3. Feladatmegoldás

Középszintű érettségi feladat

Forrás:
https://kemfiz.hu/fizika_kozep_elektrosztatika.html

Elektrosztatika

Elemző
3. Pingponglabda kondenzátorban

Feladat: Egy feltöltött kondenzátor lemezei közé grafittal bevont pingponglabdát függesztünk, amely periodikusan ütközik a lemezekhez és töltést szállít.

a) Magyarázza meg, miért ingázik a labda a két lemez között! 

b) Számítsa ki, hány többletelektront szállít egy forduló során a negatív lemezről a pozitívra! (Elektron töltése: e=1,6⋅10−19 C)

Megoldás: 

a, A grafittal bevont labda vezetőként viselkedik. Ha a negatív lemezhez ér, elektronokat vesz fel, ezért a tér a pozitív lemez felé gyorsítja. Ott leadja a töltést, akár pozitívvá válik, és a tér visszalöki a negatív lemez felé. A mozgás addig tart, amíg a kondenzátor töltése le nem csökken. 

b,

5. Villámlás 

Feladat: A villám akkor alakul ki, amikor a viharfelhőkben felhalmozódott töltések között vagy a felhők és a föld között az elektromos térerősség elég nagy lesz. A két pont között kb. 10 millió volt feszültség jön létre, és a töltések ütközései ioncsatornát hoznak létre. A kisülés ezen a csatornán halad végig 50–150 km/s sebességgel, miközben a levegő akár 30 000 °C‑ra is felhevül. Egy átlagos villám 30–40 kA áramerősségű, időtartama kb. 0,1 ms.

a) Mi előzi meg a villám kialakulását? Miért indulnak meg a töltések? Mi az ion? 

b) Miért veszélyes a villámcsapás? Miért véd egy fémkunyhó? 

c) Miért késik a mennydörgés a villámhoz képest? 

d) Számítsa ki, mekkora töltés halad át egy villámlás során!

Megoldás: 
a) 
A felhőben a jégkristályok ütközése töltésszétválást okoz, emiatt nagy elektromos tér jön létre. Ha a térerő elég nagy, a levegő ionizálódik, és kialakul az ioncsatorna, amelyen a kisülés végighalad.

b)
A villám azért rendkívül veszélyes, mert tízezres amper nagyságrendű áram juthat az emberi testbe. A bádogkunyhó viszont Faraday‑kalitkaként működik, ezért belül nincs elektromos tér, így biztonságot ad.

c)
A fény gyorsabban terjed, mint a hang, ezért a villámot előbb látjuk, és a mennydörgést később halljuk.

d)

Átlagos villám adatai:

I≈30–40 kA,t≈10−4 s

Töltés:

Q=I⋅t≈3–4 C

Tehát egy villámlás során kb. 3–4 coulomb töltés áramlik át az ioncsatornán.

Vissza