR MAGNETIZMAS
2
LIETUVOS FIZIKŲ DRAUGIJA
ŠIAULIŲ UNIVERSITETO
JAUNŲJŲ FIZIKŲ MOKYKLA bdquoFOTONASldquo
Lina Senkuvienė
ELEKTRA IR MAGNETIZMAS
III KURSO I TURO UŽDUOTYS IR METODINIAI NURODYMAI
Metodinė priemonė
2014ndash2015 mokslo metai
Šiauliai 2014
3
SU NAUJAISIAIS MOKSLO METAIS
FOTONIEČIAI
Šie mokslo metai jaunųjų fizikų mokykloje Jums tretieji Linkime ir toliau domėtis patraukliu
fizikos mokslu ndash kartais žaviu o kartais ir sunkiu Sėkmingai spręskite naujų turų uždavinius
Šiais mokslo metais per tris turus reikės išspręsti 60 uždavinių
Geriausi fotoniečiai bus kviečiami į bdquoFotonoldquo vasaros stovyklą
Šifras kurį Jūs gavote pirmame kurse lieka tas pats
Primename kad mokinys neatsiuntęs iš eilės dviejų turų sprendimų be pateisinamos priežasties
šalinamas iš bdquoFotonoldquo mokyklos be atskiro pranešimo
Metinis fotoniečio mokestis 120 Lt (3475 euro) Informacija apie mokėjimą pridedame
Uždavinių sprendimų išsiuntimo terminai
I turas ndash 2014-11-15
II turas ndash 2015-02-10
III turas ndash 2015-04-15
Sąsiuvinius su sprendimais siųskite adresu
Fotonuildquo
Šiaulių universitetas
P Višinskio g 19
77156 Šiauliai
Telfaks (8 41) 59 57 24
El paštas fotonasfmsult fotonasirmagmailcom
Interneto puslapis wwwfotonassult
III kurso kuratorė Irma Bolskytė
LINKIME SĖKMĖS
Fotonoldquo taryba
4
I TURAS
ELEKTROS SROVĖS DARBAS IR GALIA ELEKTROS SROVĖ ĮVAIRIOSE TERPĖSE
ELEKTROMAGNETINIAI REIŠKINIAI
Metodiniai nurodymai
ELEKTROS SROVĖS DARBAS IR GALIA
Elektrinėje grandinėje elektros energija elektronams judant laidais ir elektros energijos imtuvais
virsta kitomis energijos rūšimis kurių matas yra elektros srovės darbas
Šis elektros srovės darbas apskaičiuojamas pagal formulę
A = q U (11)
čia q ndash perneštas krūvis per laiką t U ndash įtampa laidininko galuose
Kadangi
q = I t (12)
tai darbas
tUIA
(13)
Matome kad darbas priklauso nuo fizikinių dydžių U I t kuriuos galime išmatuoti voltmetru
ampermetru laikrodžiu
[ A ] = 1 V 1 A 1 s = 1 J
Tekant elektros srovei laidininkai šyla nes susidurdami elektronai bdquoperduodaldquo savo kinetinę
energiją teigiamiems jonams Taigi laidIninke išsiskyręs šilumos kiekis Q yra lygus elektros srovės
darbui Iš Omo dėsnio grandinės daliai įrašę įtampos arba srovės stiprio išraiškas gausime
2
2
R
tUtRItUIQ
(14)
Kadangi srovė per nuosekliai sujungtus laidininkus yra vienoda tai šilumos kiekis išsiskyręs
tokioje grandinėje yra tiesiog proporcingas jų varžoms lygiagrečiai sujungtuose laidininkuose ndash
atvirkščiai proporcingas (nes vienoda įtampa ant laidininkų)
Elektros srovė bei elektriniai prietaisai apibūdinami fizikiniu dydžiu ndash galia
2
2
R
URIUI
t
AP
(15)
[P] =1 Js =1 V 1 A = 1 W
ELEKTROS SROVĖ ĮVAIRIOSE TERPĖSE
ELEKTROS SROVĖ PUSLAIDININKIUOSE
Puslaidininkiais vadinamos medžiagos kurios
pagal elektrinį laidumą yra tarp elektros laidininkų ir
izoliatorių Jų laidumas priklauso nuo temperatūros
Kylant temperatūrai puslaidininkių savitoji varža
mažėja (metaluose kylant temperatūrai savitoji varža
didėja) Puslaidininkio savitosios varžos priklausomybė
nuo temperatūros pavaizduota 11 paveiksle
Plačiausiai žinomos puslaidininkinės medžiagos
ndash selenas silicis germanis
Elektrinės puslaidininkių savybės paaiškinamos ypatinga puslaidininkių sandara Pavyzdžiui
kiekvienas silicio kristalo atomas susietas kovalentinėmis jungtimis su keturiais kaimyniniais atomais
Kadangi silicis keturvalentis tai susidarius keturioms kovalentinių elektronų poroms užpildomas
T K
m
0 11 pav
5
kiekvieno atomo išorinis elektronų sluoksnis (12 pav) Išorinio elektrinio lauko veikiami elektronai
nejuda nuo atomo prie atomo ir silicio kristalas žemoje temperatūroje nepraleidžia elektros srovės
Kaitinant silicį kai kurie jo elektronai įgyja pakankamai energijos ir dalis kovalentinių jungčių
suyra Kristale atsiranda laisvųjų elektronų kurie išorinio lauko veikiami juda kristale ir sukuria
elektrinio laidumo srovę Toks puslaidininkių laidumas vadinamas elektroniniu laidumu
Elektronui ištrūkus iš atomo išorinio sluoksnio jame lieka laisva elektrono vieta turinti
perteklinį teigiamą krūvį Ji vadinama skyle į kurią gali peršokti elektronas iš gretimo atomo
palikdamas skylę kitoje vietoje Kristalui atsidūrus elektriniame lauke skylės ir elektronai pradeda
judėti kryptingai (13 pav) ndash atsiranda skylinio ir elektroninio laidumo srovė
Puslaidininkių laidumas labai padidėja įterpus priemaišų (kitų cheminių elementų atomų) Tada
šalia savojo laidumo atsiranda papildomas ndash priemaišinis laidumas Keičiant priemaišų koncentraciją
galima gerokai pakeisti vieno ar kito ženklo krūvininkų skaičių ir pagaminti puslaidininkius su
vyraujančia neigiamų arba teigiamų krūvininkų koncentracija
Priemaišos lengvai atiduodančios elektronus kartu padidindamos laisvųjų elektronų skaičių
vadinamos donorinėmis o tokie puslaidininkiai n tipo puslaidininkiais Jų pagrindiniai krūvininkai
yra elektronai
Priemaišos sukuriančios skylinį laidumą vadinamos akceptorinėmis priemaišomis o tokie
puslaidininkiai kuriuose vyrauja skylinis laidumas vadinami p tipo puslaidininkiais
n ir p tipo puslaidininkiai plačiai naudojami puslaidininkiniuose prietaisuose
Puslaidininkinių prietaisų veikimas pagrįstas p ir n tipo puslaidininkių sąlyčio savybėmis
Įjungiant į grandinę pn sandūrą prie p tipo puslaidininkio jungiamas teigiamas šaltinio polius o prie n
ndash neigiamas (tiesioginė sandūra) abiejų tipų puslaidininkiuose srovę sudaro pagrindiniai krūvininkai
todėl sandūros varža maža (14 pav)
Jeigu šaltinio polius prijungsime atvirkščiai ndash prie p neigiamą o prie n teigiamą (atbulinė
sandūra) tai srovę sudarys nepagrindiniai krūvininkai o sandūros varža bus didelė (15 pav)
Kaip matome sandūros laidumas priešingomis kryptimis smarkiai skiriasi
Taigi pn sandūrai būdingas vienpusis laidumas Puslaidininkinis diodas elektrinėse schemose
žymimas taip simbolio smailės kryptis sutampa su laidžiąja srovės kryptimi (16 pav)
ELEKTROS SROVĖ SKYSČIUOSE
Medžiagos kurių vandeniniai tirpalai arba lydalai praleidžia elektros srovę vadinamos
elektrolitais o tirpinamų junginių skaidymasis į jonus vadinamas elektrolitine disociacija Priešingas
disociacijai procesas vadinamas jonų rekombinacija
- p n +
14 pav
p n - +
15 pav 16 pav
12 pav 13 pav
6
Nesant išorinio elektrinio lauko tirpalo jonai ir
molekulės juda chaotiškai Atsiradus tirpale
elektriniam laukui atsiranda ir kryptingas jonų
judėjimas teigiami jonai juda link neigiamo
elektrodo vadinamo katodu o neigiami jonai ndash link
teigiamo elektrodo vadinamo anodu
Kiekviename elektrolite elektros srovę sukuria
teigiamieji ir neigiamieji jonai t y įelektrinti
medžiagos atomai bei molekulės Šie du priešingi
jonų srautai ir sudaro elektros srovę elektrolituose
(17 pav) Elektrolitų laidumas yra joninis
Medžiagos išsiskyrimas ant elektrodų tekant
elektros srovei elektrolitų tirpalais ar lydalais vadinamas elektrolize Ant elektrodo nusėdusios
medžiagos masė m yra proporcinga srovės stipriui I jos tekėjimo laikui ir priklauso nuo medžiagos
rūšies (Faradėjaus elektrolizės dėsnis)
m = k I t (16)
Dydis k vadinamas tam tikros medžiagos elektrocheminiu ekvivalentu ir išreiškiamas kilogramais
kulonui (kgC)
Atsižvelgę į tai kad I t= q elektrolizės dėsnį užrašyti galime taip
m = k q (17)
Ant elektrodo išsiskyrusios medžiagos masė yra tiesiogiai proporcinga pratekėjusiam elektros
krūviui
ELEKTROS SROVĖ DUJOSE
Normaliomis sąlygomis dujos yra blogi laidininkai ndash jose laisvų krūvininkų praktiškai nėra
Pakanka per milimetro dalį atitraukti vieną laidą nuo kito kad liautųsi tekėjusi srovė Sudarius
grandinėje kelių centimetrų oro tarpą elektros srovė netekės (18 pav) Kad jomis tekėtų elektros
srovė dujų molekules ir atomus reikia jonizuoti ndash atplėšti nuo jų bent po vieną elektroną Dujas galima
jonizuoti švitinant oro tarpą ultravioletiniais Rentgeno arba radioaktyviųjų medžiagų skleidžiamais
spinduliais Kaitinant arba apšviečiant dujas dalis atomų jonizuojasi ndash suskyla į teigiamuosius jonus ir
elektronus Oro tarpe atsiranda elektringų dalelių ndash krūvininkų Aukštoje temperatūroje dujų molekulės
įgyja tokią didelę energiją kad susidurdamos išmuša elektronus ndash jonizuoja viena kitą Netekusios
elektronų molekulės tampa teigiamais jonais Atskilę elektronai skrieja vieni arba prisijungia prie
neutralių molekulių ir sudaro neigiamus jonus Taigi dujų elektrinį laidumą sąlygoja teigiamieji
neigiamieji jonai ir elektronai (19 pav)
17 pav
18 pav
19 pav
7
Susitikęs teigiamas jonas ir elektronas gali susijungti į neutralius atomus arba molekules įvyksta
rekombinacija Elektros srovės tekėjimas dujose vadinamas išlydžiu
ELEKTROS SROVĖ VAKUUME
Retinant dujas dalelių susidūrimo tikimybė ypač mažėja Kai inde lieka tiek mažai molekulių
kad jos praktiškai nesusiduria sakome kad inde yra vakuumas (tuštuma) Tam tikromis sąlygomis
srovė gali tekėti ir vakuumu Tai vyksta elektrininėse lempose elektrininiame vamzdyje Paprasčiausia
lempa - vakuuminis diodas yra sudarytas iš katodo kaitinamojo siūlelio anodo ir indo iš kurio
išsiurbtas oras Diode vienas iš elektrodų (katodas) kaitinamas Dėl to vyksta termoelektroninė emisija
Įkaitęs elektrodas išspinduliuoja elektronus Katodą gali kaitinti juo tekanti elektros srovė arba
kaitinimo siūlelis
Diodas pasižymi vienpusiu laidumu Jeigu katodas yra prijungtas prie neigiamo šaltinio poliaus
tai srovė grandinėje teka Dėl termoelektroninės emisijos išspinduliuoti elektronai veikiami elektrinio
lauko judės link anodo Kuo didesnė įtampa tuo daugiau elektronų pasieks anodą tuo stipresnė tekės
srovė Kai visi elektronai išspinduliuoti per laiko tarpą pasieks anodą turėsime soties srovę
Jeigu katodas prijungtas prie teigiamo šaltinio poliaus srovė neteka Išspinduliuoti elektronai
grįžta atgal į katodą
Elektroninio vamzdžio veikimas pagrįstas termoelektronine emisija ir elektronų judėjimu
vakuume Priekinė indo sienelė ndash ekranas padengtas liuminoforu 110 pav Priešingoje indo pusėje
įmontuotas elektronų prožektorius Elektronų prožektorių sudaro kaitinimo siūlelis katodas ir du
cilindro formos anodai Kadangi anodai yra tuščiavidurių cilindrų formos didžioji dalis elektronų
pralekia per juos ir sudaro elektronų pluoštą Atsimušęs į liuminoforu padengtą ekraną pluoštelis toje
vietoje sukelia švytėjimą
Elektronų pluoštas pralekia dvi lygiagrečių plokščių poras Vertikalios plokštelės nukreipia
elektronus horizontalia kryptimi o horizontalios plokštelės ndash vertikalia Taip keisdami įtampą tarp
plokščių elektronų pluoštą galime nukreipti į bet kurią ekrano vietą
ELEKTROS SROVĖS MAGNETINIS LAUKAS
Nejudantys elektros krūviai sukuria elektrinį lauką judantys elektros krūviai ir kintantis
elektrinis laukas sukuria magnetinį lauką Magnetinė rodyklė patekusi į magnetinį lauką orientuojasi
tam tikra kryptimi Linijos išilgai kurių išsidėsto magnetinės rodyklės vadinamos magnetinio lauko
linijomis arba magnetinėmis linijomis Šių linijų kryptimi susitarta laikyti kryptį kurią rodo
magnetinės rodyklės šiaurinis polius N Tiesiu laidininku tekančios elektros srovės magnetinio lauko
kryptis nusakoma pagal dešinės rankos taisyklę jeigu laidininką kuriuo teka srovė apimsime dešine
ranka taip kad ištiestas nykštys rodytų srovės kryptį tai keturi sulenkti pirštai rodys magnetinių linijų
kryptį (111 pav)
110 pav
8
Ritė kuria teka srovė virsta magnetu Ji turi šiaurinį N ir pietinį S polių (112 pav) Ritė kurios
viduje yra geležinė šerdis vadinama elektromagnetu Kai rite teka srovė elektromagneto šerdis
įsimagnetina ir sustiprina magnetinį lauką
Laidininką kuriuo teka elektros srovė patekusį į magnetinį lauką veikia tam tikra jėga kurios
kryptį galime nustatyti pagal kairiosios rankos taisyklę jei kairioji ranka laikoma taip kad magnetinio
lauko jėgų linijos sueina į delną o keturi ištiesti pirštai rodo elektros srovės kryptį tai 90o kampu
atlenktas nykštys rodo laidininką veikiančios jėgos kryptį
Žemė taip pat turi magnetinį lauką ir bet kurioje jos vietoje padėta magnetinė rodyklė gali
laisvai sukiotis Žemės magnetizmas nėra visiškai išaiškintas Manoma kad svarbiausia Žemės
magnetinio lauko priežastis ndash jos skystame branduolyje judančios konvekcinės daugybės elektringųjų
dalelių srovės Laikui bėgant Žemės magnetinių polių padėtis kinta Žemės geografinis ašigalis
nesutampa su jos magnetiniais poliais Pietinis magnetinis polius yra Šiauriniame pusrutulyje Kanados
salyne o šiaurinis magnetinis polius ndash Pietiniame pusrutulyje
Uždavinių sprendimo pavyzdžiai
1 pavyzdys
Ant vienos lemputės užrašyta 40 W ir 220 V o ant kitos 100 W ir 220 V Kurioje šių lempučių
sujungus jas lygiagrečiai išsiskiria daugiau šilumos Kiek kartų
Išsiskyręs šilumos kiekis skaičiuojamas pagal formulę
2
tR
UQ 1
nes įtampa ta pati Todėl
2
1
2
2
1
2
1
2
2
2
1
2
R
R
tUR
RtU
R
tU
R
tU
Q
Q 2
Lempučių varžą apskaičiuosime pagal formulę
111 pav
112 pav
B
P1 40 W
P2 100 W
U 220 V 1
2
Q
Q
9
2
P
UR 3
Pagal 3 apskaičiuojame ir gauname kad R1 1210 o R2 484 todėl iš 2
521
2 Q
Q
Atsakymas antrojoje lemputėje Q2Q1 25
2 pavyzdys
Iš sidabro nitrato tirpalo kurio varža 08 Ω per 2 h elektrolizės būdu išsiskyrė 40 g sidabro
Sidabro elektrocheminis ekvivalentas k = 11210-6
kgC Kokia galia buvo naudojama šildyti
tirpalui
Naudojamą galią P rasime pagal formulę
2 RIP 1
Srovės stiprį I išsireikšime iš elektrolizės dėsnio
tk
mI
2
Iš 1 ir 2 formulių gausime
22
2
tk
RmP
Apskaičiuojame galią P 20 W
Atsakymas P 20 W
3 pavyzdys
Viename kalorimetre yra vanduo o antrame ndash tokios pat masės nežinomas skystis Į
kalorimetrus įdėtos vienodos kaitinimo spiralės kurios sujungtos nuosekliai Koks tai skystis
jeigu kaitinant po tam tikro laiko vandens temperatūra pakilo 2 degC o skysčio 4 degC Vandens
savitoji šiluma 4200 J(kgC)
Srovė tekėdama pirmu ir antru kalorimetru išskirs vienodą šilumos kiekį
2
1 tRIQ 1
2
2 tRIQ 2
čia R ndash vienos spiralės varža I ndash srovės stipris Šis šilumos kiekis bus naudojamas vandeniui ir
nežinomam skysčiui šildyti
Δ 111 tmcQ 3
Δ 222 tmcQ 4
P R 08
m 40 g 004 kg
t 2 h 7200 s
k 11210-6
kgC
c2 c1 4200 JkgC
t 2 C
t 4 C
10
Sulyginę 1 ir 3 2 ir 4 formulių išraiškas gauname 5 6 ir 7
Δ 11
2 tmctRI 5
22
2 Δ tmctRI 6
Iš čia 1122 Δ Δ tmctmc 7
Nežinomo skysčio savitoji šiluma bus
Δ
Δ
2
112
t
tcc
Ckg
J 21002
c
Tokia savitoji šiluma mineralinės alyvos
Atsakymas mineralinė alyva c2 2100 JkgC
I TURO UŽDUOTYS
1 Šeimininkei lyginant skalbinius suskambo telefonas ir ji neišjungusi lygintuvo pradėjo pokalbį Kiek
elektros energijos per 30 min suvartos 1200 W galios lygintuvas paliktas įjungtas į 220 V įtampos
tinklą Apskaičiuokite lygintuvo varžą naudojamos srovės stiprį suvartotą elektros energiją ir kiek
padidės mokestis už elektrą jei 1 kWh kainuoja 0474 Lt
2 Ant vienos lemputės užrašyta 40 W ir 220 V o ant kitos 100 W ir 220 V Palyginkite nuosekliai
sujungtų lempučių galią Kokio stiprio srovė teka šioje grandinėje
3 Elektrinės viryklės kaitinimo spiralė buvo sutrumpinta 01 pradinio ilgio dalimi Kiek pakito jo galia
jei jis jungiamas prie tos pačios įtampos
4 Kiek elektronų pratekės per 01 s žibintuvėlio lemputės siūlu jei 15 W lemputė prijungta prie 45 V
įtampos šaltinio
5 Vienos degančios elektros lempos varža 450 Ω Kiek tokių lempų lygiagrečiai įjungta į 220 V
įtampos tinklą jei jų vartojamoji galia 162 kW
6 Židinio kaitinimo elementas padarytas iš 35 m ilgio nichrominės 05 mm skersmens vielos Kokią
galią vartoja židinys įjungtas į 220 V įtampos tinkląNichromo savitoji varža 10510-8 Ωm
7 Kaip pakis laidininke išsiskiriančios šilumos kiekis jei laidininko varžą sumažinsime tris kartus
8 Kodėl metalų laidumas mažiau priklauso nuo priemaišų negu puslaidininkių laidumas
9 Kiek laiko turi tekėti 05 A stiprio srovė kad sidabruojant 200 cm2 paviršiaus ploto dirbinį jis
pasidengtų 20 microm storio sluoksniu Sidabro elektrocheminis ekvivalentas k = 112 10-6
kgC
10 Kiek elektros energijos sunaudojama 1 kg aliuminio gauti jeigu elektrolizės proceso įtampa 14 V
o naudingumo koeficientas 75 Aliuminio elektrocheminis ekvivalentas k = 0093 10-6
kgC
11
I1
I2
15 pav
14 pav
11 Elektros lempa nuosekliai įjungta į elektros grandinę kartu su elektros vonele kurioje yra silpnas
valgomosios druskos tirpalas Paaiškinkite kaip pasikeis šviečiančios lemputės ryškumas į vonelę
įbėrus druskos
12 Elektrolizės būdu išskiriant varį suvartota A = 5 kWh elektros energijos Apskaičiuokite
išsiskyrusio vario masę kai įtampa tarp elektrodų U = 10V naudingumo koeficientas ƞ = 75 o vario
elektrocheminis ekvivalentas k = 033 10-6
kgC
13 Kokio ilgio nichrominį laidininką kurio skerspjūvio plotas 01 mm2 reikia paimti kad galėtume
padaryti kaitinamąjį elementą kuris per 5 min galėtų užvirinti 15 ℓ vandens Vandens temperatūra
20 oC įtampa grandinėje 220 V Kaitinamojo element naudingumo koeficientas 09
14 1600 kg masės greitasis liftas kyla 10 ms greičiu
Variklio gnybtų įtampa 380 V naudingumo koeficientas
lygus 09 Kokio stiprio srovę vartoja variklis ir kokia jo
galia
15 Ilgainiui automobilio žibintų kaitrinės lempos kaitinimo
siūlelis plonėja nes nuo jo paviršiaus garuoja ir virsta
dulkėmis medžiaga Kokios tai turi įtakos lempos
vartojamai galiai Kuo halogeninės žibintų lempos
pranašesnės už kaitrines
16 Kokiomis savybėmis pasižymi šiuolaikinių automobilių
žibintams naudojamos ksenoninės lempos
17 Nubrėžta dujų išlydžio voltamperinė charakteristika (13 pav) Kurioje dalyje galima taikyti Omo
dėsnį Ar taške D tekant srovei reikalingas išorinis jonizatorius
18 Kabelį sudaro du laidininkai centrinis ir išorinis (14 pav pavaizduotas
skersinis pjūvis centriniame laidininke srovė teka nuo mūsų o išoriniame ndash į
mus) Ar apie kabelį susidaro magnetinis
laukas kai centriniu ir išoriniu laidininku teka
a) vienodo stiprio ir priešingos krypties srovės
b) kai srovės yra vienodos krypties
19 Paaiškinkite dviejų statmenų laidų
(15 pav) kuriais teka parodytų krypčių I1 ir I2
stiprio elektros srovės magnetinę sąveiką Kaip
judės antrasis laidas kai pakeisime juo tekančios elektros srovės
kryptį
20 30 Ω ir 50 Ω varžų rezistoriai sujungti lygiagrečiai ir prijungti prie nuolatinės įtampos šaltinio
Antrame rezistoriuje išsiskyrė 600 kJ šilumos kiekis Koks šilumos kiekis per tą laiką išsiskyrė
pirmame rezistoriuje
II turo metodinius nurodymus ir užduotis gausite su I turo sprendimų įvertinimu
13 pav
12
Lietuvos fizikų draugija
Šiaulių universiteto
jaunųjų fizikų mokykla bdquoFOTONASldquo
Lina Senkuvienė
III kurso I turo užduotys ir metodiniai nurodymai
2014ndash2015 mokslo metai
Rinko ir maketavo Irma Bolskytė
2
LIETUVOS FIZIKŲ DRAUGIJA
ŠIAULIŲ UNIVERSITETO
JAUNŲJŲ FIZIKŲ MOKYKLA bdquoFOTONASldquo
Lina Senkuvienė
ELEKTRA IR MAGNETIZMAS
III KURSO I TURO UŽDUOTYS IR METODINIAI NURODYMAI
Metodinė priemonė
2014ndash2015 mokslo metai
Šiauliai 2014
3
SU NAUJAISIAIS MOKSLO METAIS
FOTONIEČIAI
Šie mokslo metai jaunųjų fizikų mokykloje Jums tretieji Linkime ir toliau domėtis patraukliu
fizikos mokslu ndash kartais žaviu o kartais ir sunkiu Sėkmingai spręskite naujų turų uždavinius
Šiais mokslo metais per tris turus reikės išspręsti 60 uždavinių
Geriausi fotoniečiai bus kviečiami į bdquoFotonoldquo vasaros stovyklą
Šifras kurį Jūs gavote pirmame kurse lieka tas pats
Primename kad mokinys neatsiuntęs iš eilės dviejų turų sprendimų be pateisinamos priežasties
šalinamas iš bdquoFotonoldquo mokyklos be atskiro pranešimo
Metinis fotoniečio mokestis 120 Lt (3475 euro) Informacija apie mokėjimą pridedame
Uždavinių sprendimų išsiuntimo terminai
I turas ndash 2014-11-15
II turas ndash 2015-02-10
III turas ndash 2015-04-15
Sąsiuvinius su sprendimais siųskite adresu
Fotonuildquo
Šiaulių universitetas
P Višinskio g 19
77156 Šiauliai
Telfaks (8 41) 59 57 24
El paštas fotonasfmsult fotonasirmagmailcom
Interneto puslapis wwwfotonassult
III kurso kuratorė Irma Bolskytė
LINKIME SĖKMĖS
Fotonoldquo taryba
4
I TURAS
ELEKTROS SROVĖS DARBAS IR GALIA ELEKTROS SROVĖ ĮVAIRIOSE TERPĖSE
ELEKTROMAGNETINIAI REIŠKINIAI
Metodiniai nurodymai
ELEKTROS SROVĖS DARBAS IR GALIA
Elektrinėje grandinėje elektros energija elektronams judant laidais ir elektros energijos imtuvais
virsta kitomis energijos rūšimis kurių matas yra elektros srovės darbas
Šis elektros srovės darbas apskaičiuojamas pagal formulę
A = q U (11)
čia q ndash perneštas krūvis per laiką t U ndash įtampa laidininko galuose
Kadangi
q = I t (12)
tai darbas
tUIA
(13)
Matome kad darbas priklauso nuo fizikinių dydžių U I t kuriuos galime išmatuoti voltmetru
ampermetru laikrodžiu
[ A ] = 1 V 1 A 1 s = 1 J
Tekant elektros srovei laidininkai šyla nes susidurdami elektronai bdquoperduodaldquo savo kinetinę
energiją teigiamiems jonams Taigi laidIninke išsiskyręs šilumos kiekis Q yra lygus elektros srovės
darbui Iš Omo dėsnio grandinės daliai įrašę įtampos arba srovės stiprio išraiškas gausime
2
2
R
tUtRItUIQ
(14)
Kadangi srovė per nuosekliai sujungtus laidininkus yra vienoda tai šilumos kiekis išsiskyręs
tokioje grandinėje yra tiesiog proporcingas jų varžoms lygiagrečiai sujungtuose laidininkuose ndash
atvirkščiai proporcingas (nes vienoda įtampa ant laidininkų)
Elektros srovė bei elektriniai prietaisai apibūdinami fizikiniu dydžiu ndash galia
2
2
R
URIUI
t
AP
(15)
[P] =1 Js =1 V 1 A = 1 W
ELEKTROS SROVĖ ĮVAIRIOSE TERPĖSE
ELEKTROS SROVĖ PUSLAIDININKIUOSE
Puslaidininkiais vadinamos medžiagos kurios
pagal elektrinį laidumą yra tarp elektros laidininkų ir
izoliatorių Jų laidumas priklauso nuo temperatūros
Kylant temperatūrai puslaidininkių savitoji varža
mažėja (metaluose kylant temperatūrai savitoji varža
didėja) Puslaidininkio savitosios varžos priklausomybė
nuo temperatūros pavaizduota 11 paveiksle
Plačiausiai žinomos puslaidininkinės medžiagos
ndash selenas silicis germanis
Elektrinės puslaidininkių savybės paaiškinamos ypatinga puslaidininkių sandara Pavyzdžiui
kiekvienas silicio kristalo atomas susietas kovalentinėmis jungtimis su keturiais kaimyniniais atomais
Kadangi silicis keturvalentis tai susidarius keturioms kovalentinių elektronų poroms užpildomas
T K
m
0 11 pav
5
kiekvieno atomo išorinis elektronų sluoksnis (12 pav) Išorinio elektrinio lauko veikiami elektronai
nejuda nuo atomo prie atomo ir silicio kristalas žemoje temperatūroje nepraleidžia elektros srovės
Kaitinant silicį kai kurie jo elektronai įgyja pakankamai energijos ir dalis kovalentinių jungčių
suyra Kristale atsiranda laisvųjų elektronų kurie išorinio lauko veikiami juda kristale ir sukuria
elektrinio laidumo srovę Toks puslaidininkių laidumas vadinamas elektroniniu laidumu
Elektronui ištrūkus iš atomo išorinio sluoksnio jame lieka laisva elektrono vieta turinti
perteklinį teigiamą krūvį Ji vadinama skyle į kurią gali peršokti elektronas iš gretimo atomo
palikdamas skylę kitoje vietoje Kristalui atsidūrus elektriniame lauke skylės ir elektronai pradeda
judėti kryptingai (13 pav) ndash atsiranda skylinio ir elektroninio laidumo srovė
Puslaidininkių laidumas labai padidėja įterpus priemaišų (kitų cheminių elementų atomų) Tada
šalia savojo laidumo atsiranda papildomas ndash priemaišinis laidumas Keičiant priemaišų koncentraciją
galima gerokai pakeisti vieno ar kito ženklo krūvininkų skaičių ir pagaminti puslaidininkius su
vyraujančia neigiamų arba teigiamų krūvininkų koncentracija
Priemaišos lengvai atiduodančios elektronus kartu padidindamos laisvųjų elektronų skaičių
vadinamos donorinėmis o tokie puslaidininkiai n tipo puslaidininkiais Jų pagrindiniai krūvininkai
yra elektronai
Priemaišos sukuriančios skylinį laidumą vadinamos akceptorinėmis priemaišomis o tokie
puslaidininkiai kuriuose vyrauja skylinis laidumas vadinami p tipo puslaidininkiais
n ir p tipo puslaidininkiai plačiai naudojami puslaidininkiniuose prietaisuose
Puslaidininkinių prietaisų veikimas pagrįstas p ir n tipo puslaidininkių sąlyčio savybėmis
Įjungiant į grandinę pn sandūrą prie p tipo puslaidininkio jungiamas teigiamas šaltinio polius o prie n
ndash neigiamas (tiesioginė sandūra) abiejų tipų puslaidininkiuose srovę sudaro pagrindiniai krūvininkai
todėl sandūros varža maža (14 pav)
Jeigu šaltinio polius prijungsime atvirkščiai ndash prie p neigiamą o prie n teigiamą (atbulinė
sandūra) tai srovę sudarys nepagrindiniai krūvininkai o sandūros varža bus didelė (15 pav)
Kaip matome sandūros laidumas priešingomis kryptimis smarkiai skiriasi
Taigi pn sandūrai būdingas vienpusis laidumas Puslaidininkinis diodas elektrinėse schemose
žymimas taip simbolio smailės kryptis sutampa su laidžiąja srovės kryptimi (16 pav)
ELEKTROS SROVĖ SKYSČIUOSE
Medžiagos kurių vandeniniai tirpalai arba lydalai praleidžia elektros srovę vadinamos
elektrolitais o tirpinamų junginių skaidymasis į jonus vadinamas elektrolitine disociacija Priešingas
disociacijai procesas vadinamas jonų rekombinacija
- p n +
14 pav
p n - +
15 pav 16 pav
12 pav 13 pav
6
Nesant išorinio elektrinio lauko tirpalo jonai ir
molekulės juda chaotiškai Atsiradus tirpale
elektriniam laukui atsiranda ir kryptingas jonų
judėjimas teigiami jonai juda link neigiamo
elektrodo vadinamo katodu o neigiami jonai ndash link
teigiamo elektrodo vadinamo anodu
Kiekviename elektrolite elektros srovę sukuria
teigiamieji ir neigiamieji jonai t y įelektrinti
medžiagos atomai bei molekulės Šie du priešingi
jonų srautai ir sudaro elektros srovę elektrolituose
(17 pav) Elektrolitų laidumas yra joninis
Medžiagos išsiskyrimas ant elektrodų tekant
elektros srovei elektrolitų tirpalais ar lydalais vadinamas elektrolize Ant elektrodo nusėdusios
medžiagos masė m yra proporcinga srovės stipriui I jos tekėjimo laikui ir priklauso nuo medžiagos
rūšies (Faradėjaus elektrolizės dėsnis)
m = k I t (16)
Dydis k vadinamas tam tikros medžiagos elektrocheminiu ekvivalentu ir išreiškiamas kilogramais
kulonui (kgC)
Atsižvelgę į tai kad I t= q elektrolizės dėsnį užrašyti galime taip
m = k q (17)
Ant elektrodo išsiskyrusios medžiagos masė yra tiesiogiai proporcinga pratekėjusiam elektros
krūviui
ELEKTROS SROVĖ DUJOSE
Normaliomis sąlygomis dujos yra blogi laidininkai ndash jose laisvų krūvininkų praktiškai nėra
Pakanka per milimetro dalį atitraukti vieną laidą nuo kito kad liautųsi tekėjusi srovė Sudarius
grandinėje kelių centimetrų oro tarpą elektros srovė netekės (18 pav) Kad jomis tekėtų elektros
srovė dujų molekules ir atomus reikia jonizuoti ndash atplėšti nuo jų bent po vieną elektroną Dujas galima
jonizuoti švitinant oro tarpą ultravioletiniais Rentgeno arba radioaktyviųjų medžiagų skleidžiamais
spinduliais Kaitinant arba apšviečiant dujas dalis atomų jonizuojasi ndash suskyla į teigiamuosius jonus ir
elektronus Oro tarpe atsiranda elektringų dalelių ndash krūvininkų Aukštoje temperatūroje dujų molekulės
įgyja tokią didelę energiją kad susidurdamos išmuša elektronus ndash jonizuoja viena kitą Netekusios
elektronų molekulės tampa teigiamais jonais Atskilę elektronai skrieja vieni arba prisijungia prie
neutralių molekulių ir sudaro neigiamus jonus Taigi dujų elektrinį laidumą sąlygoja teigiamieji
neigiamieji jonai ir elektronai (19 pav)
17 pav
18 pav
19 pav
7
Susitikęs teigiamas jonas ir elektronas gali susijungti į neutralius atomus arba molekules įvyksta
rekombinacija Elektros srovės tekėjimas dujose vadinamas išlydžiu
ELEKTROS SROVĖ VAKUUME
Retinant dujas dalelių susidūrimo tikimybė ypač mažėja Kai inde lieka tiek mažai molekulių
kad jos praktiškai nesusiduria sakome kad inde yra vakuumas (tuštuma) Tam tikromis sąlygomis
srovė gali tekėti ir vakuumu Tai vyksta elektrininėse lempose elektrininiame vamzdyje Paprasčiausia
lempa - vakuuminis diodas yra sudarytas iš katodo kaitinamojo siūlelio anodo ir indo iš kurio
išsiurbtas oras Diode vienas iš elektrodų (katodas) kaitinamas Dėl to vyksta termoelektroninė emisija
Įkaitęs elektrodas išspinduliuoja elektronus Katodą gali kaitinti juo tekanti elektros srovė arba
kaitinimo siūlelis
Diodas pasižymi vienpusiu laidumu Jeigu katodas yra prijungtas prie neigiamo šaltinio poliaus
tai srovė grandinėje teka Dėl termoelektroninės emisijos išspinduliuoti elektronai veikiami elektrinio
lauko judės link anodo Kuo didesnė įtampa tuo daugiau elektronų pasieks anodą tuo stipresnė tekės
srovė Kai visi elektronai išspinduliuoti per laiko tarpą pasieks anodą turėsime soties srovę
Jeigu katodas prijungtas prie teigiamo šaltinio poliaus srovė neteka Išspinduliuoti elektronai
grįžta atgal į katodą
Elektroninio vamzdžio veikimas pagrįstas termoelektronine emisija ir elektronų judėjimu
vakuume Priekinė indo sienelė ndash ekranas padengtas liuminoforu 110 pav Priešingoje indo pusėje
įmontuotas elektronų prožektorius Elektronų prožektorių sudaro kaitinimo siūlelis katodas ir du
cilindro formos anodai Kadangi anodai yra tuščiavidurių cilindrų formos didžioji dalis elektronų
pralekia per juos ir sudaro elektronų pluoštą Atsimušęs į liuminoforu padengtą ekraną pluoštelis toje
vietoje sukelia švytėjimą
Elektronų pluoštas pralekia dvi lygiagrečių plokščių poras Vertikalios plokštelės nukreipia
elektronus horizontalia kryptimi o horizontalios plokštelės ndash vertikalia Taip keisdami įtampą tarp
plokščių elektronų pluoštą galime nukreipti į bet kurią ekrano vietą
ELEKTROS SROVĖS MAGNETINIS LAUKAS
Nejudantys elektros krūviai sukuria elektrinį lauką judantys elektros krūviai ir kintantis
elektrinis laukas sukuria magnetinį lauką Magnetinė rodyklė patekusi į magnetinį lauką orientuojasi
tam tikra kryptimi Linijos išilgai kurių išsidėsto magnetinės rodyklės vadinamos magnetinio lauko
linijomis arba magnetinėmis linijomis Šių linijų kryptimi susitarta laikyti kryptį kurią rodo
magnetinės rodyklės šiaurinis polius N Tiesiu laidininku tekančios elektros srovės magnetinio lauko
kryptis nusakoma pagal dešinės rankos taisyklę jeigu laidininką kuriuo teka srovė apimsime dešine
ranka taip kad ištiestas nykštys rodytų srovės kryptį tai keturi sulenkti pirštai rodys magnetinių linijų
kryptį (111 pav)
110 pav
8
Ritė kuria teka srovė virsta magnetu Ji turi šiaurinį N ir pietinį S polių (112 pav) Ritė kurios
viduje yra geležinė šerdis vadinama elektromagnetu Kai rite teka srovė elektromagneto šerdis
įsimagnetina ir sustiprina magnetinį lauką
Laidininką kuriuo teka elektros srovė patekusį į magnetinį lauką veikia tam tikra jėga kurios
kryptį galime nustatyti pagal kairiosios rankos taisyklę jei kairioji ranka laikoma taip kad magnetinio
lauko jėgų linijos sueina į delną o keturi ištiesti pirštai rodo elektros srovės kryptį tai 90o kampu
atlenktas nykštys rodo laidininką veikiančios jėgos kryptį
Žemė taip pat turi magnetinį lauką ir bet kurioje jos vietoje padėta magnetinė rodyklė gali
laisvai sukiotis Žemės magnetizmas nėra visiškai išaiškintas Manoma kad svarbiausia Žemės
magnetinio lauko priežastis ndash jos skystame branduolyje judančios konvekcinės daugybės elektringųjų
dalelių srovės Laikui bėgant Žemės magnetinių polių padėtis kinta Žemės geografinis ašigalis
nesutampa su jos magnetiniais poliais Pietinis magnetinis polius yra Šiauriniame pusrutulyje Kanados
salyne o šiaurinis magnetinis polius ndash Pietiniame pusrutulyje
Uždavinių sprendimo pavyzdžiai
1 pavyzdys
Ant vienos lemputės užrašyta 40 W ir 220 V o ant kitos 100 W ir 220 V Kurioje šių lempučių
sujungus jas lygiagrečiai išsiskiria daugiau šilumos Kiek kartų
Išsiskyręs šilumos kiekis skaičiuojamas pagal formulę
2
tR
UQ 1
nes įtampa ta pati Todėl
2
1
2
2
1
2
1
2
2
2
1
2
R
R
tUR
RtU
R
tU
R
tU
Q
Q 2
Lempučių varžą apskaičiuosime pagal formulę
111 pav
112 pav
B
P1 40 W
P2 100 W
U 220 V 1
2
Q
Q
9
2
P
UR 3
Pagal 3 apskaičiuojame ir gauname kad R1 1210 o R2 484 todėl iš 2
521
2 Q
Q
Atsakymas antrojoje lemputėje Q2Q1 25
2 pavyzdys
Iš sidabro nitrato tirpalo kurio varža 08 Ω per 2 h elektrolizės būdu išsiskyrė 40 g sidabro
Sidabro elektrocheminis ekvivalentas k = 11210-6
kgC Kokia galia buvo naudojama šildyti
tirpalui
Naudojamą galią P rasime pagal formulę
2 RIP 1
Srovės stiprį I išsireikšime iš elektrolizės dėsnio
tk
mI
2
Iš 1 ir 2 formulių gausime
22
2
tk
RmP
Apskaičiuojame galią P 20 W
Atsakymas P 20 W
3 pavyzdys
Viename kalorimetre yra vanduo o antrame ndash tokios pat masės nežinomas skystis Į
kalorimetrus įdėtos vienodos kaitinimo spiralės kurios sujungtos nuosekliai Koks tai skystis
jeigu kaitinant po tam tikro laiko vandens temperatūra pakilo 2 degC o skysčio 4 degC Vandens
savitoji šiluma 4200 J(kgC)
Srovė tekėdama pirmu ir antru kalorimetru išskirs vienodą šilumos kiekį
2
1 tRIQ 1
2
2 tRIQ 2
čia R ndash vienos spiralės varža I ndash srovės stipris Šis šilumos kiekis bus naudojamas vandeniui ir
nežinomam skysčiui šildyti
Δ 111 tmcQ 3
Δ 222 tmcQ 4
P R 08
m 40 g 004 kg
t 2 h 7200 s
k 11210-6
kgC
c2 c1 4200 JkgC
t 2 C
t 4 C
10
Sulyginę 1 ir 3 2 ir 4 formulių išraiškas gauname 5 6 ir 7
Δ 11
2 tmctRI 5
22
2 Δ tmctRI 6
Iš čia 1122 Δ Δ tmctmc 7
Nežinomo skysčio savitoji šiluma bus
Δ
Δ
2
112
t
tcc
Ckg
J 21002
c
Tokia savitoji šiluma mineralinės alyvos
Atsakymas mineralinė alyva c2 2100 JkgC
I TURO UŽDUOTYS
1 Šeimininkei lyginant skalbinius suskambo telefonas ir ji neišjungusi lygintuvo pradėjo pokalbį Kiek
elektros energijos per 30 min suvartos 1200 W galios lygintuvas paliktas įjungtas į 220 V įtampos
tinklą Apskaičiuokite lygintuvo varžą naudojamos srovės stiprį suvartotą elektros energiją ir kiek
padidės mokestis už elektrą jei 1 kWh kainuoja 0474 Lt
2 Ant vienos lemputės užrašyta 40 W ir 220 V o ant kitos 100 W ir 220 V Palyginkite nuosekliai
sujungtų lempučių galią Kokio stiprio srovė teka šioje grandinėje
3 Elektrinės viryklės kaitinimo spiralė buvo sutrumpinta 01 pradinio ilgio dalimi Kiek pakito jo galia
jei jis jungiamas prie tos pačios įtampos
4 Kiek elektronų pratekės per 01 s žibintuvėlio lemputės siūlu jei 15 W lemputė prijungta prie 45 V
įtampos šaltinio
5 Vienos degančios elektros lempos varža 450 Ω Kiek tokių lempų lygiagrečiai įjungta į 220 V
įtampos tinklą jei jų vartojamoji galia 162 kW
6 Židinio kaitinimo elementas padarytas iš 35 m ilgio nichrominės 05 mm skersmens vielos Kokią
galią vartoja židinys įjungtas į 220 V įtampos tinkląNichromo savitoji varža 10510-8 Ωm
7 Kaip pakis laidininke išsiskiriančios šilumos kiekis jei laidininko varžą sumažinsime tris kartus
8 Kodėl metalų laidumas mažiau priklauso nuo priemaišų negu puslaidininkių laidumas
9 Kiek laiko turi tekėti 05 A stiprio srovė kad sidabruojant 200 cm2 paviršiaus ploto dirbinį jis
pasidengtų 20 microm storio sluoksniu Sidabro elektrocheminis ekvivalentas k = 112 10-6
kgC
10 Kiek elektros energijos sunaudojama 1 kg aliuminio gauti jeigu elektrolizės proceso įtampa 14 V
o naudingumo koeficientas 75 Aliuminio elektrocheminis ekvivalentas k = 0093 10-6
kgC
11
I1
I2
15 pav
14 pav
11 Elektros lempa nuosekliai įjungta į elektros grandinę kartu su elektros vonele kurioje yra silpnas
valgomosios druskos tirpalas Paaiškinkite kaip pasikeis šviečiančios lemputės ryškumas į vonelę
įbėrus druskos
12 Elektrolizės būdu išskiriant varį suvartota A = 5 kWh elektros energijos Apskaičiuokite
išsiskyrusio vario masę kai įtampa tarp elektrodų U = 10V naudingumo koeficientas ƞ = 75 o vario
elektrocheminis ekvivalentas k = 033 10-6
kgC
13 Kokio ilgio nichrominį laidininką kurio skerspjūvio plotas 01 mm2 reikia paimti kad galėtume
padaryti kaitinamąjį elementą kuris per 5 min galėtų užvirinti 15 ℓ vandens Vandens temperatūra
20 oC įtampa grandinėje 220 V Kaitinamojo element naudingumo koeficientas 09
14 1600 kg masės greitasis liftas kyla 10 ms greičiu
Variklio gnybtų įtampa 380 V naudingumo koeficientas
lygus 09 Kokio stiprio srovę vartoja variklis ir kokia jo
galia
15 Ilgainiui automobilio žibintų kaitrinės lempos kaitinimo
siūlelis plonėja nes nuo jo paviršiaus garuoja ir virsta
dulkėmis medžiaga Kokios tai turi įtakos lempos
vartojamai galiai Kuo halogeninės žibintų lempos
pranašesnės už kaitrines
16 Kokiomis savybėmis pasižymi šiuolaikinių automobilių
žibintams naudojamos ksenoninės lempos
17 Nubrėžta dujų išlydžio voltamperinė charakteristika (13 pav) Kurioje dalyje galima taikyti Omo
dėsnį Ar taške D tekant srovei reikalingas išorinis jonizatorius
18 Kabelį sudaro du laidininkai centrinis ir išorinis (14 pav pavaizduotas
skersinis pjūvis centriniame laidininke srovė teka nuo mūsų o išoriniame ndash į
mus) Ar apie kabelį susidaro magnetinis
laukas kai centriniu ir išoriniu laidininku teka
a) vienodo stiprio ir priešingos krypties srovės
b) kai srovės yra vienodos krypties
19 Paaiškinkite dviejų statmenų laidų
(15 pav) kuriais teka parodytų krypčių I1 ir I2
stiprio elektros srovės magnetinę sąveiką Kaip
judės antrasis laidas kai pakeisime juo tekančios elektros srovės
kryptį
20 30 Ω ir 50 Ω varžų rezistoriai sujungti lygiagrečiai ir prijungti prie nuolatinės įtampos šaltinio
Antrame rezistoriuje išsiskyrė 600 kJ šilumos kiekis Koks šilumos kiekis per tą laiką išsiskyrė
pirmame rezistoriuje
II turo metodinius nurodymus ir užduotis gausite su I turo sprendimų įvertinimu
13 pav
12
Lietuvos fizikų draugija
Šiaulių universiteto
jaunųjų fizikų mokykla bdquoFOTONASldquo
Lina Senkuvienė
III kurso I turo užduotys ir metodiniai nurodymai
2014ndash2015 mokslo metai
Rinko ir maketavo Irma Bolskytė
3
SU NAUJAISIAIS MOKSLO METAIS
FOTONIEČIAI
Šie mokslo metai jaunųjų fizikų mokykloje Jums tretieji Linkime ir toliau domėtis patraukliu
fizikos mokslu ndash kartais žaviu o kartais ir sunkiu Sėkmingai spręskite naujų turų uždavinius
Šiais mokslo metais per tris turus reikės išspręsti 60 uždavinių
Geriausi fotoniečiai bus kviečiami į bdquoFotonoldquo vasaros stovyklą
Šifras kurį Jūs gavote pirmame kurse lieka tas pats
Primename kad mokinys neatsiuntęs iš eilės dviejų turų sprendimų be pateisinamos priežasties
šalinamas iš bdquoFotonoldquo mokyklos be atskiro pranešimo
Metinis fotoniečio mokestis 120 Lt (3475 euro) Informacija apie mokėjimą pridedame
Uždavinių sprendimų išsiuntimo terminai
I turas ndash 2014-11-15
II turas ndash 2015-02-10
III turas ndash 2015-04-15
Sąsiuvinius su sprendimais siųskite adresu
Fotonuildquo
Šiaulių universitetas
P Višinskio g 19
77156 Šiauliai
Telfaks (8 41) 59 57 24
El paštas fotonasfmsult fotonasirmagmailcom
Interneto puslapis wwwfotonassult
III kurso kuratorė Irma Bolskytė
LINKIME SĖKMĖS
Fotonoldquo taryba
4
I TURAS
ELEKTROS SROVĖS DARBAS IR GALIA ELEKTROS SROVĖ ĮVAIRIOSE TERPĖSE
ELEKTROMAGNETINIAI REIŠKINIAI
Metodiniai nurodymai
ELEKTROS SROVĖS DARBAS IR GALIA
Elektrinėje grandinėje elektros energija elektronams judant laidais ir elektros energijos imtuvais
virsta kitomis energijos rūšimis kurių matas yra elektros srovės darbas
Šis elektros srovės darbas apskaičiuojamas pagal formulę
A = q U (11)
čia q ndash perneštas krūvis per laiką t U ndash įtampa laidininko galuose
Kadangi
q = I t (12)
tai darbas
tUIA
(13)
Matome kad darbas priklauso nuo fizikinių dydžių U I t kuriuos galime išmatuoti voltmetru
ampermetru laikrodžiu
[ A ] = 1 V 1 A 1 s = 1 J
Tekant elektros srovei laidininkai šyla nes susidurdami elektronai bdquoperduodaldquo savo kinetinę
energiją teigiamiems jonams Taigi laidIninke išsiskyręs šilumos kiekis Q yra lygus elektros srovės
darbui Iš Omo dėsnio grandinės daliai įrašę įtampos arba srovės stiprio išraiškas gausime
2
2
R
tUtRItUIQ
(14)
Kadangi srovė per nuosekliai sujungtus laidininkus yra vienoda tai šilumos kiekis išsiskyręs
tokioje grandinėje yra tiesiog proporcingas jų varžoms lygiagrečiai sujungtuose laidininkuose ndash
atvirkščiai proporcingas (nes vienoda įtampa ant laidininkų)
Elektros srovė bei elektriniai prietaisai apibūdinami fizikiniu dydžiu ndash galia
2
2
R
URIUI
t
AP
(15)
[P] =1 Js =1 V 1 A = 1 W
ELEKTROS SROVĖ ĮVAIRIOSE TERPĖSE
ELEKTROS SROVĖ PUSLAIDININKIUOSE
Puslaidininkiais vadinamos medžiagos kurios
pagal elektrinį laidumą yra tarp elektros laidininkų ir
izoliatorių Jų laidumas priklauso nuo temperatūros
Kylant temperatūrai puslaidininkių savitoji varža
mažėja (metaluose kylant temperatūrai savitoji varža
didėja) Puslaidininkio savitosios varžos priklausomybė
nuo temperatūros pavaizduota 11 paveiksle
Plačiausiai žinomos puslaidininkinės medžiagos
ndash selenas silicis germanis
Elektrinės puslaidininkių savybės paaiškinamos ypatinga puslaidininkių sandara Pavyzdžiui
kiekvienas silicio kristalo atomas susietas kovalentinėmis jungtimis su keturiais kaimyniniais atomais
Kadangi silicis keturvalentis tai susidarius keturioms kovalentinių elektronų poroms užpildomas
T K
m
0 11 pav
5
kiekvieno atomo išorinis elektronų sluoksnis (12 pav) Išorinio elektrinio lauko veikiami elektronai
nejuda nuo atomo prie atomo ir silicio kristalas žemoje temperatūroje nepraleidžia elektros srovės
Kaitinant silicį kai kurie jo elektronai įgyja pakankamai energijos ir dalis kovalentinių jungčių
suyra Kristale atsiranda laisvųjų elektronų kurie išorinio lauko veikiami juda kristale ir sukuria
elektrinio laidumo srovę Toks puslaidininkių laidumas vadinamas elektroniniu laidumu
Elektronui ištrūkus iš atomo išorinio sluoksnio jame lieka laisva elektrono vieta turinti
perteklinį teigiamą krūvį Ji vadinama skyle į kurią gali peršokti elektronas iš gretimo atomo
palikdamas skylę kitoje vietoje Kristalui atsidūrus elektriniame lauke skylės ir elektronai pradeda
judėti kryptingai (13 pav) ndash atsiranda skylinio ir elektroninio laidumo srovė
Puslaidininkių laidumas labai padidėja įterpus priemaišų (kitų cheminių elementų atomų) Tada
šalia savojo laidumo atsiranda papildomas ndash priemaišinis laidumas Keičiant priemaišų koncentraciją
galima gerokai pakeisti vieno ar kito ženklo krūvininkų skaičių ir pagaminti puslaidininkius su
vyraujančia neigiamų arba teigiamų krūvininkų koncentracija
Priemaišos lengvai atiduodančios elektronus kartu padidindamos laisvųjų elektronų skaičių
vadinamos donorinėmis o tokie puslaidininkiai n tipo puslaidininkiais Jų pagrindiniai krūvininkai
yra elektronai
Priemaišos sukuriančios skylinį laidumą vadinamos akceptorinėmis priemaišomis o tokie
puslaidininkiai kuriuose vyrauja skylinis laidumas vadinami p tipo puslaidininkiais
n ir p tipo puslaidininkiai plačiai naudojami puslaidininkiniuose prietaisuose
Puslaidininkinių prietaisų veikimas pagrįstas p ir n tipo puslaidininkių sąlyčio savybėmis
Įjungiant į grandinę pn sandūrą prie p tipo puslaidininkio jungiamas teigiamas šaltinio polius o prie n
ndash neigiamas (tiesioginė sandūra) abiejų tipų puslaidininkiuose srovę sudaro pagrindiniai krūvininkai
todėl sandūros varža maža (14 pav)
Jeigu šaltinio polius prijungsime atvirkščiai ndash prie p neigiamą o prie n teigiamą (atbulinė
sandūra) tai srovę sudarys nepagrindiniai krūvininkai o sandūros varža bus didelė (15 pav)
Kaip matome sandūros laidumas priešingomis kryptimis smarkiai skiriasi
Taigi pn sandūrai būdingas vienpusis laidumas Puslaidininkinis diodas elektrinėse schemose
žymimas taip simbolio smailės kryptis sutampa su laidžiąja srovės kryptimi (16 pav)
ELEKTROS SROVĖ SKYSČIUOSE
Medžiagos kurių vandeniniai tirpalai arba lydalai praleidžia elektros srovę vadinamos
elektrolitais o tirpinamų junginių skaidymasis į jonus vadinamas elektrolitine disociacija Priešingas
disociacijai procesas vadinamas jonų rekombinacija
- p n +
14 pav
p n - +
15 pav 16 pav
12 pav 13 pav
6
Nesant išorinio elektrinio lauko tirpalo jonai ir
molekulės juda chaotiškai Atsiradus tirpale
elektriniam laukui atsiranda ir kryptingas jonų
judėjimas teigiami jonai juda link neigiamo
elektrodo vadinamo katodu o neigiami jonai ndash link
teigiamo elektrodo vadinamo anodu
Kiekviename elektrolite elektros srovę sukuria
teigiamieji ir neigiamieji jonai t y įelektrinti
medžiagos atomai bei molekulės Šie du priešingi
jonų srautai ir sudaro elektros srovę elektrolituose
(17 pav) Elektrolitų laidumas yra joninis
Medžiagos išsiskyrimas ant elektrodų tekant
elektros srovei elektrolitų tirpalais ar lydalais vadinamas elektrolize Ant elektrodo nusėdusios
medžiagos masė m yra proporcinga srovės stipriui I jos tekėjimo laikui ir priklauso nuo medžiagos
rūšies (Faradėjaus elektrolizės dėsnis)
m = k I t (16)
Dydis k vadinamas tam tikros medžiagos elektrocheminiu ekvivalentu ir išreiškiamas kilogramais
kulonui (kgC)
Atsižvelgę į tai kad I t= q elektrolizės dėsnį užrašyti galime taip
m = k q (17)
Ant elektrodo išsiskyrusios medžiagos masė yra tiesiogiai proporcinga pratekėjusiam elektros
krūviui
ELEKTROS SROVĖ DUJOSE
Normaliomis sąlygomis dujos yra blogi laidininkai ndash jose laisvų krūvininkų praktiškai nėra
Pakanka per milimetro dalį atitraukti vieną laidą nuo kito kad liautųsi tekėjusi srovė Sudarius
grandinėje kelių centimetrų oro tarpą elektros srovė netekės (18 pav) Kad jomis tekėtų elektros
srovė dujų molekules ir atomus reikia jonizuoti ndash atplėšti nuo jų bent po vieną elektroną Dujas galima
jonizuoti švitinant oro tarpą ultravioletiniais Rentgeno arba radioaktyviųjų medžiagų skleidžiamais
spinduliais Kaitinant arba apšviečiant dujas dalis atomų jonizuojasi ndash suskyla į teigiamuosius jonus ir
elektronus Oro tarpe atsiranda elektringų dalelių ndash krūvininkų Aukštoje temperatūroje dujų molekulės
įgyja tokią didelę energiją kad susidurdamos išmuša elektronus ndash jonizuoja viena kitą Netekusios
elektronų molekulės tampa teigiamais jonais Atskilę elektronai skrieja vieni arba prisijungia prie
neutralių molekulių ir sudaro neigiamus jonus Taigi dujų elektrinį laidumą sąlygoja teigiamieji
neigiamieji jonai ir elektronai (19 pav)
17 pav
18 pav
19 pav
7
Susitikęs teigiamas jonas ir elektronas gali susijungti į neutralius atomus arba molekules įvyksta
rekombinacija Elektros srovės tekėjimas dujose vadinamas išlydžiu
ELEKTROS SROVĖ VAKUUME
Retinant dujas dalelių susidūrimo tikimybė ypač mažėja Kai inde lieka tiek mažai molekulių
kad jos praktiškai nesusiduria sakome kad inde yra vakuumas (tuštuma) Tam tikromis sąlygomis
srovė gali tekėti ir vakuumu Tai vyksta elektrininėse lempose elektrininiame vamzdyje Paprasčiausia
lempa - vakuuminis diodas yra sudarytas iš katodo kaitinamojo siūlelio anodo ir indo iš kurio
išsiurbtas oras Diode vienas iš elektrodų (katodas) kaitinamas Dėl to vyksta termoelektroninė emisija
Įkaitęs elektrodas išspinduliuoja elektronus Katodą gali kaitinti juo tekanti elektros srovė arba
kaitinimo siūlelis
Diodas pasižymi vienpusiu laidumu Jeigu katodas yra prijungtas prie neigiamo šaltinio poliaus
tai srovė grandinėje teka Dėl termoelektroninės emisijos išspinduliuoti elektronai veikiami elektrinio
lauko judės link anodo Kuo didesnė įtampa tuo daugiau elektronų pasieks anodą tuo stipresnė tekės
srovė Kai visi elektronai išspinduliuoti per laiko tarpą pasieks anodą turėsime soties srovę
Jeigu katodas prijungtas prie teigiamo šaltinio poliaus srovė neteka Išspinduliuoti elektronai
grįžta atgal į katodą
Elektroninio vamzdžio veikimas pagrįstas termoelektronine emisija ir elektronų judėjimu
vakuume Priekinė indo sienelė ndash ekranas padengtas liuminoforu 110 pav Priešingoje indo pusėje
įmontuotas elektronų prožektorius Elektronų prožektorių sudaro kaitinimo siūlelis katodas ir du
cilindro formos anodai Kadangi anodai yra tuščiavidurių cilindrų formos didžioji dalis elektronų
pralekia per juos ir sudaro elektronų pluoštą Atsimušęs į liuminoforu padengtą ekraną pluoštelis toje
vietoje sukelia švytėjimą
Elektronų pluoštas pralekia dvi lygiagrečių plokščių poras Vertikalios plokštelės nukreipia
elektronus horizontalia kryptimi o horizontalios plokštelės ndash vertikalia Taip keisdami įtampą tarp
plokščių elektronų pluoštą galime nukreipti į bet kurią ekrano vietą
ELEKTROS SROVĖS MAGNETINIS LAUKAS
Nejudantys elektros krūviai sukuria elektrinį lauką judantys elektros krūviai ir kintantis
elektrinis laukas sukuria magnetinį lauką Magnetinė rodyklė patekusi į magnetinį lauką orientuojasi
tam tikra kryptimi Linijos išilgai kurių išsidėsto magnetinės rodyklės vadinamos magnetinio lauko
linijomis arba magnetinėmis linijomis Šių linijų kryptimi susitarta laikyti kryptį kurią rodo
magnetinės rodyklės šiaurinis polius N Tiesiu laidininku tekančios elektros srovės magnetinio lauko
kryptis nusakoma pagal dešinės rankos taisyklę jeigu laidininką kuriuo teka srovė apimsime dešine
ranka taip kad ištiestas nykštys rodytų srovės kryptį tai keturi sulenkti pirštai rodys magnetinių linijų
kryptį (111 pav)
110 pav
8
Ritė kuria teka srovė virsta magnetu Ji turi šiaurinį N ir pietinį S polių (112 pav) Ritė kurios
viduje yra geležinė šerdis vadinama elektromagnetu Kai rite teka srovė elektromagneto šerdis
įsimagnetina ir sustiprina magnetinį lauką
Laidininką kuriuo teka elektros srovė patekusį į magnetinį lauką veikia tam tikra jėga kurios
kryptį galime nustatyti pagal kairiosios rankos taisyklę jei kairioji ranka laikoma taip kad magnetinio
lauko jėgų linijos sueina į delną o keturi ištiesti pirštai rodo elektros srovės kryptį tai 90o kampu
atlenktas nykštys rodo laidininką veikiančios jėgos kryptį
Žemė taip pat turi magnetinį lauką ir bet kurioje jos vietoje padėta magnetinė rodyklė gali
laisvai sukiotis Žemės magnetizmas nėra visiškai išaiškintas Manoma kad svarbiausia Žemės
magnetinio lauko priežastis ndash jos skystame branduolyje judančios konvekcinės daugybės elektringųjų
dalelių srovės Laikui bėgant Žemės magnetinių polių padėtis kinta Žemės geografinis ašigalis
nesutampa su jos magnetiniais poliais Pietinis magnetinis polius yra Šiauriniame pusrutulyje Kanados
salyne o šiaurinis magnetinis polius ndash Pietiniame pusrutulyje
Uždavinių sprendimo pavyzdžiai
1 pavyzdys
Ant vienos lemputės užrašyta 40 W ir 220 V o ant kitos 100 W ir 220 V Kurioje šių lempučių
sujungus jas lygiagrečiai išsiskiria daugiau šilumos Kiek kartų
Išsiskyręs šilumos kiekis skaičiuojamas pagal formulę
2
tR
UQ 1
nes įtampa ta pati Todėl
2
1
2
2
1
2
1
2
2
2
1
2
R
R
tUR
RtU
R
tU
R
tU
Q
Q 2
Lempučių varžą apskaičiuosime pagal formulę
111 pav
112 pav
B
P1 40 W
P2 100 W
U 220 V 1
2
Q
Q
9
2
P
UR 3
Pagal 3 apskaičiuojame ir gauname kad R1 1210 o R2 484 todėl iš 2
521
2 Q
Q
Atsakymas antrojoje lemputėje Q2Q1 25
2 pavyzdys
Iš sidabro nitrato tirpalo kurio varža 08 Ω per 2 h elektrolizės būdu išsiskyrė 40 g sidabro
Sidabro elektrocheminis ekvivalentas k = 11210-6
kgC Kokia galia buvo naudojama šildyti
tirpalui
Naudojamą galią P rasime pagal formulę
2 RIP 1
Srovės stiprį I išsireikšime iš elektrolizės dėsnio
tk
mI
2
Iš 1 ir 2 formulių gausime
22
2
tk
RmP
Apskaičiuojame galią P 20 W
Atsakymas P 20 W
3 pavyzdys
Viename kalorimetre yra vanduo o antrame ndash tokios pat masės nežinomas skystis Į
kalorimetrus įdėtos vienodos kaitinimo spiralės kurios sujungtos nuosekliai Koks tai skystis
jeigu kaitinant po tam tikro laiko vandens temperatūra pakilo 2 degC o skysčio 4 degC Vandens
savitoji šiluma 4200 J(kgC)
Srovė tekėdama pirmu ir antru kalorimetru išskirs vienodą šilumos kiekį
2
1 tRIQ 1
2
2 tRIQ 2
čia R ndash vienos spiralės varža I ndash srovės stipris Šis šilumos kiekis bus naudojamas vandeniui ir
nežinomam skysčiui šildyti
Δ 111 tmcQ 3
Δ 222 tmcQ 4
P R 08
m 40 g 004 kg
t 2 h 7200 s
k 11210-6
kgC
c2 c1 4200 JkgC
t 2 C
t 4 C
10
Sulyginę 1 ir 3 2 ir 4 formulių išraiškas gauname 5 6 ir 7
Δ 11
2 tmctRI 5
22
2 Δ tmctRI 6
Iš čia 1122 Δ Δ tmctmc 7
Nežinomo skysčio savitoji šiluma bus
Δ
Δ
2
112
t
tcc
Ckg
J 21002
c
Tokia savitoji šiluma mineralinės alyvos
Atsakymas mineralinė alyva c2 2100 JkgC
I TURO UŽDUOTYS
1 Šeimininkei lyginant skalbinius suskambo telefonas ir ji neišjungusi lygintuvo pradėjo pokalbį Kiek
elektros energijos per 30 min suvartos 1200 W galios lygintuvas paliktas įjungtas į 220 V įtampos
tinklą Apskaičiuokite lygintuvo varžą naudojamos srovės stiprį suvartotą elektros energiją ir kiek
padidės mokestis už elektrą jei 1 kWh kainuoja 0474 Lt
2 Ant vienos lemputės užrašyta 40 W ir 220 V o ant kitos 100 W ir 220 V Palyginkite nuosekliai
sujungtų lempučių galią Kokio stiprio srovė teka šioje grandinėje
3 Elektrinės viryklės kaitinimo spiralė buvo sutrumpinta 01 pradinio ilgio dalimi Kiek pakito jo galia
jei jis jungiamas prie tos pačios įtampos
4 Kiek elektronų pratekės per 01 s žibintuvėlio lemputės siūlu jei 15 W lemputė prijungta prie 45 V
įtampos šaltinio
5 Vienos degančios elektros lempos varža 450 Ω Kiek tokių lempų lygiagrečiai įjungta į 220 V
įtampos tinklą jei jų vartojamoji galia 162 kW
6 Židinio kaitinimo elementas padarytas iš 35 m ilgio nichrominės 05 mm skersmens vielos Kokią
galią vartoja židinys įjungtas į 220 V įtampos tinkląNichromo savitoji varža 10510-8 Ωm
7 Kaip pakis laidininke išsiskiriančios šilumos kiekis jei laidininko varžą sumažinsime tris kartus
8 Kodėl metalų laidumas mažiau priklauso nuo priemaišų negu puslaidininkių laidumas
9 Kiek laiko turi tekėti 05 A stiprio srovė kad sidabruojant 200 cm2 paviršiaus ploto dirbinį jis
pasidengtų 20 microm storio sluoksniu Sidabro elektrocheminis ekvivalentas k = 112 10-6
kgC
10 Kiek elektros energijos sunaudojama 1 kg aliuminio gauti jeigu elektrolizės proceso įtampa 14 V
o naudingumo koeficientas 75 Aliuminio elektrocheminis ekvivalentas k = 0093 10-6
kgC
11
I1
I2
15 pav
14 pav
11 Elektros lempa nuosekliai įjungta į elektros grandinę kartu su elektros vonele kurioje yra silpnas
valgomosios druskos tirpalas Paaiškinkite kaip pasikeis šviečiančios lemputės ryškumas į vonelę
įbėrus druskos
12 Elektrolizės būdu išskiriant varį suvartota A = 5 kWh elektros energijos Apskaičiuokite
išsiskyrusio vario masę kai įtampa tarp elektrodų U = 10V naudingumo koeficientas ƞ = 75 o vario
elektrocheminis ekvivalentas k = 033 10-6
kgC
13 Kokio ilgio nichrominį laidininką kurio skerspjūvio plotas 01 mm2 reikia paimti kad galėtume
padaryti kaitinamąjį elementą kuris per 5 min galėtų užvirinti 15 ℓ vandens Vandens temperatūra
20 oC įtampa grandinėje 220 V Kaitinamojo element naudingumo koeficientas 09
14 1600 kg masės greitasis liftas kyla 10 ms greičiu
Variklio gnybtų įtampa 380 V naudingumo koeficientas
lygus 09 Kokio stiprio srovę vartoja variklis ir kokia jo
galia
15 Ilgainiui automobilio žibintų kaitrinės lempos kaitinimo
siūlelis plonėja nes nuo jo paviršiaus garuoja ir virsta
dulkėmis medžiaga Kokios tai turi įtakos lempos
vartojamai galiai Kuo halogeninės žibintų lempos
pranašesnės už kaitrines
16 Kokiomis savybėmis pasižymi šiuolaikinių automobilių
žibintams naudojamos ksenoninės lempos
17 Nubrėžta dujų išlydžio voltamperinė charakteristika (13 pav) Kurioje dalyje galima taikyti Omo
dėsnį Ar taške D tekant srovei reikalingas išorinis jonizatorius
18 Kabelį sudaro du laidininkai centrinis ir išorinis (14 pav pavaizduotas
skersinis pjūvis centriniame laidininke srovė teka nuo mūsų o išoriniame ndash į
mus) Ar apie kabelį susidaro magnetinis
laukas kai centriniu ir išoriniu laidininku teka
a) vienodo stiprio ir priešingos krypties srovės
b) kai srovės yra vienodos krypties
19 Paaiškinkite dviejų statmenų laidų
(15 pav) kuriais teka parodytų krypčių I1 ir I2
stiprio elektros srovės magnetinę sąveiką Kaip
judės antrasis laidas kai pakeisime juo tekančios elektros srovės
kryptį
20 30 Ω ir 50 Ω varžų rezistoriai sujungti lygiagrečiai ir prijungti prie nuolatinės įtampos šaltinio
Antrame rezistoriuje išsiskyrė 600 kJ šilumos kiekis Koks šilumos kiekis per tą laiką išsiskyrė
pirmame rezistoriuje
II turo metodinius nurodymus ir užduotis gausite su I turo sprendimų įvertinimu
13 pav
12
Lietuvos fizikų draugija
Šiaulių universiteto
jaunųjų fizikų mokykla bdquoFOTONASldquo
Lina Senkuvienė
III kurso I turo užduotys ir metodiniai nurodymai
2014ndash2015 mokslo metai
Rinko ir maketavo Irma Bolskytė
4
I TURAS
ELEKTROS SROVĖS DARBAS IR GALIA ELEKTROS SROVĖ ĮVAIRIOSE TERPĖSE
ELEKTROMAGNETINIAI REIŠKINIAI
Metodiniai nurodymai
ELEKTROS SROVĖS DARBAS IR GALIA
Elektrinėje grandinėje elektros energija elektronams judant laidais ir elektros energijos imtuvais
virsta kitomis energijos rūšimis kurių matas yra elektros srovės darbas
Šis elektros srovės darbas apskaičiuojamas pagal formulę
A = q U (11)
čia q ndash perneštas krūvis per laiką t U ndash įtampa laidininko galuose
Kadangi
q = I t (12)
tai darbas
tUIA
(13)
Matome kad darbas priklauso nuo fizikinių dydžių U I t kuriuos galime išmatuoti voltmetru
ampermetru laikrodžiu
[ A ] = 1 V 1 A 1 s = 1 J
Tekant elektros srovei laidininkai šyla nes susidurdami elektronai bdquoperduodaldquo savo kinetinę
energiją teigiamiems jonams Taigi laidIninke išsiskyręs šilumos kiekis Q yra lygus elektros srovės
darbui Iš Omo dėsnio grandinės daliai įrašę įtampos arba srovės stiprio išraiškas gausime
2
2
R
tUtRItUIQ
(14)
Kadangi srovė per nuosekliai sujungtus laidininkus yra vienoda tai šilumos kiekis išsiskyręs
tokioje grandinėje yra tiesiog proporcingas jų varžoms lygiagrečiai sujungtuose laidininkuose ndash
atvirkščiai proporcingas (nes vienoda įtampa ant laidininkų)
Elektros srovė bei elektriniai prietaisai apibūdinami fizikiniu dydžiu ndash galia
2
2
R
URIUI
t
AP
(15)
[P] =1 Js =1 V 1 A = 1 W
ELEKTROS SROVĖ ĮVAIRIOSE TERPĖSE
ELEKTROS SROVĖ PUSLAIDININKIUOSE
Puslaidininkiais vadinamos medžiagos kurios
pagal elektrinį laidumą yra tarp elektros laidininkų ir
izoliatorių Jų laidumas priklauso nuo temperatūros
Kylant temperatūrai puslaidininkių savitoji varža
mažėja (metaluose kylant temperatūrai savitoji varža
didėja) Puslaidininkio savitosios varžos priklausomybė
nuo temperatūros pavaizduota 11 paveiksle
Plačiausiai žinomos puslaidininkinės medžiagos
ndash selenas silicis germanis
Elektrinės puslaidininkių savybės paaiškinamos ypatinga puslaidininkių sandara Pavyzdžiui
kiekvienas silicio kristalo atomas susietas kovalentinėmis jungtimis su keturiais kaimyniniais atomais
Kadangi silicis keturvalentis tai susidarius keturioms kovalentinių elektronų poroms užpildomas
T K
m
0 11 pav
5
kiekvieno atomo išorinis elektronų sluoksnis (12 pav) Išorinio elektrinio lauko veikiami elektronai
nejuda nuo atomo prie atomo ir silicio kristalas žemoje temperatūroje nepraleidžia elektros srovės
Kaitinant silicį kai kurie jo elektronai įgyja pakankamai energijos ir dalis kovalentinių jungčių
suyra Kristale atsiranda laisvųjų elektronų kurie išorinio lauko veikiami juda kristale ir sukuria
elektrinio laidumo srovę Toks puslaidininkių laidumas vadinamas elektroniniu laidumu
Elektronui ištrūkus iš atomo išorinio sluoksnio jame lieka laisva elektrono vieta turinti
perteklinį teigiamą krūvį Ji vadinama skyle į kurią gali peršokti elektronas iš gretimo atomo
palikdamas skylę kitoje vietoje Kristalui atsidūrus elektriniame lauke skylės ir elektronai pradeda
judėti kryptingai (13 pav) ndash atsiranda skylinio ir elektroninio laidumo srovė
Puslaidininkių laidumas labai padidėja įterpus priemaišų (kitų cheminių elementų atomų) Tada
šalia savojo laidumo atsiranda papildomas ndash priemaišinis laidumas Keičiant priemaišų koncentraciją
galima gerokai pakeisti vieno ar kito ženklo krūvininkų skaičių ir pagaminti puslaidininkius su
vyraujančia neigiamų arba teigiamų krūvininkų koncentracija
Priemaišos lengvai atiduodančios elektronus kartu padidindamos laisvųjų elektronų skaičių
vadinamos donorinėmis o tokie puslaidininkiai n tipo puslaidininkiais Jų pagrindiniai krūvininkai
yra elektronai
Priemaišos sukuriančios skylinį laidumą vadinamos akceptorinėmis priemaišomis o tokie
puslaidininkiai kuriuose vyrauja skylinis laidumas vadinami p tipo puslaidininkiais
n ir p tipo puslaidininkiai plačiai naudojami puslaidininkiniuose prietaisuose
Puslaidininkinių prietaisų veikimas pagrįstas p ir n tipo puslaidininkių sąlyčio savybėmis
Įjungiant į grandinę pn sandūrą prie p tipo puslaidininkio jungiamas teigiamas šaltinio polius o prie n
ndash neigiamas (tiesioginė sandūra) abiejų tipų puslaidininkiuose srovę sudaro pagrindiniai krūvininkai
todėl sandūros varža maža (14 pav)
Jeigu šaltinio polius prijungsime atvirkščiai ndash prie p neigiamą o prie n teigiamą (atbulinė
sandūra) tai srovę sudarys nepagrindiniai krūvininkai o sandūros varža bus didelė (15 pav)
Kaip matome sandūros laidumas priešingomis kryptimis smarkiai skiriasi
Taigi pn sandūrai būdingas vienpusis laidumas Puslaidininkinis diodas elektrinėse schemose
žymimas taip simbolio smailės kryptis sutampa su laidžiąja srovės kryptimi (16 pav)
ELEKTROS SROVĖ SKYSČIUOSE
Medžiagos kurių vandeniniai tirpalai arba lydalai praleidžia elektros srovę vadinamos
elektrolitais o tirpinamų junginių skaidymasis į jonus vadinamas elektrolitine disociacija Priešingas
disociacijai procesas vadinamas jonų rekombinacija
- p n +
14 pav
p n - +
15 pav 16 pav
12 pav 13 pav
6
Nesant išorinio elektrinio lauko tirpalo jonai ir
molekulės juda chaotiškai Atsiradus tirpale
elektriniam laukui atsiranda ir kryptingas jonų
judėjimas teigiami jonai juda link neigiamo
elektrodo vadinamo katodu o neigiami jonai ndash link
teigiamo elektrodo vadinamo anodu
Kiekviename elektrolite elektros srovę sukuria
teigiamieji ir neigiamieji jonai t y įelektrinti
medžiagos atomai bei molekulės Šie du priešingi
jonų srautai ir sudaro elektros srovę elektrolituose
(17 pav) Elektrolitų laidumas yra joninis
Medžiagos išsiskyrimas ant elektrodų tekant
elektros srovei elektrolitų tirpalais ar lydalais vadinamas elektrolize Ant elektrodo nusėdusios
medžiagos masė m yra proporcinga srovės stipriui I jos tekėjimo laikui ir priklauso nuo medžiagos
rūšies (Faradėjaus elektrolizės dėsnis)
m = k I t (16)
Dydis k vadinamas tam tikros medžiagos elektrocheminiu ekvivalentu ir išreiškiamas kilogramais
kulonui (kgC)
Atsižvelgę į tai kad I t= q elektrolizės dėsnį užrašyti galime taip
m = k q (17)
Ant elektrodo išsiskyrusios medžiagos masė yra tiesiogiai proporcinga pratekėjusiam elektros
krūviui
ELEKTROS SROVĖ DUJOSE
Normaliomis sąlygomis dujos yra blogi laidininkai ndash jose laisvų krūvininkų praktiškai nėra
Pakanka per milimetro dalį atitraukti vieną laidą nuo kito kad liautųsi tekėjusi srovė Sudarius
grandinėje kelių centimetrų oro tarpą elektros srovė netekės (18 pav) Kad jomis tekėtų elektros
srovė dujų molekules ir atomus reikia jonizuoti ndash atplėšti nuo jų bent po vieną elektroną Dujas galima
jonizuoti švitinant oro tarpą ultravioletiniais Rentgeno arba radioaktyviųjų medžiagų skleidžiamais
spinduliais Kaitinant arba apšviečiant dujas dalis atomų jonizuojasi ndash suskyla į teigiamuosius jonus ir
elektronus Oro tarpe atsiranda elektringų dalelių ndash krūvininkų Aukštoje temperatūroje dujų molekulės
įgyja tokią didelę energiją kad susidurdamos išmuša elektronus ndash jonizuoja viena kitą Netekusios
elektronų molekulės tampa teigiamais jonais Atskilę elektronai skrieja vieni arba prisijungia prie
neutralių molekulių ir sudaro neigiamus jonus Taigi dujų elektrinį laidumą sąlygoja teigiamieji
neigiamieji jonai ir elektronai (19 pav)
17 pav
18 pav
19 pav
7
Susitikęs teigiamas jonas ir elektronas gali susijungti į neutralius atomus arba molekules įvyksta
rekombinacija Elektros srovės tekėjimas dujose vadinamas išlydžiu
ELEKTROS SROVĖ VAKUUME
Retinant dujas dalelių susidūrimo tikimybė ypač mažėja Kai inde lieka tiek mažai molekulių
kad jos praktiškai nesusiduria sakome kad inde yra vakuumas (tuštuma) Tam tikromis sąlygomis
srovė gali tekėti ir vakuumu Tai vyksta elektrininėse lempose elektrininiame vamzdyje Paprasčiausia
lempa - vakuuminis diodas yra sudarytas iš katodo kaitinamojo siūlelio anodo ir indo iš kurio
išsiurbtas oras Diode vienas iš elektrodų (katodas) kaitinamas Dėl to vyksta termoelektroninė emisija
Įkaitęs elektrodas išspinduliuoja elektronus Katodą gali kaitinti juo tekanti elektros srovė arba
kaitinimo siūlelis
Diodas pasižymi vienpusiu laidumu Jeigu katodas yra prijungtas prie neigiamo šaltinio poliaus
tai srovė grandinėje teka Dėl termoelektroninės emisijos išspinduliuoti elektronai veikiami elektrinio
lauko judės link anodo Kuo didesnė įtampa tuo daugiau elektronų pasieks anodą tuo stipresnė tekės
srovė Kai visi elektronai išspinduliuoti per laiko tarpą pasieks anodą turėsime soties srovę
Jeigu katodas prijungtas prie teigiamo šaltinio poliaus srovė neteka Išspinduliuoti elektronai
grįžta atgal į katodą
Elektroninio vamzdžio veikimas pagrįstas termoelektronine emisija ir elektronų judėjimu
vakuume Priekinė indo sienelė ndash ekranas padengtas liuminoforu 110 pav Priešingoje indo pusėje
įmontuotas elektronų prožektorius Elektronų prožektorių sudaro kaitinimo siūlelis katodas ir du
cilindro formos anodai Kadangi anodai yra tuščiavidurių cilindrų formos didžioji dalis elektronų
pralekia per juos ir sudaro elektronų pluoštą Atsimušęs į liuminoforu padengtą ekraną pluoštelis toje
vietoje sukelia švytėjimą
Elektronų pluoštas pralekia dvi lygiagrečių plokščių poras Vertikalios plokštelės nukreipia
elektronus horizontalia kryptimi o horizontalios plokštelės ndash vertikalia Taip keisdami įtampą tarp
plokščių elektronų pluoštą galime nukreipti į bet kurią ekrano vietą
ELEKTROS SROVĖS MAGNETINIS LAUKAS
Nejudantys elektros krūviai sukuria elektrinį lauką judantys elektros krūviai ir kintantis
elektrinis laukas sukuria magnetinį lauką Magnetinė rodyklė patekusi į magnetinį lauką orientuojasi
tam tikra kryptimi Linijos išilgai kurių išsidėsto magnetinės rodyklės vadinamos magnetinio lauko
linijomis arba magnetinėmis linijomis Šių linijų kryptimi susitarta laikyti kryptį kurią rodo
magnetinės rodyklės šiaurinis polius N Tiesiu laidininku tekančios elektros srovės magnetinio lauko
kryptis nusakoma pagal dešinės rankos taisyklę jeigu laidininką kuriuo teka srovė apimsime dešine
ranka taip kad ištiestas nykštys rodytų srovės kryptį tai keturi sulenkti pirštai rodys magnetinių linijų
kryptį (111 pav)
110 pav
8
Ritė kuria teka srovė virsta magnetu Ji turi šiaurinį N ir pietinį S polių (112 pav) Ritė kurios
viduje yra geležinė šerdis vadinama elektromagnetu Kai rite teka srovė elektromagneto šerdis
įsimagnetina ir sustiprina magnetinį lauką
Laidininką kuriuo teka elektros srovė patekusį į magnetinį lauką veikia tam tikra jėga kurios
kryptį galime nustatyti pagal kairiosios rankos taisyklę jei kairioji ranka laikoma taip kad magnetinio
lauko jėgų linijos sueina į delną o keturi ištiesti pirštai rodo elektros srovės kryptį tai 90o kampu
atlenktas nykštys rodo laidininką veikiančios jėgos kryptį
Žemė taip pat turi magnetinį lauką ir bet kurioje jos vietoje padėta magnetinė rodyklė gali
laisvai sukiotis Žemės magnetizmas nėra visiškai išaiškintas Manoma kad svarbiausia Žemės
magnetinio lauko priežastis ndash jos skystame branduolyje judančios konvekcinės daugybės elektringųjų
dalelių srovės Laikui bėgant Žemės magnetinių polių padėtis kinta Žemės geografinis ašigalis
nesutampa su jos magnetiniais poliais Pietinis magnetinis polius yra Šiauriniame pusrutulyje Kanados
salyne o šiaurinis magnetinis polius ndash Pietiniame pusrutulyje
Uždavinių sprendimo pavyzdžiai
1 pavyzdys
Ant vienos lemputės užrašyta 40 W ir 220 V o ant kitos 100 W ir 220 V Kurioje šių lempučių
sujungus jas lygiagrečiai išsiskiria daugiau šilumos Kiek kartų
Išsiskyręs šilumos kiekis skaičiuojamas pagal formulę
2
tR
UQ 1
nes įtampa ta pati Todėl
2
1
2
2
1
2
1
2
2
2
1
2
R
R
tUR
RtU
R
tU
R
tU
Q
Q 2
Lempučių varžą apskaičiuosime pagal formulę
111 pav
112 pav
B
P1 40 W
P2 100 W
U 220 V 1
2
Q
Q
9
2
P
UR 3
Pagal 3 apskaičiuojame ir gauname kad R1 1210 o R2 484 todėl iš 2
521
2 Q
Q
Atsakymas antrojoje lemputėje Q2Q1 25
2 pavyzdys
Iš sidabro nitrato tirpalo kurio varža 08 Ω per 2 h elektrolizės būdu išsiskyrė 40 g sidabro
Sidabro elektrocheminis ekvivalentas k = 11210-6
kgC Kokia galia buvo naudojama šildyti
tirpalui
Naudojamą galią P rasime pagal formulę
2 RIP 1
Srovės stiprį I išsireikšime iš elektrolizės dėsnio
tk
mI
2
Iš 1 ir 2 formulių gausime
22
2
tk
RmP
Apskaičiuojame galią P 20 W
Atsakymas P 20 W
3 pavyzdys
Viename kalorimetre yra vanduo o antrame ndash tokios pat masės nežinomas skystis Į
kalorimetrus įdėtos vienodos kaitinimo spiralės kurios sujungtos nuosekliai Koks tai skystis
jeigu kaitinant po tam tikro laiko vandens temperatūra pakilo 2 degC o skysčio 4 degC Vandens
savitoji šiluma 4200 J(kgC)
Srovė tekėdama pirmu ir antru kalorimetru išskirs vienodą šilumos kiekį
2
1 tRIQ 1
2
2 tRIQ 2
čia R ndash vienos spiralės varža I ndash srovės stipris Šis šilumos kiekis bus naudojamas vandeniui ir
nežinomam skysčiui šildyti
Δ 111 tmcQ 3
Δ 222 tmcQ 4
P R 08
m 40 g 004 kg
t 2 h 7200 s
k 11210-6
kgC
c2 c1 4200 JkgC
t 2 C
t 4 C
10
Sulyginę 1 ir 3 2 ir 4 formulių išraiškas gauname 5 6 ir 7
Δ 11
2 tmctRI 5
22
2 Δ tmctRI 6
Iš čia 1122 Δ Δ tmctmc 7
Nežinomo skysčio savitoji šiluma bus
Δ
Δ
2
112
t
tcc
Ckg
J 21002
c
Tokia savitoji šiluma mineralinės alyvos
Atsakymas mineralinė alyva c2 2100 JkgC
I TURO UŽDUOTYS
1 Šeimininkei lyginant skalbinius suskambo telefonas ir ji neišjungusi lygintuvo pradėjo pokalbį Kiek
elektros energijos per 30 min suvartos 1200 W galios lygintuvas paliktas įjungtas į 220 V įtampos
tinklą Apskaičiuokite lygintuvo varžą naudojamos srovės stiprį suvartotą elektros energiją ir kiek
padidės mokestis už elektrą jei 1 kWh kainuoja 0474 Lt
2 Ant vienos lemputės užrašyta 40 W ir 220 V o ant kitos 100 W ir 220 V Palyginkite nuosekliai
sujungtų lempučių galią Kokio stiprio srovė teka šioje grandinėje
3 Elektrinės viryklės kaitinimo spiralė buvo sutrumpinta 01 pradinio ilgio dalimi Kiek pakito jo galia
jei jis jungiamas prie tos pačios įtampos
4 Kiek elektronų pratekės per 01 s žibintuvėlio lemputės siūlu jei 15 W lemputė prijungta prie 45 V
įtampos šaltinio
5 Vienos degančios elektros lempos varža 450 Ω Kiek tokių lempų lygiagrečiai įjungta į 220 V
įtampos tinklą jei jų vartojamoji galia 162 kW
6 Židinio kaitinimo elementas padarytas iš 35 m ilgio nichrominės 05 mm skersmens vielos Kokią
galią vartoja židinys įjungtas į 220 V įtampos tinkląNichromo savitoji varža 10510-8 Ωm
7 Kaip pakis laidininke išsiskiriančios šilumos kiekis jei laidininko varžą sumažinsime tris kartus
8 Kodėl metalų laidumas mažiau priklauso nuo priemaišų negu puslaidininkių laidumas
9 Kiek laiko turi tekėti 05 A stiprio srovė kad sidabruojant 200 cm2 paviršiaus ploto dirbinį jis
pasidengtų 20 microm storio sluoksniu Sidabro elektrocheminis ekvivalentas k = 112 10-6
kgC
10 Kiek elektros energijos sunaudojama 1 kg aliuminio gauti jeigu elektrolizės proceso įtampa 14 V
o naudingumo koeficientas 75 Aliuminio elektrocheminis ekvivalentas k = 0093 10-6
kgC
11
I1
I2
15 pav
14 pav
11 Elektros lempa nuosekliai įjungta į elektros grandinę kartu su elektros vonele kurioje yra silpnas
valgomosios druskos tirpalas Paaiškinkite kaip pasikeis šviečiančios lemputės ryškumas į vonelę
įbėrus druskos
12 Elektrolizės būdu išskiriant varį suvartota A = 5 kWh elektros energijos Apskaičiuokite
išsiskyrusio vario masę kai įtampa tarp elektrodų U = 10V naudingumo koeficientas ƞ = 75 o vario
elektrocheminis ekvivalentas k = 033 10-6
kgC
13 Kokio ilgio nichrominį laidininką kurio skerspjūvio plotas 01 mm2 reikia paimti kad galėtume
padaryti kaitinamąjį elementą kuris per 5 min galėtų užvirinti 15 ℓ vandens Vandens temperatūra
20 oC įtampa grandinėje 220 V Kaitinamojo element naudingumo koeficientas 09
14 1600 kg masės greitasis liftas kyla 10 ms greičiu
Variklio gnybtų įtampa 380 V naudingumo koeficientas
lygus 09 Kokio stiprio srovę vartoja variklis ir kokia jo
galia
15 Ilgainiui automobilio žibintų kaitrinės lempos kaitinimo
siūlelis plonėja nes nuo jo paviršiaus garuoja ir virsta
dulkėmis medžiaga Kokios tai turi įtakos lempos
vartojamai galiai Kuo halogeninės žibintų lempos
pranašesnės už kaitrines
16 Kokiomis savybėmis pasižymi šiuolaikinių automobilių
žibintams naudojamos ksenoninės lempos
17 Nubrėžta dujų išlydžio voltamperinė charakteristika (13 pav) Kurioje dalyje galima taikyti Omo
dėsnį Ar taške D tekant srovei reikalingas išorinis jonizatorius
18 Kabelį sudaro du laidininkai centrinis ir išorinis (14 pav pavaizduotas
skersinis pjūvis centriniame laidininke srovė teka nuo mūsų o išoriniame ndash į
mus) Ar apie kabelį susidaro magnetinis
laukas kai centriniu ir išoriniu laidininku teka
a) vienodo stiprio ir priešingos krypties srovės
b) kai srovės yra vienodos krypties
19 Paaiškinkite dviejų statmenų laidų
(15 pav) kuriais teka parodytų krypčių I1 ir I2
stiprio elektros srovės magnetinę sąveiką Kaip
judės antrasis laidas kai pakeisime juo tekančios elektros srovės
kryptį
20 30 Ω ir 50 Ω varžų rezistoriai sujungti lygiagrečiai ir prijungti prie nuolatinės įtampos šaltinio
Antrame rezistoriuje išsiskyrė 600 kJ šilumos kiekis Koks šilumos kiekis per tą laiką išsiskyrė
pirmame rezistoriuje
II turo metodinius nurodymus ir užduotis gausite su I turo sprendimų įvertinimu
13 pav
12
Lietuvos fizikų draugija
Šiaulių universiteto
jaunųjų fizikų mokykla bdquoFOTONASldquo
Lina Senkuvienė
III kurso I turo užduotys ir metodiniai nurodymai
2014ndash2015 mokslo metai
Rinko ir maketavo Irma Bolskytė
5
kiekvieno atomo išorinis elektronų sluoksnis (12 pav) Išorinio elektrinio lauko veikiami elektronai
nejuda nuo atomo prie atomo ir silicio kristalas žemoje temperatūroje nepraleidžia elektros srovės
Kaitinant silicį kai kurie jo elektronai įgyja pakankamai energijos ir dalis kovalentinių jungčių
suyra Kristale atsiranda laisvųjų elektronų kurie išorinio lauko veikiami juda kristale ir sukuria
elektrinio laidumo srovę Toks puslaidininkių laidumas vadinamas elektroniniu laidumu
Elektronui ištrūkus iš atomo išorinio sluoksnio jame lieka laisva elektrono vieta turinti
perteklinį teigiamą krūvį Ji vadinama skyle į kurią gali peršokti elektronas iš gretimo atomo
palikdamas skylę kitoje vietoje Kristalui atsidūrus elektriniame lauke skylės ir elektronai pradeda
judėti kryptingai (13 pav) ndash atsiranda skylinio ir elektroninio laidumo srovė
Puslaidininkių laidumas labai padidėja įterpus priemaišų (kitų cheminių elementų atomų) Tada
šalia savojo laidumo atsiranda papildomas ndash priemaišinis laidumas Keičiant priemaišų koncentraciją
galima gerokai pakeisti vieno ar kito ženklo krūvininkų skaičių ir pagaminti puslaidininkius su
vyraujančia neigiamų arba teigiamų krūvininkų koncentracija
Priemaišos lengvai atiduodančios elektronus kartu padidindamos laisvųjų elektronų skaičių
vadinamos donorinėmis o tokie puslaidininkiai n tipo puslaidininkiais Jų pagrindiniai krūvininkai
yra elektronai
Priemaišos sukuriančios skylinį laidumą vadinamos akceptorinėmis priemaišomis o tokie
puslaidininkiai kuriuose vyrauja skylinis laidumas vadinami p tipo puslaidininkiais
n ir p tipo puslaidininkiai plačiai naudojami puslaidininkiniuose prietaisuose
Puslaidininkinių prietaisų veikimas pagrįstas p ir n tipo puslaidininkių sąlyčio savybėmis
Įjungiant į grandinę pn sandūrą prie p tipo puslaidininkio jungiamas teigiamas šaltinio polius o prie n
ndash neigiamas (tiesioginė sandūra) abiejų tipų puslaidininkiuose srovę sudaro pagrindiniai krūvininkai
todėl sandūros varža maža (14 pav)
Jeigu šaltinio polius prijungsime atvirkščiai ndash prie p neigiamą o prie n teigiamą (atbulinė
sandūra) tai srovę sudarys nepagrindiniai krūvininkai o sandūros varža bus didelė (15 pav)
Kaip matome sandūros laidumas priešingomis kryptimis smarkiai skiriasi
Taigi pn sandūrai būdingas vienpusis laidumas Puslaidininkinis diodas elektrinėse schemose
žymimas taip simbolio smailės kryptis sutampa su laidžiąja srovės kryptimi (16 pav)
ELEKTROS SROVĖ SKYSČIUOSE
Medžiagos kurių vandeniniai tirpalai arba lydalai praleidžia elektros srovę vadinamos
elektrolitais o tirpinamų junginių skaidymasis į jonus vadinamas elektrolitine disociacija Priešingas
disociacijai procesas vadinamas jonų rekombinacija
- p n +
14 pav
p n - +
15 pav 16 pav
12 pav 13 pav
6
Nesant išorinio elektrinio lauko tirpalo jonai ir
molekulės juda chaotiškai Atsiradus tirpale
elektriniam laukui atsiranda ir kryptingas jonų
judėjimas teigiami jonai juda link neigiamo
elektrodo vadinamo katodu o neigiami jonai ndash link
teigiamo elektrodo vadinamo anodu
Kiekviename elektrolite elektros srovę sukuria
teigiamieji ir neigiamieji jonai t y įelektrinti
medžiagos atomai bei molekulės Šie du priešingi
jonų srautai ir sudaro elektros srovę elektrolituose
(17 pav) Elektrolitų laidumas yra joninis
Medžiagos išsiskyrimas ant elektrodų tekant
elektros srovei elektrolitų tirpalais ar lydalais vadinamas elektrolize Ant elektrodo nusėdusios
medžiagos masė m yra proporcinga srovės stipriui I jos tekėjimo laikui ir priklauso nuo medžiagos
rūšies (Faradėjaus elektrolizės dėsnis)
m = k I t (16)
Dydis k vadinamas tam tikros medžiagos elektrocheminiu ekvivalentu ir išreiškiamas kilogramais
kulonui (kgC)
Atsižvelgę į tai kad I t= q elektrolizės dėsnį užrašyti galime taip
m = k q (17)
Ant elektrodo išsiskyrusios medžiagos masė yra tiesiogiai proporcinga pratekėjusiam elektros
krūviui
ELEKTROS SROVĖ DUJOSE
Normaliomis sąlygomis dujos yra blogi laidininkai ndash jose laisvų krūvininkų praktiškai nėra
Pakanka per milimetro dalį atitraukti vieną laidą nuo kito kad liautųsi tekėjusi srovė Sudarius
grandinėje kelių centimetrų oro tarpą elektros srovė netekės (18 pav) Kad jomis tekėtų elektros
srovė dujų molekules ir atomus reikia jonizuoti ndash atplėšti nuo jų bent po vieną elektroną Dujas galima
jonizuoti švitinant oro tarpą ultravioletiniais Rentgeno arba radioaktyviųjų medžiagų skleidžiamais
spinduliais Kaitinant arba apšviečiant dujas dalis atomų jonizuojasi ndash suskyla į teigiamuosius jonus ir
elektronus Oro tarpe atsiranda elektringų dalelių ndash krūvininkų Aukštoje temperatūroje dujų molekulės
įgyja tokią didelę energiją kad susidurdamos išmuša elektronus ndash jonizuoja viena kitą Netekusios
elektronų molekulės tampa teigiamais jonais Atskilę elektronai skrieja vieni arba prisijungia prie
neutralių molekulių ir sudaro neigiamus jonus Taigi dujų elektrinį laidumą sąlygoja teigiamieji
neigiamieji jonai ir elektronai (19 pav)
17 pav
18 pav
19 pav
7
Susitikęs teigiamas jonas ir elektronas gali susijungti į neutralius atomus arba molekules įvyksta
rekombinacija Elektros srovės tekėjimas dujose vadinamas išlydžiu
ELEKTROS SROVĖ VAKUUME
Retinant dujas dalelių susidūrimo tikimybė ypač mažėja Kai inde lieka tiek mažai molekulių
kad jos praktiškai nesusiduria sakome kad inde yra vakuumas (tuštuma) Tam tikromis sąlygomis
srovė gali tekėti ir vakuumu Tai vyksta elektrininėse lempose elektrininiame vamzdyje Paprasčiausia
lempa - vakuuminis diodas yra sudarytas iš katodo kaitinamojo siūlelio anodo ir indo iš kurio
išsiurbtas oras Diode vienas iš elektrodų (katodas) kaitinamas Dėl to vyksta termoelektroninė emisija
Įkaitęs elektrodas išspinduliuoja elektronus Katodą gali kaitinti juo tekanti elektros srovė arba
kaitinimo siūlelis
Diodas pasižymi vienpusiu laidumu Jeigu katodas yra prijungtas prie neigiamo šaltinio poliaus
tai srovė grandinėje teka Dėl termoelektroninės emisijos išspinduliuoti elektronai veikiami elektrinio
lauko judės link anodo Kuo didesnė įtampa tuo daugiau elektronų pasieks anodą tuo stipresnė tekės
srovė Kai visi elektronai išspinduliuoti per laiko tarpą pasieks anodą turėsime soties srovę
Jeigu katodas prijungtas prie teigiamo šaltinio poliaus srovė neteka Išspinduliuoti elektronai
grįžta atgal į katodą
Elektroninio vamzdžio veikimas pagrįstas termoelektronine emisija ir elektronų judėjimu
vakuume Priekinė indo sienelė ndash ekranas padengtas liuminoforu 110 pav Priešingoje indo pusėje
įmontuotas elektronų prožektorius Elektronų prožektorių sudaro kaitinimo siūlelis katodas ir du
cilindro formos anodai Kadangi anodai yra tuščiavidurių cilindrų formos didžioji dalis elektronų
pralekia per juos ir sudaro elektronų pluoštą Atsimušęs į liuminoforu padengtą ekraną pluoštelis toje
vietoje sukelia švytėjimą
Elektronų pluoštas pralekia dvi lygiagrečių plokščių poras Vertikalios plokštelės nukreipia
elektronus horizontalia kryptimi o horizontalios plokštelės ndash vertikalia Taip keisdami įtampą tarp
plokščių elektronų pluoštą galime nukreipti į bet kurią ekrano vietą
ELEKTROS SROVĖS MAGNETINIS LAUKAS
Nejudantys elektros krūviai sukuria elektrinį lauką judantys elektros krūviai ir kintantis
elektrinis laukas sukuria magnetinį lauką Magnetinė rodyklė patekusi į magnetinį lauką orientuojasi
tam tikra kryptimi Linijos išilgai kurių išsidėsto magnetinės rodyklės vadinamos magnetinio lauko
linijomis arba magnetinėmis linijomis Šių linijų kryptimi susitarta laikyti kryptį kurią rodo
magnetinės rodyklės šiaurinis polius N Tiesiu laidininku tekančios elektros srovės magnetinio lauko
kryptis nusakoma pagal dešinės rankos taisyklę jeigu laidininką kuriuo teka srovė apimsime dešine
ranka taip kad ištiestas nykštys rodytų srovės kryptį tai keturi sulenkti pirštai rodys magnetinių linijų
kryptį (111 pav)
110 pav
8
Ritė kuria teka srovė virsta magnetu Ji turi šiaurinį N ir pietinį S polių (112 pav) Ritė kurios
viduje yra geležinė šerdis vadinama elektromagnetu Kai rite teka srovė elektromagneto šerdis
įsimagnetina ir sustiprina magnetinį lauką
Laidininką kuriuo teka elektros srovė patekusį į magnetinį lauką veikia tam tikra jėga kurios
kryptį galime nustatyti pagal kairiosios rankos taisyklę jei kairioji ranka laikoma taip kad magnetinio
lauko jėgų linijos sueina į delną o keturi ištiesti pirštai rodo elektros srovės kryptį tai 90o kampu
atlenktas nykštys rodo laidininką veikiančios jėgos kryptį
Žemė taip pat turi magnetinį lauką ir bet kurioje jos vietoje padėta magnetinė rodyklė gali
laisvai sukiotis Žemės magnetizmas nėra visiškai išaiškintas Manoma kad svarbiausia Žemės
magnetinio lauko priežastis ndash jos skystame branduolyje judančios konvekcinės daugybės elektringųjų
dalelių srovės Laikui bėgant Žemės magnetinių polių padėtis kinta Žemės geografinis ašigalis
nesutampa su jos magnetiniais poliais Pietinis magnetinis polius yra Šiauriniame pusrutulyje Kanados
salyne o šiaurinis magnetinis polius ndash Pietiniame pusrutulyje
Uždavinių sprendimo pavyzdžiai
1 pavyzdys
Ant vienos lemputės užrašyta 40 W ir 220 V o ant kitos 100 W ir 220 V Kurioje šių lempučių
sujungus jas lygiagrečiai išsiskiria daugiau šilumos Kiek kartų
Išsiskyręs šilumos kiekis skaičiuojamas pagal formulę
2
tR
UQ 1
nes įtampa ta pati Todėl
2
1
2
2
1
2
1
2
2
2
1
2
R
R
tUR
RtU
R
tU
R
tU
Q
Q 2
Lempučių varžą apskaičiuosime pagal formulę
111 pav
112 pav
B
P1 40 W
P2 100 W
U 220 V 1
2
Q
Q
9
2
P
UR 3
Pagal 3 apskaičiuojame ir gauname kad R1 1210 o R2 484 todėl iš 2
521
2 Q
Q
Atsakymas antrojoje lemputėje Q2Q1 25
2 pavyzdys
Iš sidabro nitrato tirpalo kurio varža 08 Ω per 2 h elektrolizės būdu išsiskyrė 40 g sidabro
Sidabro elektrocheminis ekvivalentas k = 11210-6
kgC Kokia galia buvo naudojama šildyti
tirpalui
Naudojamą galią P rasime pagal formulę
2 RIP 1
Srovės stiprį I išsireikšime iš elektrolizės dėsnio
tk
mI
2
Iš 1 ir 2 formulių gausime
22
2
tk
RmP
Apskaičiuojame galią P 20 W
Atsakymas P 20 W
3 pavyzdys
Viename kalorimetre yra vanduo o antrame ndash tokios pat masės nežinomas skystis Į
kalorimetrus įdėtos vienodos kaitinimo spiralės kurios sujungtos nuosekliai Koks tai skystis
jeigu kaitinant po tam tikro laiko vandens temperatūra pakilo 2 degC o skysčio 4 degC Vandens
savitoji šiluma 4200 J(kgC)
Srovė tekėdama pirmu ir antru kalorimetru išskirs vienodą šilumos kiekį
2
1 tRIQ 1
2
2 tRIQ 2
čia R ndash vienos spiralės varža I ndash srovės stipris Šis šilumos kiekis bus naudojamas vandeniui ir
nežinomam skysčiui šildyti
Δ 111 tmcQ 3
Δ 222 tmcQ 4
P R 08
m 40 g 004 kg
t 2 h 7200 s
k 11210-6
kgC
c2 c1 4200 JkgC
t 2 C
t 4 C
10
Sulyginę 1 ir 3 2 ir 4 formulių išraiškas gauname 5 6 ir 7
Δ 11
2 tmctRI 5
22
2 Δ tmctRI 6
Iš čia 1122 Δ Δ tmctmc 7
Nežinomo skysčio savitoji šiluma bus
Δ
Δ
2
112
t
tcc
Ckg
J 21002
c
Tokia savitoji šiluma mineralinės alyvos
Atsakymas mineralinė alyva c2 2100 JkgC
I TURO UŽDUOTYS
1 Šeimininkei lyginant skalbinius suskambo telefonas ir ji neišjungusi lygintuvo pradėjo pokalbį Kiek
elektros energijos per 30 min suvartos 1200 W galios lygintuvas paliktas įjungtas į 220 V įtampos
tinklą Apskaičiuokite lygintuvo varžą naudojamos srovės stiprį suvartotą elektros energiją ir kiek
padidės mokestis už elektrą jei 1 kWh kainuoja 0474 Lt
2 Ant vienos lemputės užrašyta 40 W ir 220 V o ant kitos 100 W ir 220 V Palyginkite nuosekliai
sujungtų lempučių galią Kokio stiprio srovė teka šioje grandinėje
3 Elektrinės viryklės kaitinimo spiralė buvo sutrumpinta 01 pradinio ilgio dalimi Kiek pakito jo galia
jei jis jungiamas prie tos pačios įtampos
4 Kiek elektronų pratekės per 01 s žibintuvėlio lemputės siūlu jei 15 W lemputė prijungta prie 45 V
įtampos šaltinio
5 Vienos degančios elektros lempos varža 450 Ω Kiek tokių lempų lygiagrečiai įjungta į 220 V
įtampos tinklą jei jų vartojamoji galia 162 kW
6 Židinio kaitinimo elementas padarytas iš 35 m ilgio nichrominės 05 mm skersmens vielos Kokią
galią vartoja židinys įjungtas į 220 V įtampos tinkląNichromo savitoji varža 10510-8 Ωm
7 Kaip pakis laidininke išsiskiriančios šilumos kiekis jei laidininko varžą sumažinsime tris kartus
8 Kodėl metalų laidumas mažiau priklauso nuo priemaišų negu puslaidininkių laidumas
9 Kiek laiko turi tekėti 05 A stiprio srovė kad sidabruojant 200 cm2 paviršiaus ploto dirbinį jis
pasidengtų 20 microm storio sluoksniu Sidabro elektrocheminis ekvivalentas k = 112 10-6
kgC
10 Kiek elektros energijos sunaudojama 1 kg aliuminio gauti jeigu elektrolizės proceso įtampa 14 V
o naudingumo koeficientas 75 Aliuminio elektrocheminis ekvivalentas k = 0093 10-6
kgC
11
I1
I2
15 pav
14 pav
11 Elektros lempa nuosekliai įjungta į elektros grandinę kartu su elektros vonele kurioje yra silpnas
valgomosios druskos tirpalas Paaiškinkite kaip pasikeis šviečiančios lemputės ryškumas į vonelę
įbėrus druskos
12 Elektrolizės būdu išskiriant varį suvartota A = 5 kWh elektros energijos Apskaičiuokite
išsiskyrusio vario masę kai įtampa tarp elektrodų U = 10V naudingumo koeficientas ƞ = 75 o vario
elektrocheminis ekvivalentas k = 033 10-6
kgC
13 Kokio ilgio nichrominį laidininką kurio skerspjūvio plotas 01 mm2 reikia paimti kad galėtume
padaryti kaitinamąjį elementą kuris per 5 min galėtų užvirinti 15 ℓ vandens Vandens temperatūra
20 oC įtampa grandinėje 220 V Kaitinamojo element naudingumo koeficientas 09
14 1600 kg masės greitasis liftas kyla 10 ms greičiu
Variklio gnybtų įtampa 380 V naudingumo koeficientas
lygus 09 Kokio stiprio srovę vartoja variklis ir kokia jo
galia
15 Ilgainiui automobilio žibintų kaitrinės lempos kaitinimo
siūlelis plonėja nes nuo jo paviršiaus garuoja ir virsta
dulkėmis medžiaga Kokios tai turi įtakos lempos
vartojamai galiai Kuo halogeninės žibintų lempos
pranašesnės už kaitrines
16 Kokiomis savybėmis pasižymi šiuolaikinių automobilių
žibintams naudojamos ksenoninės lempos
17 Nubrėžta dujų išlydžio voltamperinė charakteristika (13 pav) Kurioje dalyje galima taikyti Omo
dėsnį Ar taške D tekant srovei reikalingas išorinis jonizatorius
18 Kabelį sudaro du laidininkai centrinis ir išorinis (14 pav pavaizduotas
skersinis pjūvis centriniame laidininke srovė teka nuo mūsų o išoriniame ndash į
mus) Ar apie kabelį susidaro magnetinis
laukas kai centriniu ir išoriniu laidininku teka
a) vienodo stiprio ir priešingos krypties srovės
b) kai srovės yra vienodos krypties
19 Paaiškinkite dviejų statmenų laidų
(15 pav) kuriais teka parodytų krypčių I1 ir I2
stiprio elektros srovės magnetinę sąveiką Kaip
judės antrasis laidas kai pakeisime juo tekančios elektros srovės
kryptį
20 30 Ω ir 50 Ω varžų rezistoriai sujungti lygiagrečiai ir prijungti prie nuolatinės įtampos šaltinio
Antrame rezistoriuje išsiskyrė 600 kJ šilumos kiekis Koks šilumos kiekis per tą laiką išsiskyrė
pirmame rezistoriuje
II turo metodinius nurodymus ir užduotis gausite su I turo sprendimų įvertinimu
13 pav
12
Lietuvos fizikų draugija
Šiaulių universiteto
jaunųjų fizikų mokykla bdquoFOTONASldquo
Lina Senkuvienė
III kurso I turo užduotys ir metodiniai nurodymai
2014ndash2015 mokslo metai
Rinko ir maketavo Irma Bolskytė
6
Nesant išorinio elektrinio lauko tirpalo jonai ir
molekulės juda chaotiškai Atsiradus tirpale
elektriniam laukui atsiranda ir kryptingas jonų
judėjimas teigiami jonai juda link neigiamo
elektrodo vadinamo katodu o neigiami jonai ndash link
teigiamo elektrodo vadinamo anodu
Kiekviename elektrolite elektros srovę sukuria
teigiamieji ir neigiamieji jonai t y įelektrinti
medžiagos atomai bei molekulės Šie du priešingi
jonų srautai ir sudaro elektros srovę elektrolituose
(17 pav) Elektrolitų laidumas yra joninis
Medžiagos išsiskyrimas ant elektrodų tekant
elektros srovei elektrolitų tirpalais ar lydalais vadinamas elektrolize Ant elektrodo nusėdusios
medžiagos masė m yra proporcinga srovės stipriui I jos tekėjimo laikui ir priklauso nuo medžiagos
rūšies (Faradėjaus elektrolizės dėsnis)
m = k I t (16)
Dydis k vadinamas tam tikros medžiagos elektrocheminiu ekvivalentu ir išreiškiamas kilogramais
kulonui (kgC)
Atsižvelgę į tai kad I t= q elektrolizės dėsnį užrašyti galime taip
m = k q (17)
Ant elektrodo išsiskyrusios medžiagos masė yra tiesiogiai proporcinga pratekėjusiam elektros
krūviui
ELEKTROS SROVĖ DUJOSE
Normaliomis sąlygomis dujos yra blogi laidininkai ndash jose laisvų krūvininkų praktiškai nėra
Pakanka per milimetro dalį atitraukti vieną laidą nuo kito kad liautųsi tekėjusi srovė Sudarius
grandinėje kelių centimetrų oro tarpą elektros srovė netekės (18 pav) Kad jomis tekėtų elektros
srovė dujų molekules ir atomus reikia jonizuoti ndash atplėšti nuo jų bent po vieną elektroną Dujas galima
jonizuoti švitinant oro tarpą ultravioletiniais Rentgeno arba radioaktyviųjų medžiagų skleidžiamais
spinduliais Kaitinant arba apšviečiant dujas dalis atomų jonizuojasi ndash suskyla į teigiamuosius jonus ir
elektronus Oro tarpe atsiranda elektringų dalelių ndash krūvininkų Aukštoje temperatūroje dujų molekulės
įgyja tokią didelę energiją kad susidurdamos išmuša elektronus ndash jonizuoja viena kitą Netekusios
elektronų molekulės tampa teigiamais jonais Atskilę elektronai skrieja vieni arba prisijungia prie
neutralių molekulių ir sudaro neigiamus jonus Taigi dujų elektrinį laidumą sąlygoja teigiamieji
neigiamieji jonai ir elektronai (19 pav)
17 pav
18 pav
19 pav
7
Susitikęs teigiamas jonas ir elektronas gali susijungti į neutralius atomus arba molekules įvyksta
rekombinacija Elektros srovės tekėjimas dujose vadinamas išlydžiu
ELEKTROS SROVĖ VAKUUME
Retinant dujas dalelių susidūrimo tikimybė ypač mažėja Kai inde lieka tiek mažai molekulių
kad jos praktiškai nesusiduria sakome kad inde yra vakuumas (tuštuma) Tam tikromis sąlygomis
srovė gali tekėti ir vakuumu Tai vyksta elektrininėse lempose elektrininiame vamzdyje Paprasčiausia
lempa - vakuuminis diodas yra sudarytas iš katodo kaitinamojo siūlelio anodo ir indo iš kurio
išsiurbtas oras Diode vienas iš elektrodų (katodas) kaitinamas Dėl to vyksta termoelektroninė emisija
Įkaitęs elektrodas išspinduliuoja elektronus Katodą gali kaitinti juo tekanti elektros srovė arba
kaitinimo siūlelis
Diodas pasižymi vienpusiu laidumu Jeigu katodas yra prijungtas prie neigiamo šaltinio poliaus
tai srovė grandinėje teka Dėl termoelektroninės emisijos išspinduliuoti elektronai veikiami elektrinio
lauko judės link anodo Kuo didesnė įtampa tuo daugiau elektronų pasieks anodą tuo stipresnė tekės
srovė Kai visi elektronai išspinduliuoti per laiko tarpą pasieks anodą turėsime soties srovę
Jeigu katodas prijungtas prie teigiamo šaltinio poliaus srovė neteka Išspinduliuoti elektronai
grįžta atgal į katodą
Elektroninio vamzdžio veikimas pagrįstas termoelektronine emisija ir elektronų judėjimu
vakuume Priekinė indo sienelė ndash ekranas padengtas liuminoforu 110 pav Priešingoje indo pusėje
įmontuotas elektronų prožektorius Elektronų prožektorių sudaro kaitinimo siūlelis katodas ir du
cilindro formos anodai Kadangi anodai yra tuščiavidurių cilindrų formos didžioji dalis elektronų
pralekia per juos ir sudaro elektronų pluoštą Atsimušęs į liuminoforu padengtą ekraną pluoštelis toje
vietoje sukelia švytėjimą
Elektronų pluoštas pralekia dvi lygiagrečių plokščių poras Vertikalios plokštelės nukreipia
elektronus horizontalia kryptimi o horizontalios plokštelės ndash vertikalia Taip keisdami įtampą tarp
plokščių elektronų pluoštą galime nukreipti į bet kurią ekrano vietą
ELEKTROS SROVĖS MAGNETINIS LAUKAS
Nejudantys elektros krūviai sukuria elektrinį lauką judantys elektros krūviai ir kintantis
elektrinis laukas sukuria magnetinį lauką Magnetinė rodyklė patekusi į magnetinį lauką orientuojasi
tam tikra kryptimi Linijos išilgai kurių išsidėsto magnetinės rodyklės vadinamos magnetinio lauko
linijomis arba magnetinėmis linijomis Šių linijų kryptimi susitarta laikyti kryptį kurią rodo
magnetinės rodyklės šiaurinis polius N Tiesiu laidininku tekančios elektros srovės magnetinio lauko
kryptis nusakoma pagal dešinės rankos taisyklę jeigu laidininką kuriuo teka srovė apimsime dešine
ranka taip kad ištiestas nykštys rodytų srovės kryptį tai keturi sulenkti pirštai rodys magnetinių linijų
kryptį (111 pav)
110 pav
8
Ritė kuria teka srovė virsta magnetu Ji turi šiaurinį N ir pietinį S polių (112 pav) Ritė kurios
viduje yra geležinė šerdis vadinama elektromagnetu Kai rite teka srovė elektromagneto šerdis
įsimagnetina ir sustiprina magnetinį lauką
Laidininką kuriuo teka elektros srovė patekusį į magnetinį lauką veikia tam tikra jėga kurios
kryptį galime nustatyti pagal kairiosios rankos taisyklę jei kairioji ranka laikoma taip kad magnetinio
lauko jėgų linijos sueina į delną o keturi ištiesti pirštai rodo elektros srovės kryptį tai 90o kampu
atlenktas nykštys rodo laidininką veikiančios jėgos kryptį
Žemė taip pat turi magnetinį lauką ir bet kurioje jos vietoje padėta magnetinė rodyklė gali
laisvai sukiotis Žemės magnetizmas nėra visiškai išaiškintas Manoma kad svarbiausia Žemės
magnetinio lauko priežastis ndash jos skystame branduolyje judančios konvekcinės daugybės elektringųjų
dalelių srovės Laikui bėgant Žemės magnetinių polių padėtis kinta Žemės geografinis ašigalis
nesutampa su jos magnetiniais poliais Pietinis magnetinis polius yra Šiauriniame pusrutulyje Kanados
salyne o šiaurinis magnetinis polius ndash Pietiniame pusrutulyje
Uždavinių sprendimo pavyzdžiai
1 pavyzdys
Ant vienos lemputės užrašyta 40 W ir 220 V o ant kitos 100 W ir 220 V Kurioje šių lempučių
sujungus jas lygiagrečiai išsiskiria daugiau šilumos Kiek kartų
Išsiskyręs šilumos kiekis skaičiuojamas pagal formulę
2
tR
UQ 1
nes įtampa ta pati Todėl
2
1
2
2
1
2
1
2
2
2
1
2
R
R
tUR
RtU
R
tU
R
tU
Q
Q 2
Lempučių varžą apskaičiuosime pagal formulę
111 pav
112 pav
B
P1 40 W
P2 100 W
U 220 V 1
2
Q
Q
9
2
P
UR 3
Pagal 3 apskaičiuojame ir gauname kad R1 1210 o R2 484 todėl iš 2
521
2 Q
Q
Atsakymas antrojoje lemputėje Q2Q1 25
2 pavyzdys
Iš sidabro nitrato tirpalo kurio varža 08 Ω per 2 h elektrolizės būdu išsiskyrė 40 g sidabro
Sidabro elektrocheminis ekvivalentas k = 11210-6
kgC Kokia galia buvo naudojama šildyti
tirpalui
Naudojamą galią P rasime pagal formulę
2 RIP 1
Srovės stiprį I išsireikšime iš elektrolizės dėsnio
tk
mI
2
Iš 1 ir 2 formulių gausime
22
2
tk
RmP
Apskaičiuojame galią P 20 W
Atsakymas P 20 W
3 pavyzdys
Viename kalorimetre yra vanduo o antrame ndash tokios pat masės nežinomas skystis Į
kalorimetrus įdėtos vienodos kaitinimo spiralės kurios sujungtos nuosekliai Koks tai skystis
jeigu kaitinant po tam tikro laiko vandens temperatūra pakilo 2 degC o skysčio 4 degC Vandens
savitoji šiluma 4200 J(kgC)
Srovė tekėdama pirmu ir antru kalorimetru išskirs vienodą šilumos kiekį
2
1 tRIQ 1
2
2 tRIQ 2
čia R ndash vienos spiralės varža I ndash srovės stipris Šis šilumos kiekis bus naudojamas vandeniui ir
nežinomam skysčiui šildyti
Δ 111 tmcQ 3
Δ 222 tmcQ 4
P R 08
m 40 g 004 kg
t 2 h 7200 s
k 11210-6
kgC
c2 c1 4200 JkgC
t 2 C
t 4 C
10
Sulyginę 1 ir 3 2 ir 4 formulių išraiškas gauname 5 6 ir 7
Δ 11
2 tmctRI 5
22
2 Δ tmctRI 6
Iš čia 1122 Δ Δ tmctmc 7
Nežinomo skysčio savitoji šiluma bus
Δ
Δ
2
112
t
tcc
Ckg
J 21002
c
Tokia savitoji šiluma mineralinės alyvos
Atsakymas mineralinė alyva c2 2100 JkgC
I TURO UŽDUOTYS
1 Šeimininkei lyginant skalbinius suskambo telefonas ir ji neišjungusi lygintuvo pradėjo pokalbį Kiek
elektros energijos per 30 min suvartos 1200 W galios lygintuvas paliktas įjungtas į 220 V įtampos
tinklą Apskaičiuokite lygintuvo varžą naudojamos srovės stiprį suvartotą elektros energiją ir kiek
padidės mokestis už elektrą jei 1 kWh kainuoja 0474 Lt
2 Ant vienos lemputės užrašyta 40 W ir 220 V o ant kitos 100 W ir 220 V Palyginkite nuosekliai
sujungtų lempučių galią Kokio stiprio srovė teka šioje grandinėje
3 Elektrinės viryklės kaitinimo spiralė buvo sutrumpinta 01 pradinio ilgio dalimi Kiek pakito jo galia
jei jis jungiamas prie tos pačios įtampos
4 Kiek elektronų pratekės per 01 s žibintuvėlio lemputės siūlu jei 15 W lemputė prijungta prie 45 V
įtampos šaltinio
5 Vienos degančios elektros lempos varža 450 Ω Kiek tokių lempų lygiagrečiai įjungta į 220 V
įtampos tinklą jei jų vartojamoji galia 162 kW
6 Židinio kaitinimo elementas padarytas iš 35 m ilgio nichrominės 05 mm skersmens vielos Kokią
galią vartoja židinys įjungtas į 220 V įtampos tinkląNichromo savitoji varža 10510-8 Ωm
7 Kaip pakis laidininke išsiskiriančios šilumos kiekis jei laidininko varžą sumažinsime tris kartus
8 Kodėl metalų laidumas mažiau priklauso nuo priemaišų negu puslaidininkių laidumas
9 Kiek laiko turi tekėti 05 A stiprio srovė kad sidabruojant 200 cm2 paviršiaus ploto dirbinį jis
pasidengtų 20 microm storio sluoksniu Sidabro elektrocheminis ekvivalentas k = 112 10-6
kgC
10 Kiek elektros energijos sunaudojama 1 kg aliuminio gauti jeigu elektrolizės proceso įtampa 14 V
o naudingumo koeficientas 75 Aliuminio elektrocheminis ekvivalentas k = 0093 10-6
kgC
11
I1
I2
15 pav
14 pav
11 Elektros lempa nuosekliai įjungta į elektros grandinę kartu su elektros vonele kurioje yra silpnas
valgomosios druskos tirpalas Paaiškinkite kaip pasikeis šviečiančios lemputės ryškumas į vonelę
įbėrus druskos
12 Elektrolizės būdu išskiriant varį suvartota A = 5 kWh elektros energijos Apskaičiuokite
išsiskyrusio vario masę kai įtampa tarp elektrodų U = 10V naudingumo koeficientas ƞ = 75 o vario
elektrocheminis ekvivalentas k = 033 10-6
kgC
13 Kokio ilgio nichrominį laidininką kurio skerspjūvio plotas 01 mm2 reikia paimti kad galėtume
padaryti kaitinamąjį elementą kuris per 5 min galėtų užvirinti 15 ℓ vandens Vandens temperatūra
20 oC įtampa grandinėje 220 V Kaitinamojo element naudingumo koeficientas 09
14 1600 kg masės greitasis liftas kyla 10 ms greičiu
Variklio gnybtų įtampa 380 V naudingumo koeficientas
lygus 09 Kokio stiprio srovę vartoja variklis ir kokia jo
galia
15 Ilgainiui automobilio žibintų kaitrinės lempos kaitinimo
siūlelis plonėja nes nuo jo paviršiaus garuoja ir virsta
dulkėmis medžiaga Kokios tai turi įtakos lempos
vartojamai galiai Kuo halogeninės žibintų lempos
pranašesnės už kaitrines
16 Kokiomis savybėmis pasižymi šiuolaikinių automobilių
žibintams naudojamos ksenoninės lempos
17 Nubrėžta dujų išlydžio voltamperinė charakteristika (13 pav) Kurioje dalyje galima taikyti Omo
dėsnį Ar taške D tekant srovei reikalingas išorinis jonizatorius
18 Kabelį sudaro du laidininkai centrinis ir išorinis (14 pav pavaizduotas
skersinis pjūvis centriniame laidininke srovė teka nuo mūsų o išoriniame ndash į
mus) Ar apie kabelį susidaro magnetinis
laukas kai centriniu ir išoriniu laidininku teka
a) vienodo stiprio ir priešingos krypties srovės
b) kai srovės yra vienodos krypties
19 Paaiškinkite dviejų statmenų laidų
(15 pav) kuriais teka parodytų krypčių I1 ir I2
stiprio elektros srovės magnetinę sąveiką Kaip
judės antrasis laidas kai pakeisime juo tekančios elektros srovės
kryptį
20 30 Ω ir 50 Ω varžų rezistoriai sujungti lygiagrečiai ir prijungti prie nuolatinės įtampos šaltinio
Antrame rezistoriuje išsiskyrė 600 kJ šilumos kiekis Koks šilumos kiekis per tą laiką išsiskyrė
pirmame rezistoriuje
II turo metodinius nurodymus ir užduotis gausite su I turo sprendimų įvertinimu
13 pav
12
Lietuvos fizikų draugija
Šiaulių universiteto
jaunųjų fizikų mokykla bdquoFOTONASldquo
Lina Senkuvienė
III kurso I turo užduotys ir metodiniai nurodymai
2014ndash2015 mokslo metai
Rinko ir maketavo Irma Bolskytė
7
Susitikęs teigiamas jonas ir elektronas gali susijungti į neutralius atomus arba molekules įvyksta
rekombinacija Elektros srovės tekėjimas dujose vadinamas išlydžiu
ELEKTROS SROVĖ VAKUUME
Retinant dujas dalelių susidūrimo tikimybė ypač mažėja Kai inde lieka tiek mažai molekulių
kad jos praktiškai nesusiduria sakome kad inde yra vakuumas (tuštuma) Tam tikromis sąlygomis
srovė gali tekėti ir vakuumu Tai vyksta elektrininėse lempose elektrininiame vamzdyje Paprasčiausia
lempa - vakuuminis diodas yra sudarytas iš katodo kaitinamojo siūlelio anodo ir indo iš kurio
išsiurbtas oras Diode vienas iš elektrodų (katodas) kaitinamas Dėl to vyksta termoelektroninė emisija
Įkaitęs elektrodas išspinduliuoja elektronus Katodą gali kaitinti juo tekanti elektros srovė arba
kaitinimo siūlelis
Diodas pasižymi vienpusiu laidumu Jeigu katodas yra prijungtas prie neigiamo šaltinio poliaus
tai srovė grandinėje teka Dėl termoelektroninės emisijos išspinduliuoti elektronai veikiami elektrinio
lauko judės link anodo Kuo didesnė įtampa tuo daugiau elektronų pasieks anodą tuo stipresnė tekės
srovė Kai visi elektronai išspinduliuoti per laiko tarpą pasieks anodą turėsime soties srovę
Jeigu katodas prijungtas prie teigiamo šaltinio poliaus srovė neteka Išspinduliuoti elektronai
grįžta atgal į katodą
Elektroninio vamzdžio veikimas pagrįstas termoelektronine emisija ir elektronų judėjimu
vakuume Priekinė indo sienelė ndash ekranas padengtas liuminoforu 110 pav Priešingoje indo pusėje
įmontuotas elektronų prožektorius Elektronų prožektorių sudaro kaitinimo siūlelis katodas ir du
cilindro formos anodai Kadangi anodai yra tuščiavidurių cilindrų formos didžioji dalis elektronų
pralekia per juos ir sudaro elektronų pluoštą Atsimušęs į liuminoforu padengtą ekraną pluoštelis toje
vietoje sukelia švytėjimą
Elektronų pluoštas pralekia dvi lygiagrečių plokščių poras Vertikalios plokštelės nukreipia
elektronus horizontalia kryptimi o horizontalios plokštelės ndash vertikalia Taip keisdami įtampą tarp
plokščių elektronų pluoštą galime nukreipti į bet kurią ekrano vietą
ELEKTROS SROVĖS MAGNETINIS LAUKAS
Nejudantys elektros krūviai sukuria elektrinį lauką judantys elektros krūviai ir kintantis
elektrinis laukas sukuria magnetinį lauką Magnetinė rodyklė patekusi į magnetinį lauką orientuojasi
tam tikra kryptimi Linijos išilgai kurių išsidėsto magnetinės rodyklės vadinamos magnetinio lauko
linijomis arba magnetinėmis linijomis Šių linijų kryptimi susitarta laikyti kryptį kurią rodo
magnetinės rodyklės šiaurinis polius N Tiesiu laidininku tekančios elektros srovės magnetinio lauko
kryptis nusakoma pagal dešinės rankos taisyklę jeigu laidininką kuriuo teka srovė apimsime dešine
ranka taip kad ištiestas nykštys rodytų srovės kryptį tai keturi sulenkti pirštai rodys magnetinių linijų
kryptį (111 pav)
110 pav
8
Ritė kuria teka srovė virsta magnetu Ji turi šiaurinį N ir pietinį S polių (112 pav) Ritė kurios
viduje yra geležinė šerdis vadinama elektromagnetu Kai rite teka srovė elektromagneto šerdis
įsimagnetina ir sustiprina magnetinį lauką
Laidininką kuriuo teka elektros srovė patekusį į magnetinį lauką veikia tam tikra jėga kurios
kryptį galime nustatyti pagal kairiosios rankos taisyklę jei kairioji ranka laikoma taip kad magnetinio
lauko jėgų linijos sueina į delną o keturi ištiesti pirštai rodo elektros srovės kryptį tai 90o kampu
atlenktas nykštys rodo laidininką veikiančios jėgos kryptį
Žemė taip pat turi magnetinį lauką ir bet kurioje jos vietoje padėta magnetinė rodyklė gali
laisvai sukiotis Žemės magnetizmas nėra visiškai išaiškintas Manoma kad svarbiausia Žemės
magnetinio lauko priežastis ndash jos skystame branduolyje judančios konvekcinės daugybės elektringųjų
dalelių srovės Laikui bėgant Žemės magnetinių polių padėtis kinta Žemės geografinis ašigalis
nesutampa su jos magnetiniais poliais Pietinis magnetinis polius yra Šiauriniame pusrutulyje Kanados
salyne o šiaurinis magnetinis polius ndash Pietiniame pusrutulyje
Uždavinių sprendimo pavyzdžiai
1 pavyzdys
Ant vienos lemputės užrašyta 40 W ir 220 V o ant kitos 100 W ir 220 V Kurioje šių lempučių
sujungus jas lygiagrečiai išsiskiria daugiau šilumos Kiek kartų
Išsiskyręs šilumos kiekis skaičiuojamas pagal formulę
2
tR
UQ 1
nes įtampa ta pati Todėl
2
1
2
2
1
2
1
2
2
2
1
2
R
R
tUR
RtU
R
tU
R
tU
Q
Q 2
Lempučių varžą apskaičiuosime pagal formulę
111 pav
112 pav
B
P1 40 W
P2 100 W
U 220 V 1
2
Q
Q
9
2
P
UR 3
Pagal 3 apskaičiuojame ir gauname kad R1 1210 o R2 484 todėl iš 2
521
2 Q
Q
Atsakymas antrojoje lemputėje Q2Q1 25
2 pavyzdys
Iš sidabro nitrato tirpalo kurio varža 08 Ω per 2 h elektrolizės būdu išsiskyrė 40 g sidabro
Sidabro elektrocheminis ekvivalentas k = 11210-6
kgC Kokia galia buvo naudojama šildyti
tirpalui
Naudojamą galią P rasime pagal formulę
2 RIP 1
Srovės stiprį I išsireikšime iš elektrolizės dėsnio
tk
mI
2
Iš 1 ir 2 formulių gausime
22
2
tk
RmP
Apskaičiuojame galią P 20 W
Atsakymas P 20 W
3 pavyzdys
Viename kalorimetre yra vanduo o antrame ndash tokios pat masės nežinomas skystis Į
kalorimetrus įdėtos vienodos kaitinimo spiralės kurios sujungtos nuosekliai Koks tai skystis
jeigu kaitinant po tam tikro laiko vandens temperatūra pakilo 2 degC o skysčio 4 degC Vandens
savitoji šiluma 4200 J(kgC)
Srovė tekėdama pirmu ir antru kalorimetru išskirs vienodą šilumos kiekį
2
1 tRIQ 1
2
2 tRIQ 2
čia R ndash vienos spiralės varža I ndash srovės stipris Šis šilumos kiekis bus naudojamas vandeniui ir
nežinomam skysčiui šildyti
Δ 111 tmcQ 3
Δ 222 tmcQ 4
P R 08
m 40 g 004 kg
t 2 h 7200 s
k 11210-6
kgC
c2 c1 4200 JkgC
t 2 C
t 4 C
10
Sulyginę 1 ir 3 2 ir 4 formulių išraiškas gauname 5 6 ir 7
Δ 11
2 tmctRI 5
22
2 Δ tmctRI 6
Iš čia 1122 Δ Δ tmctmc 7
Nežinomo skysčio savitoji šiluma bus
Δ
Δ
2
112
t
tcc
Ckg
J 21002
c
Tokia savitoji šiluma mineralinės alyvos
Atsakymas mineralinė alyva c2 2100 JkgC
I TURO UŽDUOTYS
1 Šeimininkei lyginant skalbinius suskambo telefonas ir ji neišjungusi lygintuvo pradėjo pokalbį Kiek
elektros energijos per 30 min suvartos 1200 W galios lygintuvas paliktas įjungtas į 220 V įtampos
tinklą Apskaičiuokite lygintuvo varžą naudojamos srovės stiprį suvartotą elektros energiją ir kiek
padidės mokestis už elektrą jei 1 kWh kainuoja 0474 Lt
2 Ant vienos lemputės užrašyta 40 W ir 220 V o ant kitos 100 W ir 220 V Palyginkite nuosekliai
sujungtų lempučių galią Kokio stiprio srovė teka šioje grandinėje
3 Elektrinės viryklės kaitinimo spiralė buvo sutrumpinta 01 pradinio ilgio dalimi Kiek pakito jo galia
jei jis jungiamas prie tos pačios įtampos
4 Kiek elektronų pratekės per 01 s žibintuvėlio lemputės siūlu jei 15 W lemputė prijungta prie 45 V
įtampos šaltinio
5 Vienos degančios elektros lempos varža 450 Ω Kiek tokių lempų lygiagrečiai įjungta į 220 V
įtampos tinklą jei jų vartojamoji galia 162 kW
6 Židinio kaitinimo elementas padarytas iš 35 m ilgio nichrominės 05 mm skersmens vielos Kokią
galią vartoja židinys įjungtas į 220 V įtampos tinkląNichromo savitoji varža 10510-8 Ωm
7 Kaip pakis laidininke išsiskiriančios šilumos kiekis jei laidininko varžą sumažinsime tris kartus
8 Kodėl metalų laidumas mažiau priklauso nuo priemaišų negu puslaidininkių laidumas
9 Kiek laiko turi tekėti 05 A stiprio srovė kad sidabruojant 200 cm2 paviršiaus ploto dirbinį jis
pasidengtų 20 microm storio sluoksniu Sidabro elektrocheminis ekvivalentas k = 112 10-6
kgC
10 Kiek elektros energijos sunaudojama 1 kg aliuminio gauti jeigu elektrolizės proceso įtampa 14 V
o naudingumo koeficientas 75 Aliuminio elektrocheminis ekvivalentas k = 0093 10-6
kgC
11
I1
I2
15 pav
14 pav
11 Elektros lempa nuosekliai įjungta į elektros grandinę kartu su elektros vonele kurioje yra silpnas
valgomosios druskos tirpalas Paaiškinkite kaip pasikeis šviečiančios lemputės ryškumas į vonelę
įbėrus druskos
12 Elektrolizės būdu išskiriant varį suvartota A = 5 kWh elektros energijos Apskaičiuokite
išsiskyrusio vario masę kai įtampa tarp elektrodų U = 10V naudingumo koeficientas ƞ = 75 o vario
elektrocheminis ekvivalentas k = 033 10-6
kgC
13 Kokio ilgio nichrominį laidininką kurio skerspjūvio plotas 01 mm2 reikia paimti kad galėtume
padaryti kaitinamąjį elementą kuris per 5 min galėtų užvirinti 15 ℓ vandens Vandens temperatūra
20 oC įtampa grandinėje 220 V Kaitinamojo element naudingumo koeficientas 09
14 1600 kg masės greitasis liftas kyla 10 ms greičiu
Variklio gnybtų įtampa 380 V naudingumo koeficientas
lygus 09 Kokio stiprio srovę vartoja variklis ir kokia jo
galia
15 Ilgainiui automobilio žibintų kaitrinės lempos kaitinimo
siūlelis plonėja nes nuo jo paviršiaus garuoja ir virsta
dulkėmis medžiaga Kokios tai turi įtakos lempos
vartojamai galiai Kuo halogeninės žibintų lempos
pranašesnės už kaitrines
16 Kokiomis savybėmis pasižymi šiuolaikinių automobilių
žibintams naudojamos ksenoninės lempos
17 Nubrėžta dujų išlydžio voltamperinė charakteristika (13 pav) Kurioje dalyje galima taikyti Omo
dėsnį Ar taške D tekant srovei reikalingas išorinis jonizatorius
18 Kabelį sudaro du laidininkai centrinis ir išorinis (14 pav pavaizduotas
skersinis pjūvis centriniame laidininke srovė teka nuo mūsų o išoriniame ndash į
mus) Ar apie kabelį susidaro magnetinis
laukas kai centriniu ir išoriniu laidininku teka
a) vienodo stiprio ir priešingos krypties srovės
b) kai srovės yra vienodos krypties
19 Paaiškinkite dviejų statmenų laidų
(15 pav) kuriais teka parodytų krypčių I1 ir I2
stiprio elektros srovės magnetinę sąveiką Kaip
judės antrasis laidas kai pakeisime juo tekančios elektros srovės
kryptį
20 30 Ω ir 50 Ω varžų rezistoriai sujungti lygiagrečiai ir prijungti prie nuolatinės įtampos šaltinio
Antrame rezistoriuje išsiskyrė 600 kJ šilumos kiekis Koks šilumos kiekis per tą laiką išsiskyrė
pirmame rezistoriuje
II turo metodinius nurodymus ir užduotis gausite su I turo sprendimų įvertinimu
13 pav
12
Lietuvos fizikų draugija
Šiaulių universiteto
jaunųjų fizikų mokykla bdquoFOTONASldquo
Lina Senkuvienė
III kurso I turo užduotys ir metodiniai nurodymai
2014ndash2015 mokslo metai
Rinko ir maketavo Irma Bolskytė
8
Ritė kuria teka srovė virsta magnetu Ji turi šiaurinį N ir pietinį S polių (112 pav) Ritė kurios
viduje yra geležinė šerdis vadinama elektromagnetu Kai rite teka srovė elektromagneto šerdis
įsimagnetina ir sustiprina magnetinį lauką
Laidininką kuriuo teka elektros srovė patekusį į magnetinį lauką veikia tam tikra jėga kurios
kryptį galime nustatyti pagal kairiosios rankos taisyklę jei kairioji ranka laikoma taip kad magnetinio
lauko jėgų linijos sueina į delną o keturi ištiesti pirštai rodo elektros srovės kryptį tai 90o kampu
atlenktas nykštys rodo laidininką veikiančios jėgos kryptį
Žemė taip pat turi magnetinį lauką ir bet kurioje jos vietoje padėta magnetinė rodyklė gali
laisvai sukiotis Žemės magnetizmas nėra visiškai išaiškintas Manoma kad svarbiausia Žemės
magnetinio lauko priežastis ndash jos skystame branduolyje judančios konvekcinės daugybės elektringųjų
dalelių srovės Laikui bėgant Žemės magnetinių polių padėtis kinta Žemės geografinis ašigalis
nesutampa su jos magnetiniais poliais Pietinis magnetinis polius yra Šiauriniame pusrutulyje Kanados
salyne o šiaurinis magnetinis polius ndash Pietiniame pusrutulyje
Uždavinių sprendimo pavyzdžiai
1 pavyzdys
Ant vienos lemputės užrašyta 40 W ir 220 V o ant kitos 100 W ir 220 V Kurioje šių lempučių
sujungus jas lygiagrečiai išsiskiria daugiau šilumos Kiek kartų
Išsiskyręs šilumos kiekis skaičiuojamas pagal formulę
2
tR
UQ 1
nes įtampa ta pati Todėl
2
1
2
2
1
2
1
2
2
2
1
2
R
R
tUR
RtU
R
tU
R
tU
Q
Q 2
Lempučių varžą apskaičiuosime pagal formulę
111 pav
112 pav
B
P1 40 W
P2 100 W
U 220 V 1
2
Q
Q
9
2
P
UR 3
Pagal 3 apskaičiuojame ir gauname kad R1 1210 o R2 484 todėl iš 2
521
2 Q
Q
Atsakymas antrojoje lemputėje Q2Q1 25
2 pavyzdys
Iš sidabro nitrato tirpalo kurio varža 08 Ω per 2 h elektrolizės būdu išsiskyrė 40 g sidabro
Sidabro elektrocheminis ekvivalentas k = 11210-6
kgC Kokia galia buvo naudojama šildyti
tirpalui
Naudojamą galią P rasime pagal formulę
2 RIP 1
Srovės stiprį I išsireikšime iš elektrolizės dėsnio
tk
mI
2
Iš 1 ir 2 formulių gausime
22
2
tk
RmP
Apskaičiuojame galią P 20 W
Atsakymas P 20 W
3 pavyzdys
Viename kalorimetre yra vanduo o antrame ndash tokios pat masės nežinomas skystis Į
kalorimetrus įdėtos vienodos kaitinimo spiralės kurios sujungtos nuosekliai Koks tai skystis
jeigu kaitinant po tam tikro laiko vandens temperatūra pakilo 2 degC o skysčio 4 degC Vandens
savitoji šiluma 4200 J(kgC)
Srovė tekėdama pirmu ir antru kalorimetru išskirs vienodą šilumos kiekį
2
1 tRIQ 1
2
2 tRIQ 2
čia R ndash vienos spiralės varža I ndash srovės stipris Šis šilumos kiekis bus naudojamas vandeniui ir
nežinomam skysčiui šildyti
Δ 111 tmcQ 3
Δ 222 tmcQ 4
P R 08
m 40 g 004 kg
t 2 h 7200 s
k 11210-6
kgC
c2 c1 4200 JkgC
t 2 C
t 4 C
10
Sulyginę 1 ir 3 2 ir 4 formulių išraiškas gauname 5 6 ir 7
Δ 11
2 tmctRI 5
22
2 Δ tmctRI 6
Iš čia 1122 Δ Δ tmctmc 7
Nežinomo skysčio savitoji šiluma bus
Δ
Δ
2
112
t
tcc
Ckg
J 21002
c
Tokia savitoji šiluma mineralinės alyvos
Atsakymas mineralinė alyva c2 2100 JkgC
I TURO UŽDUOTYS
1 Šeimininkei lyginant skalbinius suskambo telefonas ir ji neišjungusi lygintuvo pradėjo pokalbį Kiek
elektros energijos per 30 min suvartos 1200 W galios lygintuvas paliktas įjungtas į 220 V įtampos
tinklą Apskaičiuokite lygintuvo varžą naudojamos srovės stiprį suvartotą elektros energiją ir kiek
padidės mokestis už elektrą jei 1 kWh kainuoja 0474 Lt
2 Ant vienos lemputės užrašyta 40 W ir 220 V o ant kitos 100 W ir 220 V Palyginkite nuosekliai
sujungtų lempučių galią Kokio stiprio srovė teka šioje grandinėje
3 Elektrinės viryklės kaitinimo spiralė buvo sutrumpinta 01 pradinio ilgio dalimi Kiek pakito jo galia
jei jis jungiamas prie tos pačios įtampos
4 Kiek elektronų pratekės per 01 s žibintuvėlio lemputės siūlu jei 15 W lemputė prijungta prie 45 V
įtampos šaltinio
5 Vienos degančios elektros lempos varža 450 Ω Kiek tokių lempų lygiagrečiai įjungta į 220 V
įtampos tinklą jei jų vartojamoji galia 162 kW
6 Židinio kaitinimo elementas padarytas iš 35 m ilgio nichrominės 05 mm skersmens vielos Kokią
galią vartoja židinys įjungtas į 220 V įtampos tinkląNichromo savitoji varža 10510-8 Ωm
7 Kaip pakis laidininke išsiskiriančios šilumos kiekis jei laidininko varžą sumažinsime tris kartus
8 Kodėl metalų laidumas mažiau priklauso nuo priemaišų negu puslaidininkių laidumas
9 Kiek laiko turi tekėti 05 A stiprio srovė kad sidabruojant 200 cm2 paviršiaus ploto dirbinį jis
pasidengtų 20 microm storio sluoksniu Sidabro elektrocheminis ekvivalentas k = 112 10-6
kgC
10 Kiek elektros energijos sunaudojama 1 kg aliuminio gauti jeigu elektrolizės proceso įtampa 14 V
o naudingumo koeficientas 75 Aliuminio elektrocheminis ekvivalentas k = 0093 10-6
kgC
11
I1
I2
15 pav
14 pav
11 Elektros lempa nuosekliai įjungta į elektros grandinę kartu su elektros vonele kurioje yra silpnas
valgomosios druskos tirpalas Paaiškinkite kaip pasikeis šviečiančios lemputės ryškumas į vonelę
įbėrus druskos
12 Elektrolizės būdu išskiriant varį suvartota A = 5 kWh elektros energijos Apskaičiuokite
išsiskyrusio vario masę kai įtampa tarp elektrodų U = 10V naudingumo koeficientas ƞ = 75 o vario
elektrocheminis ekvivalentas k = 033 10-6
kgC
13 Kokio ilgio nichrominį laidininką kurio skerspjūvio plotas 01 mm2 reikia paimti kad galėtume
padaryti kaitinamąjį elementą kuris per 5 min galėtų užvirinti 15 ℓ vandens Vandens temperatūra
20 oC įtampa grandinėje 220 V Kaitinamojo element naudingumo koeficientas 09
14 1600 kg masės greitasis liftas kyla 10 ms greičiu
Variklio gnybtų įtampa 380 V naudingumo koeficientas
lygus 09 Kokio stiprio srovę vartoja variklis ir kokia jo
galia
15 Ilgainiui automobilio žibintų kaitrinės lempos kaitinimo
siūlelis plonėja nes nuo jo paviršiaus garuoja ir virsta
dulkėmis medžiaga Kokios tai turi įtakos lempos
vartojamai galiai Kuo halogeninės žibintų lempos
pranašesnės už kaitrines
16 Kokiomis savybėmis pasižymi šiuolaikinių automobilių
žibintams naudojamos ksenoninės lempos
17 Nubrėžta dujų išlydžio voltamperinė charakteristika (13 pav) Kurioje dalyje galima taikyti Omo
dėsnį Ar taške D tekant srovei reikalingas išorinis jonizatorius
18 Kabelį sudaro du laidininkai centrinis ir išorinis (14 pav pavaizduotas
skersinis pjūvis centriniame laidininke srovė teka nuo mūsų o išoriniame ndash į
mus) Ar apie kabelį susidaro magnetinis
laukas kai centriniu ir išoriniu laidininku teka
a) vienodo stiprio ir priešingos krypties srovės
b) kai srovės yra vienodos krypties
19 Paaiškinkite dviejų statmenų laidų
(15 pav) kuriais teka parodytų krypčių I1 ir I2
stiprio elektros srovės magnetinę sąveiką Kaip
judės antrasis laidas kai pakeisime juo tekančios elektros srovės
kryptį
20 30 Ω ir 50 Ω varžų rezistoriai sujungti lygiagrečiai ir prijungti prie nuolatinės įtampos šaltinio
Antrame rezistoriuje išsiskyrė 600 kJ šilumos kiekis Koks šilumos kiekis per tą laiką išsiskyrė
pirmame rezistoriuje
II turo metodinius nurodymus ir užduotis gausite su I turo sprendimų įvertinimu
13 pav
12
Lietuvos fizikų draugija
Šiaulių universiteto
jaunųjų fizikų mokykla bdquoFOTONASldquo
Lina Senkuvienė
III kurso I turo užduotys ir metodiniai nurodymai
2014ndash2015 mokslo metai
Rinko ir maketavo Irma Bolskytė
9
2
P
UR 3
Pagal 3 apskaičiuojame ir gauname kad R1 1210 o R2 484 todėl iš 2
521
2 Q
Q
Atsakymas antrojoje lemputėje Q2Q1 25
2 pavyzdys
Iš sidabro nitrato tirpalo kurio varža 08 Ω per 2 h elektrolizės būdu išsiskyrė 40 g sidabro
Sidabro elektrocheminis ekvivalentas k = 11210-6
kgC Kokia galia buvo naudojama šildyti
tirpalui
Naudojamą galią P rasime pagal formulę
2 RIP 1
Srovės stiprį I išsireikšime iš elektrolizės dėsnio
tk
mI
2
Iš 1 ir 2 formulių gausime
22
2
tk
RmP
Apskaičiuojame galią P 20 W
Atsakymas P 20 W
3 pavyzdys
Viename kalorimetre yra vanduo o antrame ndash tokios pat masės nežinomas skystis Į
kalorimetrus įdėtos vienodos kaitinimo spiralės kurios sujungtos nuosekliai Koks tai skystis
jeigu kaitinant po tam tikro laiko vandens temperatūra pakilo 2 degC o skysčio 4 degC Vandens
savitoji šiluma 4200 J(kgC)
Srovė tekėdama pirmu ir antru kalorimetru išskirs vienodą šilumos kiekį
2
1 tRIQ 1
2
2 tRIQ 2
čia R ndash vienos spiralės varža I ndash srovės stipris Šis šilumos kiekis bus naudojamas vandeniui ir
nežinomam skysčiui šildyti
Δ 111 tmcQ 3
Δ 222 tmcQ 4
P R 08
m 40 g 004 kg
t 2 h 7200 s
k 11210-6
kgC
c2 c1 4200 JkgC
t 2 C
t 4 C
10
Sulyginę 1 ir 3 2 ir 4 formulių išraiškas gauname 5 6 ir 7
Δ 11
2 tmctRI 5
22
2 Δ tmctRI 6
Iš čia 1122 Δ Δ tmctmc 7
Nežinomo skysčio savitoji šiluma bus
Δ
Δ
2
112
t
tcc
Ckg
J 21002
c
Tokia savitoji šiluma mineralinės alyvos
Atsakymas mineralinė alyva c2 2100 JkgC
I TURO UŽDUOTYS
1 Šeimininkei lyginant skalbinius suskambo telefonas ir ji neišjungusi lygintuvo pradėjo pokalbį Kiek
elektros energijos per 30 min suvartos 1200 W galios lygintuvas paliktas įjungtas į 220 V įtampos
tinklą Apskaičiuokite lygintuvo varžą naudojamos srovės stiprį suvartotą elektros energiją ir kiek
padidės mokestis už elektrą jei 1 kWh kainuoja 0474 Lt
2 Ant vienos lemputės užrašyta 40 W ir 220 V o ant kitos 100 W ir 220 V Palyginkite nuosekliai
sujungtų lempučių galią Kokio stiprio srovė teka šioje grandinėje
3 Elektrinės viryklės kaitinimo spiralė buvo sutrumpinta 01 pradinio ilgio dalimi Kiek pakito jo galia
jei jis jungiamas prie tos pačios įtampos
4 Kiek elektronų pratekės per 01 s žibintuvėlio lemputės siūlu jei 15 W lemputė prijungta prie 45 V
įtampos šaltinio
5 Vienos degančios elektros lempos varža 450 Ω Kiek tokių lempų lygiagrečiai įjungta į 220 V
įtampos tinklą jei jų vartojamoji galia 162 kW
6 Židinio kaitinimo elementas padarytas iš 35 m ilgio nichrominės 05 mm skersmens vielos Kokią
galią vartoja židinys įjungtas į 220 V įtampos tinkląNichromo savitoji varža 10510-8 Ωm
7 Kaip pakis laidininke išsiskiriančios šilumos kiekis jei laidininko varžą sumažinsime tris kartus
8 Kodėl metalų laidumas mažiau priklauso nuo priemaišų negu puslaidininkių laidumas
9 Kiek laiko turi tekėti 05 A stiprio srovė kad sidabruojant 200 cm2 paviršiaus ploto dirbinį jis
pasidengtų 20 microm storio sluoksniu Sidabro elektrocheminis ekvivalentas k = 112 10-6
kgC
10 Kiek elektros energijos sunaudojama 1 kg aliuminio gauti jeigu elektrolizės proceso įtampa 14 V
o naudingumo koeficientas 75 Aliuminio elektrocheminis ekvivalentas k = 0093 10-6
kgC
11
I1
I2
15 pav
14 pav
11 Elektros lempa nuosekliai įjungta į elektros grandinę kartu su elektros vonele kurioje yra silpnas
valgomosios druskos tirpalas Paaiškinkite kaip pasikeis šviečiančios lemputės ryškumas į vonelę
įbėrus druskos
12 Elektrolizės būdu išskiriant varį suvartota A = 5 kWh elektros energijos Apskaičiuokite
išsiskyrusio vario masę kai įtampa tarp elektrodų U = 10V naudingumo koeficientas ƞ = 75 o vario
elektrocheminis ekvivalentas k = 033 10-6
kgC
13 Kokio ilgio nichrominį laidininką kurio skerspjūvio plotas 01 mm2 reikia paimti kad galėtume
padaryti kaitinamąjį elementą kuris per 5 min galėtų užvirinti 15 ℓ vandens Vandens temperatūra
20 oC įtampa grandinėje 220 V Kaitinamojo element naudingumo koeficientas 09
14 1600 kg masės greitasis liftas kyla 10 ms greičiu
Variklio gnybtų įtampa 380 V naudingumo koeficientas
lygus 09 Kokio stiprio srovę vartoja variklis ir kokia jo
galia
15 Ilgainiui automobilio žibintų kaitrinės lempos kaitinimo
siūlelis plonėja nes nuo jo paviršiaus garuoja ir virsta
dulkėmis medžiaga Kokios tai turi įtakos lempos
vartojamai galiai Kuo halogeninės žibintų lempos
pranašesnės už kaitrines
16 Kokiomis savybėmis pasižymi šiuolaikinių automobilių
žibintams naudojamos ksenoninės lempos
17 Nubrėžta dujų išlydžio voltamperinė charakteristika (13 pav) Kurioje dalyje galima taikyti Omo
dėsnį Ar taške D tekant srovei reikalingas išorinis jonizatorius
18 Kabelį sudaro du laidininkai centrinis ir išorinis (14 pav pavaizduotas
skersinis pjūvis centriniame laidininke srovė teka nuo mūsų o išoriniame ndash į
mus) Ar apie kabelį susidaro magnetinis
laukas kai centriniu ir išoriniu laidininku teka
a) vienodo stiprio ir priešingos krypties srovės
b) kai srovės yra vienodos krypties
19 Paaiškinkite dviejų statmenų laidų
(15 pav) kuriais teka parodytų krypčių I1 ir I2
stiprio elektros srovės magnetinę sąveiką Kaip
judės antrasis laidas kai pakeisime juo tekančios elektros srovės
kryptį
20 30 Ω ir 50 Ω varžų rezistoriai sujungti lygiagrečiai ir prijungti prie nuolatinės įtampos šaltinio
Antrame rezistoriuje išsiskyrė 600 kJ šilumos kiekis Koks šilumos kiekis per tą laiką išsiskyrė
pirmame rezistoriuje
II turo metodinius nurodymus ir užduotis gausite su I turo sprendimų įvertinimu
13 pav
12
Lietuvos fizikų draugija
Šiaulių universiteto
jaunųjų fizikų mokykla bdquoFOTONASldquo
Lina Senkuvienė
III kurso I turo užduotys ir metodiniai nurodymai
2014ndash2015 mokslo metai
Rinko ir maketavo Irma Bolskytė
10
Sulyginę 1 ir 3 2 ir 4 formulių išraiškas gauname 5 6 ir 7
Δ 11
2 tmctRI 5
22
2 Δ tmctRI 6
Iš čia 1122 Δ Δ tmctmc 7
Nežinomo skysčio savitoji šiluma bus
Δ
Δ
2
112
t
tcc
Ckg
J 21002
c
Tokia savitoji šiluma mineralinės alyvos
Atsakymas mineralinė alyva c2 2100 JkgC
I TURO UŽDUOTYS
1 Šeimininkei lyginant skalbinius suskambo telefonas ir ji neišjungusi lygintuvo pradėjo pokalbį Kiek
elektros energijos per 30 min suvartos 1200 W galios lygintuvas paliktas įjungtas į 220 V įtampos
tinklą Apskaičiuokite lygintuvo varžą naudojamos srovės stiprį suvartotą elektros energiją ir kiek
padidės mokestis už elektrą jei 1 kWh kainuoja 0474 Lt
2 Ant vienos lemputės užrašyta 40 W ir 220 V o ant kitos 100 W ir 220 V Palyginkite nuosekliai
sujungtų lempučių galią Kokio stiprio srovė teka šioje grandinėje
3 Elektrinės viryklės kaitinimo spiralė buvo sutrumpinta 01 pradinio ilgio dalimi Kiek pakito jo galia
jei jis jungiamas prie tos pačios įtampos
4 Kiek elektronų pratekės per 01 s žibintuvėlio lemputės siūlu jei 15 W lemputė prijungta prie 45 V
įtampos šaltinio
5 Vienos degančios elektros lempos varža 450 Ω Kiek tokių lempų lygiagrečiai įjungta į 220 V
įtampos tinklą jei jų vartojamoji galia 162 kW
6 Židinio kaitinimo elementas padarytas iš 35 m ilgio nichrominės 05 mm skersmens vielos Kokią
galią vartoja židinys įjungtas į 220 V įtampos tinkląNichromo savitoji varža 10510-8 Ωm
7 Kaip pakis laidininke išsiskiriančios šilumos kiekis jei laidininko varžą sumažinsime tris kartus
8 Kodėl metalų laidumas mažiau priklauso nuo priemaišų negu puslaidininkių laidumas
9 Kiek laiko turi tekėti 05 A stiprio srovė kad sidabruojant 200 cm2 paviršiaus ploto dirbinį jis
pasidengtų 20 microm storio sluoksniu Sidabro elektrocheminis ekvivalentas k = 112 10-6
kgC
10 Kiek elektros energijos sunaudojama 1 kg aliuminio gauti jeigu elektrolizės proceso įtampa 14 V
o naudingumo koeficientas 75 Aliuminio elektrocheminis ekvivalentas k = 0093 10-6
kgC
11
I1
I2
15 pav
14 pav
11 Elektros lempa nuosekliai įjungta į elektros grandinę kartu su elektros vonele kurioje yra silpnas
valgomosios druskos tirpalas Paaiškinkite kaip pasikeis šviečiančios lemputės ryškumas į vonelę
įbėrus druskos
12 Elektrolizės būdu išskiriant varį suvartota A = 5 kWh elektros energijos Apskaičiuokite
išsiskyrusio vario masę kai įtampa tarp elektrodų U = 10V naudingumo koeficientas ƞ = 75 o vario
elektrocheminis ekvivalentas k = 033 10-6
kgC
13 Kokio ilgio nichrominį laidininką kurio skerspjūvio plotas 01 mm2 reikia paimti kad galėtume
padaryti kaitinamąjį elementą kuris per 5 min galėtų užvirinti 15 ℓ vandens Vandens temperatūra
20 oC įtampa grandinėje 220 V Kaitinamojo element naudingumo koeficientas 09
14 1600 kg masės greitasis liftas kyla 10 ms greičiu
Variklio gnybtų įtampa 380 V naudingumo koeficientas
lygus 09 Kokio stiprio srovę vartoja variklis ir kokia jo
galia
15 Ilgainiui automobilio žibintų kaitrinės lempos kaitinimo
siūlelis plonėja nes nuo jo paviršiaus garuoja ir virsta
dulkėmis medžiaga Kokios tai turi įtakos lempos
vartojamai galiai Kuo halogeninės žibintų lempos
pranašesnės už kaitrines
16 Kokiomis savybėmis pasižymi šiuolaikinių automobilių
žibintams naudojamos ksenoninės lempos
17 Nubrėžta dujų išlydžio voltamperinė charakteristika (13 pav) Kurioje dalyje galima taikyti Omo
dėsnį Ar taške D tekant srovei reikalingas išorinis jonizatorius
18 Kabelį sudaro du laidininkai centrinis ir išorinis (14 pav pavaizduotas
skersinis pjūvis centriniame laidininke srovė teka nuo mūsų o išoriniame ndash į
mus) Ar apie kabelį susidaro magnetinis
laukas kai centriniu ir išoriniu laidininku teka
a) vienodo stiprio ir priešingos krypties srovės
b) kai srovės yra vienodos krypties
19 Paaiškinkite dviejų statmenų laidų
(15 pav) kuriais teka parodytų krypčių I1 ir I2
stiprio elektros srovės magnetinę sąveiką Kaip
judės antrasis laidas kai pakeisime juo tekančios elektros srovės
kryptį
20 30 Ω ir 50 Ω varžų rezistoriai sujungti lygiagrečiai ir prijungti prie nuolatinės įtampos šaltinio
Antrame rezistoriuje išsiskyrė 600 kJ šilumos kiekis Koks šilumos kiekis per tą laiką išsiskyrė
pirmame rezistoriuje
II turo metodinius nurodymus ir užduotis gausite su I turo sprendimų įvertinimu
13 pav
12
Lietuvos fizikų draugija
Šiaulių universiteto
jaunųjų fizikų mokykla bdquoFOTONASldquo
Lina Senkuvienė
III kurso I turo užduotys ir metodiniai nurodymai
2014ndash2015 mokslo metai
Rinko ir maketavo Irma Bolskytė
11
I1
I2
15 pav
14 pav
11 Elektros lempa nuosekliai įjungta į elektros grandinę kartu su elektros vonele kurioje yra silpnas
valgomosios druskos tirpalas Paaiškinkite kaip pasikeis šviečiančios lemputės ryškumas į vonelę
įbėrus druskos
12 Elektrolizės būdu išskiriant varį suvartota A = 5 kWh elektros energijos Apskaičiuokite
išsiskyrusio vario masę kai įtampa tarp elektrodų U = 10V naudingumo koeficientas ƞ = 75 o vario
elektrocheminis ekvivalentas k = 033 10-6
kgC
13 Kokio ilgio nichrominį laidininką kurio skerspjūvio plotas 01 mm2 reikia paimti kad galėtume
padaryti kaitinamąjį elementą kuris per 5 min galėtų užvirinti 15 ℓ vandens Vandens temperatūra
20 oC įtampa grandinėje 220 V Kaitinamojo element naudingumo koeficientas 09
14 1600 kg masės greitasis liftas kyla 10 ms greičiu
Variklio gnybtų įtampa 380 V naudingumo koeficientas
lygus 09 Kokio stiprio srovę vartoja variklis ir kokia jo
galia
15 Ilgainiui automobilio žibintų kaitrinės lempos kaitinimo
siūlelis plonėja nes nuo jo paviršiaus garuoja ir virsta
dulkėmis medžiaga Kokios tai turi įtakos lempos
vartojamai galiai Kuo halogeninės žibintų lempos
pranašesnės už kaitrines
16 Kokiomis savybėmis pasižymi šiuolaikinių automobilių
žibintams naudojamos ksenoninės lempos
17 Nubrėžta dujų išlydžio voltamperinė charakteristika (13 pav) Kurioje dalyje galima taikyti Omo
dėsnį Ar taške D tekant srovei reikalingas išorinis jonizatorius
18 Kabelį sudaro du laidininkai centrinis ir išorinis (14 pav pavaizduotas
skersinis pjūvis centriniame laidininke srovė teka nuo mūsų o išoriniame ndash į
mus) Ar apie kabelį susidaro magnetinis
laukas kai centriniu ir išoriniu laidininku teka
a) vienodo stiprio ir priešingos krypties srovės
b) kai srovės yra vienodos krypties
19 Paaiškinkite dviejų statmenų laidų
(15 pav) kuriais teka parodytų krypčių I1 ir I2
stiprio elektros srovės magnetinę sąveiką Kaip
judės antrasis laidas kai pakeisime juo tekančios elektros srovės
kryptį
20 30 Ω ir 50 Ω varžų rezistoriai sujungti lygiagrečiai ir prijungti prie nuolatinės įtampos šaltinio
Antrame rezistoriuje išsiskyrė 600 kJ šilumos kiekis Koks šilumos kiekis per tą laiką išsiskyrė
pirmame rezistoriuje
II turo metodinius nurodymus ir užduotis gausite su I turo sprendimų įvertinimu
13 pav
12
Lietuvos fizikų draugija
Šiaulių universiteto
jaunųjų fizikų mokykla bdquoFOTONASldquo
Lina Senkuvienė
III kurso I turo užduotys ir metodiniai nurodymai
2014ndash2015 mokslo metai
Rinko ir maketavo Irma Bolskytė