4. Az elektromos mező, erővonalak, feszültség
4. Az elektromos mező, erővonalak, feszültség
Középszinű érettségi vizsgafeladat:
https://kemfiz.hu/fizika_kozep_elektrosztatika.html
Elmélet
7. Villám és mennydörgés (2022)
Feladat: A villám egy elektromos gázkisülés, amely felhőn belül, felhők között vagy a felhő és a talaj között jön létre. A vízcseppek és jégkristályok ütközése töltésszétválást okoz: a felhő teteje pozitív, alja negatív lesz. Ez nagy elektromos teret hoz létre, amely a földfelszínt pozitívra polarizálja. Ha a tér elég nagy, a levegő ionizálódik, és egy kis ellenállású ioncsatorna alakul ki, amelyen a kisülés végighalad. Egy átlagos villám kb. 30 kA áramot, 15 C töltést és 500 MJ energiát szállít. A hirtelen felmelegedő levegő kitágul, és lökéshullámot kelt: ez a mennydörgés.
a) Jelölje az ábrán a töltések eloszlását a felhőben és a földfelszínen, valamint az elektromos tér irányát.
b) Miért halljuk később a mennydörgést, mint a villám fényét?
c) Körülbelül mennyi ideig tart egy átlagos villámkisülés?
Megoldás:
A felhőben a vízcseppek és jégkristályok ütközése miatt töltésszétválás történik: felül pozitív, alul negatív töltések halmozódnak fel. Ez erős elektromos teret hoz létre, amely a Föld felszínében lévő negatív töltéseket taszítja, így a felszín pozitívvá válik. A villám akkor jön létre, amikor a tér ionizálja a levegőt → kialakul az ioncsatorna, amelyen a kisülés végighalad. A fény gyors, a hang lassú → a mennydörgés késik.
a) Töltések és az elektromos tér iránya
A felhőben a jégkristályok ütközése töltésszétválást okoz:
felhő teteje: pozitív,
felhő alja: negatív.
A földfelszín a felhő alatt pozitívvá polarizálódik, mert a negatív töltéseket a talaj mélyébe taszítja a felhő elektromos tere.
Elektromos tér iránya:
a felhőn belül: fentről lefelé (pozitív → negatív),
a felhő és a föld között: a felhő aljától a föld felé.
b) Miért késik a mennydörgés?
A fény sokkal gyorsabban terjed, mint a hang. Ezért a villám fényét azonnal látjuk, a hang pedig csak később ér el hozzánk → késik a mennydörgés.
c) Mennyi ideig tart egy átlagos villámkisülés?
Középszinű érettségi vizsgafeladat:
https://kemfiz.hu/fizika_kozep_elektrosztatika.html
3, 11, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 24, 30, 43, 47, 52, 63, 64
Gyakorlat
3. Három pontban mérjük az erőt, hol egyenlő a térerősség?
Helyes válasz: B) B és C pontokban.
Indoklás: Azonos nagyságú erő ugyanakkora próbatöltésre → azonos térerősség.
11. Hogyan kell elektront homogén térbe belőni, hogy se iránya, se sebessége ne változzon?
Helyes válasz: C) Ez nem lehetséges.
Indoklás: A töltésre mindig hat az elektromos erő → gyorsulás, pályaváltozás elkerülhetetlen.
15. Töltött részecskét merőlegesen lövünk a homogén térre. Mi történik a sebességgel?
Helyes válasz: A) Nagysága is, iránya is megváltozik.
Indoklás: Az erő nem párhuzamos a sebességgel → irány- és nagyságváltozás.
16. Tömör fémgömb belsejében hogyan változik a térerősség, ha kívül pozitív testet közelítünk?
Helyes válasz: C) Nulla marad.
Indoklás: Vezető belsejében elektrosztatikus egyensúlyban E=0, külső töltés ezt nem változtatja meg.
17. Mit nevezünk homogén elektromos térnek?
Helyes válasz: B) Egy adott töltésre mindenütt egyforma nagyságú és irányú erő hat.
Indoklás: Homogén térben E állandó → az erő F=qE is állandó.
18. Gömb töltését duplázzuk, mérési pont távolságát duplázzuk. Hogyan változik a térerősség?
Helyes válasz: A) Felére csökken.
Indoklás:
E∼Qr2⇒2Q(2r)2=2Q4r2=12Qr2
19. Mit nem mutatnak meg az erővonalak?
Helyes válasz: A) Merre mozog a próbatöltés.
Indoklás: Az erővonalak az erő irányát és nagyságát jelzik, nem a konkrét pályát.
20. Metszhetik-e egymást az elektrosztatikus erővonalak?
Helyes válasz: B) Nem.
Indoklás: Egy pontban csak egyetlen erőirány lehet → erővonalak nem keresztezhetik egymást.
24. Elektront lövünk a tér irányával megegyező irányban. Merre gyorsul?
Helyes válasz: B) A tér irányával ellentétesen.
Indoklás: Elektron töltése negatív, így F⃗=qE⃗ ellentétes irányú a térrel.
30. Inhomogén tér görbe erővonalaival. Melyik ábra mutatja helyesen az elektronra ható erő irányát?
Helyes válasz: C) A 3. ábra.
Indoklás: Az erő mindig az erővonalak érintője mentén, az elektron esetén ellentétes irányban.
43. Két síklap között lebeg egy apró tárgy, alsó pozitív, felső negatív. Milyen a tárgy töltése?
Helyes válasz: B) Pozitív töltésű.
Indoklás: A felső negatív lap vonzza, az alsó pozitív taszítja → egyensúlyhoz pozitív töltés kell.
47. Fémtárgy homogén kondenzátor terében. Merre mozdulnak el az elektronok?
Helyes válasz: A) Balra.
Indoklás: Az elektronok a pozitív fegyverzet felé (balra) vándorolnak, ott halmozódnak fel.
52. Proton és elektron homogén térben, nulla kezdősebességgel. Kinek nagyobb a gyorsulása?
Helyes válasz: B) Az elektronnak.
Indoklás:
a=Fm=qEm
Az elektron tömege sokkal kisebb → nagyobb gyorsulás.
63. Elektronra vagy protonra hat nagyobb abszolút értékű erő homogén térben?
Helyes válasz: C) Egyforma nagyságú.
Indoklás: Töltésük nagysága azonos (∣q∣=e), így ∣F∣=∣qE∣ mindkettőnél ugyanakkora.
64. Az A pontban legyen E=0, ha egyik oldalon 1 m-re Q töltés van. Mekkora töltés kell 2 m-re átellenesen?
