elektra ir magnetizmasfotonas.su.lt/new/wp-content/uploads/2015/03/iii-kurso-metodiniai... ·...

12
LIETUVOS FIZIKŲ DRAUGIJA ŠIAULIŲ UNIVERSITETO JAUNŲJŲ FIZIKŲ MOKYKLA „FOTONAS“ ELEKTRA IR MAGNETIZMAS

Upload: others

Post on 25-Feb-2020

3 views

Category:

Documents


0 download

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

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