Plán doučování z fyziky – kvarta
Učebnice: Fyzika 9 – učebnice pro základní školy a víceletá gymnázia Nakladatelství Fraus 2007
1. pololetí Elektrodynamika - magnetická a elektromagnetická indukce - generátory - kondenzátor a cívka - transformátory - elektromotory Elektrický proud v polovodičích - elektrony a díry - příměs v polovodiči - PN přechod - diody a světlo - tranzistor jako zesilovač - využití polovodičových součástek 2. pololetí Atomy a záření - modely atomu - záření z elektronového obalu - jaderné síly - radioaktivita - jaderné reakce - řetězová reakce - jaderný reaktor - jaderná elektrárna - termonukleární reakce Astronomie - Slunce - kamenné planety - plynné planety - Keplerovy zákony - Vznik a vývoj hvězd - Galaxie - Souhvězdí
Elektrodynamika Magnetické pole je kolem vodiče s proudem. Magnetka se natáčí ve směru tečny ke kruhové magnetické indukční čáře. Orientaci magnetických indukčních čar udává pravidlo pravé ruky:
Položíme-li pravou ruku v okolí vodiče s proudem tak, že palec ukazuje dohodnutý směr proudu ve vodiči, pokrčené prsty ukazují orientaci indukčních čar.
Magnetická síla působící na vodič s proudem v magnetickém poli. Magnetická indukce: B [T - tesla] Fm = B . I . l B = Fm / I . l Fm – magnetická síla I – proud ve vodiči l – délka vodiče Směr Fm se určí Flemingovým pravidlem levé ruky. Položíme-li levou ruku na vodič tak, aby magnetické indukční čáry vstupovaly do dlaně a prsty mířily v dohodnutém směru proudu, palec ukazuje směr síly.
Síla působící mezi dvěma vodiči s proudem Dva dlouhé přímé vodiče vedle sebe ... vzájemná vzdálenost d, protékající proudy I1, I2. Vodiče na sebe působí silou - prostřednictvím svých magn. polí.
Proud prochází stejným směrem. V oblasti mezi vodiči jdou siločáry obou magnetických polí proti sobě - pole se zeslabuje, v oblasti vně vodičů mají siločáry obou polí stejný směr - pole se zesiluje a vodiče jsou tlačeny k sobě.
Proud prochází opačným směrem. V oblasti mezi vodiči mají siločáry obou polí stejný směr - pole se zesiluje, v oblasti vně vodičů jdou siločáry obou magnetických polí proti sobě - pole se zeslabuje a vodiče jsou taženy od sebe.
Cívka - je to vodič namotaný na pevnou kostru - umožňuje zvýšení účinnosti magnetického pole - magnetická indukce B (velikost magnetického pole) - magnetická indukce v dutině cívky závisí na počtu závitů a jádře z magneticky měkké oceli, vloženém do cívky a také na velikosti proudu
Elektromagnet
- při průchodu el. proudu má cívka magnetické póly, magnetické pole vně i uvnitř cívky určuje pravidlo pravé ruky - určení severního pólu - cívka s jádrem z magneticky měkké oceli (zesílení magnetického pole)
- užití jako elektrický zvonek, elektromagnetické relé (spínač), jistič
Směr siločar magnetického pole závitu nebo cívky se určí Ampérovým pravidlem pravé ruky: Vezmeme cívku do ruky tak, aby pokrčené prsty ukazovaly směr proudu v cívce. Odchýlený palec pak ukáže směr siločar uvnitř cívky. (severní pól elektromagnetu)
Elektromotor
- stroj, který přeměňuje elektrickou energii na pohybovou (Ek rotačního pohybu) - v prostoru mezi póly magnetu se otáčí cívka s proudem v magnetickém poli - je složen ze statoru (část v klidu, obvykle magnet) a z rotoru (otáčející se část, obvykle 1 nebo více cívek na pájených proudem) a z komutátoru (napájí proudem rotor, mění směr proudu v cívkách rotoru) - užívá se ve vysavači, hračkách k pohonu, pohonu tramvají, lokomotiv
Otáčení proudové smyčky v magnetickém poli.
Elektromagnetická indukce
- jev, kdy při změně magnetického pole v okolí cívky vzniká v obvodu cívky proud
- je to indukovaný proud a indukované napětí - rychlejší změny pole znamenají větší indukovaný proud
- pojmenoval jej Michael Faraday (1831) - vzniká i v případě dvou cívek (primární, sekundární), změny magnetického pole se ocelovým jádrem přenáší do dutiny druhé cívky, což využívají zapalovací cívky motorů a transformátory - slouží k přeměně pohybové energie na elektrickou v generátorech el. proudu - užití: dynamo - stejnosměrný proud (komutátor usměrňuje vzniklý střídavý proud)
alternátor – v cívkách statoru vzniká střídavé napětí díky změnám magnetického pole od rotujícího magnetu v rotoru
Působení magnetického pole na elektrický náboj v pohybu. Vychylování elektronů v CRT obrazovce TV nebo monitoru počítače:
Využití elektromagnetické indukce: - alternátor, dynamo, zapalovací svíčky v motorech, transformátory, elektrická kytara, elektromotory, indukční varné desky, indukční pece, ... Elektromagnetická indukce je důsledkem vzájemného silového působení elektrického a magnetického pole. Jestliže pohybujeme elektrickým vodičem v magnetickém poli tak, že protínáme magnetické indukční čáry, vzniká na koncích vodiče indukované elektrické napětí. Je-li vodič zapojen do uzavřeného obvodu, protéká jím elektrický proud. Podle Faradayova zákona elektromagnetické indukce platí, že čím rychleji pohybujeme vodičem v magnetickém poli, tím je indukované napětí větší. S využitím elektromagnetické indukce se setkáváme každodenně. Jako příklad je možno uvést
střídavý elektrický proud, který byl vyroben v elektrárnách za pomoci využití elektromagnetické indukce.
Zkušební otázky: Co víš o magnetickém poli vodiče s proudem Co víš o síle působící mezi rovnoběžnými vodiči Co víš o síle působící mezi vodičem a magnetickým polem Co víš o magnetickém poli cívky Co víš o elektromagnetické indukci Co víš o reproduktoru a magnetoelektrickém ampérmetru
Polovodiče CO TO JSOU POLOVODIČE? Polovodiče jsou pevné látky, které jsou za určitých okolností vodiči a za jiných okolností izolanty. Nejdůležitějšími polovodiči jsou Si, Ge, C. Většinou se jedná o prvky ze čtvrté skupiny periodické soustavy prvků. FYZIKÁLNÍ PODMÍNKY OVLIVŇUJÍCÍ VODIVOST POLOVODIČŮ 1) Teplota – odpor čistého polovodiče s rostoucí teplotou klesá. Této závislosti se využívá v termistorech. Kromě termistorů existují také pozistory PTC. Nejsou však z polovodičů. charakteristika a schematická značka termistoru NTC
2) Osvětlení nebo jiné elektromagnetické záření – osvětlený polovodič má lepší vodivost (fotorezistory, fotobuňky). 3) Tlak – (tenzometry) – součástka reagující na změny tlaku např. zatížení v elektronické váze. Polovodičem je zejména křemík s čistotou 99,99999%. V čistém polovodiči je elektrický proud veden zápornými volnými elektrony a kladnými dírami. VODIVOST POLOVODIČŮ 1) ELEKTRONOVÁ – zvýšením teploty se uvolní elektron z vazby. Jedná se o polovodič typu N, který má elektronovou vodivost. Přidáním pětimocné příměsi do křemíkového krystalu se zvýší počet volných elektronů – vznikne polovodič typu N.
2) DĚROVÁ – na místech chybějícího elektronu vznikne prázdné místo, díra, která se chová jako kladná částice. Jedná se o polovodič typu P, který má děrovou vodivost.
Přidáním trojmocné příměsi se zvýší počet děr – vznikne polovodič typu P.
Aby bylo v polovodiči více elektronů a děr, používají se příměsi – příměsová vodivost polovodičů. PŘÍMĚSOVÁ VODIVOST POLOVODIČŮ – P, N Příměsi z V. skupiny periodické soustavy prvků. Fosfor způsobí přebytek elektronů ve vazbě – negativní, elektronovou vodivost typu N. Příměsi z III. Skupiny způsobí nedostatek elektronů – prázdné místo, díru, která se chová jako pozitivní, kladný náboj typu P. VYUŽITÍ POLOVODIČŮ Spojením polovodiče typu P a N vznikne polovodičová dioda. Diodou prochází proud jen jedním směrem.
PN PŘECHOD Vzniká spojením vrstev s vodivostí P a N; má tu vlastnost, že umožní průchod proudu jen jedním směrem – propustný směr. Je-li kladný pól zdroje napětí připojen k polovodiči typu N, proud PN přechodem neprotéká. Přechod je zapojen v závěrném směru. Je-li kladný pól zdroje napětí připojen k polovodiči typu P, proud přechodem protéká. Přechod je zapojen v propustném směru. (na katodu –, na anodu +)
POLOVODIČOVÉ DIODY Propouští proud, je-li anoda P připojena na + a katoda N na - . Když se to zapojí obráceně, dioda nepropouští proud a žárovka nesvítí. Schematická značka: DIODY A SVĚTLO Na osvětleném PN přechodu vzniká elektrické napětí. Fotodioda = speciální dioda, která umožní osvětlení PN přechodu. Fotodioda mění světelnou energii na elektrickou. Fotodiodám s velkou plochou přechodu se říká sluneční články. Sluneční články se spojují do slunečních baterií. Sluneční články a baterie mají malou účinnost. Křemíkové články mají 20% až 30% účinnost. Sluneční baterie poskytují významnou energii jen při osvětlení sluncem, musí se vyrobená energie uschovávat (akumulovat). (Arsenid galitý, fosfid galitý, karbid křemíku) umožňují opačnou přeměnu – elektrická energie se přeměňuje na světelnou. Schematická značka:
Elektroluminiscenční dioda (neboli svítivá dioda) – umožňuje přeměnu elektrické energie na světelnou. Anglická zkratka LED (Light-emitting diode) Schematická značka:
Polovodičové lasery – speciální svítivé diody vydávající intenzivní světlo v úzkém svazku. Polovodičový laser je např. v laserovém ukazovátku, zabudován v ovladači dataprojektoru, umožňuje číst informace z optických disků v CD přehrávači, DVD přehrávači a v počítačích.
Používají se k vytyčení přímého směru: laserové vodováhy, doplňky obráběcích strojů. POLOVODIČOVÉ USMĚRŇOVAČE Usměrňovače jsou obvody s diodami, které mění střídavý proud na stejnosměrný. a) Jednocestný usměrňovač – schéma nejjednoduššího usměrňovače s jedinou diodou. Je znázorněn časový průběh napětí na vstupu a časový průběh proudu spotřebičem (rezistorem R). Protože proud prochází jen při jedné půlperiodě, jde o jednocestný usměrňovač.
b1) Dvojcestný usměrňovač – usměrňovač se čtyřmi diodami. Do spotřebiče propouští proud při obou půlperiodách střídavého napětí.
b2) Grätzův usměrňovač – skládá se ze čtyř diod.
LED diody mohou být: 1) červené 2) oranžové 3) modré 4) zelené
5) žluté 6) poslední a zřejmě s největší budoucností - BÍLÉ SPÍNÁNÍ TRANZISTOREM Tranzistor řízený polem je polovodičová součástka, která dokáže velmi rychle spínat elektrický obvod. Spínání se dosáhne napětím na elektrodě, která je izolována. Energie potřebná k sepnutí je proto zanedbatelná. Tranzistor dokáže sepnout a vypnout obvod více než miliardkrát za sekundu. Desítky milionů takových tranzistorů jsou v počítači. TRANZISTOR JAKO ZESILOVAČ 1947 – objev tranzistoru (Shockley za něj získal Nobelovu cenu). Tranzistor má 3 vrstvy a 3 vývody. B - (střední vývod) - je řídící, ovlivňuje průchod proudu tranzistorem - je to báze E – emitor C – kolektor
a) Mosfet tranzistor – báze napájená elektrickým polem (+, -). (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)
Tranzistor má dva stavy - proud prochází, stav 1 - proud neprochází, stav 0 Použití jako spínač (změna stavu až 109 x za sekundu), nebo jako paměťové prvky ve fotoaparátech, v CCD, v elektronických pamětech).
Zkratka CCD pochází z anglického Charge-Coupled Device, což v překladu znamená zařízení s vázanými náboji.
b) Bipolární tranzistor – ZESILOVACÍ Bipolární tranzistor má dva PN přechody. Existují proto tranzistory NPN a PNP. Byl objevený před spínacími tranzistory. Báze je napájena menšími napětími, která ovlivňují průchod větších proudů mezi emitorem a kolektorem (10 – 10 000 větší). Proudový zesilovací činitel je u různých tranzistorů v rozmezí od 10 do 1000. Tranzistor jako zesilovač: β = Ic/Ib ; β je proudový zesilovací činitel, Ic je proud procházející kolektorem a Ib proud procházející bází.
PŘÍKLADY VYUŽITÍ SOUČÁSTEK
POLOVODIČOVÝCH
VRSTVENÉ INTEGROVANÉ OBVODY – jsou součástky, které v jednom pouzdře obsahují velké množství vodičů, rezistorů, kondenzátorů, diod a tranzistorů. Zkratka IO. ČIPY – je to zhotovení vodičů, tranzistorů, rezistorů i kondenzátorů v jednom tenkém plátku monokrystalu křemíku. MONOLITICKÉ INTEGROVANÉ OBVODY - vyrábí se z čipů. MIKROPROCESOR (CPU) – je složitý integrovaný obvod. V součastné době se užívá procesor PENTIUM, CELERON, ATHLON. Řídí se programem, je základem počítačů. (central processing unit) TYRISTORY - regulují příkon u tramvají a trolejbusů. Jsou to polovodičové součástky, které mohou spínat velké proudy. Na rozdíl od regulace reostatem se žádný příkon neztratí.
POLOVODIČOVÉ PAMĚTI – využívají většinou tranzistorů řízených polem. V nejjednodušších se ukládá informace jednoho bitu do speciálního tranzistoru řízeného elektrickým polem. (1 bajt = 8 bitů) MAGNETOREZISTORY - slouží ke čtení informací uložených v podobě zmagnetovaných plošek na pevném disku. Jsou to polovodičové součástky, jejichž odpor se mění podle velikosti magnetické indukce.
ZENEROVA DIODA – udržuje stálé napětí při měnícím se proudu. Používá se ve stabilizátorech napětí.
OBRAZOVKY OLED - monitory a televizory s obrazovkami se svítícími diodami. Obrazovka je tak tenká, že se může vyrobit na pružném podkladu a svinout do role. LCD - obrazovky s kapalnými krystaly. PLAZMOVÉ OBRAZOVKY - jsou složeny z více než milionu maličkých výbojek podobných zářivkám. Třetina výbojek svítí modře, další třetina zeleně, zbytek červeně. JAK PRACUJE RÁDIO A TELEVIZOR Programy jsou vysílány prostřednictvím elektromagnetických vln (c = λ / T = λ * f). Čím menší je vlnová délka λ (lambda), tím více informací (programů) lze přenášet – menší λ -> vyšší frekvence. Signál je časově proměnné elektrické napětí, které se mění s časem podle určité informace. Touto informací může být zvuk i obraz. Signál se obvykle přeměňuje pomocí vyšší frekvence. Tomuto postupu říkáme modulace. Při amplitudové modulaci se mění amplituda. Při frekvenční modulaci se mění frekvence. Oba způsoby se používají u rádia. U televize se kromě zvuku moduluje na vysokofrekvenční elektromagnetické vlnění i obraz a barva. Digitální TV – DVB – T (terestrický – pozemní) DVB – S (satelit)
Jaderné reakce – kvarta
1. Řetězovou jadernou reakci způsobují: A) protony B) částice beta C) neutrony D) elektrony 2. Popište obrázek:
3. Ke každé části jaderného reaktoru napiš stručně, k čemu slouží: palivové články moderátor tlaková nádoba regulační tyče havarijní tyče reflektor
4. Co je to kontejnment?
5. Jak se nazývají přístroje, pomocí nichž můžeme určit, jaké dávce záření byl člověk vystaven?
6. Jaké dvě jaderné elektrárny pracují v současné době v České republice?
7. Doplň větu: _______ _______ je soustava, ve které může probíhat řízená řetězová reakce.
8. Jaký materiál se nejčastěji používá jako palivo v jaderném reaktoru?
9. Jak se nazývají dva základní okruhy jaderné elektrárny?
10. Proč se neutrony v jaderném reaktoru zpomalují?
Astronomie
