5. Gyakorlás, feladatok
5. Gyakorlás, feladatok
7. Villám és mennydörgés
Középszinű érettségi vizsgafeladat:
https://kemfiz.hu/fizika_kozep_elektrosztatika.html
Elmélet
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?
Megoldás:
https://kemfiz.hu/fizika_kozep_elektrosztatika.html
14, 26, 27, 28, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 38, 42, 48, 49, 53, 54, 57, 59, 60, 66
14. Mit lehet meghatározni az elemi töltés és a Faraday-szám ismeretében?
Helyes válasz: A) Az Avogadro-számot.
Indoklás: A Faraday-szám egy mól elektron töltése.
26. Mekkora a térerősség töltött fémgömb belsejében?
Helyes válasz: A) Nulla.
Indoklás: Elektrosztatikus egyensúlyban vezető belsejében E=0.
27. Hol fontos a csúcshatás?
Helyes válasz: A) A villámhárító működésében.
Indoklás: Hegyes végén nagy E alakul ki, ez segíti a kisülést, levezetést.
28. Q töltés körül 2r és 3r távolságban mozgatjuk q töltést. Hol kell több munkát végezni?
Helyes válasz: C) Mindkét esetben ugyanannyi.
Indoklás: Azonos potenciálkülönbségű pályákon az elvégzett munka azonos.
31. Elektroszkóp lemezei tovább távolodnak, ha szigetelőpálcát közelítünk. Mit tudunk a pálca töltéséről?
Helyes válasz: A) Ugyanolyan, mint az elektroszkóp töltése.
Indoklás: Az azonos előjelű töltés tovább növeli a taszítást → nagyobb kitérés.
32. Mikor lehet a két töltés között olyan pont, ahol E=0?
Helyes válasz: A) Csak ha azonos előjelűek.
Indoklás: Azonos előjelű töltések térerőssége ellentétes irányú a köztes pontban, kiolthatják egymást.
33. Mi a Coulomb-erő mértékegysége?
Helyes válasz: C) N.
Indoklás: A Coulomb-erő erő, SI-ben mértékegysége newton.
34. Két töltetlen fémgömb közé töltött lemezt teszünk. Hogyan rendeződik a töltés?
Helyes válasz: B) Az I. és II. rész töltése azonos.
Indoklás: Indukció miatt a lemezhez közelebb eső részek ellentétes, a távolabbiak azonos előjelűek lesznek.
36. Két töltés erővonalai látszanak. Mit mondhatunk az előjelükről?
Helyes válasz: B) Különböző előjelűek.
Indoklás: Összefutó erővonalak → vonzás → ellentétes előjelű töltések.
38. Négy egyforma nagyságú töltés erővonalrendszere. Mi az előjelük?
Helyes válasz: C) Kettő pozitív, kettő negatív.
Indoklás: A rajz szimmetriája és be/kilépő erővonalak száma ezt mutatja.
42. Két azonos nagyságú töltés között lehet-e olyan pont, ahol az eredő E=0?
Helyes válasz: A) Lehetséges, de csak ha azonos előjelűek.
Indoklás: Azonos előjelű töltések középen ellentétes irányú térerősséget hoznak létre.
49. Két azonos pozitív ponttöltés között hol lesz nulla a térerősség?
Helyes válasz: B) A felezőpontban.
Indoklás: Azonos nagyságú, ellentétes irányú térerősség a középpontban kioltja egymást
53. Zivatarban melyik megoldás a legveszélyesebb?
Helyes válasz: C) Fémnyelű, hegyes esernyő fej fölött.
Indoklás: Fém, hegyes vég → csúcshatás, villámcsapás kockázata nagy.
54. Két negatív töltés közé helyezett kis pozitív töltést kitérítünk. Mi történik?
Helyes válasz: B) Becsapódik abba a negatív töltésbe, amely felé kitérítettük.
Indoklás: Az egyensúlyi helyzet instabil, kis eltérés után az egyik töltés felé "leesik".
59. Üvegrúd és műanyag rúd dörzsöléssel tölthető. Az alábbiak közül mely tulajdonsága biztosan azonos még a két rúdnak?
Helyes válasz: C) Mindkettő szigetelő.
Indoklás: Dörzsöléssel csak szigetelőkön marad meg a töltés.
60. Két elektron között hogyan viszonyul a gravitációs vonzás az elektromos taszításhoz?
Helyes válasz: A) A gravitáció elhanyagolható.
Indoklás: Az elektromos kölcsönhatás nagyságrendekkel nagyobb, a gravitáció gyakorlatilag nulla.
66. Töltött fémtest körüli erővonalak rajza helyes-e?
Helyes válasz: C) Helytelen.
Indoklás: Az erővonalaknak merőlegesen kell kilépniük a vezető felületéről; ha nem így van, a rajz hibás.