Незвичайне явище природи

Полярне сяйво

    

   Поговоримо сьогодні про одне із найкрасивіших та найвеличніших явищ природи – полярне сяйво – та попробуємо дати йому розумне фізичне пояснення. Спостерігати його можна лише поблизу полюсів, хоча іноді і трапляються винятки. Встановлено, що полярне сяйво виникає на висотах від 80 до 1000 км, і являє собою свічення розріджених газів земної атмосфери (дуже нагадує свічення газу в розрядних трубках - пригадай дослід на уроці).

       Багаторічні дослідження показали, що періоди максимального світіння періодично повторюються і співпадають з циклічністю активності Сонця. Як відомо, що в сторону Землі від нашої зірки прямує нескінченний потік заряджених частинок – сонячний вітер. Він настільки небезпечний, що вмить може знищити все живе на планеті. Але , на щастя, Земля володіє надійним захистом, яким є магнітне поле. Джерело цього поля знаходиться глибоко під землею. Південний магнітний плюс знаходиться пблизу північного географічного, а відповідно північний магнітний – поблизу південного географічного.

Взаємодія сонячного вітру з магнітним полем Землі

        На уроці фізики ми мали можливість спостерігати за тим, як взаємодіють пучок електронів та постійний магніт. Відомо, що влітаючи перпендикулярно до силових ліній магнітного поля, електрон рухатиметься по колу, а влітаючи під деяким кутом – його траекторією буде спіраль. Причина – сила Лоренца (її вивчатимемо дещо пізніше). Враховуючи це, можемо зауважити, що заряджені частинки, випромінювані Сонцем, рухаючись до Землі, попадають в магнітне поле планети. Внаслідок взаємодії, вони відхиляються до полюсів, рухаючись по складних траекторіях котрі нагадують спіраль. Там вони проникають в атмосферу, зумовлюючи свічення газів повітря під дією поштовхів заряджених частинок.

       Саме це свічення називають полярним сяйвом. Кажуть декілька років назад його можна було спостерігати у Львові, хоча я цього підтвердити не можу.

Полярне сяйво над Антарктидою.

 

 

 

 

       Ознайомся з матеріалом та спробуй відповісти.

1. Чому полярне сяйво можна спостерігати лише за полярним колом?
2. Як виглядає магнітне поле Землі? 
3. Чи можна спостерігати полярне сяйво на інших планетаах Сонячної системи?

Полярне сяйво - природна краса

Доцільно прочитати:

1.  Олімпіадні задачі з електрики

та їх розв'язки.

2.  ККД електричної схеми.

3.  Задача на астосування закону Ома.

4.  Закон Ома для електролітів. 

5.  Задача із застосуванням правил Кірхгофа. 

6.  Жива електрика.

7.  Громовиця.

Коронний розряд

Вогні святого Ельма

    

    
 Електричний струм, котрий проходить в газах, назвають газовим розрядом. При кімнатних температурах молекули газу (наприклад, повітря) лишаються нейтральними, носіїв струму немає, а отже газ є діелектриком. Для того, щоб перевести газ в розряд провідників необхідно його іонізувати, тобто перетворити частину його молекул на іони та електрони. Цього досягають шляхом нагрівання, опроміненням потоком заряджених частинок, опроміненням ультрафіолетом або Х- променями.

      Газовий розряд поділяють на самостійний та несамостійний, розрізняючи при цьому наступні типи самостійного газового розряду: 

1. тліючий газовий розряд;
2. іскровий газовий розряд;
3. коронний газовий розряд;
4. дуговий газовий розряд.   

     Поговоримо про найбільш містичний із всіх розрядів – коронний. Усім відоме явище стікання електричного заряду. Сутність його полягає в тому, що в найбільш загострених місцях зарядженого тіла, концентрація зарядів є найбільшою. Це, в свою чергу, призводить до зростання напруженості електричного поля Е біля вістря. В момент, коли Е близька до величини пробивної напруги для газу, біля тіла виникає рух заряджених частинок, що в свою чергу зумовлює світіння газу у формі корони навколо дроту або китиць світла біля вістряків.

Лінії напруженості електричного поля в загостреного зарядженого провідника

       Корона (коронний розряд) виникає в природі під впливом атмосферної електрики (перед грозою) і з’являється на верхівках дерев, навколо високовольтних ліній, на шпилях найвищих будівель та храмів. Як тут не пригадати історію одноокого капітана-пірата, команда якого підняла проти нього бунт. Сміливцю нічого не залишалось, як витягнути шпагу і кинутись в нерівний і останній бій. Але в цей момент вістря шпаги засяяло дивовижними вогнями. Це небачене диво настільки вразило бунтарів, що вони знову присягнули відважному капітану на вірність. Кажуть, що сам святий Ельм, покровитель моряків, власноручно благословляє корабель, на якому сяють вогні, названі на його честь.

Коронний розряд в лабораторії.

Вогні святого Ельма зачаровують.

 1.    Чому виникають ці дивні та водночас чаруючі вогні?
 2.    Яким знаком заряджено вістря? 
 3.    До якого виду газового розряду можна віднести полярне сяйво?

Доцільно прочитати:

•  Олімпіадні задачі з електрики

та їх розв'язки.

•   ККД електричної схеми.

•   Задача на астосування закону Ома.

•  Закон Ома для електролітів.

•  Задача із застосуванням правил Кірхгофа. 

•   Жива електрика.

•   Громовиця.

•   Полярне сяйво. 

Громовиця

Громовиця

Небесне "древо"

 Мало що в цьому світі може викликати в людини одночасно відчуття страху і захоплення, панічної боязні та величі. Все це про блискавку – гігантську електричну іскру, котра може сягати декількох кілометрів довжини, струми в якій доходять до 100 000 А, а напруги між хмарою та землею перед її виникненням дорівнюють 1 000 000  кВ. Тривалість розряду мала, тому і загальний заряд, котрий переносить блискавка, як правило, невеликий (0,1-10 Кл). 

Цікаво спостерігати фотографії цього незвичного явища. Насамперед від хмари до землі виникає слабо світний канал, потім по ньому поширюються великі заряди, зумовлюючи яскраве світіння. Швидкість поширення надзвичайно велика – 100 000 км/с. При цьому відбувається сильне нагрівання повітря і, внаслідок його розширення, виникає ударна звукова хвиля – грім. Порахувавши час між світлом блискавки та громом, можемо оцінити відстань до неї (швидкість звуку в повітрі 333 м/c). 

Блискавка у повітрі частково перетворює кисень в озон, великі концентрації якого згубні для вірусів та бактерій. Малі концентрації озону мають цілющі властивості; приємне повітря з домішками озону після грози; повітря соснових лісів, бо окислення смол також супроводжується виділенням озону. 

Не слід нехтувати можливістю ураження блискавкою. Не можна стояти в степу, рокладати намет поряд з виходом грунтових вод, ховатись у грозу від дощу під дубом або іншими деревами з могутньою кореневою системою.

• Куди влучає громовиця найчастіше?

• Як захиститись від блискавки?

• В які дерева влучає блискавка частіше: в поодинокі чи в ті що ростуть в лісі? Чому?

Доцільно прочитати

 

•   Громовиця.

•  Коронний розряд. 

•  Жива електрика.

•  Закон Ома.

• Закон Ома для електролітів.

І знову закон Ома

Закон Ома для електролітів

Електричний струм в електролітах має спільні риси з електричним струмом в металах, проте суттєво відрізняється від газового розряду. В процесі проходження струму через електроліти виконуються закони Фарадея (оглядово ми знайомі з ними з уроку). Зауважу, що для електролітів, як і для металів, справедливим є також і ЗАКОН ОМА.

Запишимо густину струму, враховуючи, що він створюється дрейфом додатніх та від’ємних іонів.

j= j(+) + j(-) = n(+) e v(+) + n(-) e v(-)

Де n(+), n(-) - концентрація позитивних та негативних іонів, е – заряд іона, v(+),v(-)- дрейфова швидкість іонів.

Концентрація додатніх та від’ємних іонів в електролітах однакові (оскільки молекули дисоціюють на два іони), тому

n(+) = n(-) = α n

Де α- коефіцієнт дисоціації (чисельно дорівнює числу молекул, котрі дисоціювали на іони, до загального числа молекул речовини), а n- число молекул в одиниці об’єму електроліта.

Швидкості іонів виражаються через їх рухливість та напруженість електричного поля

v(+) = b(+) E, v(-) = b(-) E

Тому закон Ома для електролітів набуває наступного вигляду:

j= α n e{b(+) + b(-)}E

j= σ E

Опір електролітів при нагріванні зменшується. Це відбувається по двох причинах.

1. При збільшенні температури зростає коефіцієнт дисоціації α.
2. При нагріванні зменшується величина в’язкості, що зумовлює зменшення внутрішнього тертя в рідині. 

Схема іонної провідності

Прочитавши, дай відповіді на наступні запитання.

1. Сформулюйте закони Фарадея для електролітів?
2. Назвіть спільні риси між електричним струмом в металах та електролітах?
3. Як залежність провідності електролітів від температури? 

 Дана інформація лише для ознайомлення. Вчити не потрібно.                                                                                                                 

Застосуймо правила Кірхгофа

ЗАДАЧА.

Визначити опір кола (мал. 1). Опори окремих віток вказані на малюнку.

Розв'язок.

Готуючись до олімпіади (продовження - розв'язки)

Умови в блозі від 26 квітня 2011р.

Компенсаційний метод вимірювання е.р.с.

                                         "0" - метод                                     

Розглядаючи на уроці місткову схему ми побачили спосіб визначення невідомого опору. А чи можливо придумати спосіб, щоб визначати електрорушійну силу (е.р.с.) джерела електричного струму? Розглянемо як цю проблему можна вирішити.

Два джерела з Е(1) та Е(2), одне з яких невідоме, включено назустріч оде до одного. В коло ввімкнуто також гальванометр та реостат. Пересуваючи повзунок реостата, знаходимо таке положення, при якому покази гальванометра дорівнюватимуть нулю.

І(г)=0

Записуючи друге правило Кірхгофа для контура 1 та контура 2 отримаємо:

З останнього виразу знаходимо:

Останнє співвідношення і лежить в основі визначення е.р.с. за допомогою компенсаційного методу.  Зауважу, що отримане співвідношення не залежить від внутрішніх опорів джерел та від інших опорів схеми, а визначається лише опорами ділянки кола, до яких підключаються джерела.

Ознайомся з нуль-методом вимірювання е.р.с. Зрозумій його. Перевір своє вміння записувати правила Кірхгофа.

Чорний ящик ("зірочка" - "трикутник")

 

Розв'язок

 

рис 2 а)

 Прочитай умову задачі. Спробуй роз'вязати самостійно. Якщо не вдається, то ознайомся з розв'язком. Закрий вкладку, спробуй розв'язати по памяті.

Бажаю успіху!

ККД електричної схеми

   Розглянемо схему, котра складається із джерела струму, з внутрішнім опором r, та ввімкненому послідовно опору навантаження R.

Відомо (стаття в блозі «Максимальна потужність у зовнішньому колі» від 26 квітня 2011р.), що потужність, котра виділяється, а оже і споживається , у зовнішній ділянці кола шукаємо за формулою:

Називатимемо цю потужність корисною. Потужність, яка виділяється на джерелі струму шукається за формулою:

Цю потужність називають втраченою, оскільки вона зумовлена лише конструкцією самого джерела і повпливати на неї ми не маємо змоги. Розглядають повну потужність джерела, котра дорівнює сумі корисної та втраченої потужностей:

    
Знайдемо коефіцієнт корисної дії (к.к.д.) нашої схеми. Згідно означення  к.к.д. називають відношення корисної роботи (повної потужності) до всієї затраченої роботи (повної потужності). З врахуванням вище згаданих формул:

З останнього співвідношення видно, що к.к.д.<1 (завжди); к.к.д.=0 коли І=0 (коло розімкнуте), або коли І=Е/r –випадок короткого замикання. В останньому випадку вся енергія виділяється у джерелі, що може призвести до небажаних наслідків.  Наостанок наводжу графік к.к.д. джерела від зміни величини опору навантаження.

    
Часто джерела Е.Р.С. знаходяться на значній відстані від споживача електроенергії. При значній довжині лінії передачі електричної енергії необхідно враховувати розхід потужності на нагрівання з’єднувальних провідників. В цьому випадку , потужність у зовнішньому колі P складається із потужності P(к), котра виділяється на споживачі і потужності P(л), втраченої на лінії передачі. К.К.Д. лінії передачі називається величина відношення потужності, спожитої опором навантаження , до всієї потужності , котру віддає джерело у зовнішнє коло: к.к.д. = P(к)/P,  де P = P(к) + P(л).

Можна показати, що доля втрат в лінії передач прямо пропорційна передаваній потужності, опору лінії передач і обернено пропорційна квадрату напруги на вході в лінію передач. Саме цим пояснюється, чому при передачі електроенергії на велику відстань використовують саме високу напругу.

Доцільно прочитати:

•   Олімпіадні задачі з електрики

та їх розв'язки.

•   Задача на астосування закону Ома.

•   Закон Ома для електролітів.

•   Задача із застосуванням правил Кірхгофа.