A megnyúlás utáni végső hosszúság: - az anyagi minőségtől ( - lineáris hőtágulási együttható) l = l0 (1 + T)

-1-

FIZIKA - SEGÉDANYAG - 10. osztály

I. HŐTAN 1. Lineáris és térfogati hőtágulás Alapjelenség: Ha szilárd vagy folyékony halmazállapotú anyagot melegítünk, a hossza ill. a térfogata növekszik, hűtés hatására pedig csökken. Kivétel a víz 0 - 4 ºC között. Lineáris hőtágulásról akkor beszélünk, ha a táguló anyag hosszmérete jelentősen meghaladja a többi (szélesség, magasság) méretet. Szilárd anyag (fém) és folyadék lineáris hőtágulása l =  ∙ l0 ∙ T A hosszváltozás (l) mértéke függ: A megnyúlás utáni végső hosszúság: - az anyag kezdeti hosszától (l0) l = l0 ∙ (1 +  ∙ T) - az anyagi minőségtől ( - lineáris hőtágulási együttható) - a hőmérsékletváltozás mértékétől (T). A lineáris hőtágulási együttható megmutatja, hogy mennyivel változik meg egységnyi (1 mm, 1 cm, 1 m) hoszszúságú, adott anyagi minőségű rúd hossza 1 ºC-os hőmérsékletváltozás hatására. 1 Pl. Al = 2,4 ∙ 10-5  Ha 1 m hosszú alumínium vezeték 1 ºC-kal felmelegszik, akkor a hosszúsága C 2,4 ∙ 10-5 m-rel (2,4 ∙ 10-2 mm-rel, azaz 0,024 mm-rel) növekszik. 1 dm = 10-1 m; 1 cm = 10-2 m; 1 mm = 10-3 m Megjegyzés: Fém esetén a lineáris hőtágulási együtthatót táblázatból kikereshetjük, folyadéknál a térfogati hőtágulási együtthatók táblázatából (β) határozhatjuk meg, βfolyadék = 3 ∙ folyadék alapján. Szilárd anyag (fém) és folyadék térfogati hőtágulása V = β ∙ V0 ∙ T A térfogatváltozás (V) mértéke függ: A tágulás utáni végső térfogat: - az anyag kezdeti térfogatától (V0) V = V0 ∙ (1 + β ∙ T) - az anyagi minőségtől (β - térfogati hőtágulási együttható) - a hőmérsékletváltozás mértékétől (T). A térfogati hőtágulási együttható megmutatja, hogy mennyivel változik meg egységnyi (1 mm3, 1 cm3, 1 dm3, 1 m3) térfogatú, adott anyagi minőségű folyadék vagy test térfogata 1 ºC-os hőmérsékletváltozás hatására. 1 Pl. βaceton = 1,43 ∙ 10-3  Ha 1 m3 térfogatú aceton 1 ºC-kal felmelegszik, akkor a térfogata C 1,43 ∙ 10-3 m3-rel (1,43 dm3-rel) növekszik. 1 dm3 = 10-3 m3; 1 cm3 = 10-3 dm3; 1 mm3 = 10-3 cm3 Megjegyzés: Folyadék esetén a térfogati hőtágulási együtthatót táblázatból kikereshetjük, szilárd halmazállapotú testeknél a lineáris hőtágulási együtthatók táblázatából () határozhatjuk meg, βszilárd = 3 ∙ szilárd alapján. 2. Gázok állapotváltozásai A gáz akkor van egyensúlyi állapotban, ha minden pontjában ugyanakkora a nyomás és a hőmérséklet. A gázok viselkedése bonyolultabb. Egy gáz úgy is képes tágulni, hogy közben hőmérséklete csökken. Állapotjelzők A nyomás (Megjegyzés: A nyomóerő mindig merőleges a nyomott felületre.) - hőmérséklet (T) p = nyomás - nyomás (p) Fny Mértékegysége: N Fny = nyomóerő Kiszámítása:  Pa p - térfogat (V) A = nyomott felület m2 A - tömeg (m). A gáz állapotát (egyensúlyi állapotban) ezek az állapotjelzők egyértelműen meghatározzák, a gáz állapotának változását az állapotjelzők változása mutatja. A hőmérséklet mérésére a Celsius skála helyett az abszolút hőmérsékleti skálát (Kelvin skála) használjuk. Hőmérsékleti skálák A Celsius skála alappontjai: - a jég olvadáspontja - ezt választjuk 0 ºC-nak - a víz forráspontja - ezt választjuk 100 ºC-nak. A két alappont közötti részt 100 egyenlő darabra osztjuk → Ezt nevezzük 1 ºC-nak. Az abszolút hőmérsékleti (Kelvin) skála: - alappontja a világegyetemben lehetséges legalacsonyabb hőmérséklet - ezt választjuk 0 K-nek. A két skála beosztása megegyezik, 1 ºC hőmérsékletváltozásnak 1 K hőmérsékletváltozás felel meg. Átváltás: 0 K = –273 ºC, tehát 273 K = 0 ºC vagyis T(ºC) = T(K) – 273 ill. T(K) = T(ºC) + 273 Állapotváltozások Az állapotváltozások közben a négy állapotjelző (hőmérséklet, nyomás, térfogat, tömeg) közül legalább kettő mindig megváltozik.


-2-

IZOBÁR állapotváltozás (izobár = állandó nyomás) - hőmérséklet (T) - változik - nyomás (p) - állandó - térfogat (V) - változik - tömeg (m) - állandó. Ha a hőmérsékletet Kelvinben adjuk meg, akkor a két változó mennyiség (V és T) hányadosa állandó (egyenes arányosság van közöttük). Az állapotváltozás során a gáz a (V1; T1) állapotjelzőkkel jellemezhető 1. állapotból, a (V2; T2) állapotjelzőkkel jellemezhető 2. állapotba ment át. V V V Szabály: = állandó  1  2  Gay-Lussac I. törvénye T1 T2 T IZOCHOR állapotváltozás (izochor = állandó térfogat) - hőmérséklet (T) - változik - nyomás (p) - változik - térfogat (V) - állandó - tömeg (m) - állandó. Ha a hőmérsékletet Kelvinben adjuk meg, akkor a két változó mennyiség (p és T) hányadosa állandó (egyenes arányosság van közöttük). Az állapotváltozás során a gáz a (p1; T1) állapotjelzőkkel jellemezhető 1. állapotból, a (p2; T2) állapotjelzőkkel jellemezhető 2. állapotba ment át. p p p Szabály: = állandó  1  2  Gay-Lussac II. törvénye T T1 T2

p

V 2.

V2

p 1.

2.

V1 1.

T1

T2

V1

T

V2

V

p 2.

p2

pp2 2.

p1

p1 1.

T1

IZOTERM állapotváltozás (izoterm = állandó hőmérséklet) - hőmérséklet (T) - állandó - nyomás (p) - változik - térfogat (V) - változik - tömeg (m) - állandó. Ha a hőmérsékletet Kelvinben adjuk meg, akkor a két változó mennyiség (p és V) szorzata állandó (fordított arányosság van közöttük). Az állapotváltozás során a gáz a (p1; V1) állapotjelzőkkel jellemezhető 1. állapotból, a (p2; V2) állapotjelzőkkel jellemezhető 2. állapotba ment át.

T2

1. V

T

V

p p1

1.

2.

p2 V1

V2 V

Szabály: p  V = állandó  p1  V1 = p2  V2  Boyle-Mariotte törvényeI Azt a grafikont amelyen az állapotváltozás végighalad, izotermának nevezzük. ÁLTALÁNOS állapotváltozás (A grafikon két izotermát érint. T1 < T2) - hőmérséklet (T) - változik - nyomás (p) - változik - térfogat (V) - változik - tömeg (m) - állandó. Ha a hőmérsékletet Kelvinben adjuk meg, akkor azt tapasztaljuk, hogy a gáz nyomásának és térfogatának szorzata egyenesen arányos a gáz hőmérsékletével, vagyis a (p  V) szorzat és a T hőmérséklet hányadosa állandó. Az állapotváltozás során a gáz a (p1; V1; T1) állapotjelzőkkel jellemezhető 1. állapotból, a (p2; V2; T2) állapotjelzőkkel jellemezhető 2. állapotba ment át pV p V p V Szabály: = állandó  1 1 = 2 2  Egyesített gáztörvény T T2 T1

p p1

T1

T2

1. 2.

p2

V1

V2

V


-3-

Az állapotegyenlet (állapotváltozás közben a gáz tömege is változhat, minden állapotra külön írjuk fel) - hőmérséklet (T) - változhat - nyomás (p) - változhat - térfogat (V) - változhat - tömeg (m) - változhat. Az állapotegyenlet felírható több alakban is. n = anyagmennyiség, R = általános gázállandó (R = 8,314 N = a részecskék száma,

J ), mol  K

M = moláris tömeg (1 molnyi (6  1023 db) részecske tömege), J k = Boltzmann-állandó (k = 1,38  10–23 ) K NA = 6  1023 (Avogadro szám)

- pV=nRT - pV=

m RT M

ahol n =

m N  M NA

- pV=NkT 3. A gázok belső energiája A gáz belső energiáját a (pontszerűnek tekinthető) gázrészecskék rendezetlen mozgásából származó mozgási energiák összege adja. Figyelembe kell venni a haladó és forgó mozgást is, ezért az egyatomos gázoknál (He) a szabadsági fokok száma f = 3 (csak a haladó mozgás számít), a kétatomos gázoknál (O2) f = 5 (a haladó és forgó mozgás is számít), a bonyolultabb molekuláris gázoknál (metán/CH4) f = 6. Az N db részecskéből álló gáz belső energiája is felírható több alakban: f - Eb = NkT 2 f - Eb = pV 2 f m - Eb =  RT 2 M f - Eb = nRT 2 A hőtan I. főtétele A gázok belső energiáját mechanikai és termikus úton (munkavégzéssel, pl. összenyomással, ill. melegítéshűtés útján) lehet megváltoztatni. A gáz belső energiájának megváltozása (Eb) egyenlő a gáznak termikus úton átadott hőmennyiség (Q) és a belsőenergia-változást okozó mechanikai munka (W) előjeles összegével. Eb = Q + W = Eb2 – Eb1 A termodinamika (hőtan) első főtétele a termodinamikai rendszerekre kimondja az energiamegmaradást, vagyis azt, hogy az energia a termodinamikai folyamatok során átalakulhat, de nem keletkezhet és nem veszhet el. Ez alapján nem lehet olyan gépet készíteni, ami több munkát végez, mint amennyi energiát fölvesz a környezetétől (nem létezik elsőfajú örökmozgó). Egy ilyen gép hatásfoka nagyobb lenne 100%-nál. A termikus folyamatok iránya, a hőtan II. főtétele Termikus kölcsönhatás közben mindig a melegebb test ad át energiát a hidegebb testnek. Az energiacserének ez az iránya - magától, külső beavatkozás nélkül - nem megfordítható. A mechanikai energia teljes egészében belső energiává alakulhat, de a belső energia nem alakulhat vissza teljes egészében mechanikai energiává. Ez alapján nem lehet olyan gépet készíteni, amely a környezetéből felvett hőenergiát veszteségek nélkül munkavégzésre tudja fordítani (nem létezik másodfajú örökmozgó). Egy ilyen gép hatásfoka pontosan 100% lenne.

-4-


II. ELEKTROSZTATIKA Elektromos töltés, elektromos állapot A természetben bizonyos elemi részecskék (elektron, proton) rendelkeznek egy olyan tulajdonsággal, amelyet az elektromos töltés szóval írunk le. Kétféle elektromos töltés létezik: pozitív (+) és negatív (–). A töltés is megmaradó mennyiség, töltés a semmiből nem keletkezik és nem is vész el. Zárt rendszerben az összes töltés mennyisége állandó. A kiterjedt testek töltése a bennük levő részecskék töltéseinek összeadódásából származik, így egy test lehet elektromos szempontból semleges is, ha a benne levő részecskék összes pozitív és negatív töltése megegyezik. A testek (anyaguktól függően) dörzsöléssel elektromos állapotba hozhatók, Ha egy semleges testről elektronokat szakítunk le, akkor a test elektronhiányos (pozitív) állapotba, ha többlet elektronokat viszünk rá, akkor elektrontöbbletes (negatív) állapotba kerül. Az elektromos töltés jele: Q Mértékegysége: C (Coulomb)  Qelektron  =  Qproton  = 1,6 · 10–19 C Elektromos kölcsönhatás Az elektromos töltések között kölcsönhatás jön létre, melyet a töltést körülvevő eletromos mező közvetít. Az azonos előjelű töltések között taszítás, a különböző előjelűek között vonzás lép fel. Coulomb törvénye (pontszerű töltések esetén) A két elektromos töltés között fellépő vonzó-, vagy taszítóerő nagysága függ a töltések értékétől és a közöttük levő távolságtól. Q·q ahol: Q és q a két ponttöltés értéke, Fe = k · ––––– r a két töltés távolsága, r2 k = 9 · 109 Nm2/C2 (arányossági tényező). Az elektromos térerősség (pontszerű töltés esetén) Megmutatja az egységnyi próbatöltésre ható erő nagyságát és irányát. Jele: E F Q ahol: q a pontszerű próbatöltés értéke, E = –– = k · –– Q a mezőt létrehozó ponttöltés értéke, 2 q r k = 9 · 109 Nm2/C2 (arányossági tényező). A térerősség vektormennyiség, iránya megegyezik a pozitív próbatöltésre ható erő irányával. Megmutatja az egységnyi felületen (merőlegesen) áthaladó elektromos erővonalak számát. N V Mértékegysége: [E] =  C m Az elektromos mező szemléltetése Az elektromos mező erővonalakkal történő szemléltetésekor a mező minden pontjában: - az erővonalak iránya megegyezik a térerősség irányával, - az erővonalak sűrűsége megegyezik a térerősség nagyságával. Homogén a mező, ha az elektromos erővonalak párhuzamosak, egyirányúak és mindenhol egyenlő sűrűségűek. Pontszerű töltés(ek) és síklemez elektromos mezője pontszerű pontszerű pozitív síklemez pozitív töltés negatív töltés + + + + + + – +

két különböző töltés

két azonos töltés

-5-


Az elektromos fluxus A (A) felületen (merőlegesen) áthaladó összes erővonal számát adja meg. Jele: Ψ (Pszí) Ψ=E∙A N 2 Mértékegysége: [Ψ] =  m  V  m C Az elektromos mező munkája homogén elektromos mezőben Az elektromos mező a benne levő töltésre erőt fejt ki, és elmozdítja azt az A pontból a B pontba, miközben munkát végez rajta. Ha a töltés elmozdulása megegyezik a térerősség irányával, akkor a végzett munka így számítható: WAB = F · dAB = E · q · dAB ahol F a q nagyságú töltésre ható erő, dAB a q töltés elmozdulása (az A és B pontok távolsága), E a térerősség.. Ha a töltés elmozdulása a térerősség irányával α szöget zár be, akkor: WAB = F · dAB ∙ cos α Az elektromos feszültség homogén elektromos mezőben (a térerősséggel kifejezve) Az előzőek alapján - mivel WAB = E · q · dAB = UAB ∙ q - a homogén mező két pontja között a feszültség: UAB = E · dAB illetve UAB = E · dAB ∙ cos α A kondenzátor, a kondenzátor energiája A kondenzátor elektromos töltés felhalmozására, tárolására használható. A síkkondenzátor lemezei között homogén elektromos mező alakul ki. A kondenzátor feltöltése közben mindkét lemezen ugyanakkora, de ellenA tétes előjelű töltés halmozódik fel (+Q; –Q). Az egyik lemezen levő töltés és a lemezek közötti feszültség hányadosa állandó érték, ezt nevezzük a kondenzátor kapacitásának. Jele: C d Q C= U A kondenzátor kapacitása egyenesen arányos a lemezek felületének nagyságával (A), fordítottan arányos a köztük levő távolsággal (r), és attól is függ, hogy a lemezek között milyen szigetelőanyag van (r). C = 0  r 

A d

0 = a vákuum dielektromos állandója, r= a szigetelőanyag relatív dielektromos állandója. A kondenzátor feltöltéséhez (a töltések szállításához) munkát kell végezni, ezért a feltöltött kondenzátor energiát tárol. Ec = ½ ∙ C · U2 Áramforrás Állandó elektromos mezőt biztosító berendezés. A kémiai elven működő áramforrást galvánelemnek nevezzük. Ilyenek pl. a különféle elemek (ceruzaelem), akkumulátorok (mobiltelefonban, gépkocsiban). Az elektromos áram A töltések rendezett, egyirányú mozgását elektromos áramnak nevezzük. A fémekben a szabad elektronok, folyadékokban (elektrolitokban) általában különféle ionok mozdulnak el. Áramkör Az elektromos áram folyamatos fennmaradásához és felhasználásához áramkörre van szükség. Az áramkör részei:  áramforrás,  fogyasztó,  vezeték,  kapcsoló.

-6-


Áramköri alapmennyiségek Áramerősség Megmutatja, hogy a vezető keresztmetszetén 1 másodperc alatt hány Coulomb töltés áramlik át. Jele: I átáramlott töltés Q Kiszámítása: áramerősség =  I= eltelt idő t C = A (amper) s Pl. I = 6 A = 6 C/s  A vezető keresztmetszetén 1 s alatt 6 C töltés áramlik át. (2 s alatt 12 C áramlik át, …) Feszültség Megmutatja, hogy mennyi munkát végez az elektromos mező két pont között, 1 C töltés átszállítása közben. Jele: U

Mértékegysége:

Kiszámítása: feszültség =

W végzettmunka  UAB = AB q átszállíto tt töltés

J = V (volt) s Pl. UAB = 24 V = 24 J/C  Az elektromos mező 24 J munkát végzett, miközben átszállított 1 C töltést az „A” pontból a „B” pontba. (2 C átszállítása közben 48 J munkavégzés történik, …) Ohm törvénye Egy vezetőn átfolyó áram erőssége egyenesen arányos a vezetőn eső feszültséggel. Mivel a két mennyiség egyenesen arányos, hányadosuk állandó. Ezt az állandót a fogyasztó ellenállásának nevezzük. Ellenállás Megmutatja, hogy mekkora feszültség esetén lesz a fogyasztón átfolyó áram erőssége 1 A. Jele: R feszültség U Kiszámítása: ellenállás =  R= áramerösség I V Mértékegysége: = Ω (ohm) A Pl. R = 12 Ω = 12 V/A  A fogyasztóra 12 V feszültséget kell kapcsolni ahhoz, hogy a rajta áthaladó áram erőssége 1 A legyen. (24 V esetén 2 A lesz az áramerősség, …) Fémes vezetődarab ellenállása Fémes vezetőben a mozgó elektronok kölcsönhatásba kerülnek a vezető részecskéivel, mozgásukkal szemben ellenállás lép fel. Ez az ellenállás (R - rezisztencia) függ a vezető:  hosszától, (l) - minél hosszabb a vezető, annál nagyobb az ellenállása (R egyenesen arányos l-el)  keresztmetszetétől, (A) - minél vastagabb a vezető, annál kisebb az ellenállása (R fordítottan arányos A-val)  anyagától. () - fajlagos ellenállás, nem a sűrűséget jelenti. l R=· A A fajlagos ellenállás megmutatja, hogy mekkora az ellenállása az 1 m hosszú, 1mm2 keresztmetszetű, adott anyagi minőségű vezetékdarabnak. mm 2 Pl. Al = 0,027 Ω  Az 1 m hosszú, 1mm2 keresztmetszetű alumíniumvezeték ellenállása 0,027 Ω. m mm 2 mm 2 A másik mértékegység: Ω · m. Átszámítás: 1 Ω = 10–6 Ω  m  Al = 0,027 Ω = 2,7 · 10–8 Ω · m m m Mértékegysége:

-7-


Elektromos munka és teljesítmény Az elektromos mező a töltések szállítása közben munkát végez a fogyasztón. (W = U  Q és Q = I  t alapján) We = U ∙ I · t A mértékegységek közötti összefüggés alapján: 1 J = 1 V  A  s W A teljesítmény hagyományos értelmezése (megmutatja az időegységre eső munkát) itt is érvényes. P = t Pe = U ∙ I A mértékegységek közötti összefüggés alapján: 1 W = 1 V  A A „W” itt nem a munka jele, hanem a Watt (teljesítmény) mértékegység rövidítése (1 J = 1 W  s). Fogyasztók soros kapcsolása Egy áramkörben több fogyasztót összekapcsolva akkor mondjuk, hogy sorosan vannak kapcsolva, ha az áramkört az áramforrás egyik pólusától végigjárva nem találunk egyetlen elágazást sem. A továbbiakban csak két fogyasztó esetét vizsgáljuk, de a szabályok ugyanúgy érvényesek több fogyasztóra is. Mivel az elektronoknak csak egy útjuk van, ezért minden elektron mindkét fogyasztón (és a vezetéken is) áthalad, tehát az áramerősség az áramkör minden pontjában ugyanakkora. I = I1 = I2 Ha különbözik a fogyasztók ellenállása, akkor a negyobb ellenálláson több munkát kell végezni ugyanannyi elektron (töltés) átszállítása közben. A feszültség definíciója alapján a nagyobb ellenállású fogyasztón, ahol több munkát kell végezni, nagyobb feszültség esik. A fogyasztókon végzett összes munka kiszámításához az egyes munkákat összeadjuk (Wö = W1 + W2), ehhez pedig az áramforrás szolgáltatja az energiát, tehát az áramforrás feszültsége (U0) megegyezik a fogyasztókon mérhető feszültségek összegével. U0 = U1 + U2 A két fogyasztó helyettesíthető egy (eredő = Re) ellenállású fogyasztóval, amely ugyanazokat az áramköri viszonyokat (U; I) hozza létre az áramkörben, mint a két fogyasztó. U U  U 2 U1 U 2 Ohm törvényének felhasználásával: R = 0 = 1 = R1 + R2 tehát az eredő ellenállás   I I I I Re = R1 + R2 A sorosan kapcsolt fogyasztókat csak egyidejűleg tudjuk működtetni, ha valamelyiket kikapcsoljuk, akkor megszakad az áramkör és a másik sem fog működni. Fogyasztók pűrhuzamos kapcsolása Fogyasztók párhuzamos kapcsolása csak akkor lehetséges, ha elágazást hozunk létre az áramkörben. Előnye a soros kapcsoláshoz képest, hogy a fogyasztók egymástól függetlenül üzemeltethetőek. Az elágazásnál az elektronok csak az egyik ágon haladhatnak (nem tudnak osztódni). Azon az ágon alakul ki nagyobb áramerősség, amelyben a fogyasztó ellenállása kisebb. A két mellékágban összesen annyi elektron halad, mint amennyi a főágban. I = I1 + I2 A feszültség definíciója alapján (AB pontok között értelmezzük), ha az „A” és „B” pontnak a két elágazási pontot tekintjük, belátható, hogy mindkét fogyasztóra ugyanakkora feszültség jut, mint az áramforrásra. U0 = U1 = U2 A két fogyasztó helyettesíthető egy (eredő = Re) ellenállású fogyasztóval, amely ugyanazokat az áramköri viszonyokat (U0; I) hozza létre az áramkörben, mint a két fogyasztó. Megjegyzés: Re < R1 és Re < R2 1 1 1 R R  =  Re = 1 2 Re R1 R 2 R1  R 2

-8-


Vezetési jelenségek Folyadékban akkor jöhet létre vezetés (folyhat áram), ha van benne elmozdulásra képes pozitív vagy negatív ion. Az elektromos mező hatására az elektrolit ionjai a megfelelő pólus felé vándorolnak → a folyadékban elektromos áram folyik. A töltéshordozó ionok az elektródákon semlegesítődnek és anyagkiválás jön létre. Ezt a folyamatot elektrolízisnek nevezzük. Faraday a kiválasztódó anyag és az átáramlott töltés mennyiségének megmérésével, meg tudta határozni az elemi töltés nagyságát, amelynek (abszolút)értéke 1,6 · 10-19 C. Az elemi töltés pontos és közvetlen megmérése Robert A. Millikan nevéhez fűződik. (Nobel-díj) Gázban is csak akkor jöhet létre vezetés, ha van benne elmozdulásra képes pozitív vagy negatív ion. A folyadékokhoz képest új jelenség, hogy ha a gázionok az elektromos mező hatására felgyorsulnak, a létrejövő ütközések újabb ionokat hozhatnak létre (ütközési ionizáció), miközben a gázatomok egy része magasabb energiájú állapotba kerül (gerjesztődik), amely fénykibocsátással jár. A kibocsátott fény színe függ a gerjesztett gáz anyagi minőségétől. Vákuumban csak akkor jöhet létre vezetés, ha oda töltéshordozókat juttatunk. Ez általában termikus emisszióval (felizzítunk egy vákuumban levő fémrudat, amelyből töltéshordozók lépnek ki), vagy fotoemisszióval (fény hatására lépnek ki töltéshordozók a vákuumba helyezett katódból) történik. A termikus emisszió gyakorlati alkalmazása a katódsugárcsövekben, a fotoemisszióé a fotocellákban történik. Tiszta félvezetőben (szilícium kristály = Si) a hőmozgástól szabaddá váló elektronok és a helyükön létrejövő pozitív lyukak képesek vándorolni, ha feszültséget kapcsolunk a félvezető kristályra. Ezt nevezzük sajátvezetésnek. Szennyezett félvezetőben, a bevitt szennyezőanyag vegyértékelektronjainak száma határozza meg a kialakuló vezetés típusát. Ha a szennyezőanyagnak a félvezetőkristálynál több vegyértékelektronja van (foszfor = P), akkor n-típusú, másként elektronvezetés, ha kevesebb vegyértékelektronja van (Bór = B), akkor p-típusú, vagyis lyukvezetés jön létre. n-típusú p-típusú

Gyakorlati alkalmazás: Egyrétegű félvezető a fotoellenállás és a termisztor. Ezeknél a megvilágításra, illetve a melegítésre bekövetkező ellenálláscsökkenést hasznosítják. Kétrétegű félvezető a dióda, amely egy p-típusú és egy n-típusú rétegből áll. Egyenirányításra használják. Háromrétegű félvezető a tranzisztor, amely lehet npn, vagy pnp típusú. A három réteg elnevezése: emitter (E), bázis (B) és kollektor (C). A tranzisztort áramváltozások felerősítésére használják.


-9-

A FIZIKAI MENNYISÉGEK ÖSSZEFOGLALÓ TÁBLÁZATA JELE

MÉRTÉKEGYSÉGE

TÖMEG

m

g; kg

TÉRFOGAT

V

NYOMÁS

p

HŐMÉRSÉKLET

T

SŰRŰSÉG



TÖLTÉS

Q

cm3; dm3; m3 N  Pa m2 ºC; K g kg  3 cm dm 3 C

ERŐ

F

N

TÉRERŐSSÉG

E

FELSZÍN

A

FLUXUS

Ψ (Pszí)

NEVE

KAPACITÁS

C

FESZÜLTSÉG

U

ÁRAMERŐSSÉG

I

ELLENÁLLÁS

R

ENERGIA, MUNKA

E, W

TELJESÍTMÉNY

P

IDŐ

t

N V  C m cm2; dm2; m2 N 2 m  V m C C = F (Farad) V J V= C C A= s V Ω= (Ohm) A J=V·C=V·A·s=Ws J W= (Watt) s s; min.; h

KISZÁMÍTÁSA F m= a

=

m V

Qq r2 F Q E   k 2 q r F  k

Ψ=E∙A C=

Q U

W =E·d Q Q I= t U R= I Ee =We = U · I · t E W P= e = e =U∙I t t U=

Megjegyzés: „d” a töltés - elektromos mező két pontja közötti - elmozdulását jelenti. Figyelj arra, hogy a betűk mikor jelölnek fizikai mennyiséget, és mikor mértékegységet! Pl.: C = a kapacitás jele, de a töltés mértékegysége is. Ha előtte van egy szám, akkor biztosan mértékegység. C 6C C=6 = = 6 F(arad)  Ilyenkor az első „C” a fizikai mennyiséget (kapacitás), a 6-os utáni „C” pedig a V 1V C 6C mértékegységet (töltés) jelöli. (A kondenzátor kapacitása 6 = , ahol a töltés mennyisége 6 C.) V 1V Az E jelölhet térerősséget és energiát is, stb.

A mellékelt próba feladatsort megoldva hozd el a vizsgára!

- 10 -


PRÓBA FELADATSOR Hőtan 1. Egy 4 m hosszú fémcsövet 12 C-ról 362 C-ra melegítettek fel. Mennyivel változott a hossza, ha a lineáris hőtágulási együttható értéke: 1,2 · 10-5 1/C? 2. Mennyivel változik a lámpában levő 40 cm3 petróleum térfogata, ha 12 C-ról 56 C-ra nő a hőmérséklete? A petróleum térfogati hőtágulási együtthatója 0,92 · 10-3 1/C? A lámpa hőtágulásától eltekintünk. 3. A szódásszifon patronjában 3 cm3 térfogatú, 18 C hőmérsékletű, 3 · 106 Pa nyomású gáz van. Amikor kiszúrjuk a patront, a gáz térfogata 60 cm3-re nő. Mekkora lesz a gáz hőmérséklete, ha nyomása a normál légköri nyomás nagyságára, 105 Pa-ra csökken? Rajzold meg az állapotváltozás p – V grafikonját! 4. Egy vízszintes, mindkét végén nyitott üvegcsőbe, két higanycsepp közé 4 cm3 levegő van bezárva. A rendszer hőmérsékletét 20 C-ról 120 C-ra növelve, mekkorára nő a bezárt levegő térfogata? A légnyomás értéke 100 kPa. Az üvegcső és a higany hőtágulásától eltekintünk. 5. Hány Kelvin fokra melegedett fel az a 450 K hőmérsékletű gáz, amelynek a tágulása során 500 dm 3-ről 800 dm3-re növekedett a térfogata? A gáz nyomása a folyamat során végig ugyanakkora. 6. Egy hajó gázt tartalmazó, zárt, 300 literes fémhordókat szállít, amelyek a napsütésben 330 K-re melegedtek fel, így bennük a gáz nyomása most 220 kPa. Mekkora lesz abban a hordóban a nyomás, amelyiknek a hőmérséklete a tengerbe esés után 30 K-nel csökken? A hordó hőtágulásától eltekintünk. (1 liter = 1 dm3) 7. Egy légbuborék 20 m mélységből emelkedik a felszínre. Benne a nyomás 300 kPa-ról 100 kPa-ra csökken. Mekkora lesz a buborék térfogata a vízfelszín elérésének pillanatában, ha eredetileg 8 cm3 volt a térfogata? A víz hőmérséklete a mélységgel nem változik. T (ºC) 30 8. A grafikon alapján válaszold meg az alábbi kérdéseket! 25 20 a. Hogyan változott a hőmérséklet? .................................. 15 b. Hány Kelvinnel változott? ............................................. 10 5 c. Lehet-e izoterm az állapotváltozás? .............................. 1 2 3 4 5 6 7 8 t (s) d. Lehet-e izochor az állapotváltozás? .............................. 9. Egy palackban 5 mol, 27 ºC-os, egyatomos hidrogén gáz van. Számold ki a gáz belső energiáját! J J R=8 ; k = 1,4 · 10–23 K mol  K 3 10. Mennyi a belső energiája 8 m térfogatú, 106 Pa nyomású 2 atomos oxigén gáznak? Elektromosságtan a. Milyen módon jöhet létre vezetés a folyadékokban? b. Írd le röviden az elektrolízis lényegét! 2. Szemléltesd egymás közelében levő pozitív és negatív töltés elektromos mezőjét! 3. Egymástól 4 m távolságra levő pontszerű testek töltése 3 · 10–8 C és –6 · 10–9 C. Mekkora és milyen irányú erő lép fel közöttük? k = 9 · 109 Nm2/C2 4. Határozd meg az elektromos mező térerősségének nagyságát abban a pontban, amelyben a 2 · 10-7 C töltésű részecskére 3 · 10-4 N erő hat! 5. Határozd meg az elektromos mező térerősségének nagyságát a 2 · 10–7 C töltésű részecskétől 2 m-re? 6. Mekkora a kondenzátorban tárolt energia, ha a kondenzátor kapacitása 8 · 10–6 F és a lemezek közötti feszültség 220 V? Mennyi töltést tárol a kondenzátor? 7. Mekkora az áramerősség abban a vezetékben, amelynek keresztmetszetén 5 s alatt 12 C töltés áramlik át? 8. Mekkora az ellenállása annak a fogyasztónak, amelyen 220 V feszültség mellett 0,4 A erősségű áram mérhető? Mennyi munkát végez az elektromos mező, miközben átszállít 5 C töltést a fogyasztón? 9. Mekkora erősségű áram halad át 220 V feszültség hatására azon a fogyasztón, amelynek ellenállása 4400 Ω? Mekkora teljesítménnyel üzemel ez a fogyasztó? Rajzolj egy ilyen áramkört! 10. Mekkora feszültségről üzemeltetjük azt a fogyasztót, amelynek ellenállása 95 Ω, miközben 4 A erősségű áram mérhető rajta? Mennyi energiát vesz fel a fogyasztó a hálózatból 6 h alatt? 1.

A megnyúlás utáni végső hosszúság: - az anyagi minőségtől ( - lineáris hőtágulási együttható) l = l0 (1 + T)

Recommend Documents