Fizika, Vadovėlis XI-XII klasei: Elektra ir magnetizmas 9785430061371

Citation preview

Elektra ir magnetizmas

Palmira

Pečiuliauskienė

Fizika

Vadovėlis XI-XII klasei Elektra ir magnetizmas

UDK 53(075.3) Pe23

Leidinio

vadovas

REGIMANTAS

BALTRUŠAITIS

Recenzavo mokytoja ekspertė AIVIDA LOZDIENĖ, mokytojas ekspertas NARIMANTAS ŽALYS Redaktorė

Dailininkės

ZITA

ŠLIAVAITĖ

VYTAUTĖ

ZOVIENĖ,

RITA

BRAKAUSKAI

Vadovėlis atitinka kalbos taisyklingumo reikalavimus Pirmasis leidimas

2016 2015 2014

Visi šio leidimo papildomi tiražai yra be pakeitimų ir galioja.

Pirmasis skaičius rodo paskutinius leidinio tiražavimo metus.

Šį kūrinį, esantį bibliotekose, mokymo ir mokslo įstaigų

bibliotekose, muziejuose arba archyvuose, draudžiama

mokslinių tyrimų ar asmeninių studijų tikslais atgaminti, skelbti ar padaryti viešai prieinamą kompiuterių tinklais tam skirtuose terminaluose tų įstaigų patalpose.

ISBN

978-5-430-06137-1

6 Palmira

Pečiuliauskienė,

O Leidykla „Šviesa“, 2014

2014

Turinys

Įvadas / 5

2.10. Elektros srovės galia. Elektros energijos

1.Elektrostatika

perdavimas / 74

2.11. Elektros srovės stiprio ir įtampos

1.1. Elektrostatika. Elektros krūvis

matavimas

ir jo tvermė / 7

/ 76

2.12. Buityje ir technikoje naudojami srovės

1.2. Kulono dėsnis / 10

šaltiniai / 78

1.3. Elektrinis laukas, jo stipris / 13

Skyriaus „Nuolatinė elektros srovė“

1.4. Elektrinio lauko jėgų linijos.

apibendrinimas

Elektrinių laukų sudėtis / 15

/ 81

1.5*. Elektrinio lauko darbas.

3. Magnetinis laukas

Potencialas. Įtampa / 18

3.1. Magnetinis laukas. Magnetinio lauko

1.6*. Laidininkai ir dielektrikai

šaltiniai / 85

elektriniame lauke / 21

3.2. Magnetinio lauko jėgų linijos / 88

1.7. Kondensatoriai. Elektrinė talpa / 24

3.3*. Magnetinės indukcijos vektorius

1.8. Plokščiojo kondensatoriaus elektrinė

3.4. Ampero jėga / 94

talpa ir energija / 27

/ 91

3.5. Ampero jėgos taikymas elektrotechnikoje / 97

1.9*. Kondensatorių jungimo būdai / 32 1.10. Kondensatoriai gamtoje / 35

3.6*. Lorenco jėga / 99

Skyriaus „Elektrostatika“

3.7*, Medžiagų magnetinės savybės / 103 3.8. Elektrinių ir magnetinių laukų poveikis

apibendrinimas

gyvajai gamtai ir žmogui

/ 38

/106

Skyriaus „Magnetinis laukas“

2. Nuolatinė elektros srovė

apibendrinimas

2.1. Elektros srovės stipris, kryptis,

/ 109

veikimas / 43 2.2. Elektrinė varža. Superlaidumas / 47

4.Elektros srovė įvairiose terpėse

2.3. Omo dėsnis grandinės daliai / 50

4.2*. Vakuuminis triodas. Elektroninis

2.4. Elektrinės grandinės. Nuoseklusis

vamzdis / 115

ir lygiagretusis laidininkų jungimas / 52

4.3*. Elektros srovė puslaidininkiuose.

2.5. Mišrusis laidininkų jungimas

/ 58

4.1*. Elektros srovė vakuume

Savasis ir priemaišinis puslaidininkių

2.6. Nuolatinės elektros srovės šaltiniai.

laidumas / 118

Elektrovara / 63

4.4*. Puslaidininkinė sandūra.

2.7. Omo dėsnis uždarajai grandinei

/ 66

/ 113

Puslaidininkinis diodas / 121

2.8*. Omo dėsnio uždarajai grandinei

4.5*. Puslaidininkiniai prietaisai / 124

taikymas / 68

4.6*. Tranzistorius / 127

2.9. Elektros srovės darbas / 72

4.7*. Elektros srovė skysčiuose / 129

4.8*. Elektrolizės dėsnis. Elektrolizės

5.4. Sūkurinis elektrinis laukas / 154

taikymas

5.5*. Indukuotoji elektrovara judančiuose

/ 131

4.9*. Elektros srovė dujose

/ 134

laidininkuose / 156

4.10*. Dujinis išlydis gamtoje

5.6*. Saviindukcija. Magnetinio lauko

ir technikoje / 137

energija / 159

4.11*. Vanduo - gyvybės šaltinis.

5.7. Transformatorius / 161

Jonizuotas vanduo

/ 140

Skyriaus „Elektros srovė įvairiose terpėse“

apibendrinimas

/ 143

5. Elektromagnetinė indukcija 5.1. Elektromagnetinės indukcijos reiškinys. Magnetinis srautas / 147

5.8. Elektromagnetinė indukcija technikoje ir buityje / 163

Skyriaus „Elektromagnetinė indukcija“ apibendrinimas / 166 Laboratoriniai darbai Priedai / 176

/ 169

nustatymas / 150

Dalykinė ir pavardžių rodyklė Literatūra / 182

5.3*. Elektromagnetinės indukcijos dėsnis / 152

Iliustracijų šaltiniai / 183

5.2. Indukuotosios srovės krypties

/ 180

Įvadas Vadovėlis „Elektra ir magnetizmas“ skiriamas bendrąjį ir išplėstinį fizikos kursą pasi-

tinkusiems mokiniams. Jame nagrinėjami elektriniai reiškiniai.

Vadovėlis sudarytas iš atskirų skyrių. Kiekvienas jų pradedamas trumpa anotacija ir

baigiamas santrauka, kurioje pateikiamos svarbiausios sąvokos, dėsniai, schemos, palyginamosios lentelės, formulės. Santrauka padės įvertinti savo pasiekimus fizikos srityje,

pasirengti kontroliniam darbui, fizikos egzaminui. Skyrių medžiaga išdėstyta temomis ir potemiais. Temų pabaigoje rasite klausimų ir užduočių, padedančių įtvirtinti mo-

komąją medžiagą, įsivertinti žinias ir gebėjimus. Paskutinė kiekvieno skyriaus tema yra neprivaloma. Joje — tarpdalykinio turinio informacija, siejanti skyriuje nagrinėtą mokomąją

medžiagą

su kitų dalykų

(biologijos, chemijos, istorijos ir pan.) turiniu,

aplinkoje vykstančiais reiškiniais, mokslo ir technikos pažanga. Neprivalomų temų pa-

baigoje nurodomi tarpdalykiniai projektai. Juos atlikdami galėsite patys atrasti įvairių

ryšių tarp fizikos ir kitų dalykų turinio, tarp teorijos ir praktikos.

Temos, potemiai ir užduotys, skiriamos išplėstinį fizikos kursą pasirinkusiems moki-

niams, pažymėtos ženklu *, o atitinkamos potemių dalys

išskirtos gelsvu fonu.

Sąvokos, apibrėžtys ir dėsniai, kuriuos reikia išmokti, vadovėlyje yra išspausdinti pa-

storintuoju šriftu. Jų nereikia mokytis pažodžiui, nes fizikos neįmanoma išmokti mintinai, ją reikia suprasti. Svarbiausios formulės ir dėsnių matematinės išraiškos išskirtos spalviniu fonu.

Skyreliuose „Mokomės savarankiškai spręsti uždavinius“ pateikiama uždavinių sprendimo pavyzdžių. Remdamiesi jais galėsite sėkmingai atlikti savarankiškam darbui skirtas užduotis. Jų atsakymai pateikti šalia mažesniu šriftu. Po uždavinių sprendimo pavyz-

džių yra užduočių skyreliai „Pasitikrinkite pažangą“ Juose aprašyta daug gyvenimiškų situacijų, kurių nagrinėjimas ugdo ne tik dalykines, bet ir bendrąsias kompetencijas.

Vadovėlyje gausu piešinių, nuotraukų, schemų, grafikų, pavyzdžių iš supančios ap-

linkos, fizikos istorijos, informacijos apie naujausius fizikos mokslo laimėjimus. Tai pagyvina fizikos mokymosi turinį, padeda fizikos mokslą suvokti kaip žmonijos bendrosios kultūros dalį.

= aifejjt=i 4=) Euro Sie Elas e iaiLeila ae krūvį, elektrinį lauką, du svarbiausius

elektrostatikos dėsnius: elektros krūvio

ius kia e ae S e9] dėsnį, sužinosite, kas atsitinka laidininkams gei lia Be Sia Sa

lauką. Skyriaus pabaigoje nagrinėsite

kondensatorių, jo elektrinę talpą, sužinosite, kaip apskaičiuojama įkrauto L )

40

E

jei

a, > 0, elektrinio lauko stiprio vektorius nukreip-

I]

Ė

dykite jo matavimo vienetą.

Viename elektrinio lauko taške (A) krū-

uj g veikia jėga V, kitame taške (B) krūvį 24- jėga Ž.. Kuriame taške elektrinio

aaa

lauko stipris didesnis?

135 pav, b

(5*)

Kaip taškinio krūvio elektrinio lauko stipris priklauso nuo atstumo iki krūvio?

(62)

Tarkime, kad krūvis ą, sukuria elektrinį lauką. Norint ištirti tą lauką, reikia jame padėti kitą krūvį ą. Ar galima nagrinėti krūvio ą, elektrinį lauką, neįnešus krūvio g?

(75) Įelektrintas rutulys sukuria simetrišką sferinį lauką (1.3.4 pav.). Ar toks pat bus elektrinio lauko stipris taškuose, vieno-

dai nutolusiuose nuo įelektrinto rutulio centro?

1.4. Elektrinio lauko jėgų linijos. Elektrinių laukų sudėtis Elektrinio lauko jėgų linijos

Elektrinis laukas yra žmogaus pojūčiais nejuntama medžiaga. Todėl sunku jį įsivaizduoj

XIX a. anglų elektrinį lauką (arba stiprio) linijos padeda

fizikas Maiklas Faradėjus pasiūlė vaizduoti elektrinio laūko jėgą linijomis. Elektrinio lauko jėgų vaizdžiai perteikti elektrinio lauko

išsidėstymą erdvėje, tačiau jos nėra realiai egzis-

tuojantys dariniai. Nenutrūkstamos linijos, kurių liestinės kiekviename taške sutam-

pa su elektrinio lauko stiprio vektoriumi,

vadinamos elektrinio laūko jėgą linijomis

(1.4.1 pav.).

14.1 pav.

15

Pavienis įelektrintas

4

strypas

14.2 pav, a

Dvi priešingais krūviais įelektrintos lygiagrečios plokštės

Du strypai, turintys vienodo

didum.

riešingo

ženklo kūvius

14.2 pav. b

Atliekant bandymus, elektrinio lauko jėgų linijas galima padaryti „matomas“. Reikia pailgus kristalėlius (pvz., chinino) išmaišyti klampiame

skystyje (kaip antai aliejuje) ir į jį įdėti įelektrin=

tą kūną. Kristalėliai išsidėstys išilgai elektrinio lauko jėgų linijų (1.4.2 pav., a, b, c). Elektrinio lauko jėgų (arba stiprio) linijos prasideda teigiamuosiuose krūviuose ir baigiasi neigiamuosiuose krūviuose arba nueina į begalybę (1.4.3 pav.). Jos nėra uždaros, nenutrūksta ir nesikerta. Jų sankirta reikštų, kad tame taške elektrinio lauko stiprio kryptis neapibrėžta.

14.2 pav, C Linijų tankis rodo elektrinio lauko stiprį. Kuo

tankiau išsidėsto elektrinio lauko jėgų linijos, tuo stipresnis laukas tose erdvės dalyse. Tarp lygia-

grečių tolygiai įelektrintų plokštelių elektrinio lauko jėgų linijos išsidėsto lygiagrečiai, vieno-

dais atstumais viena nuo kitos (žr. 1.4.2 pav., c). Tai

rodo,

kad

elektrinio

taškuose yra vienodas.

lauko

stipris

Elektrinis

visuose

laukas, kurio

stipris visuose erdvės taškuose vienodas, vadinamas vienalyčiū. Kai lauko stipris ribotoje erd-

vės dalyje mažai kinta, elektrinį lauką joje gali-

ma laikyti vienalyčiu.

X 79 36

1.43 pav.

*Elektrinių laukų superpozicijos principas

Mus supančioje aplinkoje yra daug elektrinių

kJ g2 B =(] u

laukų šaltinių. Jų sukurtų elektrinių laukų atstojamasis laukas randamas pagal superpozicijos principą (lot. superpositio — uždėjimas ant viršaus). Tarkime, kad tiriamame erdvės taške skirtingi elektros krūviai sukuria elektrinius laukus,

kurių kiekvieno atskiras stipris Ė,, Ė, ir t. t. Tada atstojamojo elektrinio lauko stipris Iš lygus visų elektrinių laukų stiprių geometrinei sumai

(14,4 pav.):

E = Ė,+ Ė+... Taigi

elektriniams

laukams

pozicijos principas. Sprendžiant

(1.12)

būdingas

super-

uždavinius, ti-

riamame erdvės taške pakanka pavaizduoti po vieną skirtingų krūvių sukurto elektrinio lauko jėgų liniją (1.4.5 pav.). Pritaikius vektorių sudėČiai lygiagretainio taisyklę, randamas atstojamasis elektrinio lauko stipris [278 E,).

Ką vadiname elektrinio lauko jėgų linijomis? Kur prasideda ir kur baigiasi elektrinio lauko

jėgų linijos? Kodel jos negali kirstis?

Kai elektrinio lauko stipris lygus 3-109 N/C, ore gali vykti elektros išlydis. Koks turėtų būti metalinio rutulio spindulys,

kad jame išsilaikytų 10“ C krūvis? (0.55 m) 1.4.6 paveiksle pavaizduota keletas elektrinių (622) Du taškiniai krūviai ą, = 105 C laukų. Kurie iš jų yra vienalyčiai? irą,=-105 C nutolę vienas nuo kito Atsakymą pagrįskite.

(3)

Elektrinio lauko stipris taške A nukreiptas

į šiaurę, o jo modulis lygus 4- 10? N/C.

a) Apskaičiuokite jėgą, kuria taškeA elektrinis laukas veiks į jį įneštą elektroną. (6,4:10** N) b) Nurodykite, kuria kryptimi elektrinis laukas veiks tą elektroną.

G

atstumu I = 5 cm (1.4.7 pav.). ApskaiČiuokite elektrinio lauko stiprį taške O. kaid = 50 cm.

(36,2 N/C)

Atsižvelgdami į tai, kad protono krūvis lygus

1610" C, apskaičiuokite:

a) elektrinio lauko stiprį 5,3: 10! m atstumu nuo protono;

(513-10" N/C)

b) jėgą, kuria šiame taške elektrinis laukas veiks elektroną.

(8.2-10 N)

Vertikaliai aukštyn nukreiptame vienaly-

čiame 2,6 + 10? N/C stiprio elektriniame lauke 4- 109g masės vandens lašelis

yra pusiausviras.

a) Nustatykite vandens lašelio krūvio ženklą. b) Apskaičiuokite vandens lašelio krūvį.

(1,5-1074C)

€) Apskaičiuokite elektronų perteklių lašelyje. (=938 pertekliniai elektronai)

14.7 pav.

17

1.5*. Elektrinio lauko darbas.

Potencialas. Įtampa

Darbas perkeliant elektros krūvį elektriniame lauke „Mechanikos“ skyriuje vartoti fizikiniai dydžiai

(poslinkis, jėga, jėgos atliekamas darbas, potencinė energija) tinka bet kuriai sąveikai, taip pat ir elektromagnetinei, apibūdinti.

Apskaičiuokime

darbą, kurį atlieka elektro-

statinė jėga, perkeldama teigiamąjį taškinį krūvį vienalyčiame elektriniame lauke iš vieno taško

(1) į kitą (2) (1.5.1 pav.). Kadangi krūvis perke-

liamas išilgai elektrinio lauko jėgų linijos atstumu Ad = d, - d), tai darbas

A = FAd = gI(d, - d;). Pertvarkę gauname

darbo išraišką:

(1.13)

naują elektrinio lauko jėgų

A ==(gEd,- gEd,).

(1.14)

1.5.2 pav.

uždara trajektorija lygus nuliui, vadinamas potencialiniu. Jeigu darbas nepriklauso nuo krūvio judėji-

mo trajektorijos formos, tai jis lygus potencinės energijos pokyčiui su priešingu ženklu. Vadina-

si, elektrinio lauko darbas taip pat lygus potencinės energijos pokyčiui:

A = (W- WI).

(115)

Iš 1.14 ir 1.15 formulių matyti, kad vienalyčia-

1.5.1 pav. Elektrostatinė jėga ir gravitacijos jėga turi panašumų:

abi yra

atvirkščiai

proporcingos

me elektriniame lauke atstumu d nuo įelektrintos plokštės esančio krūvio potencinė energija išreiškiama taip:

atstu-

mo iki kūno kvadratui (5) ir nukreiptos išilgai tiesės, jungiančios kūnus. Todėl galima daryti

W= gkd.

(1.16)

H Ž Ki

prielaidą, kad darbas, kurį atlieka elektrostatinės

Gravitacijos lauke esančio masės m kūno po-

8 ž 2a

kitą, nepriklauso nuo krūvio judėjimo trajektori-

jos (1-5.2 pav.). Šią prielaidą patvirtina bandymai.

tencinė energija proporcinga jo masei, o elektrostatiniame lauke esančio krūvio potencinė

Jeigu jėgos atliekamas darbas nepriklauso nuo

jos lauke (1.5.3 pav., a), tiek krūvio elektriniame

2

jėgos, perkeldamos krūvį iš vieno lauko taško į

krūvio judėjimo trajektorijos, tai uždara trajektorija jis lygus nuliui. Vadinasi, elektrinio lauko, kaip ir gravitacijos lauko, darbas uždara trajektorija lygus nuliui. Laukas, kurio jėgų darbas

energija- krūviui. Tiek kūno, esančio gravitaci-

lauke (1.5.3 pav., b) potencinė energija priklauso nuo pasirinkto nulinio lygio. Fizikinę prasmę turi ne pati krūvio potencinė energija, bet jos verčių skirtumas,

kurį apibūdina

lauko

darbas,

-

L

(ME,

= mgh;

+ Ep map I

Jų

Ep = mg

--40--W, = gEd;

abi

|

d;

Perkeldamos elektros krūvį ą, elektrinio lauko

jėgos atlieka darbą, kuris lygus krūvio potenci-

nės energijos pokyčiui su minuso ženklu. Atsižvelgdami į potencialo apibrėžtį (1.17), elektrinio lauko darbą galime išreikšti taip:

W, = gEd a 0 4

+)+444444

A=(W,- W,) =-a9,—-9,) =-gAp.

1.53 pav, b

1.5.3 pav, a

Potencialų skirtumas

atliekamas perkeliant krūvį iš vienos padėties į kitą. Krūvio potencinė energija tiriamame elektrinio lauko taške dar priklauso nuo krūvio ženklo: kai krūvis neigiamas, ji neigiama, kai teigiamas - teigiama.

Potencialas Skirtingi elektros krūviai tame pačiame elektrinio lauko taške įgyja nevienodai potencinės energijos. Tačiau kiekvieno krūvio potencinės

energijos ir krūvio santykis yra pastovus dydis

(1.18)

Vietoj potencialo pokyčio (Ap), išreiškiančio

potencialo verčių galiniame bei pradiniame trajektorijos taške skirtumą, vartojamas kitas dydis—

potencialų

skirtumas.

Jis lygus

potencialo

verčių pradiniame ir galiniame trajektorijos taš-

ke skirtumui (g, — 9,). Potencialų skirtumas dažnai dar vadinamas įtampa ir žymimas U: U=9,-9, = -A9. (1.19) Remiantis 1.18 ir 1.19 formulėmis, įtampą galima išreikšti taip:

= 2.

(1.20)

dis, lygus elektriniame lauke esančio elek-

Dviejų taškų potencialų skirtumas (įtampa) lygus elektrinio lauko darbo, atliekamo perkeliant teigiamąjį elektros krūvį iš pra-

vio santykiui, vadinamas elektrinio laūko

Potencialų skirtumo vienetas nustatomas pagal

ir nepriklauso nuo krūvio. Vadinasi, jis gali būti

elektrinio lauko charakteristika. Fizikinis dytros krūvio potencinės energijos ir to krū-

dinio taško į galinį, ir to krūvio santykiui.

potencialū. Potencialas paprastai žymimas (graikų abėcėlės raide, tariama „fi“). Taigi

1.20 formulę, atsižvelgiant į darbo ir krūvio ma-

ę= V- Ed.

g

Žinant

elektrinio

vienetas vadinamas vėltu (V):

(1.17)

Elektrinio lauko potencialas — skaliarinis dydis. Potencialas yra energinė lauko charak-

teristika.

tavimo vienetus. Potencialų skirtumo matavimo

lauko

potencialą

konkrečiame taške, galima nustatyti, kiek potencinės energijos įgis elektros krūvis, patekęs į tą

lauko tašką.

Tarkime, kad dviejų elektros krūvių sukurti elektriniai laukai konkrečiame erdvės taške persikloja. Pirmojo krūvio sukurto lauko potencialas nagrinėjamame erdvės taške yra p,, antrojo krūvio — ,. Kadangi potencialas — skaliarinis dydis, tai bendras abiejų elektrinių laukų potencialas lygus atskirų potencialų sumai: p = Ų, + 9.

1V= L.

(1.21)

Dviejų taškų potencialų skirtumas lygus vienetui,

kai, perkeldamas 1 C elektros kriūuj iš vieno taško į kitą, elektrinis laukas atlieka 1 Į darbą. Iš 1.20 formulės išplaukia nauja fizikinė potencialo prasmė. Labai toli nuo elektros krūvio

esančių taškų (1.5.4 pav.) potencialas lygus nuliui (p, = 0). Vadinasi, elektrinio lauko potenci-

alo skaitinė vertė atstumu d nuo taškinio krūvio

1.54 pav.

19

lygi darbui, kurį laukas atlieka perkeldamas vienetinį teigiamąjį krūvį iš tam tikro erdvės taško į be galo nutolusį tašką. Teigiamąjį

krūvį

perkeldamas

Ė

Ė

40

vektoriaus

L]

kryptimi, elektrinis laukas atlieka teigiamą darbą, todėl potencialas p, yra didesnis už potencialą ą, (žr. 1.20 formulę). Iš čia išplaukia, kad elek-

trinio lauko stipris nukreiptas potencialo mažėjimo

40

91> 902

linkme (1.5.5 pav., a, b).

S




dininkų taip pat priskiriami elektrolitų tirpalai,

drėgnas oras, plazma, žmogaus kūnas, žemė ir kt. Laidininkais vadinamos medžiagos, tu-

rinčios laisvųjų elektringųjų dalelių, arba

krūvininkų. Veikiamos elektrinio lauko, jos gali

laisvai judėti laidininkų viduje. Metaluose

elektronai

teigiamuosius

(1.6.1

pav.).

Kai

jonus

supa

išorinio

laisvieji

elektrinio

lauko nėra, laisvieji elektronai juda metalu netvarkingai bet kuria kryptimi. Tokį elektronų judėjimą vadiname šiluminiū. Šio judėjimo in-

tensyvumas priklauso nuo temperatūros. Laidininko viduje elektrinio lauko nėra, nes elektronų

ir jonų sukurti elektriniai laukai kompensuoja vieni kitus. Kai laidininkas atsiduria

elektriniame

lauke

(12), juo ima tekėti trumpalaikė elektros srovė.

P

P

1.6.1 pav.

Laidininko laisvieji elektronai juda teigiamai

įelektrintos plokštės link (1.6.2 pav.). Kita lai-

dininko dalis įsielektrina teigiamai. Taip priešingose laidininko pusėse susikaupia skirtingo ženklo

krūvį

turinčios

elektringosios

dalelės.

Jeigu linija AB padalytume laidininką pusiau

(1.6.2 pav., a), abi jo pusės būtų įelektrintos. Persiskirsčiusios elektringosios dalelės suku-

ria savo lauką (,), kuris kompensuoja išorinį elektrinį lauką (1.6.2 pav., b). Atstojamasis lau-

ko stipris laidininko viduje pasidaro lygus nuliui

21

1.6.2 pav, a

1.6.2 pav,b

(I: = 0), o elektringosios dalelės nustoja judėti (1.6.2 pav., c).

Laidininko viduje elektrinio lauko nėra (žr. 1.6.2 pav., c). Šis reiškinys turi praktinę reikšmę. Juo pagrįsta elektrostatinė sauga — elektri-

niam laukui jautrių prietaisų saugojimas metaliniuose konteineriuose.

Aptarkime bandymą, patvirtinantį šią išvadą. Prie elektrometro virbalo priartinus įelektrintą

lazdelę,

elektrometro

rodyklė

nukrypsta

(1.6.3 pav., a), mat, veikiami elektrinio lauko,

elektros krūviai persiskirsto. Elektrometro virbalą uždengus metaliniu dangčiu ir prie jo priartinus įelektrintą lazdelę (1.6.3 pav., b), elektrometro rodyklė nenukrypsta, nes po metaliniu

1.6.3 pav.

gaubtu nėra elektrinio lauko.

Dielektrikai ir jų rūšys

kJ k2 2 =(J u

Dielektrikus sudaro neutralūs atomai arba molekulės. Dielėktrikais vadinamos medžiagos, kuriose nėra laisvųjų elektringųjų dalelių. Elektros krūvį turinčios dalelės, veikiamos elektrinio lauko, negali judėti visoje medžiagoje. Prie dielektrikų priskiriamos dujos, kai kurie

Per chemijos pamokas sužinojote, kulės gali būti nepolinės ir polinės. dielektrikai skirstomi į nepolinius Nepolinius dielektrikus sudaro

skysčiai (distiliuotas vanduo, benzolas, aliejus ir kt.) ir kietieji kūnai (stiklas, porcelianas, medis

pasiskirstymo centras yra atomo viduryje ir sutampa su teigiamąjį krūvį turinčiu branduoliu

ir kt.).

Na“

cr

molekulės,

kaip

antai

vandenilio

kad molePagal tai ir ir polinius. nepolinės (H;),

azo-

to (N;), deguonies (O;). Jų neigiamojo krūvio

(1.6.4 pav., a).

Poliniai dielektrikai

sudaryti

iš polinių

molekulių. Jų teigiamojo ir neigiamojo krūvio

pasiskirstymo centrai nesutampa. Pavyzdžiui, buityje vartojamos valgomosios druskos (NaCl) molekulės teigiamasis krūvis susitelkia natrio jone, o neigiamasis — chloro jone (1.6.4 pav., b). Susidarant

164pav,a

NaCl

molekulei,

valentinį

natrio

elektroną pasiima chloras. Polines molekules ga-

lima laikyti elektriniais dipoliais (1.6.4 pav., c).

Poliniai dielektrikai elektriniame lauke Dėl šiluminio judėjimo dipoliai dielektrike yra

orientuoti netvarkingai (1.6.5 pav., a) ir elektros krūvis dielektrike vidutiniškai lygus nuliui. Elektrinio lauko stipris jame taip pat lygus nuliui. Tokį dielektriką padėjus elektriniame lauke

(12,), kurį sukuria dvi įelektrintos plokštės, kiek-

vieną dipolį ima veikti vienodo modulio, bet priešingų krypčių jėgos (1.6.5 pav., b). Jos sukuria jėgų momentą, kuris stengiasi pasukti dipolį taip, kad jo ašis būtų nukreipta išilgai elektrinio

lauko jėgų linijų.

Veikiamos jėgų momento, teigiamosios elektringosios dalelės pasislenka lauko kryptimi, o neigiamosios — priešinga kryptimi. Šis reiškinys

vadinamas dielėktriko poliarizacija. Dipo-

liai išsirikiuoja tvarkingai, neigiamaisiais poliais atsigręždami į teigiamai įelektrintą plokštę, o teigiamaisiais — į neigiamai

įelektrintą plokštę

(1.6.5 pav., c). Nekompensuotos dalelės sukuria savo elektrinį lauką, kurio stipris J“, nukreiptas prieš

išorinio elektrinio

lauko sti)

|.

Dėl to

laukas dielektrike susilpnėja. Dipolio pasisukimu elektriniame lauke galime paaiškinti, kodėl įelektrintas kūnas pritraukia lengvas popieriaus skiautelės (1.6.6 pav.). Toks kūnas aplink save sukuria elektrinį lauką. Dėl jo poveikio priešingose popieriaus skiautelės pu-

1.66 pav. vienodo

ženklo krūvį. Arčiau įelektrinto kūno

esančiose popieriaus skiautelės pusėse atsiranda elektros krūvis, kurio ženklas priešingas įelektrinto kūno krūviui. Dėl to popieriaus skiautelės pritraukiamos prie kūno.

Elektrinio lauko susilpnėjimas dielektrike priklauso nuo dielektriko savybių. Jas apibūdina dielektrinė skvarba (žymima e). Terpės dielektrinė

skvarba

dantis,

kartų

kiek

— fizikinis

elektrinio

“ ST anei

BS ao

SSRS 0 763 *2 ed 6» 137 er

165 pav,a

lauko

ro-

stipris

(E) vienalyčiame dielektrike yra mažesnis

už to lauko stiprį (E,) vakuume:

sėse atsiranda elektringųjų dalelių, turinčių ne0

dydis,

(1.24) Vadinasi, elektrinio lauko stipris dielektrike sumažėja e kartų, palyginti su vakuumu. Pavyzdžiui, žėručio dielektrinė skvarba lygi 6. Tai

rodo, kad elektrinis laukas žėrutyje yra 6 kartus silpnesnis negu vakuume. Elektriniam laukui dielektrike susilpnėjus, sumažėja ir taškinių krūvių sąveikos jėga:

F-k kl

(1.25)

Labai stiprus išorinis elektrinis laukas gali nu-

traukti ryšius tarp dielektriko elektringųjų dalelių. Tada dielektrike atsiranda laisvųjų krūvininkų.

165 pav, b

Toks reiškinys vadinamas dielėktriko pramušimū:. Dielektrikas dėl to netenka izoliacinių savybių ir

neatitinka savo paskirties.

23

Kokios medžiagos vadinamos laidininkais; dielektrikais? Pateikite jų pavyzdžių.

Paaiškinkite, kodėl elektrinio lauko stipris laidininke lygus nuliui. Paaiškinkite, kodėl išorinio elektrinio lauko stipris dielektrike sumažėja. (2)

Į vienalytį elektrinį lauką įneštas metalinis rutulys. Ar laukas prie rutulio paviršiaus išliks vienalytis? Atsakymą papildykite piešiniu.

Du įelektrinti rutuliai vakuume veikia vienas

Kokia yra dielektrinės skvarbos fizikinė

kitą 81 mN jėga. Kaip pakis ši elektrostatinės sąveikos jėga, rutulius įmetus į vandenį? Atsakymą pagrįskite.

Aliumininis indas pripiltas vandens ir įneštas į81 kV/m stiprio vienalytį elektrinį lauką.

Skystame dielektrike yra 8 nC krūvį turintis kūnas. Elektrinio lauko stipris 3 cm atstumu nuo to kūno lygus 40 kV/m. Apskaičiuokite

prasmė?

„Apskaičiuokite lauko stiprį indo sienelėse ir vandenyje.

dielektriko dielektrinę skvarbą.

(2)

1.7. Kondensatoriai. Elektrinė talpa Kondensatoriai Laidininkų

sistemoje

galima

sukaupti

elektros krūvį. Prie elektroskopo

didelį

pritvirtinama

teigiamai įelektrinta plokštelė (1) (1.7.1 pav., a), o

Laidininkų sistema, naudojama elektros krū-

viui kaupti, vadinama kondensatoriumi. Kondensatorių

sudaro du laidininkai, perskirti di-

prie jos priartinama neigiamai įelektrinta įžemin-

elektriko

iš elektroskopo į teigiamai įelektrintą plokštelę.

rių sudarantys laidininkai vadinami elektrodais. Elektrinių grandinių schemose kondensatorius žymimas sutartiniu ženklų —||-—. Konden-

ta plokštelė (2) (1.7.1 pav., b). 2 plokštelės neigiamasis krūvis pritraukia papildomą elektros krūvį Taip papildomas laidininkas (2 plokštelė) padidina sistemos galimybes sukaupti elektros krūvį.

sluoksniu,

ginti su laidininko

satorius elektros

GR

kJ g2 B S(] u

LS

1.7.1 pav,a

17.1 pav. b

kurio

storis

matmenimis.

energiją kaupia

mažas,

paly-

Kondensato-

ilgesnį laiką,

Kontaktinis

strypas

t

«=

Išvadai

Stiklinis indas

Staniolis

Parafinuotas popierius

„Metalo folija

„Metalo folija

17.2 pav.

o išsielektrindamas sukauptą energiją atiduoda beveik akimirksniu.

Pirmąjį kondensatorių

Leideno

174 pav.

173 pav.

1745 m. pagamino

universiteto (Olandija) fizikas Piteris

Muschenbrukas

(Pieter Musschenbroek).

Norė-

linė, kurią iš abiejų pusių dengia metalo folija (1.7.2 pav.). Dar

vėliau paaiškėjo,

kad stiklinė

nereikalinga. Elektros krūvį gali kaupti du iz0liuoti laidininkai.

Dabar

gaminami

įvairių rūšių ir įvairios

pa-

damas įelektrinti vandenį, jis prijungė elektros

skirties kondensatoriai. Taupant medžiagas, me-

lietė vinį ir pajuto stiprų elektros smūgį. Vinis šiame įrenginyje buvo vienas elektrodas, o eksperimentuotojo, laikiusio stiklinę, delnai — kitas.

folijos. Kaip izoliacinis tarpiklis naudojamas parafinuotas popierius, žėrutis, keramika. Popierinį kondensatorių sudaro dvi metalinės folijos juostos, perskirtos parafinuoto popieriaus juos-

politikas ir mokslininkas Bendžaminas

ritinį ir sudedamos į korpusą (1.7.3 pav.). Kon-

mašiną prie vinies, įkištos į stiklinę su vandeniu. Atjungęs mašiną nuo vinies, tyrėjas netyčia pa-

Įrenginys buvo pavadintas Leideno stikline. JAV Frankli-

nas (Benjamin Franklin, 1706-1790) pastebėjo, kad elektros krūvį geriau sukaupia tuščia stik-

taliniai elektrodai dažniausiai daromi

tomis.

iš plonos

Popieriaus ir folijos juostos susukamos į

densatoriui įjungti į elektrinę grandinę padaromi du išvadai (1.7.4 pav.).

Elektrinė talpa Kondensatoriaus savybę kaupti elektros krūvį apibūdina fizikinis dydis, kuris vadinamas elektrine talpa. Norėdami geriau suvokti elektrinės talpos fizikinę prasmę, palyginkime elektrinius

ir buitinius reiškinius. Sakykime, į du skirtingo tūrio indus (V, > V;) yra įpilta vandens

(1.75 pav.). Didesnio tūrio (kairiajame) inde telpa daugiau vandens, vadinasi, jame esančio vandens masė yra didesnė (m, > m;). Akivaizdu,

kad indo talpa nepriklauso nuo į jį įpilto s! masės.

175 pav.

v>V m> m 25

Taigi kondensatoriaus krūvis lygus vieno elektrodo krūvio moduliui. Kondensatoriaus elektrinė

EL E

ja

E

+

talpa (paprasčiau - talpa) yra skaliarinis dydis.

Elektrinės talpos matavimo vienetą galima sužinoti remiantis 1.26 formule. Dviejų laidininkų elektrinė talpa lygi vienetui (1 FF), jeigu, suteikus jiems +1 Cir-1 C elektros krūvius, tarp laidininkų susidaro 1 V potencialų skirtumas. Šis matavimo vienetas, pagerbiant anglų fiziką Maiklą Faradėjų, vadinamas faradū ir žymimas F:

R,> R,

1746 pav.

174

Elektrostatikoje skysčio masei analogiškas dydis yra elektros krūvis. Tarkime,

kad įelektrina-

ĮC]= 1E=1$.

mi du laidūs rutuliai, kurių spinduliai R, ir R;

(1.76 pav.). Elektros krūvis pasiskirsto rutulių

paviršiuje. Kuo didesnis rutulys, tuo didesnis jo paviršiaus plotas ir tuo didesnį elektros krūvį jis gali sukaupti (4, > 4,). Dviejų laidininkų sistema gali sukaupti didesnį elektros krūvį negu vienas laidininkas (žr.

1 F - labai didelė elektrinė talpa. Praktikoje vartojami gerokai mažesni elektrinės talpos

vienetai: mikrofarūdas pikofarūdas (pF).

gretimo laidininko santykis:

Iš elektrinės talpos formulės (1.26) išplaukia, kad kondensatoriaus elektros krūvis

ą = CU.

(1.28)

Kai įtampa tarp plokštelių yra vienoda, didesnį krūvį gali sukaupti tas kondensatorius, kurio elektrinė talpa didesnė. Pagal dielektriko rūšį kondensatoriai skirstomi į popierinius,

žėrutinius,

(1.26) | pan. (žr. 1.1 lentelę).

C- t.

= 107 F;

1pF = IOC E

ka, kuri vadinama elektrinė talpa.

Dviejų laidininkų elektrinė talpa vadinamas vieno laidininko elektros krūvio ir potencialų skirtumo tarp to laidininko bei

(uF), nanofarūdas (nF),

1ųF = 10*F; 1nF

1.7.1 pav.). Tarkime, kad vienai kondensatoriaus

plokštelei suteikiamas krūvis +4, o kitai — krūvis 4. Tarp plokštelių susidariusi įtampa yra proporcinga plokštelei suteiktam elektros krūviui (U = g). Šių fizikinių dydžių santykis (2) nuo jų nepriklauso ir yra kondensatoriaus charakteristi-

(1.27)

keraminius,

orinius

1.1 lentelė

Kondensatorių rūšys ir jų charakteristikos Kondensatoriaus rūšis

ks k2 8 ž(] u

Talpos diapazonas

Žėrutinis

1pF-10nF

Keraminis

10 pF-1 uF

Polistireninis

Didžiausia įtampa (V)

— Tikslumas

100-600 | Geras 50-30 000

Nedidelis

10 pF-27 ųF

100-600

Labai geras

Polikarbonatinis ' | 100 pF-30 pF

50-800

Labai geras

Tantalinis Elektrolitinis

(aliumininis)

100 nF-500 uF

ToonF-2F

6-100

3-600

Nedidelis Visiškai

netikslus

Sandarumas

Geras

Pastabos

Labai lažniųnaudingas diapazone radijo

Patenkinamas

Pigus, mažas

Labai geras

Aukštos kokybės, naudojamas tiksliuose

filtruose

Geras

Aukštos kokybės, mažas

Nedidelis

Didelės talpos

Blogas

ir

Naudojamas maitinimo

šaltinių filtruose

Įvairių

rūšių

kondensatorių

charakteristikos: | rinės technikos ir valdomosios termobranduoli-

talpa, tikslumas, didžiausia leidžiamoji įtampa, | nės sintezės eksperimentus. Nepaprastai tikslūs sandarumas - skiriasi. Labai didelis tikslumas ir | kondensatoriai dažnai būna nedidelės talpos, sandarumas būdingas polistireniniams konden- | keleto pikofaradų ar nanofaradų. satoriams (žr. 1.1 lentelę).

Labai didelės talpos kondensatoriai naudoja-

Šiuo metu kuriami kondensatoriai, kurių tal- | mi ten, kur tikslumas nesvarbus. Visi konden-

pa 10 F (įtampa 1,8 V). Jie yra labai maži (vos | satoriai ilgainiui netenka krūvio, yra nesanda-

piršto dydžio). Superkondensatorių talpa siekia | rūs. Kai kurių kondensatorių talpos diapazonas, 1500 F Jie naudojami elektrotechnikoje labai | tikslumas ir kiti parametrai pateikiami 1.1 lenstiprioms elektros srovėms gauti, atliekant laze- | telėje.

Kaip vadinama laidininkų savybė kaupti elektros krūvį?

Internete paieškokite informacijos apie kondensatorius, jų rūšis, žymėjimą

Apibrėžkite vieno laidininko elektrinę

Gp vii) biiakbaj mg. as

talpa. pa

Nuo ko ji priklauso? AP )

L

talpą.

Li

Kokius žinote elektrinės talpos matavimo vienetus?

Sa

“

pasidalykite su klasės draugais, padiskutuokite apie ją.

(62)

Iizikos kabinete buvo du vienodo skersmens A 8aR sr oO metaliniai rutuliai: vienas — tuščiaviduris, kitas — ne. Palyginkite šių rutulių elektrinę talpą. Atsakymą pagrįskite.

1.8. Plokščiojo kondensatoriaus elektrinė talpa ir energija Plokščiojo kondensatoriaus elektrinis laukas Plokščiojo kondensatoriaus plokštelėms suteikus vienodo modulio, bet priešingų ženklų

4

krūvius, elektrinis laukas tarp plokštelių bus du kartus stipresnis negu vienos plokštelės sukurtas elektrinis laukas (1.8.1 pav.). Plokštelių

4

išorėje elektrinio lauko stipris lygus nuliui, nes čia abiejų plokštelių krūvininkai sukuria elektrinius laukus, kurie vienas kitą kompensuoja (stiprio moduliai yra lygūs, o kryptys — priešin-

gos). Aplinkos elektrinis laukas į kondensatorių beveik neprasiskverbia, todėl jo elektrinė talpa

nepriklauso nuo kitų arti esančių kūnų.

181 pav. 27

Plokščiojo kondensatoriaus elektrinė talpa Bandymai

rodo, kad plokščiojo kondensato-

riaus (1.8.2 pav., a) elektrinė talpa priklauso nuo jo plokštelių ploto (S), atstumo tarp plokštelių

(d),

dielektriko,

trinių savybių

įterpto

tarp

(e). Plokščiojo

plokštelių,

elek-

kondensatoriaus

elektrinė talpa išreiškiama formule

a AS,

kurio talpa (C,) yra du kartus

didesnė negu ankstesniojo (C, = 2C). Elektrometras rodo du kartus mažesnę įtampą (U,) nei pirmuoju atveju. Ir tai suprantama — plokštelių krūvis (g,) nepakinta, tačiau kondensatoriaus elektrinė talpa padidėja du kartus (U, = 2

Ji

(1.28)

čia e — dielektriko, esančio tarp kondensatoriaus plokštelių, dielektrinė skvarba. Vadinasi, kondensatoriaus elektrinė talpa priklauso nuo dielektriko rūšies. Pavyzdžiui, tarp kondensatoriaus plokštelių įkišus žėručio plokštelę, kondensatoriaus elek-

trinė talpa padidėja, nes žėručio dielektrinė skvarba (tx4 = 6) didesnė negu oro (£,, = 1). Iš 1.28 formulės

kondensatorius,

matyti, kad, didinant plokštelių plotą

Plokščiojo kondensatoriaus elektrinės tal-

pos formulę galima gauti algebriniu būdu. Įrodyta, kad įelektrintos plokštelės elektrinio

lauko stipris išreiškiamas formule

9.

Hs

ga, galima atlikti bandymą (1.8.2 pav., b). Vie-

na kondensatoriaus plokštelė (A) įelektrinama

elektrostatinės indukcijos mašina. Plokštelė įgyja krūvį g,. Kita plokštelė (B) įsielektrina priešingo

ženklo krūviu. Elektrometras rodo įtampą (U).

Tarkime, kad kiekvienos plokštelės plotas yra S,

o atstumas tarp plokštelių — d. Tada kondensa-

toriaus talpa C =

GI2)

d

E S = $.

(1.31)

1.31 lygybę užrašome kitaip:

= S

(1.32)

Atsižvelgę į elektrinės talpos apibrėžtį (1.26), gauname plokščiojo kondensatoriaus elektrinės talpos formulę:

C= AŠ kais= L

gaunamas naujas

(d:

kJ g2 8 ž(] Ir]

18.2 pav,a

(1.30)

Iš 1.29, 1.30 ir 1.22 lygybių gauname:

„ Atstumą tarp plokšte-

lių sumažinus perpus (di = 4

(1.29)

čia o (tariama „sigma“) — plokštelės paviršinio krūvio tankis, lygus

(S), kondensatoriaus elektrinė talpa (C) didėja, o,

didinant atstumą tarp plokštelių (d), - mažėja. Norint įsitikinti, kad 1.28 formulė yra teisin-

Ep?

18.2 pav, b

(1.33)

Kintamasis kondensatorius Kondensatoriai skirstomi į pastoviuosius (1.8.3

pav., a) ir kintamuosius (1.8.3 pav., b). Pastarųjų talpa reguliuojama keičiant plokštelių tarpusa-

vio padėtį. Kai plokštelės dengia viena kitą, jų

bendras plotas padidėja, kartu padidėja ir kon-

densatoriaus elektrinė talpa. Mažėjant plokštelių plotui, kondensatoriaus talpa mažėja. Kintamieji

kondensatoriai naudojami radijo imtuvuose. Jais

keičiant virpesių kontūro dažnį, galima priimti norimo dažnio elektromagnetines bangas. Kintamieji kondensatoriai montuojami

kom-

piuterio klaviatūroje (1.8.4 pav.). Po kiekvienu klaviatūros klavišu yra kondensatorius. Paspau-

183 pav,b

dus klavišą, sumažėja atstumas tarp kondensatoriaus plokštelių ir dėl to pakinta kondensatoriaus talpa. Kintant kondensatoriaus elektrinei talpai, kinta elektrinis signalas.

*Įkrauto kondensatoriaus energija Kondensatoriaus

elektrinė

grandinė

energijai

(1.8.5

tyrinėti

pav.,

a).

sudaroma

Iš pradžių

kondensatorius prijungiamas prie įtampos

šalti-

nio polių ir įkraunamas (1.8.5 pav., 6). Paskui jį prijungus prie elektros lemputės, galima matyti trumpalaikį šviesos blyksnį (1.8.5 pav., c). Tuo

metu kondensatorius išsikrauna. Tai rodo, kad įkrautas kondensatorius turi energijos. Kondensatoriui

išsikraunant,

ji gali virsti

1.8.5 pav, a

mechanine,

šviesos arba vidine energija. Kuo didesnė kon-

densatoriaus talpa ir įtampa, tuo daugiau energijos jis gali sukaupti. Tai nesunku įrodyti.

Jeigu elektrinio lauko stipris kondensatoriaus

viduje lygus IE, tai vienos plokštelės sukurto elektrinio lauko stipris bus Ž. Į tos plokštelės

elektrinį lauką patenka kitos plokštelės elektros

į

i

a

—l-—

18,5 pav, b

-

+

a

—

3

į

185 pav,c

29

krūvis. Jo potencinę energiją elektriniame lauke

galime išreikšti formule

nis laukas,

w-= aža. (1.34) Atsižvelgę į elektrinio lauko stiprio ir potencialų skirtumo ryšį (U = Ed), gauname:

Ws= 2U,

Ši energija lygi darbui, kurį atliktų elektrisuartindamas

elektrodus (plokšteles).

kondensatoriaus

Pagal artiveikos teoriją visa įelektrintų kūnų

sąveikos energija sutelkta jų elektriniame lauke.

Vadinasi, kondensatoriaus energija sukaupta jo elektriniame lauke.

(1.35)

(TREENAKTEA CD

Atstumas tarp kondensatoriaus plokštelių, prijungtų prie akumuliatoriaus, buvo sumažintas perpus. Kaip pakito: a) įtampa tarp kondensatoriaus plokštelių; b) elektrinio lauko stipris;

1.8.6 paveiksle vaizduojamas įkrautas kondensatorius, sujungtas su elektroskopu. Kaip kis elektroskopo rodmenys:

Atstumas tarp plokščiojo kondensatoriaus plokštelių buvo padidintas. Kaip pakito įtampa tarp plokštelių, kai kondensatorius buvo: a) įkrautas ir atjungtas nuo įtampos šaltinio; b) prijungtas prie įtampos šaltinio?

prie kitos (atsakymą pagrįskite)?

€) kondensatoriaus krūvis?

ao

Atstumas tarp plokščiojo kondensatoriaus plokštelių buvo sumažintas. Kaip pakito kondensatoriaus talpa, kai jis buvo: a) įkrautas ir atjungtas nuo įtampos šaltinio; b) prijungtas prie įtampos šaltinio? Remdamiesi 1.8.5 paveikslu, atsakykite

a) tolinant kondensatoriaus plokšteles vieną

nuo kitos (atsakymą pagrįskite); 5) artinant kondensatoriaus plokšteles vieną Įrodykite, kad įkrauto kondensatoriaus energiją galima apskaičiuoti pagal formules

w-=LU--( CO 2,

Įkrautas plokščiasis kondensatorius

atjungiamas nuo įtampos šaltinio ir panar-

dinamas į alyvą. Kaip dėl to pakinta kondensatoriaus energija?

= a=

a) Kaip vadinamas 1.8.5 paveiksle, b, vaizduojamas reiškinys? Kiek laiko jis trunka? b) Kas atsitiktų, jeigu elektringoji dalelė tarp

d

kondensatoriaus plokštelių pradėtų judėti?

Kaip vadinamas toks reiškinys? €) Kaip pasikeistų situacija, jei kondensatorius būtų prijungtas prie kintamosios įtampos šaltinio? d) Kaip vadinamas 1.8.5 paveiksle, c, vaizduojamas reiškinys? Kodėl elektrinės talpos netaikoma pos sąvoka Są

dielektrikams?

(1.36)

2

Šias formules naudosime spręsdami uždavinius.

į tokius klausimus:

ig Ež B ŽžŠ E

21C

1.86 pav.

Mokomės savarankiškai spręsti uždavinius 1. Ant kondensatoriaus korpuso yra užrašyta:

150 uF, 200 V. Kokį didžiausią elektros krūvį

Sprendimas a) Iš plokščiojo kondensatoriaus elektrinės talpos formulės C = Š išreikškime plokštelės plotą:

Sprendimas

Iš kondensatoriaus elektrinės talpos formulės C= + išreikškime elektros krūvį: gąg=C-U.

Įrašykime atitinkamas dydžių vertes:

1072 F- 107 m

Įrašę dydžių vertes, gauname: ą4= 15-10*F-200 V =3-107 C.

Atsakymas. 3

Tada

"TS 070 AN m

= 110 mm?;

107 C.

LE 10

2. Atstumas tarp orinio kondensatoriaus plokštelių lygus 1 mm. a) Koks turėtų būti kondensatoriaus plokštelių plotas, kad kondensatoriaus talpa būtų lygi 1 pF; 1F? b) Koks būtų 1 pF talpos kondensatoriaus plokštelių plotas, jei tarpas tarp jų būtų pripildytas

dielektriko, kurio dielektrinė skvarba 77

11-10

8,85-107

m

C?/(N-m?) -1

17 L

me

10

m=

= 11-10 m= '

= 110 km?. Antrasis atsakymas (S; = 110 km?) patvirtina,

kad 1 F yra labai didelė elektrinė talpa. Tokio kondensatoriaus vienos plokštelės plotas būtų

lygus net 110 km?.

b) Taikome tą pačią elektrinės talpos formulę.

Įrašę į ją dydžių vertes, gauname:

S

10 C2/(N-m?)

S

1F-

O 16-10

103 m

m? =

TSA0TC AN 7 7 10 10

m >

= 16 mm?,

Atsakymas.

a) 110 mm?;

110 kmž;

b) 16 mm?.

Pasitikrinkite pažangą

1.)

Kondensatoriaus elektros krūvis 4: 10“ C,

potencialų skirtumas tarp plokštelių 200 V. Apskaičiuokite kondensatoriaus talpą.

2.)

3*.

okito- 2 E Kondensatoriai prijungiami prie

to paties įtampos šaltinio. Palyginkite krūvius, susikaupusius šiuose kondensatoriuose.

elektros krūvį, įgijo 10? J energijos.

Apskaičiuokite kondensatoriaus plokštelių įtampą.

(2uE)

Vieno kondensatoriaus talpa 400 pF,

Kondensatorius, suteikus jam 5: 10* C

4.

(4kV)

Kaip ir kiek kartų pakis kondensatoriaus talpa, atstumą tarp plokštelių padidinus 2 kartus, o plokštelių plotą sumažinus 4 kartus?

31

G

Plokščiojo kondensatoriaus talpa 60 pF, o kiekvienos jo plokštelės plotas 600 cm. Koks yra oro tarpo tarp plokštelių storis?

Plokščiasis kondensatorius sudarytas

iš dviejų plokštelių, kurių kiekvienos plotas 100 cm“. Plokšteles skiria 2 mm

tarpas, užpildytas žėručio sluoksniu. Kokį

(8.85 mm)

didžiausią krūvį galima suteikti šiam kondensatoriui, jei yra žinoma, kad jis

Vieno kondensatoriaus talpa 16 kartų didesnė negu kito. Abu kondensatoriai įkrauti tiek, kad jų energija yra vienoda. Nustatykite: a) kuris kondensatorius buvo prijungtas

numatytas 3 kV įtampai?

(08 uC)

prie aukštesnės įtampos šaltinio;

b) kiek kartų įtampa buvo aukštesnė. m

Remdamiesi 1.8.7 paveiksle pateiktais duomenimis, atlikite tokias užduotis: a) apskaičiuokite kondensatoriaus talpą:

(26,6 pE)

b*) apskaičiuokite kondensatoriaus ener-

giją;

(1.3-107Į)

L 10 mm

€) sąsiuvinyje pavaizduokite tą kondensatorių ir jo elektrinio lauko jėgų linijas.

|

1.87 pav.

1.9*. Kondensatorių jungimo būdai Lygiagretusis kondensatorių jungimas satoriai jungiami lygiagrečiai. Lygiagrečiūoju kondensatorių jungimū vadinamas toks jų jungimas, kai visų kondensatorių vienas elektro-

das prijungiamas prie vieno šaltinio poliaus, o kitas — prie kito poliaus (1.9.1 pav.). Aptarkime lygiagrečiojo kondensatorių jungimo dėsningumus.

ks g2 B ž(] a

Visų

lygiagrečiai sujungtų

kondensato-

rių įtampa yra vienoda ir lygi visos baterijos įtampai (U,): U, = U, = Us = Už =... = Up.

(1.37)

Lygiagrečiai sujungtų kondensatorių baterijos elektros krūvis lygus atskirų kondensatorių elektros krūvių sumai:

A = Ut

kg k

kg

(138)

+

Kondensatoriai dažnai jungiami vienas su kitu į baterijas. Kai reikia didesnės talpos, konden-

1.9.1 pav.

Iš elektrinės

talpos

formulės

(1.26)

išplau-

kia, kad elektros krūvis lygus elektrinės talpos ir įtampos sandaugai: 4 = CU. Įrašę šią elektros krūvio išraišką į 1.38 formulę, gauname:

CU= CU+ CU+ CU+ + C,U. Abi

lygybės

puses

padalijame

(1.39)

iš elektrinės

įtampos: C,=C

+ C+

C+...

+ Ca.

(1.40)

Lygiagrečiai sujungtų kondensatorių ba-

terijos

talpa

lygi

atskirų

kondensatorių

talpų sumai. Tai patvirtina temos pradžioje pa-

Jei lygiagrečiai sujungiama n vienodos talpos C, kondensatorių, 1.40 formulė supaprastėja:

teiktą teiginį „Kai reikia didesnės talpos, konden-

C, = nG,.

satoriai jungiami lygiagrečiai“ Kondensatorius sujungus lygiagrečiai,

(141)

jų elektrinė talpa padidėja.

Nuoseklusis kondensatorių jungimas rima sumažinti elektrinę talpą. Nuosekliūoju kondensatorių jungimū vadinamas toks jun-

(4,) lygus vieno kondensatoriaus elektros krūviui: 44,4, 4 (1.42)

vienas paskui kitą ir prie elektros srovės šaltinio

Kiekvieno kondensatoriaus įtampa yra skirtinga, nes skiriasi kondensatorių talpa:

Kondensatoriai

jungiami

nuosekliai,

kai no-

gimas, kai kondensatoriai į grandinę sujungiami

gnybtų prijungiami tik kraštiniai baterijos elek-

trodai (1.9.2 pav.). Šis kondensatorių

jungimo

būdas taikomas tada, kai elektros srovės šaltinio įtampa yra aukštesnė už leidžiamąją kondensatorių

įtampą.

pramušimo.

1.9.2 pav.

Taip

išvengiama

kondensatorių

+"

4r

o Ar

a

6

G

U= £4

U. -£4

U= 4

UV, -£-

(1.43)

Iš 1.43 formulių matyti, kad nuosekliai sujungtų kondensatorių įtampos yra atvirkščiai proporcingos jų talpoms:

Uu

1:1)

G

UT

Kai kondensatoriai sujungti nuosekliai, jiems įsikraunant elektros srovės stipris yra vienodas

visuose grandinės taškuose. Tačiau žinome, kad elektros srovė per tarpą tarp kondensatoriaus elektrodų tekėti negali. Prie teigiamojo srovės

šaltinio poliaus prijungus pirmojo kondensato-

riaus kairįjį elektrodą (žr. 1.9.2 pav.), dalis elektronų iš jo išeina ir šis elektrodas įsielektrina teigiamai. Dėl to elektronai ima judėti iš antrojo kondensatoriaus kairiojo elektrodo į pirmojo

(1.44)

Elektros srovės šaltinio įtampa pasiskirs-

to tarp kondensatorių, todėl nuosekliai su-

jungtų kondensatorių baterijos įtampa lygi

atskirų kondensatorių įtampų sumai: U,=U

+U, + Us +... + Us.

(1.45)

Iš 1.45 formulės, atsižvelgiant į 1.43 formules,

gaunama nuosekliai sujungtų kondensatorių ba-

terijos elektrinės talpos formulė:

4-144+1L:144.41

CO,

Ci

Cr

C5

Ca

(1.46)

kondensatoriaus dešinįjį elektrodą. Šis elektrodas

(1.47)

kairysis elektrodas — teigiamai. Tai lemia elektronų srautą iš trečiojo kondensatoriaus kairio-

Dydis, atvirkščias nuosekliai sujungtų kon-

įsielektrina neigiamai, o antrojo kondensatoriaus

jo elektrodo

į antrojo

kondensatoriaus

deši;

elektrodą. Galiausiai kiekvieno kondensatoriaus

kairysis elektrodas įsielektrina teigiamai, o dešinysis — neigiamai. Šiuo būdu visi kondensatorių elektrodai įgyja vienodo modulio krūvį. Dabar

galima suformuluoti pirmąjį nuosekliojo kondensatorių

jungimo

dėsningumą.

Visų

nuose-

kliai sujungtų kondensatorių elektros krūvis yra vienodas, o baterijos elektros krūvis

densatorių baterijos elektrinei talpai, yra

lygus atskirų kondensatorių atvirkštinių

talpų sumai (1.47).

Jeigu į bateriją nuosekliai sujungiama 1 vieno-

dos talpos C; kondensatorių, jos talpa lygi

G

(148)

Tokios baterijos talpa yra n kartų mažesnė vieno kondensatoriaus talpą.

už

33

Mišrusis kondensatorių jungimas Keletą kondensatorių tarpusavyje galima su-

jungti ir mišriai: vienus - nuosekliai, kitus = Iy-

giagrečiai (1.9.3 pav.). Toks jungimas vadinamas mišriūoju kondensatorių jungimū.

Jam taikomi nuosekliojo ir lygiagrečiojo jungi-

mo dėsningumai. Aptarėme kondensatorių jungimo būdus, kai tarp kiekvieno kondensatoriaus plokštelių yra tos pačios rūšies dielektrikas. Jei kondensatorius

pripildomas skirtingų rūšių dielektrikų, situacija pasikeičia. Ji priklauso nuo dielektriko padėties

kondensatoriuje.

1.9.4 paveiksle, a, pavaizduo-

ti du kondensatoriai, pripildyti skirtingų rūšių dielektrikų,

kurių

dielektrinė

C

1|

keturių kondensatorių. Du iš jų (kairėje) sujungti nuosekliai ir du (dešinėje) - lygiagrečiai (1.9.4 pav., b). Tada visos

baterijos elektrinė talpa lygi dviejų lygiagrečiai sujungtų kondensatorių grupių elektrinių talpų sumai:

Buul

o kada - nuosekliai?

Kuo pavojingos išjungtos grandinės,

kuriose yra kondensatorių? Ką reikia

(1.49)

C, = Cn + Ce

62

I

“=

d

C

„Ll

C

Tri 2|2

194pav,b

Kada kondensatoriai jungiami lygiagrečiai,

e, ir 63.

Šiuo atveju kondensatorių baterija sudaryta iš

1|

c

skvarba

Į

4HHP 1.9.5 pava

daryti išjungus tokią grandinę? G)

1.9.5 paveiksle pavaizduotos keturios baterijos, kurių kiekviena sudaryta iš trijų 1uF talpos kondensatorių.

UE

1|

a) Apskaičiuokite kiekvienos baterijos

og Ež 8 ŽžŠ -

elektrinę talpą. b) Nustatykite, kurios baterijos talpa yra mažiausia, o kurios - didžiausia. (2)

1.9.5 pav,c

1.9.6 paveiksle pavaizduota kondensatorių baterija. Apskaičiuokite jos elektrinę talpą.

2ųF l |

1.9.7 paveiksle pavaizduotos trys kondensatorių baterijos. Visų kondensatorių elektrinė talpa yra vienoda. Nustatykite,

kurioje baterijoje sukaupiama daugiausia energijos, kai kondensatoriai įsikrauna

iki galo.

1.95 pav.,d

1.96 pav.

2ųF

24F

Cc

Tarkime, kad 1.9.4 paveiksle pavaizduotų ko:

Ketvirtadalis plokščiojo orinio kon-

ilgis I, o atstumas tarp plokštelių d. Dielektrikų dielektrinė skvarba lygi e; ir £>. Apskaičiuokite kondensatorių baterijos elektrinę talpą.

Kiek kartų pakito kondensatoriaus elektrinė talpa?

densatorių plokštelės yra kvadratinės. Jų kraštinės

Ed

[ergų

(6-2

1.9.7 pav,a

densatoriaus tūrio buvo pripildyta dielektriko, kurio e = 5 (1.9.8 pav.).

ELLE 2

|žženo)

197 pav, b

Žemė - neigiamai įelektrintas rutulys. Manoma, kad jis įsielektrina žaibuojant. Vienas žaibo išlydis Žemei suteikia 20-30 C neigiamąjį krūvį.

elektrinio lauko potencialas Žemės paviršiuje,

9, — potencialas atstumu d nuo Žemės pavir-

šiaus. Tarp Žemės paviršiaus ir jonosferos susi-

Meteorologai nustatė, kad Žemės rutulyje dažniausiai žaibuoja apie 19 valandą Londono laiku. Mes gyvename tarsi didžiuliame kondensa-

daro apie 400 000 V potencialų skirtumas. Atrodytų, kad potencialų skirtumas turėtų atsirasti ir žmogaus kūne. Pavyzdžiui, tarp 1,7 m

Žemės paviršius, o kitas — jonosferos sluoksn

net 220 V (Ap = 130 V/m - 1,7 m = 220 V).

toriuje (1.10.1 pav.), kurio vienas elektrodas — Žemės

paviršius įelektrintas neigiamai, o jono-

sferos sluoksnis — teigiamai. Žemės rutulio ir jonosferos sudaromo „kondensatoriaus“ elektrinė talpa 711 uF, krūvis 6- 107 C, o elektrinio lauko stipris siekia apie 130 V/m. Kylant nuo Žemės

ūgio žmogaus viršugalvio ir kojų padų jis būtų

Tai — aukštoji įtampa, pavojinga gyvybei. Tačiau

Jonosfera

paviršiaus, elektrinis laukas silpnėja. 1 km aukštyje jo stipris yra 40 V/m, o 50 km aukštyje beveik lygus nuliui.

Elektrinio lauko jėgų linijos prasideda jonosferoje (teigiamasis krūvis) ir yra nukreiptos žemyn, Žemės paviršiaus link (1.10.1 pav.). Va-

dinasi, kylant aukštyn, Žemės elektrinio lauko

potencialas didėja: Ag = 9, — 9, = Edi čia 9, —

1.10.1 pav. 35

Jonosfera

realaus pavojaus nėra, nes žmogaus kūnas — ge-

ras elektros laidininkas ir potencialų skirtumo jame nesusidaro. Viso žmogaus kūno potencialas yra toks pat kaip Žemės paviršiaus. Žemės

elektrinis laukas yra save valdanti (si-

nerginė) sistema. Ji valdoma žaibais. Virš Žemės

paviršiaus susidarius audros debesiui, 1.10.1 paveiksle vaizduojama situacija pasikeičia. Tarp Že-

mės paviršiaus ir jonosferos sluoksnio susidaro tarytum du nuosekliai tarpusavyje sujungti kon-

densatoriai (1.10.2 pav.). Audros

debesys yra

labai stori, apie 8—10 km. Kylant aukštyn, oro

temperatūra krinta. 10 km aukštyje ji būna apie

-50 *C. Nustatyta, kad teigiamai įelektrinti vandens lašeliai užšąla aukštesnėje temperatūroje negu įelektrinti neigiamai. Susidariusiuose ledėsiuose būna šiek tiek oro, todėl jie yra lengvesni ir debesyje kyla aukštyn. Taip krūviai debesyje persiskiria: teigiamasis krūvis kaupiasi viršuje, neigiamasis — apačioje. Debesies apačioje susitelkęs neigiamasis krūvis indukuoja Žemės paviršiuje priešingo ženklo krūvį (žr. 1.10.2 pav.). Audros debesyse susiformuoja keletas viena nuo

kitos izoliuotų krūvio sankaupų, kurios sukuria kritinį elektrinį lauką (25-30 kV /cm), todėl susidaro keletas žaibo impulsų. Kai elektroduose (debesyje ir Žemės paviršiuje) susikaupia didelis

elektros krūvis, ore prasideda elektros išlydis —

žaibas (1.10.3

pav.). Šis reiškinys analogiškas

kondensatoriaus pramušimui.

Žaibo kanalo ilgis siekia nuo kelių šimtų met-

rų iki kelių kilometrų. Įkaitusio oro slėgis žaibo kanale labai padidėja. Dėl susidariusio slėgių skirtumo oras staigiai plečiasi, sukeldamas garso

bangas, kurios girdimos kaip griaustinis.

kJ kIZ 2 =(] [r]

1.10.4 pav.

1.10.3 pav.

Medžiais,

aukštais

statiniais,

nių konstrukcijų, Žemės

ypač

iš metali-

elektros krūvis pakyla

aukštyn (1.10.4 pav.). Sumažėjus atstumui tarp Žemės paviršiuje ir debesyje susikaupusio krūvio, padidėja elektros išlydžio tikimybė. Todėl žaibas trenkia į objektus, iškilusius virš Žemės paviršiaus: medžius, stulpus, namus.

Lygiame lauke žmogus būna aukščiausiai iškilęs virš Žemės paviršiaus, kai stovi. Rankoje laikydamas kokį nors ilgą įrankį (pvz., grėblį, šakės,

meškerę, skėtį), jis sudaro dar geresnes sąlygas

vykti elektros išlydžiui. Bendžaminas

Franklinas

1780 m. užpatentavo

išradimą, padedantį apsisaugoti nuo elektros iš-

lydžio (1.10.5 pav., a). Franklino žaibolaidį sudaro metalinis skėčio laidininkas, sujungtas su Žeme (įžemintas).

Šiuo metu

naudojami

aktyvieji žaibolaidžiai

(1.10.5 pav., b). Jų apsaugos zona 8 kartus di-

desnė negu klasikinių Franklino žaibolaidžių. Aktyviųjų žaibolaidžių viduje sumontuoti kon-

densatoriai, kurie, sustiprėjus elektriniam laukui tarp debesies ir Žemės paviršiaus, įsikrauna. Li-

kus keletui sekundės dalių iki žaibo išlydžio, ak-

tyvieji žaibolaidžiai ima skleisti aukštojo dažnio impulsus ir sukuria elektros išlydį, nukreiptą į žaibo išlydį. Susidaro jonizuotas kanalas, kuriuo ir vyksta žaibo išlydis.

Tarpdalykinis projektas

škinkite, kaip elektrostatinė sąveika reiškiasi gyvojoje gamtoje (elektronų vaidmuo susi-

darant peptidinėms baltymų grupėms, vandeniliniai ryšiai tarp peptidinių grupių, tarp amino-

šoninių radikalų, tarp aminorūgščių, turinčių priešingą krūvį, ir pan.). Pasidomėkite kompiuterinės grafikos taikymo galimybėmis biomolekulėms vaizduoti, cheminėms ir elektrirūgšč;

nėms savybėms aiškinti. Susisteminkite surinktą informaciją apie elektrostatinę sąveiką gyvojoje

gamtoje, pasidalykite ja su klasės draugais.

37

Elektrodinamikos dalis, nagrinėjanti nejudančių elektringųjų dalelių sąveiką, vadinama elektrostatika.

i

Elektros krūvis - fizikinis dydis, rodantis elektromagnetinės sąveikos intensyvumą.

[g]=1C. 1 Cyra elektros krūvis, kurį 1 A stiprio elektros srovė perneša laidininko skerspjūviu per 1 s.

Uždarosios sistemos visų sąveikaujančių kūnų elektros krūvių algebrinė suma yra pastovi:

| i

a,+9,+4,+.+,= const.

i i i i i i i i i i i i i i

Dviejų taškinių nejudančių įelektrintų kūnų sąveikos jėga vakuume yra tiesiogiai proporcinga jų krūvių modulių sandaugai ir atvirkščiai proporcinga atstumo tarp jų kvadratui:

F=k LM, Pi

k=9-10? N-emž/C2,

Įelektrintų kūnų sąveikos jėgos - centrinės jėgos, veikiančios

tiesės, jungiančios tuos kūnus.

išilgai

Erdvėje aplink įelektrintus kūnus esanti ypatingos formos materija, kurios žmogus nejunta, vadinama elektriniu lauku.

4

i

|

i

Nejudančių elektros krūvių sukurtas laukas vadinamas elektrostatiniu lauku.

! i

Elektrinio lauko stipris yra fizikinis dydis, lygus jėgos, kuria laukas veikia taškinį krūvį, ir to krūvio santykiui:

į i

=

£

t

E=5;

ks kIZ B =(J u

į

i

i i

Nenutrūkstamos linijos, kurių liestinės kiekviename taške sutampa su elektrinio lauko stiprio vektoriumi, vadinamos to lauko jėgų linijomis.

Ie Ik ae

Elektrinių laukų superpozicijos principas

Jeigu tiriamame erdvės taške skirtingi įelektrinti kūnai sukuria elektrinius laukus, kurių stipris E:, E2, E ir t. t., tai atstojamojo elektrinio lauko stipris Ė lygus visų elektrinių laukų stiprių geometrinei sumai:

Ė=Ė+Ė+Ė+..

Įkrauto kondensatoriaus energija

Įkrauto kondensatoriaus energija (W) lygi darbui, kurį atliktų

elektrinis laukas, suartindamas kondensatoriaus elektrodus:

Leda

„LU

CV Tac“ 2

čia g - kondensatoriaus sukauptas elektros krūvis, U - įtampa tarp elektrodų, C - kondensatoriaus talpa.

Elektrinio lauko darbas

Elektrinio lauko darbas lygus krūvio potencinės energijos pokyčiui su

minuso ženklu:

A= -(gEd;- gEd,) = -gEhd.

Elektrinio lauko potencialas

Fizikinis dydis, lygus elektriniame lauke esančio elektros krūvio potencinės energijos ir to krūvio santykiui, vadinamas elektrinio lauko potencialu:

o= K = Hg

(9]=1V. Įtampa

Dviejų taškų potencialų skirtumas (arba įtampa) lygus elektrinio lauko darbo, kuris atliekamas perkeliant teigiamąjį krūvį iš pradinio taško į galinį, ir to krūvio santykiui:

A

U=9,-9;= 7:

39

Voltas

Potencialų skirtumo matavimo vienetas vadinamas voltu. Dviejų taškų potencialų skirtumas lygus 1 V, kai, perkeldamas 1 C krūvį iš vieno taško į kitą, elektrinis laukas atlieka 1 J darbą:

a

WV= 17:

Dielektrinė skvarba

Dielektrinė skvarba (e) yra fizikinis dydis, rodantis, kiek kartų

elektrinio lauko stipris (E) vienalyčiame dielektrike yra mažesnis už lauko stiprį (E;) vakuume:

+-B, Kondensatorius

Kondensatorių sudaro du laidininkai, perskirti dielektriko sluoksniu, kurio storis mažas, palyginti su laidininko matmenimis.

+11“| E

Kondensatoriaus elektrinė

talpa

Kondensatoriaus elektrine talpa vadinamas vieno laidininko krūvio ir potencialų skirtumo tarp to laidininko ir gretimo laidininko santykis:

Plokščiojo kondensatoriaus

Plokščiojo kondensatoriaus elektrinė talpa priklauso nuo:

elektrinė talpa

+ plokštelių ploto (S);

+ atstumo tarp plokštelių (d);

+ terpės (£), esančios tarp kondensatoriaus plokštelių, elektrinių savybių. E ES

C--— Nuoseklusis kondensatorių jungimas

Nuosekliuoju kondensatorių jungimu vadinamas toks jų jungimas, kai kondensatoriai į grandinę sujungiami vienas paskui kitą ir prie srovės šaltinio gnybtų prijungiami tik kraštiniai baterijos elektrodai.

Nuosekliojo kondensatorių jungimo dėsningumai

1.Visų nuosekliai sujungtų kondensatorių krūvis yra vienodas, o baterijos krūvis (g,) lygus vieno kondensatoriaus krūviui:

a,=9,=4,=0,> + =45

s Žž Ki

2. Elektros srovės šaltinio įtampa pasiskirsto tarp kondensatorių,

e ž =a

U5=U +U5 + Už + + Up.

k

todėl nuosekliai sujungtų kondensatorių baterijos įtampa yra lygi atskirų kondensatorių įtampų sumai:

3. Dydis, atvirkščias nuosekliai sujungtų kondensatorių baterijos elektrinei talpai, lygus atskirų kondensatorių atvirkštinių talpų sumai:

Lei

441ijs1

Gratatateta

Lygiagretusis kondensatorių jungimas

Lygiagrečiuoju kondensatorių jungimu vadinamas toks jų jungimas, kai visų kondensatorių vienas elektrodas prijungiamas prie vieno šaltinio poliaus, o kitas - prie kito poliaus.

Lygiagrečiojo kondensatorių

1. Visų lygiagrečiai sujungtų kondensatorių įtampa yra vienoda ir lygi

jungimo dėsningumai

visos baterijos įtampai (U,):

U,=U,=Us=U,= = Up.

2. Lygiagrečiai sujungtų kondensatorių baterijos krūvis lygus atskirų kondensatorių krūvių sumai:

a, =0, 50,10 t GL 3. Lygiagrečiai sujungtų kondensatorių baterijos talpa lygi atskirų kondensatorių talpų sumai:

CG=CG+G+G+. + Ca.

41

Nuolatinė elektros srovė Šiame skyriuje nagrinėsite nuolatinę Eku Aue ie ae Omo dėsnį grandinės daliai, laidininkų Sao Tiaiekiorėe [TAS aie Ee Ia [ES (6 inlo lasas IEJEIke lare ais a Is je srovės atliekamą darbą ir galią.

2.1. Elektros srovės stipris, kryptis, veikimas Elektros srovė metaluose. Elektroninės teorijos pagrindiniai tei giniai Išgirdus žodį „srovė“, prieš akis dažniausiai iš-

kyla tekančios upės ar iš čiaupo bėgančio vandens vaizdas. Sunkiau įsivaizduojame elektros

srovę, tekančią laidininkais. Prieš šimtmetį (1913 m.) rusų fizikai Leonidas Mandelštamas (Leonid Mandelštam) ir Nikolajus Papaleksis (Nikolaj Papaleksi) bandymais įrodė, kad elektros srovę metaluose sukelia laisvieji elektronai. Bandymui jie naudojo ritę ir telefono ausines. Daug vijų turinti ritė buvo

įsukama, paskui staiga stabdoma. Ritę sustabdžius, laisvieji elektronai iš inercijos dar judėjo

ritės sukimosi kryptimi. Taip viename ritės gale susirinko daugiau elektronų ir jis įsielektrino neigiamai. Kitame ritės gale susidarė elektronų

trūkumas ir šis galas elektronų judėjimo elektros srovė. Prie fono ausinėse buvo

įsielektrino teigiamai. Dėl ritėje atsirado trumpalaikė ritės galų prijungtose telegirdimas traškesys.

elektros krūvis ir krūvininko

santykis (2)

krūvio bei masės

Jis buvo artimas elektrono krūvio

ir masės santykiui, jau anksčiau nustatytam pagal katodinių spindulių nuokrypį elektriniuose ir

magnetiniuose laukuose. Remianti

s ir kitais bandymais,

suformu-

luoti klasikinės elektroninės metalų teori-

jos pagrindiniai teiginiai:

1. Teigiamieji jonai yra tvarkingai išsidėstę me-

talų kristalinės gardelės mazguose (2.1.2 pav.). Tarp jų laisvai juda valentiniai elektronai, sudarydami elektronines dujas. Atstumai tarp jonų yra daug mažesni negu tarp elektronų. 2. Metalų

jonai ir elektronai nuolat juda. Jo-

nai svyruoja apie pusiausvyros padėtį kristalinės

gardelės mazguose, o elektronai juda laužtinėmis trajektorijomis.

3. Elektroninės dujos sąveikauja su kristalinės

Tolme-

gardelės jonais. Dėl šios sąveikos kinta elektronų

Stewart) patobulino šį bandymą. Vietoj telefono ausinių jie prijungė jautrų galvanome-

4. Visų gardelės elektronų neigiamasis krūvis lygus visų gardelės jonų teigiamajam krūviui,

1916

m.

amerikiečių

fizikai Ričardas

nas (Richard Tolman) ir Tomas Stiuartas (Tom

trą (2.1.1 pav.). Juo buvo išmatuotas pratekėjęs

judėjimo greitis ir kryptis.

todėl metalai yra elektriškai neutralūs.

DR Šauliu, p

2141 pav. 43

Elektros srovės samprata, atsiradimo sąlygos Elektros srovei atsirasti vien laisvųjų elektrin-

gųjų dalelių nepakanka. laidininke nėra, laisvieji

Kai elektrinio lauko elektronai jame juda

netvarkingai (2.1.3 pav., a). Šiuo atveju elektros

srovė lempute neteka. Kryptingam dalelių judėjimui palaikyti reikia jėgos, kurią sukelia elektrinis laukas (7 = Fg). Lauką sukuria elektros

srovės šaltinis (2.1.3 pav., b). Elektrinio

lauko

veikiami elektronai juda kryptingai, bet netvarkingai (2.1.3 pav., c). Kryptingas elektringų-

jų dalelių

judėjimas

vadinamas

elėktros

srovė. Nustatyta, kad kryptingo elektronų judėjimo greitis laidininke yra labai mažas:0 = 7- 10 m/s. Elektrinis laukas laidininke sklinda šviesos greičiu (300000 km/s). Jo veikiami elektronai ima

judėti kryptingai visame laidininke. Pavyzdžiui, įjungus elektros jungiklį, pradeda judėti elektronai, esantys elektros lemputės siūlelyje. Todėl ji

įsižiebia iš karto.

Elektros srovės tekėjimą galima palyginti su vandens judėjimu vandentiekio sistemoje. Atsukus čiaupą, dėl veikiančio slėgio pradeda tekėti jame

esantis vanduo.

Iš vandentiekio

čiaupą vanduo atiteka vėliau.

2.13 pav,a

bokšto

į

Elektros srovės stipris Skirtingomis

elektrinėmis

grandinėmis

daž-

niausiai teka nevienoda elektros srovė (2.1.4 pav.,

a). Jos stipris priklauso nuo to, kiek elektronų

pereina laidininko skerspjūviu per vienetinį laiką (2.1.4 pav., b). Kuo daugiau jų pereina, tuo

£2 a5 “ 2 ž £ J 1 £= B o Ž 4

stipresnė elektros srovė. Kadangi kiekvienas elektronas turi elektros krūvį, tai per vienetinį laiką perkeltas elektros krūvis yra pagrindinė kiekybinė srovės charakteristika, vadinama elektros srovės stipriu. Elėktros srovės stipris (I) lygus elektros krūvio (Ag), pratekančio laidininko skerspjūviu per tam tikrą laiko 213 pav,b

tarpą (A/), ir to laiko tarpo santykiui:

A I 22

(2.1)

Elektros srovė, kurios stipris ilgainiui nekinta, vadinama

nuolatinė.

Srovės stiprį galima palyginti su vandens debi-

tu — vandens kiekiu, pratekančiu upės, vamzdžio 2.13 pav,C

ir pan. skerspjūviu per vienetinį laiką. Lietuvos upių vandens debitas yra skirtingas. Pavyzdžiui,

k

B 7 ASyd?

A 812 Ą SS Syd J 2

Ž

214 pav,a a

0

|-9-

9-9

2

Bž31

214 pav,b

didžiausios Lietuvos upės Nėmuno (2.1.5 pav.) vidutinis daugiametis vandens debitas žemupyje (iki išsišakojimo deltoje) lygus 665 m/s,

o Neričs debitas žiotyse — 189 m?/s. Vadinasi,

Nėmuno skerspjūviu per vienetinį laiką pereina

daugiau vandens negu Neričs skerspjūviu.

21,5

pav.

Tarptautinėje sistemoje (SI) pagrindinis elektros srovės

pėras

gerbiant

stiprio

(žymimas

prancūzų

matavimo

A).

Taip

vienetas

yra

jis pavadintas

mokslininką

Andrė

am-

pa-

Mari

Amperą (Andrė-Marie Ampėre, 1775-1836), kuris 1820 m. pirmą kartą pavartojo elektros

srovės stiprio sąvoką. 1 A - tai tokio stiprio

Vartojami taip pat daliniai ir kartotiniai elektros

be galo ilgais lygiagrečiais laidais, nutolusiais vakuume vienas nuo kito 1 m atstu-

niu vienetu jie susiję taip:

pastovi elektros srovė, kuriai tekant dviem

mu,

vieno

laido kiekvienas

metras

kito laido kiekvieną metrą 2107

srovės stiprio vienetai: mikroamperas (A), miliamperas (mA), kiloamperas (kA). Su pagrindi-

veikia

lųA

N jėga.

= 10“ A,

1mA

= 103 A,

1kA = 10? A.

Elektros srovės kryptis Elektros srovė grandinėje teka tam tikra kryptimi. Teigiamąja srovės kryptimi priimta laikyti

elektrinio

lauko

laidininko

viduje

kryptį,

t. y. kryptį iš pliuso į minusą (2.1.6 pav., a). Šia

linkme juda teigiamąjį krūvį turinčios elektringosios

dalelės.

Vadinasi,

elektros

srovės

216 pav,a

kryptimi laikoma teigiamųjų elektringųjų dalelių judėjimo kryptis. Elektronai grandinėje juda į priešingą pusę nei pasirinkta teigiamoji elektros srovės kryptis (2.1.6 pav., b). Painiava atsirado dėl to, kad elektros srovės krypties taisyklė buvo suformuluota tuo metu, kai apie

laisvuosius elektronus metaluose dar nieko neži-

nota. Jų kryptingas judėjimas ir sudaro elektros srovę.

Elektros srovės veikimas Elektros srovės veikimas gali būti šiluminis, cheminis, magnetinis. Elektringųjų dalelių ju-

£2 25 “ a ž £ J 1 £= £ o Ž Ž

dėjimo laidininkuose tiesiogiai nematome, taČiau apie elektros srovę galime spręsti iš tam tikrų su ja susijusių reiškinių. Pavyzdžiui, palietę ką tik išjungtą elektros lemputę, jaučiame, kad ji karšta. Šis ir kiti pavyzdžiai rodo, kad laidininkas, kuriuo teka elektros srovė, įšyla.

Kas yra elektros srovė? Kokių sąlygų reikia jai atsirasti? Apibrėžkite elektros srovės stiprį. Nurodykite jo matavimo vienetus. Kuo panašūs elektros srovės stipris ir vandens debitas?

Elektros srovė gali keisti laidininko cheminę sudėtį, išskirti sudedamąsias jo dalis. Tuo galėjo-

te įsitikinti per chemijos pamokas nagrinėdami elektrolizės reiškinį.

Elektros srovė veikia gretimais laidininkais tekančią elektros srovę ir įmagnetintus kūnus: magnetinė

rodyklė arti laidininko,

elektros srovė, pasisuka.

G)

kuriuo teka

Paieškokite internete virtualių mokymosi objektų, susijusių su elektros srove, jos stipriu. Išsiaiškinkite, kaip atsiranda

elektros srovė, nuo ko priklauso jos stipris.

Padiskutuokite su klasės draugais apie mokymosi objektuose stebimus reiškinius.

(2)

Kokia elektros srovės kryptis vadinama teigiamąja?

G)

Per 20 S laidininko skerspjūviu perėjo 4 C elektros

krūnis. Kokio stiprio elektros srovė tekėjo šiuo laidininku? (0,2 A)

(6) Laidininko skerspjūvio plotas S, kiekvienos elektringosios dalelės krūvis 4, (2.1.7 pav.). Įrodykite, kad laidininku tekančios elektros srovės stiprį I galima išreikšti vienos dalelės krūvio ą,„ dalelių judėjimo greičio v, koncentracijos n ir laidininko skerspjūvio ploto S sandauga: I = gya0S. (22)

217 pav.

2.2. Elektrinė varža. Superlaidumas Elektrinės varžos samprata Veikiami elektrinio lauko, elektronai juda kryptingai. Savo kelyje jie sutinka kliūtis — kristalinės gardelės

mazguose

esančius

teigiamuosius

jo-

nus. Šie traukia neigiamąjį krūvį turinčius lais-

vuosius elektronus. Elektronai atiduoda jonams

dalį savo kinetinės energijos, kurią įgijo veikia-

mi elektrinio lauko. Sumažėjus energijai, sumažėja elektronų greitis, o kartu ir elektros srovės stipris (žr. 2.2 formulę). Sakoma, kad laidininke atsiranda pasipriešinimas elektros srovės tekėji-

mui. Fizikinis dydis, apibūdinantis laidinin-

ko pasipriešinimą elektros srovės tekėjimui, vadinamas elektrinė varža. Ji yra pagrindinė kiekvieno

laidininko

charakteristika. Nuo

laidi-

ninko elektrinės varžos priklauso elektros srovės

stipris esant tam tikrai įtampai. Varža yra tarytum laidininko pasipriešinimo jame atsirandančiai elektros srovei matas. Kaip mechanikoje trintis trukdo kūnams judėti, taip laidininko varža priešinasi kryptingam elektronų judėjimui.

Elektrinės varžos priklausomybė nuo laidininko parametrų Elektriniuose prietaisuose, būsto elektros insta-

liacijai naudojami įvairaus storio laidai (2.2.1 pav.).

Nuo laidininko storio (skerspjūvio ploto) priklauso jo elektrinė varža.

Laidininko skerspjūvio ploto įtaką varžai ga-

lima paaiškinti taip: kuo mažesnis skerspjūvio

plotas, tuo didesnio tankio elektronų srautas sukelia laidininke to paties stiprio srovę. Mažesnio skerspjūvio ploto laidininke elektronai stipriau

sąveikauja

su kristalinės

gardelės

nais, todėl laidininko varža didesnė!: R-Z.1 1

jo-

(2.3)

2.21 pav.

" Įsivaizduokite jūsų klasės mokinius, bėgančius siauru koridoriumi ir plačia gatve. Akivaizdu, kad gatvėje jie galėtų įgyti

didesnį greitį. Bėgti koridoriumi būtų sunku, nes didesnis mokinių tankis.

47

stabdančių judėjimą, savo kelyje sutinka elektro-

nai. Todėl laidininko varža yra tiesiogiai proporcinga jo ilgiui:

R-L.

(24)

Laidininko varža dar priklauso nuo jo medžiagos. Dviejų vienodo ilgio ir skerspjūvio ploto laidininkų, pagamintų iš skirtingų medžiagų

(pvz., vario ir aliuminio), varža tomis pačiomis

sąlygomis yra skirtinga. Laidininko varžos priklausomybę nuo medžiagos apibūdina savitėji

Savitosios elektrinės varžos matavimo tas yra Omas iš mėtro (O-m). Kadangi laidininkų skerspjūvio plotą patogiau kvadratiniais milimetrais, o ilgį — metrais,

mas omū iš kvadratinio milimėtro mėtrui (O-mm?/m). Apibendrinant anksčiau išsakytus teiginius (2.3 ir 2.4), galima tvirtinti, kad laidininko elek-

trinė varža yra tiesiogiai proporcinga jo savitajai

varžai bei ilgiui ir atvirkščiai proporcinga skers-

pjūvio plotui:

elektrinė varža (0). Ji priklauso nuo medžiagos rūšies ir būsenos. 1 mm?

R=ę

Savitoji elektrinė varža

nustatoma bandymais, matuojant

1 m ilgio ir

skerspjūvio ploto vielos varžą.

Įvairių

medžiagų savitosios varžos skaitinės vertės pa-

vieneįvairių reikšti prak-

tikoje dažnai vartojamas kitas vienetas, vadina-

(2.5)

Ee

Laidininko varža priklauso ir nuo jo ilgio. Kuo ilgesnis laidininkas, tuo daugiau gardelės jonų,

Iš šios formulės išplaukia savitosios elektrinės varžos matavimo vienetai.

teikiamos vadovėlio prieduose (žr. p. 178).

Elektrinės varžos priklausomybė nuo temperatūros Laidininko

elektrinė

varža

priklauso

ne

tik

nuo jo medžiagos ir matmenų, bet ir nuo tem-

peratūros. Kaitinant laidininką, jo elektringosios

dalelės ima judėti greičiau. Elektronai pradeda dažniau sąveikauti su kristalinės gardelės mazguose esančiais jonais. Dėl to elektronų kryptingo judėjimo greitis, taigi ir srovės stipris, su-

mažėja (žr. 2.2 formulę). Kitaip tariant, padidėja laidininko pasipriešinimas srovės tekėjimui, o tai tolygu varžos padidėjimui. Visų metalų elektrinės varžos priklausomybė nuo temperatūros yra

N

£2 S5 “ 2 ką £ J "1 Žž = E o Ė Žž

tiesinė (2.2.2 pav.):

e= o(1+ at).

(2.6)

čia ę — metalinio laidininko varža esant temperatūrai I, 0, — ėsant 0 *C temperatūrai, 4 — tem-

peratūrinis varžos koeficientas, apibūdinantis

medžiagos varžos priklausomybę nuo temperatūros. Temperatūrinis varžos koeficientas ro-

do laidininko varžos santykinį pokytį temperatūrai pakitus 1 K:

ar = RRo K;

(27)

Kai

laidininko

stoviu.

Grynųjų

temperatūra

pakinta

nedaug,

temperatūrinį koeficientą (a) galima laikyti pakoeficientas Kai

kurių

metalų

temperatūrinis

ž

a==55 K.ki lydinių,

pavyzdžiui,

varžos

(2.8) konstantano

(vario ir nikelio lydinio), temperatūrinis varžos

koeficientas yra labai mažas (a = 10? K“!), o savitoji varža — labai didelė (apie 10“ O-m). Iš tokių lydinių gaminami etaloniniai varžai matavimo prietaisams.

Ž

Superlaidumas Temperatūrai artėjant prie absoliučiojo nulio (-273 *C), laidininkų savitoji elektrinė varža

labai sumažėja. Tokioje temperatūroje idealios kristalinės gardelės elektronai juda nesąveikaudami

Heikė

su

jonais.

1911

Kamerlingas

m.

olandų

Onesas

mokslininkas

(Heike Kamerlingh

Onnes, 1853—1926) pastebėjo, kad, gyvsidabrio temperatūrai nukritus iki 4,1 K, jo savitoji varža

labai staigiai sumažėja iki nulio. 2.2.3 paveiksle pavaizduoti kai kurių metalų savitosios elektrinės varžos kitimo arti absoliučiojo nulio grafikai. Staigus

laidininko

savitosios

elektrinės

var-

žos sumažėjimas iki nulio, kai temperatūra pasidaro

artima

absoliučiajam

superlaidumū. temperatūroje

namos

nuliui,

vadinamas

Medžiagos, kurios tam tikroje

gali virsti superlaidžiomis,

superlaidininkais.

Tokiomis

vadi-

medžia-

gomis elektros srovė teka nepatirdama energijos nuostolių. Kartą sužadinta, ji gali tekėti superlaidžiu žiedu nekisdama neapibrėžtai ilgai. Sukū-

rus superlaidžias elektros perdavimo linijas, būtų

galima sutaupyti nepaprastai daug elektros ener-

gijos. Tačiau kol kas tai neįmanoma, nes, norint liniją padaryti superlaidžią, reikia ją atšaldyti iki temperatūros, žemesnės kaip 20 K. Esant labai žemai temperatūrai, keičiasi me-

talų vidinė sandara. Pakitus kristalinės gardelės struktūrai, atsiranda elektronų porų. Teigiamie-

CD)

Remdamiesi medžiagos sandara, paaiškinkite: a) kodėl laidininkas priešinasi elektros srovės tekėjimui;

b) kodėl laidininko elektrinė varža priklauso nuo jo temperatūros;

€) kaip atsiranda superlaidumo reiškinys.

"G

Ką vadiname laidininko savitąja elektrine varža? Kokie yra jos matavimo vienetai?

Apskaičiuokite skaičiuokite 33 mm ilgio ilgio ir ir 0,50,5 mm? mm? skskerspjūvio ploto nikelininio laido varžą.

(2442)

ji jonai pasislenka iš kristalinės gardelės mazgų ir apsupa elektronus. Jonų, supančių elektroną,

teigiamasis krūvis pasidaro didesnis už elektro-

no krūvį. Todėl elektroną su jį supančiais jonais

traukia kitas elektronas. Susidariusios elektronų poros juda superlaidininku be pasipriešinimo, todėl energija neprarandama. Superlaidumas būdingas aliuminiui, alavui, įvairiems metalų lydiniams, tačiau juo nepasižymi taurieji

metalai:

temperatūros

auksas,

sidabras.

superlaidininkai

yra

Aukščiausios

keraminės

medžiagos, sudarytos iš vario, tulio, alavo, indžio, bario ir deguonies (esant 1 atm slėgiui, šių medžiagų temperatūra yra 175 K).

sand 2107 Lo.

a

[0 6 Talis

20) 0 Gyvsidabris

4 0 Alavas

i

6 O Kadmis

LK 0 Švinas

2.23 pav.

1m ilgio ir 0,25 mm? skerspjūvio ploto

vielos varža yra 2 42. Iš kokios medžiagos pagaminta viela? (Iš konstantano)

Varinio laidininko varža 0,2 42, o masė 0.2 kg. Vario tankis 8900 kg/m*. Apskai-

čiuokite laidininko skerspjūvio plotą ir ilgį.

(1,4 mmž; 15,8 m)

Paieškokite informacijos apie superlaidumo reiškinį. fizikos mokslo laimėjimus gaminant superlaidžias medžiagas. Padiskutuo-

kite šia tema su klasės draugais.

49

2.3. Omo dėsnis grandinės daliai Georgo Omo bandymas Vokiečių fizikas Georgas Simonas Omas (Georg

Simon Ohm, (2.3.1

pav.)

1787-1854)

įrodė,

kad

1827 m. bandymais

laidininkais

tekančios

elektros srovės stipris yra tiesiogiai proporcingas įtampai (I = U). Nors Omo dėsnis labai paprastas,

tačiau jį pagrįsti bandymais nelengva. Potencialų skirtumas metalinio laidininko dalyje yra mažas net tada, kai juo teka stipri elektros srovė. Taip

yra dėl mažos laidininko varžos. Srovės stiprio priklausomybei mino

jautrų

nuo įtampos

srovės

stiprio

matavimo

o kaip įtampos šaltinį naudojo

sulituotus laidininkus,

tirti Omas

paga-

prietaisą,

termopėrą — du

pagamintus

iš skirtingų

Georgas Simonas Omas

metalų. Didindamas sulituotų vietų temperatūrų

Mokslininkas

mą) ir stebėjo, kaip kinta elektros srovės stipris.

varžą, elektros srovės stipris mažėja.

skirtumą, Omas keitė įtampą (potencialų skirtu-

nustatė,

kad,

didinant

įtampą,

elektros srovės stipris didėja. Didinant elektrinę

Omo dėsnis grandinės daliai

gaunama Omo dėsnio matematinė išraiška:

(2.9) Omo dėsnis taikomas tik tai grandinės daliai, kurioje nėra elektros srovės šaltinio (žr. 2.3.1 pav.).

Omo

trinio

dėsnį galima paaiškinti remiantis elek-

lauko

(2.3.2 pav.). Kuo

medžiagos

sandara

didesnis potencialų skirtumas

laukas sukuriamas laidininke (1: = V), Vadinasi, Ad tuo didesnį kryptingo judėjimo greitį įgyja elektronai. Pagal 2.2 formulę I = v, todėl, padidėjus greičiui, elektros srovė sustiprėja. Omo dėsnis taikomas metalams

ir elektroli-

tams, kai aplinkos sąlygos (temperatūra, atmos-

feros slėgis) yra normalios. Esant labai aukštai temperatūrai

ar dideliam

negalioja.

"

50

ir

(6, > Ę,), arba įtampa, tuo stipresnis elektrinis

9

23.1 pav.

sąvoka

23.2 pav.

Ad

e |me|ši

Georgo Simono Omo bandymo rezultatai buvo apibendrinti ir suformuluotas Omo dėsr srovės stipris (I) grandinės dalyje yra tiesiogiai proporcingas tos dalies įtampai (U) ir atvirkščiai proporcingas laidininko varžai (R). Šį sakinį užrašius sutartiniais ženklais,

slėgiui, Omo

dėsnis

Voltamperinė charakteristika Kuria nors grandinės dalimi tekančios elektros srovės stiprio priklausomybė nuo tos dalies įtam-

pos vadinama voltampėrine charakteristika.

Ji nustatoma matuojant srovės stiprį laidininke, kai įtampos vertės yra įvairios. Metalinio laidininko voltamperinę charakteristiką vaizduoja 2.3.3 paveiksle pateiktas grafikas. Elektros sro-

vės stipris priklauso nuo sudaryto potencialų

0

skirtumo (įtampos) tiek kietame, tiek skystame,

tiek dujiniame laidininke. Metalinių laidininkų voltamperinių

5

10

15

20

LA

nesunku

sužinoti elektrinės

charak-

teristikų grafikai yra tiesės, einančios per koordinačių

pradžią

(2.3.4

pav.).

Kuo

mažesnė

laidininko varža, tuo didesnį kampą sudaro jo voltamperinės charakteristikos grafikas su koordinačių ašimi, kurioje atidėtos įtampos vertės

(R; < R, < R,).

Ommetras Laidininko varžą galima išmatuoti specialiu prietaisu, vadinamu ommetrū (2.3.5 pav.). Jis iš karto parodo laidininko varžą. Į ommetro sudėtį įeina jautrus srovės stiprio matavimo prietai-

sas (miliampermėtras arba mikroampermėtras),

turintis omais sužymėtą skalę. Prie ommetro gnybtų prijungiamas laidininkas, kurio varžą reikia išmatuoti. Kuo mažesnė laidininko varža,

tuo didesniu kampu nukrypsta ommetro rodyklė. Kai elektrinė grandinė išjungta, laidininko elektrinė varža artėja prie begalybės, o srovės

stipris — prie nulio. Todėl ommetro skalės pradžioje (dešinėje pusėje) pažymėta begalybė, o pabaigoje (kairėje pusėje) — nulis.

Omo dėsnio grandinės dali. i taikymas Pagal Omo dėsnį galima apskaičiuoti laidininko varžą:

R= L.

(2.10)

Pakanka išmatuoti įtampą ir srovės stiprį. Tačiau nei nuo įtampos, nei nuo srovės stiprio laidinin-

ko varža nepriklauso.

Iš 2.10 formulės

varžos matavimo vienetą:

„14V o ,Me įR-1Y-1X-10. SI sistemoje šis vienetas vadinamas omū. Gran-

dinės dalies varža prilyginama I 42, jeigu, ta dalimi 51

tekant 1 A stiprio elektros srovei, tarp tos dalies

galų atsiranda 1 V įtampa.

Omo dėsnį galima užrašyti ir kitaip:

U= IR.

(211)

Taigi įtampa lygi srovės stiprio ir elektrinės var-

žos sandaugai.

(klai

2.11 formulė yra tik matematinė įtampos iš-

raiška, ji neatskleidžia mės. Fizikiniu požiūriu atlieka elektrinis laukas, dalimi vienetinį krūvį,

energija, išeikvojama toje grandinės dalyje, pereinant vienetiniam krūviui.

|

((12) Kokius fizikinius dydžius sieja Omo dėsnis?

Nubrėžkite jo voltamperinės charakteristikos grafiką.

Kaip jie tarpusavyje susiję?

Pavaizduokite grafiškai šių dydžių kokybines priklausomybes: a) elektros srovės stiprio nuo įtampos, kai varža pastovi; b) elektros srovės stiprio nuo varžos,

kai įtampa pastovi.

G)

Elektros srovė teka 10 m ilgio ir 2 mm? skerspjūvio ploto plieniniu laidininku, prijungtu prie 12 mV įtampos šaltinio. Apskaičiuokite elektros srovės stiprį grandinėje. (20 mA)

Internete raskite virtualių mokymosi objektų, susijusių su Omo dėsnio grandinės daliai tikrinimu. Atlikite virtualius bandymus

L

ir patikrinkite, kaip elektros srovės stipris

priklauso nuo įtampos, varžos. Šias priklausomybes pavaizduokite grafiškai. Palyginkite jas su 2 užduoties grafikais. (2)

N

1s g5 “ 2 ž e J "1 Žž "I £ o Ž Žž

įtampos fizikinės prasįtampa- tai darbas, kurį perkeldamas grandinės kitaip tariant, elektros

(A) 2A

(V)

40V

Pagal paveiksle pateiktus duomenis

(2.3.6 pav.) apskaičiuokite laidininko varžą.

2.3.6 pav.

2.4. Elektrinės grandinės. Nuoseklusis ir lygiagretusis laidininkų jungimas Elektrinė grandinė, jos vaizdavimas

Elektros energijos imtuvai yra įvairiausi elek-

triniai prietaisai ir įrenginiai. Paprasčiausi iš jų — elektros lemputė, elektrinė viryklė, lygintuvas, sudėtingesni — elektros variklis, televizorius, ra-

dijo imtuvas, kompiuteris, sudėtinga automatinė

linija ir pan.

Elektros energijos imtuvai jungiamaisiais laidais sujungiami su elektros srovės šaltiniais. Mokykloje, atlikdami laboratorinius darbus, jungiamuosius laidus matote, juos liečiate jungdami prietaisus. Gyvenamajame būste jungiamieji lai-

dai dažniausiai yra nematomi, įmontuoti pastato

sienose!. Jungiamieji laidai gamyklose - sudėtin-

gos kabelinės linijos. Jungiamieji

laidai,

elektros

Statant statinius (namus, tiltus), vadovaujamasi sudarytais jų brėžiniais. Pagal panašius brėžinius, vadinamąsias elektrines schemas, jungiamos ir

energijos

imtuvai, jungikliai, srovės (energijos) šaltinis sudaro elektrinę grandinę. Elektrinės

elektrinės grandinės. Elektrinė schema — tai brėžinys, kuriame sutartiniais ženklais pa-

grandinės būna paprastos (kišeninio žibintuvėlio, mokyklinių elektros kurso laboratorinių

žymėti elektriniai prietaisai ir jų jungimo būdai.

pan.). Dažnai į elektrines grandines jungiami

2.1 lentelėje. Jie palengvina elektrinių grandinių

darbų) ir sudėtingos (automobilio, gamyklos ir

Kai kurių prietaisų sutartiniai ženklai pateikti

matavimo prietaisai: ampermėtrai, voltmėtrai.

vaizdavimą.

2.1 lentelė Elektrinės grandinės sudedamosios dalys ir jų sutartiniai ženklai

Jos paveikslas

Kaitinamoji lėmpa

Sujungti laidai

Sutartinis ženklas

"4

>

Susikertantys laidai

Gnybtai Jungiklis

kiiTo

Grandinės dalies pavadinimas

Elektrinis skambutis

Voltmėtras

9 Pe

Ampermėtras

"Sename name galima pamatyti jungiamuosius laidus, sumontuotus ant kambario sienų. 53

2.1 lentelės tęsinys Grandinės dalies pavadinimas

Sutartinis ženklas

Jos paveikslas

Galvaninis elementas, elemeūtų batėrija

4

Al

Vaižas (rezistorius)

Šliaužiklinis reostūtas

Saugiklis

Nuoseklusis laidininkų jungimas Nuoseklitoju vadiname tokį jungimo bū-

dą, kai laidininkai į grandinę jungiami paeiliui vienas po kito. Šiuo atveju vieno laidininko (varžo, elektros lemputės, variklio apvijos ir pan.) galas jungiamas su kito laidininko pradžia, šio galas — su trečio pradžia ir t. t. (2.4.1 pav.). Taip sudaroma elektrinė grandinė, kuri neturi atšakų. Srovės stipris, įtampa ir varža joje skaičiuojama remiantis nuosekliojo jungimo taisyklėmis.

1 taisyklė. Nuosekliosios grandinės dalimis teka vienodo stiprio elektros srovė: (2.12) £2 25 “ 2 ž £ J 1 £= £ o Ė Žž

Praktiškai tuo galima įsitikinti įjungiant amper-

metrą skirtingose grandinės vietose (2.4.2 pav.). Jo rodmenys

sutaps. Šį reiškinį nesunku

paaiš-

kinti remiantis laidininkų sandara. Elektronai, judėdami laidininku, niekur nesikaupia ir niekur nedingsta. Per tą patį laiką visose grandinės vie-

tose laidininko skerspjūviu pereina tiek pat elek-

tronų.

2taisyklė. Nuosekliosios grandinės įtampa lygi atskirų grandinės dalių įtampų sumai:

U= U, + U,.

(2.13)

Tai galima patikrinti atliekant bandymą pagal 2.4.3 paveiksle pavaizduotą elektrinę schemą.

Voltmetrų V, ir V; rodmenų suma bus lygi volt-

metro V rodmeniui. 2 taisyklė išplaukia iš ener-

gijos tvermės dėsnio. 24.1 pav.

24,2 pav.

24.3 pav.

3 taisyklė. Nuosekliosios grandinės atskirų dalių įtampos yra tiesiogiai proporcin-

R =R, + Ra.

gos jų varžoms.

Ši taisyklė gaunama taikant Omo dėsnį gran-

dinės daliai. Pirmojo laidininko gnybtų įtampa

U, = IR,, antrojo U; = IR;. Panariui padaliję vieną lygybę iš kitos, gauname: U, „Ri UR

(2.14)

4 taisyklė. Nuosekliosios grandinės pilnutinė varža lygi atskirų dalių varžų sumai. Ši taisyklė gaunama remiantis 2 taisykle ir

Omo dėsniu grandinės daliai:

IR = IR, + IR;.

(2.15)

Abi lygybės puses padaliję iš srovės stiprio I, gauname lygybę

(2.16)

Pilnutinė grandinės varža R dar vadinama ek-

vivalentine varža.

Kai į grandinę nuosekliai sujungiama keletas vienodos varžos laidininkų, pilnutinė grandinės

varža apskaičiuojama dauginant vieno laidininko varžos vertę (R,) iš laidininkų skaičiaus (n):

R= nkų.

(2.17)

Reikia prisiminti, kad, atjungus vieną iš nuosekliai sujungtų grandinės dalių (imtuvų), elektros srovė nutrūksta ir visoje grandinėje. Todėl

nuoseklusis laidininkų jungimas ne visada pa-

togus.

Lygiagretusis laidininkų jungimas Jungiant elektrines grandines, viename taške

kartais tenka sujungti kelis grandinės elementų

gnybtus (2.4.4 pav.). Taškas, į kurį sueina daugiau kaip du grandinės elementų gnybtai, va-

dinamas grandinės vadinamas

toks

ni grandinės

mazgū.

jungimo

elementų

(žr.

2.4.4

pav.).

būdas,

gnybtai

kai

vie-

jungiami

Elektros

srovės

stiprio,

įtampos ir varžos skaičiavimas lygiagrečiosiose elektrinėse grandinėse grindžiamas keturiomis taisyklėmis.

Grandinės Šaka

24.44 pav.

dinės šakų įtampa yra vienoda:

U, = U; = U, = U.

Lygiagrečiūoju

į vieną mazgą, o kiti — į kitą mazgą. Visi lygiagrečiai sujungti laidininkai sudaro išsišakojusią dalį, o kiekviena jų vadinama grandinės šaka

1 taisyklė. Visų lygiagrečiai sujungtų gran-

(2.18)

Šią taisyklę galima patvirtinti bandymais. Teo-

riškai ji pagrindžiama energijos tvermės dėsniu.

2taisyklė. Į grandinės mazgą įtekanti srovė (arba įtekančių srovių suma) lygi iš jo

ištekančių srovių sumai (2.4.5 pav.): I=K+L+I.

(2.19)

Grandinės mazgas

2.4.5 pav.

55

=!

246 pav.

Šią taisyklę paaiškinti nesunku: grandinės maz-

guose krūvis (Ag = I - At) nesikaupia. Ją taip pat

Įrodykime. todėl

jungus grandinę pagal 2.4.5 paveiksle pavaizduo-

Atsižvelgę į Omo

galima patvirtinti bandymu, kuris atliekamas su-

tą schemą.

3 taisyklė. Atskiromis

šakomis

tekančių

srovių stipriai yra atvirkščiai proporcingi tų šakų varžoms:

EEE

2

Ji įrodoma remiantis Omo daliai ir 2.18 lygybe.

(2.20) dėsniu grandinės

Laidininkai

name:

£2 25 “ 8 ž e J "1 £= B o Ž 4

laidininkų varžoms:

1,1 R1 RIR

),1

(2.21)

I=L+L+l. dėsnį grandinės daliai, gau-

Abi lygybės puses padaliję iš įtampos U, gauname 2.21 lygybę. Kai visų (n) lygiagrečiai sujungtų laidininkų varža (R,) yra vienoda, pilnutinė grandinės varža

(R) apskaičiuojama taip:

R= 2Rų

4 taisyklė. Kai laidininkai sujungti lygia-

grečiai, fizikinis dydis, atvirkščias pilnutinei grandinės dalies varžai, lygus sumai dydžių, atvirkščių lygiagrečiai sujungtų

sujungti lygiagrečiai,

(2.22)

Jeigu įtampa tarp grandinės mazgų nekinta, atskiromis šakomis tekančios srovės nepriklauso vienos nuo kitų. Todėl praktikoje elektros imtuvus patogu jungti lygiagrečiai. Taip jungiamos

apšvietimo lempos, buitiniai elektriniai prietaisai (2.4.6 pav.).

Nuosekliojo ir lygiagrečiojo jungimo apibendrinimas Nuosekliojo laidininkų jungimo pagrindiniai dėsningumai yra šie: elektros srovė yra tokia pati, įtampa pasiskirsto tarp atskirų laidininkų,

pilnutinė grandinės varža padidėja. Lygiagre-

čiojo

laidininkų

jungimo

atveju

elektros

sro-

vė pasiskirsto tarp grandinės šakų, įtampa yra tokia pati, pilnutinė grandinės varža sumažėja

(2.2 lentelė).

2.2lentelė Elektros srovės, įtampos bei varžos kitimas ir pasiskirstymas nuosekliojo ir lygiagre jo jungimo atveju

(|

Klausimai

Fizikiniai dydžiai

Nuoseklusis laidininkų jungimas

Lygiagretusis laidininkų jungimas

Elektros srovės stipris

Vienodas

Pasiskirsto

Įtampa

Pasiskirsto

Vienoda

Elektrinė varža

Padidėja

Sumažėja

ir

užduo

((12) Nupieškite elektrinės grandinės, sudarytos iš trijų nuosekliai sujungtų varžų ir srovės

šaltinio, schemą. Joje sutartiniais ženklais

Remdamiesi 2.4.8 paveiksle pateiktais

duomenimis, apskaičiuokite ampermetro A ir voltmetro V, rodmenis. (3A;6V)

pažymėkite srovės stiprio ir įtampos mata-

vimo prietaisus. Suformuluokite nuosekliojo jungimo taisykles.

Nupieškite elektrinės grandinės, sudarytos iš trijų lygiagrečiai sujungtų varžų ir

srovės šaltinio, schemą. Joje sutartiniais ženklais pažymėkite srovės stiprio ir įtampos matavimo prietaisus. Suformuluokite lygiagrečiojo jungimo taisykles.

Susipažinusi su laidininkų jungimo taisyklėmis, Jurgita sumanė paeksperimentuoti su kalėdinės eglutės girlianda. Nustatykite, kaip pakito girliandos lempučių šviesos

—-—17—

—B 24.7 pav, a

stipris, kai Jurgita:

a) įjungė dar vieną papildomą lemputę; b) išėmė vieną lemputę ir jos vietoje sujungė kontaktus. (a) Įrodykite lygiagrečiojo laidininkų jungimo 3 taisyklę, reiškiamą lygtimi 1L = T. Remdamiesi 2.4.7 paveiksle pavaizduotomis elektrinių grandinių schemomis, atsakykite į klausimus: a) Kokie prietaisai pavaizduoti schemose? b) Kaip sujungti laidininkai?

ir A; rodmenis.

(1A;3A)

(B)

2.4.10 paveiksle pavaizduotas voltmetras rodo 8 V. Pagal paveiksle pateiktus duomenis nustatykite, koks yra ampermetro rodmuo. 28

48 24.10 pav.

Mišriojo laidininkų jungimo samprata Praktikoje dažnai derinamas nuoseklusis ir lygiagretusis laidininkų jungimas. Toks laidininkų jungimo būdas vadinamas mišriūoju. Naujų elektros srovės stiprio, įtampos ir varžos skaičiavimo taisyklių šiam jungimo būdui nėra. Pakanka žinoti nuosekliojo ir lygiagrečiojo jungimo

taisykles. Jas taikant mišriojo jungimo grandinės

supaprastinamos (2.5.1 pav.). Šis procesas tęsia-

mas, kol visų grandinės imtuvų varžos pakeičiamos ekvivalentine varža (žr. 2.5.1 pav.).

£2 25 “ 8 ž £ J "1 £= £ o Ž Žž

Sudėtingesnėms mišriojo jungimo elektrinėms grandinėms taikomos Kirchofo taisyklės, kurios

mokykloje nenagrinėjamos.

Mišriojo laidininkų jungimo pavyzdžiai 1 pavyzdys. Schemoje (2.5.2 pav., a) pavaizduotas mišrusis laidininkų jungimo būdas. Elektrinėje grandinėje laidininkai R; ir R; sujungti

vienas su kitu lygiagrečiai, todėl šios grandinės dalies varža lygi

LA

LA

Ri

5 =

R5 [ =

25.2pav,a

2.5.2 pav, b

253 pav,a

Atsižvelgiant į tai, pirminė schema supaprastinama (2.5.2 pav., b). Naujoje schemoje laidininkas R, ir laidininkas R;; tarpusavyje sujungti nuosekliai. Jų bendra varža, o kartu ir visos

grandinės pilnutinė varža lygi

R = R, + Ra. *2 pavyzdys. Dažnai tenka spręsti uždavinius,

kai atskiros elektrinės grandinės dalys sujungtos labai mažos

varžos laidininkai

Ryp

= O

(2.5.3 pav., a). Pagal Omo dėsnį Uac = Upp = O. Ta-

da grandinės taškų A ir C potencialai yra lygūs:

9, = 94. Be to, lygūs ir taškų B ir D potencialai: 0; = pp. Nustačius vienodo potencialo taškus, pirminę schemą (2.5.3 pav., a) galima pakeisti ekvivalentine

schema

(2.5.3

pav.,

b).

tojo (R,) - nežinoma. Vienoje keturkampio įstrižainėje įjungtas srovės šaltinis, kitoje — galva-

nometras.

Varžos R, ir R; paprastai parenkamos stumdant reochordo slankiklį. Randama tokia jo padėtis,

kai elektros srovė galvanometru neteka. Tada grandinės taškų B ir D potencialai yra vienodi.

Todėl grandinės dalių AB ir AD, taip pat BC ir CD įtampos yra lygios. Vadinasi, LR, IR, IiRi LR3. Pirmą Šių lygybių padaliję panariui iš antrosios, gauname:

LR, TR,

Apskai-

čiuokime pagal šią schemą sujungtos elektrinės grandinės pilnutinę varžą:

Lol,lji RRT RT RŲ R=Re30.

Iš čia išreiškiame ieškomą varžą R,: R,-R

= R.=R

tymu pagrįstas varžos matavimas Vitstono tilteliū

jungti taip, kad susidarytų keturkampis ABCD.

"Trijų varžų varža (R, R, ir R;) žinoma, o ketvir-

2.54 pav, a

TRy

Šiuo atveju varžų santykį galime pakeisti reochordo vielos dalių ilgių santykiu (2.5.4 pav., b):

*3 pavyzdys. Vienodo potencialo taškų nusta-

(2.5.4 pav., a). Tiltelį sudaro keturi varžai, su-

LR LR,

Taikant

vienodo

RLT.

potencialo

taškų

nustatymo

metodiką, nesunku spręsti įvairius mišriojo laidininkų jungimo uždavinius.

254 pav,b

59

( Nubraižykite elektrinę schemą, kurioje šeši vienodi 10 2 varžos laidininkai būtų sujungti taip, kad pilnutinė grandinės varža būtų lygi 10 0.

e) Ar galima pirminėje elektrinės grandinės

schemoje (2.5.5 pav., a) įžvelgti Vitstono tiltelį? Atsakymą pagrįskite.

2.5.5 paveiksle, a, pavaizduotas penkių

2.5.6 paveiksle pavaizduotas Vitstono tiltelis. Kai jungiklis įjungtas, varža Rap = 80 O.

R, = R;= R, = R, = Rš

ir B varža, kai jungiklis išjungtas?

varžų mišrusis jungimas.

Kokia yra grandinės dalies tarp gnybtų A

| (9042)

a) Persibraižykite šią elektrinę schemą savo sąsiuvinyje ir pažymėkite joje

Kvadratinio vielos rėmelio (2.5.7 pav.)

b) Paaiškinkite, kodėl varžu R5 elektros

Rac, Rap, Ron.

elektros srovės kryptį.

vienos kraštinės varža lygi R. Apskaičiuokite

(e Eko E R

srovė neteka.

€) Ar galima 2.5.5 paveiksle, a, pavaizduotą schemą pakeisti ekvivalentinėmis schemomis (2.5.5 pav., bir c)? Atsakymą pagrįskite. d) Apskaičiuokite pilnutinę grandinės varžą.

2.5.5 pav, a

2.5.8 paveiksle, a, b, pavaizduotos dvi

elektrinės grandinės. Kokia turi būti varžų varža R,, kad abiejų grandinių pilnutinė varža Rap būtų vienoda?

2.55 pav.,b

A

£2 25 “ 8 ž e J 1 £= £ o Ė Žž B 2.58 pav, a

25,8 pav, b

(Ro = 2R)

Mokomės savarankiškai spręsti uždavinius 1. Varinis laidininkas, kurio skerspjūvio plotas 1 mm?, prijungtas prie 110 V įtampos šaltinio. Laidininku teka 11 A stiprio elektros srovė. Apskaičiuokime laidininko ilgį. 1-?

S = U= I

1lmm? = 109 m? 10V =

9 =

A

17-10

Iš čia išreiškiame įtampą U;:

U, UR: kai Į gautą lygtį įrašome dydžių vertes ir apskaičiuo-

jame:

9V-640

b) Nuosekliojo

Om

300

16V.

jungimo

3 taisyklę

pirmajam ir trečiajam varžui:

Sprendimas Taikome laidininko elektrinės varžos skaičia-

vimo formulę

Iš Omo dėsnio grandinės daliai išplaukia, kad U R= 7:

Kadangi abiejų lygybių kairiosios pusės yra ly-

gios, sulyginame ir dešiniąsias:

taikome

U „R U;

R

2

UI

Iš čia išreiškiame varžą Ra: RU; R, = Eil, Įrašę dydžių vertes, gauname:

R,- 36 2120 V. 4800.

Atsakymas. a) 16 V; b) 480 O.

3. 25.10 paveiksle pavaizduotos elektrinės gran-

Iš Čia išreiškiame laidininko ilgį:

dinės R, = 2 0, R, = R, = R, = 15 0, R,= 30,

1=USOr

R, = 90 O. Apskaičiuokime pilnutinę šios grandinės varžą.

Įrašę dydžių vertės, gauname:

Atsakymas. 588,2 m.

2. Elektrinę grandinę, kurios schema pavaizduota 2.5.9 paveiksle, sudaro trys nuosekliai sujungti varžai. Pirmojo varža 36 O, o gnybtų įtampa 9 V, antrojo varža 64 O, o trečiojo gnybtų įtampa 120 V. Apskaičiuokime: a) antrojo varžo gnybtų įtampą; b) trečiojo varžo varžą.

a)U-? | b)R,-2

R -360 U=9V

R, = 640

U, = 120 V

Sprendimas a) Nuosekliosios grandinės atskirų

dalių įtampos yra tiesiogiai propor-

"a

R,

2.5.10 pav.

Sprendimas

2.5.10 paveiksle pavaizduotas varžų jungimas yra mišrusis. Varžai R;, R; ir R, tarpusavyje su-

R3

jungti lygiagrečiai, todėl

cingos jų varžoms:

UR UR

2.5.9 pav.

61

Varžas R,, varžų blokas R354 ir varžas R; tarpu-

savyje sujungti nuosekliai, todėl

Varžų blokas R,„„,„ ir varžas R, sujungti lygia-

grečiai, taigi

Russ = Ri + Rusų + Rsi

Ruus = 20+50+30=

100. Atsakymas. 9 £2.

(D

Du varžai sujungti lygiagrečiai. Pirmuoju 55 0 varžos varžu teka 4 A srovė, o antruo-

ju-— 0.8 A. Apskaičiuokite antrojo varžo

varžą.

(2750)

((2.) 64.0 varžos laidą berniukas padalijo į lygias

dalis ir jas sujungė lygiagrečiai. Junginio varža buvo lygi 1 42. Į kiek dalių berniukas padalijo laidą?

G

(18 dalis)

Atlikdama fizikos laboratorinį darbą, Emilija naudojo šešis varžus: 1 42, 2.0, 3 0, 40, 5 Air 6 O. Mergaitė turėjo sujungti

juos taip. kad pilnutinė varža būtų lygi 1 42. Kaip atliktumėte šią užduotį? Nubraižykite brėžinį. Tarkime, kad turite keturis 60 42 varžos

varžus. Nubraižykite šių varžų jungimo schemas, atsižvelgdami į tai, kad pilnutinė

grandinės varža lygi 15 0; 45 0; 60 0; 80 0; 150 0; 240 0.

((5.) Keturi vienodi 10 42 varžos varžai sujungti taip, kaip pavaizduota 2.5.11 paveiksle. Apskaičiuokite pilnutinę grandinės varžą.

(640)

J2 e5 a 8 ž e I] 1 £= £ o Ž 4

Šeši vienodi 60 42 varžos varžai sujungti taip, kaip pavaizduota 2.5.12 paveiksle. Įtampa tarp taškų A ir B lygi 220 V. Kokio stiprio elektros srovės teka kiekvienu varžu?

(= 1 IS 067A5 I IS LAK I,

(742) Keturi varžai R, = 40, R,= 2090,

2A)

R,= 80 O ir R, = 30 O sujungti taip, kaip

pavaizduota 2.5.13 paveiksle. Elektros srovės stipris grandinėje lygus 4 A. Apskaičiuokite kiekvieno varžo gnybtų įtampą ir įtampą tarp taškų A ir B.

(U; = 16 V: U, = U, = 64 V;

Us = 120 V; Uap = 200 V)

Penki varžai sujungti mišriai

(2.5.14 pav.).

Apskaičiuokite grandinės dalies tarp taškų Bir D varžą, kaiR = 10, R, = 30,

R,= 20.

(20)

Gintautas iš vielos pagamino taisyklingojo šešiakampio formos figūrą ir jos viršūnes Air B, C ir D sujungė tokia pat viela (2.5.15 pav.). Vielas AB ir CD per vidurį jis sulydė (taške O). Pagamintos figūros viršūnes A ir D berniukas įjungė įelektrinę

grandinę. Apskaičiuokite grandinės dalies

tarp taškų A ir D varžą, kai vienos šešia-

kampio kraštinės varža lygi Ro.

(tu gay

2.6. Nuolatinės elektros srovės šaltiniai. Elektrovara Išorinė ir vidinė elektrinė varža Bet kokio sudėtingumo elektrinę grandinę su-

daro dvi dalys: išorinė ir vidinė. Išorinei grandinės daliai priskiriama visa tai, kas jungiama prie srovės šaltinio gnybtų: lempos, varžai, jun=gikliai, jungiamieji laidai. Ji vartoja elektros šal-

varža

(r). Vieta,

kuria

išorinė

grandinės

dalis

jungiasi su vidine, vadinama srovės šaltinio po-

liais (2.6.1 pav.).

Šaltinio poliai

grandinės dalis

tinio tiekiamą energiją. Išorinės grandinės dalies (2.6.1 pav.) varža vadinama išorinė elektrinė

varža (R). Tai — elektrinių prietaisų ir jungiamųjų laidų varža.

Vidinę elektrinės grandinės dalį sudaro elektros srovės šaltinių vidus: generatoriuje — inkaro

apvija, galvaniniame elemente — elektrolitas ir elektrodai. Vidinėje grandinės dalyje kitų rūšių

energija virsta elektros energija. Vidinės grandinės dalies varža vadinama vidinė

elektrinė

Pašalinės jėgos Atlikime mintinį eksperimentą. Tarkime, kad

Išorinė grandinės dalis 26.1 pav.

je) elektronus

turi

veikti

neelektrostatinės

jė-

turime du rutuliukus A ir B, įelektrintus priešingų ženklų krūviais (2.6.2 pav., a). Juos sujungus laidininku ACB, elektronai judėtų iš rutuliuko B

gos, nukreiptos prieš elektrinio lauko jėgas I“, be to, už jas didesnės (2.6.2 pav., b). Bet kurios elektringąsias daleles veikiančios jėgos, iš-

judėjimas netrukus baigtųsi, nes rutuliukai A ir

pašalinėmis jėgomis. Pašalinės jėgos I'ps veikia

laidininku, juos reikėtų perkelti iš rutuliuko A į rutuliuką B. Elektrinis laukas tarp rutuliukų

liuką B (2.6.2 pav., b).

į rutuliuką A, veikiami Kulono jėgos IF. Tačiau šis B išsielektrintų. Kad elektronai nesiliautų judėti

to padaryti negalėtų. Dėl jo poveikio elektronai

judėtų atgal į rutuliuką A (2.6.2 pav., b). Vadinasi, laidininke ADB (vidinėje grandinės daly-

skyrus elektrostatines (Kulono jėgas), vadinamos

laidininke ADB, Sujungę

uždarąją

grąžindamos elektronus į rutu-

laidininkus

grandinę,

ACB

kuria

ir ADB,

visą

laiką

gauname

cirkuliuo-

ja elektronų srautas. Laidininku ACB (išorine grandinės dalimi) elektronai juda iš rutuliuko B

EC

262 pav,a 63

į rutuliuką A, veikiami elektrinio lauko jėgų I,

Šaltinio poliai

o laidininku ADB (vidine grandinės dalimi) — iš rutuliuko A į rutuliuką B, veikiami pašalinių

jėgų Tps. Taigi rutuliukai A ir B neišsielektrina ir grandine ACBD nenutrūkstamai teka elektros srovė. Mintinį eksperimentą pakeiskime realia elektrine grandine (2.6.3 pav.). Kai ją sujungiame, elektrinis laukas atsiranda visuose jos laidinin-

kuose. Išorine grandinės dalimi (BCA) elektronai juda veikiami elektrinio lauko, šaltinio viduje (ADB) — veikiami pašalinių jėgų Epas.

Srovės šaltinyje šios jėgos perskirsto elektringą-

sias daleles. Taip viename šaltinio poliuje kau-

Išorinė grandinės dalis

tros krūvis.

2633 pav.

piasi teigiamasis, o kitame — neigiamasis elek-

Mechaninis elektrinės grandinės

modelis

Elektros srovės šaltinio vaidmenį

grandinėje

padeda suprasti mechaninis modelis (2.6.4 pav.). Jame nuožulnia lenkta plokštuma riedantis rutuliukas atitinka elektringąją dalelę, Žemės traukos

(gravitacijos) laukas — elektrinį lauką, trinties jėga — elektrinę varžą. Jeigu rutuliuko neveiktų trinties jėga, jis judėtų įrenginiu nesustodamas.

Rutuliuko kinetinė energija žemiausiame trajek-

torijos taške (C) būtų lygi potencinei energijai aukščiausiame trajektorijos taške (A). Iš tiesų

Vidinė grandinės dalis

Pašalinių jėgų kilmė Pašalinių jėgų prigimtį lemia elektros šaltinių konstrukcija. Voltos elementą sudaro cinko ir vario elektrodai, įmerkti į sieros rūgšties tirpa-

lą. Rūgštyje cheminės jėgos ima tirpinti cinką —

į tirpalą pereina teigiamieji cinko jonai. Dėl to cinko elektrodas įgyja neigiamąjį krūvį. Vario elektrodas įsielektrina teigiamai. Vadinasi, galvaniniame Voltos elemente pašalinės jėgos yra cheminės. Elektrinės generatoriuose pašalinės jėgos yra magnetinės.

judantį nuožulniąja plokštuma rutuliuką veikia

trinties jėga, dėl to dalis energijos prarandama. £]2 a5 “ 8 ž e J 1 £= E o Ė Žž

Elektrovara

Jos nuostolius reikia kompensuoti. Todėl reikalinga išorinė jėga, kuri trajektorijos dalyje CA rutuliuką veiktų aukštyn (pvz., rankos poveikis).

dis, vadinamas elektrovara. Ji žymima E arba e.

Jos kryptis

Darbo (A,5), kurį atlieka pašalinės jėgos, perkel-

turėtų

būti

priešinga

sunkio

jėgos

krypčiai. Ši išorinė jėga yra pašalinės jėgos analogas elektrinėje grandinėje.

A

Pašalinių jėgų veikimą apibūdina fizikinis dy-

damos teigiamąjį krūvį (Ag) uždaru kontūru, ir

to krūvio santykis vadinamas elektrėvara:

i

As

E = 2.

264 pav.

2.23 (223)

Galima kalbėti apie elektrovarą bet kurioje grandinės dalyje. Ji suprantama kaip pašalinių jėgų darbas, atliekamas perkeliant elektros krūvį ne visu kontūru, bet tik tam tikra jo dalimi.

Elektrovaros matavimo vienetas yra voltas. Įtampa (potencialų skirtumas) taip pat matuoElektrovara lygi1 V. jeigu, pašalinėms jėgoms sro- | jama voltais. Taigi elektrovara yra įtampai anavės šaltinyje atliekant 1 Į darbą, grandine prateka | logiškas dydis. 1 C elektros krūvis: lV

1 = JL.

Užrašas 4,5 V ant kišeninio žibintuvėlio bate-

rijos (2.6.5 pav.) reiškia, kad, perkeldamos

1 C

krūvį, pašalinės jėgos atlieka 4,5 J darbą. Be to, šaltinio elektrovara rodo, kiek kitos rūšies energijos šaltinio viduje sunaudojama perkeliant grandine 1 C elektros krūvį.

Elektrovaros matavimas Kišeninio žibintuvėlio baterijos elektrovarą nu- | kiamos pašalinių jėgų. Įtampa tarp srovės šaltinio

statyti nesunku, nes jos vertė užrašyta ant bate- | poliųA ir B didėja, kol daleles veikianti elektrinė rijos (žr. 2.6.5 pav.). Tačiau dažnai tenka naudoti | jėga atsveria pašalinę jėgą. Paskui dalelės nustoja

elektros srovės šaltinius, kurių elektrovara ne- | kauptis poliuose A ir B ir šaltinio įtampa įgyja žinoma. Praktiškai nustatyti ją, turint elektrinę | didžiausią vertę. grandinę, yra paprasta. Pakanka išjungti jungiklį

ir taip nutraukti elektrinę grandinę (2.6.6 pav.).

1

Prie srovės šaltinio prijungtas voltmetras rodys šaltinio elektrovarą. Šio reiškinio esmę galima

(X)

paaiškinti remiantis 2.6.2 paveikslu, b. Atjungus

išorinę grandinės dalį — laidininką ACB, elek-

tringosios dalelės toliau juda dalimi ADB, vei-

CD)

G)

L

4

2.6.6 pav.

Kodėl elektrinis laukas negali uždarojoje grandinėje palaikyti nuolatinės elektros srovės?

Ar darbas, kurį atlieka srovės šaltinis vidinėje grandinės dalyje, yra pastovus?

Ką vadiname pašalinėmis jėgomis? Kokia yra šių jėgų kilmė?

Atsakymą pagrįskite. Remdamiesi 2.6.6 paveikslu, atsakykite

Ką vadiname elektrovara? Koks yra jos

į klausimus:

matavimo vienetas?

Ar elektrovara yra jėga įprasta prasme?

Atsakymą pagrįskite.

a) Ką rodytų voltmetras išjungus jungiklį? b) Ką rodytų voltmetras įjungus jungiklį? €) Kuriuo atveju voltmetro rodmenys būtų

didesni (atsakymą pagrįskite)?

Ant Jotoaparato elementų korpuso užrašyta

Nucikite į parduotuvę, kurioje galima

Ant kišeninio žibintuvėlio elementų baterijos

jas ir nustatykite, kurių baterijų elektrovara

3,5 V. Kodėl leidžiamas toks skirtumas?

kur buityje jos gali būti naudojamos.

2 LiL

3

užrašyta 4,5 V, o ant elektros lemputės —

nusipirkti elementų baterijų. Apžiūrėkite

yra didesnė, kurių — mažesnė. Nurodykite,

65

2.7. Omo dėsnis uždarajai grandinei Energijos tvermės dėsnio taikymas uždarajai grandinei Energijos virsmai yra pavaldūs energijos tver-

mės dėsniui, kuris teigia, kad energija iš niekur neatsiranda ir be pėdsako neišnyksta. Tekėda-

ma išorine grandinės dalimi (2.7.1 pav., a, D),

.

elektros srovė išskiria joje energiją. Čia elektros energija virsta šilumine, šviesos bei mechanine

energija. Išorinėje grandinėje atsiradusius ener-

gijos nuostolius kompensuoja elektros srovės šaltinio

energija.

Šaltinyje

kurios

nors

rūšies

Elektrolito tirpalas

energija (galvaniniame elemente - cheminė, generatoriuje

— mechaninė,

termoelemente

— ši-

luminė) virsta elektros energija (žr. 2.7.1 pav.).

A

274 pav,a

Pritaikykime energijos tvermės dėsnį paprasČiausiai uždarajai elektrinei grandinei, sudarytai

iš srovės šaltinio (galvaninio elemento), elektros

lemputės ir jungiamųjų laidų (2.7.1 pav., a). Išorinę grandinės dalį (ABC) sudaro lemputė ir jun= giamieji laidai, o vidinę (ADC) - srovės šaltinis.

Tarkime, kad vidinėje grandinės dalyje pašalinės jėgos atliko darbą A (tiek cheminės energijos

virto elektros energija). Dėl to grandine prate-

kėjo elektros krūvis Ag, kuris išorinėje grandinės dalyje atliko darbą A;, o vidinėje - darbą A,. Pagal energijos tvermės dėsnį pašalinių jėgų at-

271 pav,b

liktas darbas lygus elektros krūvio darbo išorinėje ir vidinėje grandinės dalyje sumai:

A=A+A.

(2.24)

Omo dėsnis uždarajai grandinei Remiantis

£2 B5 “ 2 ž e J 1 £= £ o Ž 4

gaunamas

energijos

Omo

tvermės

dėsnis

dėsniu

uždarajai

(2.24),

grandinei.

2.24 lygybės visus narius padalykime iš grandine

perėjusio krūvio Ag:

daA

kąA,

A dg

(2.25)

Pašalinių jėgų darbo, kuris atliekamas perkeliant elektros krūvį uždarąja grandine, ir to krū-

vio santykis lygus elektrovarai (r

2

o elek-

s 4 : 2 s tros krūvio atlikto darbo ir to krūvio santykis

lygus lygus

elektrinei įtampai įtampai (Ui (u, =„Ažgs Ur U. == 2) Ag) At-

sižvelgus į tai, 2.25 lygybę galima užrašyti taip: E= U+U. (2.26)

Fizikinė šios lygybės prasmė yra tokia: šaltinio elektrovara lygi elektrinės grandinės išorinės ir vidinės dalies įtampų sumai. Išorinei ir vidinei grandinės (žr. 2.7.1 pav., b) daliai pritaikę Omo

dėsnį (U, = IR, U4 = Ir) ir atsižvelgę į tai, kad elektros srovės stipris

išorinėje ir vidinėje gran-

dinės dalyje yra vienodas, gauname:

E=IR + Ir.

(2.27)

Elektros srovės stiprio ir grandinės dalies varžos sandauga vadinama įtampos kryčiū toje dalyje. Iš 2.27 lygybės išplaukia, kad šaltinio elektrovara lygi įtampos kryčių vidinėje ir išorinėje grandinės dalyje sumai.

Iš lygybės išreikškime elektros srovės stiprį:

nusako Omo dėsnį ūždarajai grandinei. Šis

I TRir (2.28) Trupmenos vardiklyje yra išorinės ir vidinės

pris uždarojoje grandinėje yra tiesiogiai proporcingas srovės šaltinio elektrovarai ir

grandinės dalies varžų suma (R + r), vadinama pilnutinė grandinės varža. 2.28 lygybė, sie-

janti tris svarbius fizikinius dydžius:

elektros srovės stiprį (1), srovės šaltinio elektrovarą (1:), pilnutinę grandinės varžą (R + r),

dėsnis formuluojamas taip: elektros srovės stiatvirkščiai proporcingas pilnutinei grandi-

nės varžai. Iš Omo dėsnio uždarajai grandinei išplaukia Omo dėsnis grandinės daliai. Kai vidinė grandinės varža yra maža, palyginti su išorine (r < R),

srovės stiprį lemia šaltinio elektrovara ir išorinė

grandinės varža (I — E )

Įtampos ir srovės stiprio kitimas uždarojoje grandinėje 2.7.2 paveiksle pavaizduota uždaroji elektrinė

grandinė. Pirmuoju atveju (2.7.2 pav., a) grandi-

aiškinti remiantis Omo dėsniu uždarajai grandi-

nei. Iš jo išplaukia, kad

nės varža yra mažesnė, o srovės stipris grandinė-

U=E-1r.

je didesnis negu antruoju atveju (2.7.2 pav., b).

Bandymas rodo, kad, sumažėjus elektros srovės

stipriui grandinėje (2.7.2 pav., b), įtampos krytis

varžo galuose sumažėja. Šį rezultatą galima pa-

Kokie energijos virsmai vyksta

elektrinėje grandinėje?

a

Kas sudaro pilnutinę grandinės varžą? Ką vadiname įtampos kryčiu? Kokie yra jo matavimo vienetai?

Kas lemia elektros srovės stiprį grandinėje, kurios vidinės dalies varža yra labai maža (r > 0)?

(2.29)

Didėjant elektros srovės stipriui, įtampos krytis

(U) varžo galuose mažėja.

Suraskite internete virtualų bandymą Omo dėsniui uždarajai grandinei tirti ir atlikite šias užduotis: a) ištirkite, kaip kinta įtampa įjungiant ir. išjungiant elektrinę grandinę; b) nustatykite, kaip kinta elektros srovės stipris grandinėje didinant ir mažinant varžą; €) ištirkite, kaip kinta įtampa didėjant ir mažėjant elektros

srovės stipriui;

d) paaiškinkite bandymo rezultatus.

67

(6)

Elektrinę grandinę sudaro srovės šaltinis,

kurio elektrovara 10 V, ir varžas. Grandine teka 2 A stiprio elektros srovė, šaltinio

gnybtų įtampa 8 V. a) Nubraižykite elektrinės grandinės schemą. b) Apskaičiuokite šaltinio vidinę varžą. c) Apskaičiuokite varžo varžą.

(19)

(40)

C

Prie elektros srovės generatoriaus, kurio

elektrovara 120 V, o vidinė varža 3 00, prijungtas šildymo prietaisas. Jo varža 21 42.

a) Nubraižykite elektrinės grandinės schemą. b) Apskaičiuokite elektros srovės stiprį grandinėje. (5A) €) Apskaičiuokite įtampos krytį generatoriuje.

(15V)

2.8*. Omo dėsnio uždarajai grandinei taikymas Omo dėsnio uždarajai grandinei taikymas, kai srovės šaltiniai sujungti nuosekliai |IL

Elektros srovės šaltiniai gali būti jungiami nuosekliai, lygiagrečiai arba mišriai. Sujungti tarpusavyje, jie sudaro baterijas.

TĘ

Pritaikykime Omo dėsnį uždarajai grandinei,

R

kurioje yra keli nuosekliai sujungti elektros srovės šaltiniai (2.8.1 pav.). Siekdami škinti, kokį vaidmenį grandinėje atlieka kiekvienas srovės šaltinis, pakeiskime nagrinėjamos grandinės schemą

ekvivalentine schema (2.8.2 pav.), ku-

rioje sutartiniu ženklu žymima kiekvieno šaltinio vidinė varža.

Jeigu grandinėje būtų tik pirmasis srovės šalti-

nis, jo sukelta elektros srovė tekėtų pagal laikrodžio rodyklę, o jos stipris būtų lygus £2 a5 “ 2 ž e J 1 £= B o Ž Žž

Į,

E,

TRTRI ATR

(20)

Tik antrojo šaltinio sukurta elektros srovė tekėtų prieš laikrodžio rodyklę:

rr

r R

(231)

tik trečiojo — pagal laikrodžio rodyklę: I, I= ——-——

ŠU

RTRIRĄIR

2.32

(2.32)

Visų trijų nuosekliai sujungtų šaltinių sukelta elektros srovė lygi atskirų srovių sumai. Kadangi antrojo

šaltinio sukurta elektros srovė teka prieš

E,

2.8.2 pav.

E

laikrodžio

giama:

rodyklę,

jos

kryptį

laikysime

nei-

I=I+(-L)+ Iš, E,-

E, + E,

TATRIR1R

ju — neigiama (2.8.2 pav., b). (2.33)

Iš 2.33 lygybės matyti, kad pilnutinė grandinės

elektrovara (IE) lygi atskirų srovės šaltinių elek-

trovarų (E,, £:;, nusako Omo

me pasirinkta kryptimi nuo šaltinio neigiamojo poliaus prie teigiamojo, šaltinio elektrovara yra teigiama (E > 0) (2.8.2 pav., a), priešingu atve-

E,) algebrinei sumai. 2.33 lygybė

dėsnį uždarajai grandinei, kurioje

yra keletas nuosekliai sujungtų srovės šaltinių. Elektros srovės kryptis tokioje grandinėje priklauso nuo elektrovarų algebrinės sumos ženklo: * kai E, - E, + I; > 0, elektros srovė teka pagal

Bendruoju atveju Omo dėsnis uždarajai gran-

dinei, kurioje yra keletas nuosekliai sujungtų srovės šaltinių, formuluojamas taip: srovės stipris elektrinėje grandinėje, turinčioje

keletą

tiesiogiai

išraiška yra

IE

laikrodžio rodyklę (2.8.2 pav., b).

tį prieš laikrodžio rodyklę. Kai grandine eina-

proporcingas

pilnutinei grandinės

* kai E, - E; + F4 < O, elektros srovė teka prieš

būdu. Reikia pasirinkti grandinės apėjimo kryp-

sujungtų

šaltinių,

algebrinei

yra

elek-

trovarų sumai ir atvirkščiai proporcingas

laikrodžio rodyklę (2.8.2 pav., a);

Elektrovaros ženklą galima nustatyti ir kitu

nuosekliai

varžai.

Matematinė

jo

E +E,+

ninirni

Iš Omo dėsnio uždarajai grandinei (2.34) ma-

tyti, kad, šaltinius jungiant nuosekliai, grandinės

vidinė varža padidėja (r = r, + 75 k r5 +.

Ara).

Trumpūoju jungimū vadinamas srovės šaltinio polių sujungimas laidininku, kurio varža

Ji, palyginti su išorine varža, yra maža,

todėl

varža. Iš Omo

liatoriaus — 0,01 O. Vadinasi,

Trumpasis laidininkų jungimas

maža (R — 0), palyginti su kitų grandinės dalių dėsnio (2.28) uždarajai grandinei

srovė grandinėje labai sustiprėja. Pavyzdžiui, au-

tomobilio lemputės varža lygi 10 O, o akumu-

srovės stipris au-

išplaukia, kad srovės stiprį grandinėje tada lemia

tomobilio lemputės grandinėje gali padidėti net

(2.35)

sekliai įjungiamas saugiklis. Kai srovė neleistinai

tik vidinė varža:

1000 kartų. Dėl to laidai labai įkaistų ir užsidegtų. Norint to išvengti, į elektrinę grandinę nuosustiprėja, jis išsilydo ir nutraukia grandinę.

Srovės šaltinio elektrovaros matavimas Remiantis Omo dėsniu uždarajai grandinei, galima paaiškinti, kaip matuojama šaltinio elektrovara. Iš 2.26 lygybės išreikškime grandinės išorinės dalies įtampą:

U=E-U,=E-lr.

išjungti elektrinę grandinę, o prie šaltinio gnybtų prijungti didelės varžos voltmetrą (2.8.3 pav.).

(2.36)

Išjungus elektrinę grandinę, elektros srovė nu-

trūksta (I = 0). Tada

U= L.

(2.37)

Gauta lygybė (2.37) rodo: kai grandinė išjungta, šaltinio gnybtų įtampa lygi jo elektrovarai. Vadinasi, norint išmatuoti

šaltinio elektrovarą,

reikia

2.8.3 pav.

R

69

Kokia yra srovės šaltinio, kurio elektrovara IE, gnybtų įtampa, kai išorinė grandinės varža lygi vidinei varžai? Atsakymą pagrįskite.

G)

Elektrinę grandinę sudaro trys vienodi lygiagrečiai sujungti srovės šaltiniai i varžas (2.8.4 pav.). Ar galima srovės

stiprį grandinėje apskaičiuoti pagal

Srovės šaltinio elektrovara 6 V, išorinė grandi-

nės varža 9 42, srovės stipris grandinėje 0,6 A. Apskaičiuokite:

formulę

b) trumpojo jungimo elektros srovės stiprį;

Atsakymą pagrįskite.

a) vidinę grandinės varžą;

(10)

Ei 1=—E-2 i

(6A)

€) kiek kartų sustiprėja elektros srovė trum-

pojo jungimo metu.

G)

Internete paieškokite virtualių bandymų apie srovės šaltinio elektrovaros matavimą.

Naudodamiesi jais išmatuokite elektrovarą. Gaisrai pasiglemžia žmonių ilgus metus kauptą

turtą. Daug gaisrų kyla dėl netvarkingos elektros instaliacijos, trumpojo jungimo. Paieškokite informacijos apie gaisrų statistiką Lietuvoje ir kitose pasaulio šalyse. Padiskutuokite, kokios

284 pav.

yra gaisrų priežastys ir kaip jų išvengti.

*Mokomės savarankiškai spręsti uždavinius 1. Du srovės šaltiniai ir varžas sujungti nuosekliai (2.8.5 pav., a). Pirmojo srovės šaltinio

elektrovara 12 V, o vidinė varža 0,2 O, antrojo srovės šaltinio elektrovara 5 V, o vidinė varža 0,3 O. Varžo varža 2,5 O. Apskaičiuokime elektros srovės, tekančios varžu, stiprį.

£2 25 “ a ž e J 1 £= £ o Ž Ž

E,=12V

Iš 1 lygybės išplaukia Omo dėsnis nagrinėjamai elektrinei grandinei: 1, į EC nn

Čia pirmojo srovės šaltinio elektrovara yra teigiama (I, > 0), o antrojo — neigiama (E; < 0). Į 2 lygybę įrašę fizikinių dydžių vertes, gauname:

EK,=5V r =0280 r

I=

=0,3 0

0,20

12 V-5V 1+0,30

12,50

=2A.

Atsakymas. 2 A.

R=250

R

Sprendimas Elektrinės grandinės schemą pakeičiame ekvivalentine schema (2.8.5 pav., b), kurioje pažymimos srovės šaltinių vidinės varžos. Pirmojo šal-

tinio sukurta elektros srovė teka pagal laikrodžio

rodyklę, antrojo - prieš laikrodžio rodyklę, todėl

I=I-L.

(2)

R

)

r

R

E,

Jr

285 pav, a

285 pav, b

I

2. Elektrinę grandinę sudaro srovės šaltinis ir

dvi vienodos elektros lemputės, sujungtos lygiagrečiai (2.8.6 pav., a). Srovės šaltinio elektrovara

6 V, o vidinė varža 0,2 O, kiekvienos lemputės

varža 4 O. Apskaičiuokime elektros srovės, te-

rzR,

K-L- 51 R

RR,

RR,

RD

R,

Atsakymas.

Ri

0)

kome Omo dėsnį uždarajai grandinei:

| |

grandinės dalimi teka 2: 103 A stiprio elektros srovė, jo gnybtų įtampa lygi 1,84 V.

4.

Apskaičiuokite išorinę ir vidinę grandinės varžą.

Eyn

1| — Ta 2.87 pav.

R A

—-—

4

Epp

—1-— Kan

1

šaltiniai ir varžas (2.8.8 pav.). Pirmojo šaltinio elektrovara 11 V, o vidinė varža

(1A)

varža 0,3 0. Yizikos mokytojas sujungė

juos po du nuosekliaiį tris lygiagrečias grupes ir paprašė mokinių apskaičiuoti elektros srovės stiprį išorinėje grandinės

dalyje, kurios varža 12 40. Kokį atsakymą

I:?

|

Elektrinę grandinę sudaro du srovės

kurių kiekvieno elektrovara 1,1 V, o vidinė

yra n kartų didesnė už srovės šaltinio vidinę varžą. Kiek kartų šaltinio gnybtų įtampa

(Zz eu)

28.66 pav,b

5. | Fizikos kabinete buvo šeši srovės šaltiniai,

3. | Į elektrinę grandinę įjungto varžo varža

karti

!

r

srovės stiprį.

(35 V: 1,50)

mažesnė už jo elektrovarą, kuri lygi

L

o vidinė varža 1 42, varžo varža 5 42. Apskaičiuokite varžu tekančios elektros

Bateriją sudaro trys elektros srovės šaltiniai

elektrovarą ir vidinę varžą.

R-B

0,5 2, antrojo šaltinio elektrovara 6 V,

(0,9242; 0,08 0)

(2. 8.7 pav.). Jų elektrovaraI 10 V, = 20 V, E; = 30 V, o vidinė varža r;= 15 = 10. Apskaičiuokite baterijos Ti

= 1,36 A.

1,36 A.

286 pav, a

Akumuliatoriaus elektrovara 2 V. Kai išorine

2.

G)

6V 2:-020+40

E,r

Pradinę elektrinės grandinės schemą pakeičiame ekvivalentine schema (2.8.6 pav., b) ir pritai-

1.

e)

E

IL ==

Sprendimas Lemputės sujungtos lygiagrečiai, todėl pilnu=

Dr R

Įrašome fizikinių dydžių vertes ir apskaičiuojame:

E=6V r=020 R. =40

tinė jų varža

2E

Kadangi lempučių varža yra vienoda, tai kiekviena lempute tekės perpus silpnesnė elektros srovė:

kančios lemputėmis, stiprį. I-?

O

gavo mokiniai? 6.

(0.18 A)

Tomas turėjo penkis elektros akumuliatorius, kurių kiekvieno elektrovara 2,1 V.

o vidinė varža 0,2 £2.Vaikinas juos

sujungė taip, kad 6 42 varžos laidininku,

įjungtu į elektrinę grandinę, tekėjo 1,5 A

stiprio elektros srovė. Kaip Tomas sujungė akumuliatorius?

2.88 pav. 71

2.9. Elektros srovės darbas Elektros srovės darbo samprata Elektros srovei tekant lai ininkais, elektronai

juda kryptingai, veikiami elektrinio lauko. Jis

atlieka darbą. Šį elektrinio lauko darbą įprasta

vadinti elektros srovės darbu. Norėdami gauti elektros srovės darbo mate-

matinę išraišką, remsimės elektrinės įtampos apibrėžtimi: elektrinė įtampa lygi darbui, kurį atlieka

elektrinis

laukas,

perkeldamas

Gauta formulė (2.39) yra universali. Ji tinka visam elektros srovės darbui apskaičiuoti neatsi-

žvelgiant į tai, kurios rūšies energija virsta elektros energija. Remdamiesi Omo dėsniu grandinės daliai, elektros srovės darbo išraišką (2.39) galime užrašyti kitaip:

vieneti-

nį elektros krūvį. Tarkime, kad elektrinis laukas vienalyčio laidininko dalimi (pvz., elektros lemputės kaitinamuoju siūlu) perkelia krūvį Ag išreikšti formule Atsižvelgę

(2.38)

į elektros srovės stiprio apibrėžtį

I = 2i). gauname:

A= IUAt.

(2.39)

Elektros srovės darbas grandinės dalyje lygus elektros srovės stiprio, įtampos ir laiko, per kurį jis atliekamas, sandaugai. Srovei atliekant darbą, elektros energija išoje grandinės dalyje virsta kitų rūšių ener-

gija: šildymo prietaisuose — šilumine, elektros

varikliuose — mechanine, apšvietimo lempose — šviesos energija.

£2 e5 “ g ž e J 1 £5 £ o Žž 4

29.1 pav.

(2.40)

A = PRAt.

(2.41)

arba

(2.9.1 pav.). Tada elektrinio lauko darbą galima

A = Ulg.

I= Eu,

2.40 formulę patogu taikyti tada, kai laidininkai

grandinėje sujungti lygiagrečiai, mat tuo atveju vienoda yra laidininkų gnybtų įtampa. 2.41 for-

mulė labiau tinka nuosekliai sujungtiems laidininkams, nes visose grandinės dalyse yra vienodas srovės stipris. 2.40 ir 2.41

formulės

jau nėra universalios.

Jos leidžia apskaičiuoti tik tą elektros energijos dalį, kuri imtuve virsta šilumine energija. Pavyzdžiui, pagal šias formules apskaičiuodami srovės darbą, atliekamą elektros variklyje arba įkraunamame

akumuliatoriuje,

rasime

elektros

energijos dalį, kuri sunaudojama minėtų prietaisų laidininkams šildyti.

Džaulio ir Lenco dėsnis XIX a. anglų mokslininkas Džeimsas Preskotas Džaulis (James Prescott Joule, 1818-1889) ir atskirai nuo jo rusų fizikas Emilijus Lencas (Emil Lenz,

1804-1865) bandymais nustatė, kaip galima ap-

skaičiuoti,

kiek šilumos

skiria laidininkuose.

S

umos kiekį apibūdina Džaulio ir

Lenco dėsnis: laidininke, kuriuo teka elektros srovė, išsiskiriančios šilumos kiekis ly-

gus srovės stiprio kvadrato, laidininko varžos ir srovės tekėjimo laidininku trukmės sandaugai. Matematinė jo išraiška yra

O= PRAt.

(2.42)

Džaulio ir Lenco dėsnį paaiškinti visiškai pa-

prasta. Šilumos kiekis, kurį laidininke išskiria elektros

srovė,

lygus

elektrinio

lauko

atlieka-

mam darbui. Lauko pagreitinti elektronai, susi-

durdami su kristalinės gardelės jonais, perduoda jiems dalį savo energijos. Dėl to jonai ima intensyviau svyruoti apie pusiausvyros padėtis.

Vadinasi, jų energija, o kartu ir laidininko vidinė energija padidėja. Laidininkas įšyla (pakyla

jo temperatūra) ir perduoda energiją aplinkos kūnams.

Džeimsas Preskotas Džaulis

Elektros srovės darbo matavimas Elektros

srovės

darbui

matuoti

sujungiama

Buityje elektros srovės darbas matuojamas elek-

nesudėtinga elektrinė grandinė (2.9.2 pav.). Iš-

tros skaitikliais (2.9.3 pav.). Jie įrengiami butuo-

vės tekėjimo trukmė.

pradžioje ir pabaigoje nustatoma, kiek kilovatvalandžių elektros energijos suvartota per mėnesį. Atsižvelgus į galiojantį elektros energijos

matuojamas elektros srovės stipris, įtampa ir sro-

1

>

0

se, namuose. Pagal skaitiklio rodmenis mėnesio

071-01

NO

lių,

40

JO 203

2.9.2 pav.

EHTTI

gr0 16570

SI sistemoje elektros srovės darbo matavimo

vienetas yra džaulis (arba vatsekūndė).

Elek-

trotechnikoje vartojami ir kiti elektros srovės

darbo matavimo vienetai - vatvalandė (W-h) ir kilovatvalandė (kWh): 1 Wh 1kWh

50HZ

= 36103],

= 10? Wh

= 3,6- 107 J.

2.93 pav.

73

už

stipresnei kaip 10 A srovei. Jei į tai neatsižvelgtu-

Elektros skaitiklio nurodoma leidžiamoji įtam-

lis galėtų perdegti. Jis perdegtų ir į būsto elektrinę grandinę lygiagrečiai įjungus papildomų elektros

tarifą,

apskaičiuojama,

kiek

reikia

mokėti

elektros energiją (buityje sakoma: „už elektrą“).

pa ir elektros srovė. Pavyzdžiui, kai ant skaitiklio korpuso užrašyta 220 V, 10 A, būsto elektrinėje grandinėje reikia įjungti saugiklį, numatytą ne

Kokį dydį vadiname elektros srovės darbu? Kaip jis išreiškiamas?

me, įvykus trumpajam jungimui, elektros skaitikenergijos imtuvų, nes pilnutinė grandinės varža sumažėtų, o elektros srovė sustiprėtų.

(G)

„Apskaičiuokite, kiek tenka mokėti už elektros energiją, kurią televizorius suvartoja per mė-

Kodėl, elektros srovei tekant laidininkais, juose išsiskiria šiluma?

nesį. Visus reikalingus duomenis šiai užduo-

Kaip apskaičiuojamas laidininkuose

Padiskutuokite apie elektros energijos taupymą. Pateikite pasiūlymų, kaip galima suma-

čiai atlikti susiraskite patys.

išsiskyrusios šilumos kiekis?

Dulkių siurblio variklis, numatytas 220 V

įtampai ir 11 A elektros srovei, veikė

15 min. Apskaičiuokite, kokį darbą per

tą laiką atliko elektros srovė.

(0,61 kWh)

Žinti elektros energijos sąnaudas namuose.

Pasidomėkite elektros skaitikliais, jų rūšimis,

tikslumu, sandara, gamyba. Padiskutuokite apie tai klasėje.

2.10. Elektros srovės galia. Elektros energijos perdavimas Elektros srovės galia

£2 e5 a e ž e J 1 £= E o ž Žž

Iš praktinės patirties žinoma, kad tas pats kiekis vandens skirtinguose arbatiniuose (2.10.1 pav.)

užverda per nevienodą laiką. Pavyzdžiui,

1,5 1

vandens sename arbatinyje užverda per 10 min, naujame — per 2 min. Vadinasi, elektros srovė tą

patį darbą skirtinguose arbatiniuose atlieka per nevienodą laiką. Fizikinis dydis, apibūdinantis elektros srovės atliekamo darbo spartą, vadinamas elėktros srovės galia. Elektros srovės

galia lygi srovės atlikto darbo ir laiko, per kurį jis atliktas, santykiui:

(2.43)

210.1 pav. Taikant Omo dėsnį grandinės daliai, elektros srovės galią galima išreikšti keliomis formulėmis:

P=IU=FR=U.U

(2.44)

Elektros srovės galios matavimo vienetas SI sistemoje yra vatas (W). 1 W yra galia tokio elektros imtuvo, kuris per 1 s atlieka 1 J darbą:

iw-1157

Praktikoje dažnai vartojami kartotiniai galios vienetai — kilovatas (kW) ir megavatas (MW):

1kW = 107 W, 1 MW

= 10“ W.

Paprasčiausių

prietaisų,

pavyzdžiui,

elektros

lempučių, vartojamos srovės galia nurodoma ant korpuso, sudėtingesnių (skalbyklių, šaldytuvų, kompiuterių) — jų techniniame pase. Žinodami

galią, galime numanyti, kokį darbą atliks elek-

tros srovė, tekėdama prietaisu, ir įvertinti, kiek

kainuos jo naudojimas.

*Elektros energijos perdavimas ir nuostoliai

Srovės galia jungiamuosiuose laiduose dažnai

vadinama

galios (arba energijos)

nūostoliais.

Elektros perdavimo linijose (2.10.2 pav.), jungiančiose elektrines ir vartotojus, jie yra dideli. Elektros srovė, tekėdama laidais, juos įšildo, dėlto

prarandama dalis elektros energijos. Išsiaiškinkime, kas lemia energijos nuostolius elektros perdavimo linijose.

Tarkime, kad P - elektros srovės galia, suku-

riama elektrinėje, o P, — galia, prarandama elektros perdavimo linijų laiduose. Ji lygi P, = PR.

(2.45)

Šioje lygybėje R yra laidininkų varža, I — elektros

srovės,

tekančios

laidais,

stipris.

Elektros

srovės stiprį perdavimo linijoje galima išreikšti elektrinėje sukuriama galia: I-= 2. p

(2.46)

čia U- elektrinės generatoriaus sukuriama elek-

trinė įtampa. Žinome, kad laidininko varža priklauso nuo jo ilgio ir skerspjūvio ploto: R = Iš 2.45, 2.46 ir laidininko varžos formulės

name:

CD

P = PR 2olP? -LT.

el

gau-

(2.47)

Ką vadiname elektros srovės galia? Kokie jos matavimo vienetai? Ant vienos elektros lemputės užrašyta 220 V, 40 W, o ant kitos - 220 V, 100 W. Kurios

lemputės varža didesnė?

2.10.2 pav.

Iš 2.47 lygybės išplaukia, kad elektros srovės galia, prarandama elektros perdavimo linijose, priklauso nuo elektrinės generatoriaus sukuriamos

įtampos (U), laidų skerspjūvio ploto (S), atstumo tarp elektrinės ir vartotojo (I) ir perduodamos

galios (P). Galingose elektros perdavimo linijose

didžiausi energijos nuostoliai neturi viršyti 8 6. Elektros srovės galios nuostolius būtų galima sumažinti didinant laidų skerspjūvio plotą. Tačiau šis būdas neracionalus, nes padidėtų laidų

masė, elektros perdavimo

linijos kaina. Galios

nuostoliai mažinami didinant įtampą.

Reostatas, pagamintas iš nikelininės 0,5 mm? skerspjūvio ploto vielos, vartoja 30 W galią, o jo gnybtų įtampa lygi 15 V. Iš kokio ilgio vielos pagamintas reostatas?

(9 m) 75

(2)

Dešimt lygiagrečiai sujungtų lempų. numatytų 120 V įtampai, maitinamos per reostatą iš 220 V įtampos tinklo.

Cm

galia didžiausia, o kurių — mažiausia. Padiskutuokite su suolo draugu apie namuose

Kiekvienos lempos varža 0,5 k02.

Apskaičiuokite reostatu tekančios elektros srovės galią. (240 W) (52)

naudojamų elektrinių prietaisų galią.

(B)

Įrodykite, kad dviejuose nuosekliai

sujungtuose laidininkuose išsiskiria šilumos kiekiai, tiesiogiai proporcingi

OR

duomenis galite rasti skalbyklės techniniame pase.

Ri

(3)

(65) Įrodykite, kad dviejuose lygiagrečiai sujungtuose laidininkuose išsiskiria

Remdamiesi šaldytuvo techninio paso

duomenimis, apskaičiuokite, kiek elektros energijos per mėnesį suvartoja

šilumos kiekiai, atvirkščiai proporcingi

jūsų

šaldytuvas. Kiek tenka mokėti už šią

tų laidininkų varžoms:

O O

Apskaičiuokite, kiek jums tenka mokėti už vieną skalbinių skalbimo ciklą. „Apskaičiuokite elektros energijos ir vandens

sąnaudas. Šiai užduočiai atlikti reikalingus

tų laidininkų varžoms:

O

Pasidomėkite jūsų namuose esančių prietaisų galia. Aptarkite, kurių prietaisų

energiją?

Ri

2.11. Elektros srovės stiprio ir įtampos matavimas

Elektros srovės stiprio matavimas Elektros

metru,

srovės

kuris

stipris

į elektrinę

matuojamas

grandinę

amper-

jungiamas

nuosekliai (2.11.1 pav.). Juo teka visa matuojama

N

£2 a5 “ 2 ž e J 1 Žž "I £ o Ž Žž

elektros srovė. Ampermetras! turi varžą (RA), todėl, jį įjungus, grandinės dalies varža padidėja:

R,= R 4 Rą

14

I0

21141 pav.

mažesnė už grandinės dalies varžą (R, < R).

Nuo ampermetro sandaros priklauso didžiau-

sias elektros srovės stipris (I,), kurį galima išma-

J

|

R

(2.48)

Dėl to, nekintant įtampai, elektros srovės stipris grandinėje sumažėja. Kad jis pakistų kuo mažiau, ampermetro varža turi būti maža — daug

a

2

o)

l I0

211.2 pav.

"Plačiau apie ampermetro sandarą ir veikimo principus sužinosite 3.5 temoje.

tuoti tuo ampermetru. Pavyzdžiui, laboratoriniu ampermetru galima išmatuoti ne didesnį

tu tekės elektros srovė, kurios stipris (n— 1)J4.

leidžiamąjį (I > Iš), lygiagrečiai su ampermetru (2.11.2 pav.) prijungiamas papildomas varžas

U, = Už, arba IRA = (n= DR, Iš 2.49 lygybės išreiškiame šunto varžą:

kaip 1 mA srovės stiprį. Jeigu jis didesnis už (R) - šuūtas Šuntū

(angl.

vadinamas

shunt — atsarginis kelias). varžas,

kuris

Kadangi

ampermetras

R, - Ra n-1'

lygiagrečiai su ampermetru, siekiant iš-

kama tokia, kad ampermetru tekėtų ne stipresnė negu leidžiamoji srovė (14).

Matuojant elektros srovės stiprį, svarbu žinoti, kokios varžos šuntą reikia prijungti. Tarkime, ampermetru teks matuoti elektros srovės stiprį, n kartų didesnį už leidžiamąjį (h = I | Tada šun-

Iš

sujungti

grečiai, jų gnybtų įtampa bus vienoda:

jungiamas

plėsti jo matavimo ribas. Šunto varža paren-

ir šuntas

lygia-

(2.49) (2.50)

Šuntuoto ampermetro viršutinė matavimo riba išsiplečia n kartų. Tiek pat kartų padidėja ir jo padalos vertė. Sakykime, kad, naudojant šuntą,

laboratoriniu ampermetru, kurio viršutinė matavimo riba 1 mA, buvo išmatuota 1 A stiprio

elektros srovė. Vadinasi, šuntuoto ampermetro padalos vertė padidėjo 1000 kartų.

Įtampos matavimas Įtampa matuojama

voltmetru!, kuris į elektri-

nę grandinę jungiamas lygiagrečiai (2.11.3 pav.). Įjungus voltmetrą, grandinės dalies varža sumažėja:

Ke — R

TR

RR

Rų

E (251)

Sumažėjus varžai, sumažėja ir grandinės dalies įtampa. Kad voltmetras labai nepakeistų matuo-

jamos įtampos, jo varža turi būti daug didesnė už grandinės dalies, kurioje matuojama įtampa, varžą (Ry > R). Todėl voltmetrų varža dažniausiai būna didesnė kaip 1 MO.

Nustatykime,

prie voltmetro, norint išmatuoti įtampą, 1 kar-

tų didesnę už leidžiamąją

voltmetro prijungiamas priešvaržis (2.11.4 pav.). Priešvaržiu vadinamas varžas, kuris jungiamas nuosekliai su voltmetru, siekiant

išplėsti jo matavimo ribas.

KA

(

= 2

Iš laidinin-

kų nuosekliojo jungimo taisyklių išplaukia, kad priešvaržio gnybtų įtampa lygi (n — 1)U,. Be to, voltmetru

ir priešvaržiu

elektros srovė:

< (- Us 1-0

teka tokio pat stiprio

Vi

(2.52)

R, = Ryn= 1).

(2.53)

Iš čia

Voltmetro sandara lemia, kokią didžiausią įtampą (U4) juo galima išmatuoti. Jei matuojama

įtampa didesnė už leidžiamąją (U > U,), prie

kokį priešvaržį reikia prijungti

Naudojant priešvaržį, voltmetro jautris suma-

žėja n kartų. Tada tikrąją įtampos vertę sužino-

me padauginę voltmetro rodmenį iš n.

IL R

c— -—-D L

| (a-U5

NV)

2113 pav.

Ww

Up

2114 pav.

* Plačiau apie voltmetro sandarą ir veikimo principus sužinosite 3.5 temoje. 77

Kokia yra ampermetro paskirtis? Kaip šis prietaisas jungiamas į elektrinę grandinę? Kodėl ampermetro varža turi būti maža?

„Miliampermetro varža 10 42, viršutinė matavimo riba 50 mA. Atliekant bandymą,

reikia išmatuoti 1 A elektros srovės stiprį. a) Kokios varžos šuntą teks prijungti prie

Kokia voltmetro paskirtis? Kaip jis jungiamas į elektrinę grandinę? Kodėl

miliampermetro?

b) Kiek kartų dėl to pakis ampermetro skalės

voltmetro varža turi būti didelė?

padalos vertė?

Kaip prie ampermetro jungiamas šuntas?

Kaip jis pakeičia ampermetro skalės padalos vertę? (3)

(0,53 42)

(200 kartų)

c) Nubraižykite atitinkamą elektrinę schemą.

(B)

Kaip prie voltmetro jungiamas priešvaržis?

Voltmetras, kurio varža 2 k02, apskaičiuotas 6 V įtampai. Šiuo voltmetru reikia išmatuoti 240 V įtampą.

Kaip jis pakeičia voltmetro skalės padalos

a) Apskaičiuokite priešvaržio varžą.

vertę?

(78 MO)

Ampermetru gali tekėti elektros srovė,

b) Nustatykite, kiek kartų sumažės voltmet-

paveikslu ir laidininkų jungimo taisyk-

reikia atsižvelgti matuojant įtampą? c) Nubraižykite atitinkamą elektrinę schemą.

ro jautris, prijungus priešvaržį. Kaip į tai

kurios stipris Ij. Remdamiesi 2.11.2

lėmis, įrodykite, kad šuntu tekančios

elektros srovės stipris lygus (n — 1)Ig. Voltmetru galima išmatuoti įtampą Up. Remdamiesi 2.11.4 paveikslu ir laidininkų jungimo taisyklėmis, įrodykite, kad priešvaržio gnybtų įtampa lygi (n— 1)Ųp.

(9)

Voltmetras, kuriuo galima išmatuoti 20 V.

įtampą. jungiamas į 120 V įtampos tinklą. Kokį priešvaržį reikia prijungti, kad juo tekėtų 5 mA stiprio elektros srovė?

(20 kO)

2.12. Buityje ir technikoje naudojami srovės šaltiniai

Elektros

N

£2 25 “ 2 ž £ J "1 Žž = £ o Ž -Ž

reakcijos

srovės

metu

šaltiniai, kuriuose cheminės iš skyrusi energija paverčiama

elektros energija, pradėti naudoti XIX a. Pagal

Paplitus įvairiausios paskirties nešiojamiesiems

elektroniniams

prietaisams,

išsiplėtė ir galvani-

+ galvaninius elementus (pirminius, arba vien-

nių elementų gamyba — dabar jų kasmet pagaminama net keliasdešimt milijardų. Buitiniams prietaisams maitinti naudojamos įvairių rūšių ba-

+ elektros akumuliatorius (antrinius, arba daug-

metu labiausiai paplitusios cinko-anglies bei li-

savo veikimo pobūdį jie skirstomi į dvi rūšis: kartinio naudojimo, srovės šaltinius);

kartinio naudojimo, srovės šaltinius). Galvaniniuose elementuose aktyvioji cheminė medžiaga panaudojama tik vieną kartą. Jai išsieikvojus galvaninis elementas nustoja veikti.

Elektros akumuliatorių veiklą galima atnaujinti,

tereikia juos vėl įkrauti, t. y. paleisti jais nuolatinę

elektros srovę priešinga jų veikimui kryptimi.

terijos, kurios skiriasi dydžiu, talpa ir kaina. Šiuo čio-mangano dioksido baterijos, ličio fotobateri-

jos (2.12.1 pav.).

Nešiojamiesiems įtaisams maitinti dažnai nau-

dojami elektros akumuliatoriai (2.12.2 paveiks-

le jų parodyta keletas). Apskaičiuota, kad šiuo metu visų automobilių akumuliatorių energija

prilygsta visų Žemėje veikiančių elektrinių ga-

minamai energijai (tačiau akumuliatoriai didesnę laiko dalį būna išjungti). Pirmąjį rūgštinį (švino) akumuliatorių 1859 m.

išrado prancūzų fizikas Gastonas Plantė (Gaston

Plantė). Jis sudarytas iš metalinio švino ir švino dioksido plokštelių, įmerktų į sieros rūgšties

tirpalą. Per pastarąjį šimtmetį šis akumuliatorius

iš esmės mažai tepakito: buvo pagerinta plokštelių kokybė ir kartu padidinta santykinė energija, tenkanti

šaltinio masės

vienetui.

Akumulia-

torius pradėjus gaminti iš polipropeno, gerokai sumažėjo jų masė. XX a. pradžioje atsirado ir

vadinamieji šarminiai akumuliatoriai, sudaryti iš nikelio hidroksido ir geležies arba kadmio elek-

2.12.1 pav.

trodų. Pastaruoju metu, be jau minėtų šarminių ir rūgštinių akumuliatorių, dažniausiai naudoja-

mi nikelio-kadmio, nikelio-metalo hidrido, ličio

jonų akumuliatoriai.

Rūgštiniai (švino) akumuliatoriai gali trumpai tiekti labai stiprią srovę. Jie naudojami automobiliuose ir palyginti sunkiuose nešiojamuosiuose įtaisuose (pvz., didelėse mėgėjiškose

vaizdo kamerose). Pagrindinis švino akumulia-

torių trūkumas - didelė masė, tačiau jie palygin-

2.12.2 pav,a

ti pigūs. Švino akumuliatorių negalima laikyti iškrautų, juos reikia kuo greičiau įkrauti, antraip jie kaipmat praras talpą. Nikelio-kadmio akumuliatorių

ss

talpos bei

masės santykis yra du kartus didesnis nei švi-

no akumuliatorių. Jie naudojami mobiliuosiuose telefonuose,

vaizdo

akumuliatoriams

kamerose.

Nikelio-kadmio

būdinga vadinamoji

„likusios

įkrovos atmintis“. Įkraunant ne visiškai iškrautą akumuliatorių, kitą kartą jis neišsikrauna iki

galo. Norėdami pailginti nikelio-kadmio akumuliatorių naudojimo trukmę, neskubėkime jų krauti, leiskime jiems išsikrauti iki galo.

2122 pav,b

Nikelio-metalo hidrido akumuliatoriai yra

beveik dvigubai talpesni už nikelio-kadmio aku-

muliatorius ir tarnauja 40 04 ilgiau. Jie naudoja-

mi kompiuteriuose, skaitmeniniuose fotoaparatuose, elektroniniuose muzikos instrumentuose,

vaizdo kamerose ir kituose daug energijos vartojančiuose nešiojamuosiuose įtaisuose. Juos gali-

ma visada įkrauti. Akumuliatorius, pasibaigus jų naudojimo trukmei, reikia perdirbti. Jų jokiu būdu negalima

2.12.2 pav,

79

išmesti su kitomis šiukšlėmis, nes nikelis, kadmis ir švinas labai teršia gamtą.

Patys naujausi yra ličio jonų (Lilon) aku-

muliatoriai.

Jie pasižymi optimaliu elektrinės

talpos ir masės deriniu, mažiau kenkia aplinkai,

tačiau yra brangūs. jami

Tokie akumuliatoriai naudo-

mobiliuosiuose

telefonuose,

nešiojamuo-

siuose kompiuteriuose, brangiose vaizdo kame-

rose. Panaudoti ličio jonų akumuliatoriai mažai

kenkia aplinkai. Naujų

konstrukcijų akumuliatoriai vadinami

išmaniaisiais

(Smart Bateries), nes juose esantis

įrenginys

(lustas) matuoja

rametrus

ir juos įsimena.

akumuliatoriaus

Duomenis

pa-

lustas įra-

2123 pav. Alternatyva akumuliatoriams — kuro baterijos. Jų veikimas pagrįstas deguonies ir vandenilio

reakcija, kurios metu išsiskiria elektros energija

ir susidaro vanduo. Deguonies ir vandenilio re-

šo į atmintinę. Pastoviais intervalais jis tikrina momentinę akumuliatoriaus įtampą ir srovę, numato, kiek akumuliatorių bus galima naudo-

akciją 1839 m. atrado anglų chemikas Viljamas

įkrovą. Šie duomenys perduodami į kompiute-

no NASA ekspedicijas į Mėnulį. Kuro baterijos

ti iki įkrovimo, kokia srove krauti ir kada baigti

Grovas (William Grove). Praktikoje kuro baterijos buvo pritaikytos XX a. septintajame dešimtmetyje. Jos aprūpi-

rio ar mobiliojo telefono indikatorių ir patei-

naudoja ne jas sudarančias medžiagas, o iš iš

kiami tam tikro aukščio stulpeliu arba skaičiais

(2.12.3 pav.). Informacija apie akumuliatoriaus

būklę labai reikalinga nešiojamojo kompiuterio

ar mobiliojo telefono savininkui.

rės gaunamą kurą. Tikimasi, kad toks energijos

šaltinis nešiojamąjį kompiuterį galės maitinti keliolika valandų, savaičių.

o mobilųjį

telefoną — keletą

Tarpdalykinis projektas Apibendrinkite metalų temą fizikiniu, cheminiu ir biologiniu aspektu. + Fizikinis aspektas: elektros srovė metaluose, metalų elektrinė varža, metalų plastiškumas, ka-

lumas, blizgesys, metalų lydymosi temperatūra, gyvsidabris liuminescencinėse lempose.

+ Cheminis aspektas: metalų kristalinė sandara ir fizikinės savybės (kalumas, plastiškumas, blizgesys, neskaidrumas, tankis), lengvieji ir sunkieji metalai, metalai ir jų lydiniai, gyvsidabris — skystas metalas.

+ Biologinis aspektas: metalai gamtoje, žmogaus organizme, augaluose.

Pasirinkite jums priimtiną apibendrinimo formą - idėjų žemėlapį, grupės ar individualų pranešimą.

80

Elektros srovė

Elektros srove vadinamas kryptingas elektringųjų dalelių judėjimas.

Elektros srovės stipris

Elektros srovės stipris (I) lygus elektros krūvio (Ag), pereinančio laidininko skerspjūviu per tam tikrą laiko tarpą (At), ir to laiko tarpo santykiui:

=14 I=i Elektros srovės kryptis

Elektros srovės kryptimi laikoma teigiamųjų elektringųjų dalelių judėjimo kryptis.

Elektrinė varža

Elektrinė varža yra fizikinis dydis, apibūdinantis laidininko pasipriešinimą elektros srovės tekėjimui. Elektrinė varža priklauso nuo laidininko medžiagos ir geometrinių

matmenų: 1 R=Pzi

čia R- elektrinė varža, p - savitoji elektrinė varža, / - laidininko ilgis, S -skerspjūvio plotas. Superlaidumas

Superlaidumu vadinamas staigus laidininko savitosios elektrinės varžos sumažėjimas iki nulio, kai temperatūra pasidaro artima absoliučiajam nuliui.

P

0 Voltamperinė charakteristika

T

Voltamperine charakteristika vadinama kuria nors grandinės dalimi tekančios elektros srovės stiprio priklausomybė nuo tos dalies įtampos.

1

0

Omo dėsnis grandinės daliai

U

Elektros srovės stipris (/) grandinės dalyje yra tiesiogiai proporcingas tos dalies įtampai (U) ir atvirkščiai proporcingas varžai (R):

I== V2:

81

* Nuoseklusis laidininkų

Nuosekliuoju vadinamas toks jungimas, kai laidininkai į grandinę

jungimas

jungiami paeiliui vienas po kito.

Nuosekliojo laidininkų jungimo. taisyklės

1. Nuosekliosios grandinės dalimis teka vienodo stiprio elektros srovė:

I=I,=l,

2. Nuosekliosios grandinės įtampa lygi atskirų dalių įtampų sumai: U=U,+U,.

3. Nuosekliosios grandinės atskirų dalių įtampos yra tiesiogiai proporcingos jų varžoms:

UE UR

4. Nuosekliosios grandinės pilnutinė varža lygi atskirų dalių varžų sumai:

N

12 25 “ 2 ž e J 1 Ž = £ o Ž Žž

į Lygiagretusis laidininkų „ jungimas

Lygiagrečiuoju vadinamas toks jungimas, kai vieni grandinės elementų gnybtai jungiami į vieną mazgą, o kiti - į kitą mazgą.

* Lygiagrečiojo laidininkų į jungimo taisyklės

1. Visų lygiagrečiai sujungtų grandinės šakų įtampa yra vienoda:

1 i 1 i i 1 i 1 i i i i i i 1 i 1 i 1 i '

; Elektrovara

i i i i i i

U,=U,= U. 2.Į grandinės mazgą įtekanti srovė (arba įtekančių srovių suma) lygi išjo ištekančių srovių sumai:

I=I,+|š

3. Atskiromis šakomis tekančių srovių stipriai yra atvirkščiai

proporcingi tų dalių (šakų) varžoms:

LA

KR

4. Kai laidininkai sujungti lygiagrečiai, fizikinis dydis, atvirkščias pilnutinei grandinės dalies varžai, lygus sumai dydžių, atvirkščių lygiagrečiai sujungtų laidininkų varžoms:

1-21,1

RS RR

Darbo (A,„+), kurį atlieka pašalinės jėgos, perkeldamos teigiamąjį krūvį (Ag) uždaruoju kontūru, ir to krūvio santykis vadinamas

elektrovara:

Omo dėsnis uždarajai grandinei

Elektros srovės stipris (I) uždarojoje grandinėje yra tiesiogiai proporcingas srovės šaltinio elektrovarai (E) ir atvirkščiai

proporcingas pilnutinei grandinės varžai (R + r): E T Rir

Omo dėsnis uždarajai grandinei, kurioje yra keletas nuosekliai sujungtų srovės šaltinių

Srovės stipris (I) elektrinėje grandinėje, kurioje srovės šaltiniai

sujungti nuosekliai, yra tiesiogiai proporcingas algebrinei elektrovarų sumai (E; + E; + E:) ir atvirkščiai proporcingas pilnutinei grandinės varžai (r +r5 + r; + R):

| E+E+6

Ark +R

Elektros srovės darbas

Elektros srovės darbas (A) grandinės dalyje lygus elektros srovės stiprio (I), įtampos (U) ir laiko (At), per kurį jis atliekamas, sandaugai:

A=IUAt.

Džaulio ir Lenco dėsnis

Laidininke, kuriuo teka elektros srovė, išsiskiriančios šilumos kiekis

(O) lygus srovės stiprio (I) kvadrato, laidininko varžos (R) ir srovės

tekėjimo trukmės (At) sandaugai:

0= PRAt.

Elektros srovės galia

Elektros srovės galia (P) lygi elektros srovės atlikto darbo (A) ir laiko (At), per kurį jis atliktas, santykiui: sAP=Ž=u.

83

MS gy, will! 40 60 7

Magnetinis laukas Šiame skyriuje nagrinėsite nuolatinius magnetus, magnetinio lauko jėgų linijas, susipažinsite su svarbiausia magnetinio lauko charakteristika - magnetinės indukcijos vektoriumi, mokysitės apskaičiuoti Ampero jėgą, veikiančią laidininką, kuriuo teka elektros

Ee U=ds ie TaE S Eee ATI AIVAV SLS Ą EV ie [e SS iais TEVke EG ITEB Ie [Sia magnetiniame lauke, magnetinių laukų poveikį gyviesiems organizmams.

3.1. Magnetinis laukas.

Magnetinio lauko šaltiniai

Magnetinio lauko samprata Magnetinio

lauko

atradimo

istorija

patvir-

tina filosofijos vaidmenį fizikos mokslui. Danų mokslininkas Hansas Kristianas Erstedas (Hans

Christian Orsted,

1777-1851)

iš pradžių studi-

bėjo, kad, laidininku tekant elektros srovei, ša-

lia esanti magnetinė rodyklė pasisuka statmenai srovės tekėjimo krypčiai (3.1.1 pav.). Šiais bandymais pirmą kartą buvo atskleistas ryšys tarp

javo filosofiją ir įgijo daktaro laipsnį už filoso-

elektrinių ir magnetinių

elio Kanto (Immanuel Kant, 1724—1804) darbus.

ta, kad žaibas įmagnetina geležį, permagnetina

fijos disertaciją apie vokiečių filosofo Imanu-

reiškinių.

Gamtoje

jis

aptiktas gerokai anksčiau. Pavyzdžiui, pastebėkompasus.

Iš Erstedo bandymų paaiškėjo, kad apie laidininku tekančią elektros srovę atsiranda ypatinga materija. Ji veikia magnetinę rodyklę. Žmo-

le įprasta vadinti

lauku.

Apie

elektros

srovę

atsiranda magnėtinis laukas — ypatinga materijos forma, sudaranti sąlygas sąveikauti judančioms elektringosioms dalelėms. Pagrindinės magnetinio lauko savybės: 1. Magnetinis laukas egzistuoja realiai, nepri-

klausomai nuo mūsų žinių apie jį.

2. Magnetinį lauką sukuria tik judantys elek-

tros krūvininkai.

Erstedas domėjosi Kanto idėjomis apie gamtos

3. Magnetinis laukas veikia judančius elektros krūvininkus. Magnetinio lauko poveikį judantiems elektros

pusavy susiję. Šios filosofinės idėjos paskatino

Du

1820 m. Erstedas, atlikdamas bandymus,

šaltinio polių. Kai elektros srovė laidininkais teka

Hansas Kristianas Erstedas

vienybę, manė,

kad gamtos reiškiniai yra tar-

Erstedą atrasti ryšį tarp elektros ir magnetizmo.

paste-

krūvininkams patvirtina bandymas (3.1.2 pav.). lankstūs

laidininkai

įtvirtinami

vertikaliai

(3.1.2 pav., a). Jų galai prijungiami prie srovės

Ža

5 Ha

Srovė laidininku neteka

Srovė laidininku teka

Srovė laidininku teka

3.1.1 pav.

85

priešingomis kryptimis, jie vienas kitą stumia (3.1.2 pav., b), kai ta pačia kryptimi, — traukia (3.1.2 pav., c). Šis bandymas

1

2

paaiškinamas taip:

vienu laidininku (1) tekanti elektros srovė suku-

ia aplink save magnetinį lauką, kuris veikia kitu laidininku (2) judančius elektros krūvininkus (elektros srovę). Antru laidininku tekanti elek-

tros srovė savo ruožtu sukuria magnetinį lauką, veikiantį

pirmu

krūvininkus.

laidininku

judančius

elektros

Nuolatiniai magnetai Žodis

„magnėtas“,

išverstas

iš graikų

kalbos,

reiškia Magnėzijos akmenį. (Magnėzija — Mažėsios Azijos miestas.) Istorija byloja, kad būtent čia buvo aptikta akmenų — magnetitų, traukiančių geležinius daiktus. Ilgainiui žmonės patys išmoko gaminti magnetus. Kinijoje nuolatiniai magnetai buvo gaminami

jau II amžiuje.

Šiuo

metu

namas

magnėtine

kad vienas jos galas rodo šiaurę, o kitas — pietus (3.1.5 pav.). Į šiaurę pasisukantis galas vadinamas

magnetai gaminami iš specialių rūšių plieno. Jis

įnešamas į stiprų magnetinį lauką. Šiam nustojus

veikti, plienas lieka įsimagnetinęs. Magnetai pla-

dinami

nuolatiniais

magnėtais.

Nuolatiniai

3.14pav,a

magnetai traukia kitus kūnus, turinčius geležies. Stipriausiai juos veikia magneto galai, vadinami magnėtiniais poliais, silpniausiai — vidurinė

magneto dalis (3.1.4 pav., a, b). Mažas pailgas magnetėlis,

įtvirtintas

ant

smailios

Jeigu arti magne-

tinės rodyklės nėra kitų laukų, ji pasisuka taip,

nuolatiniai

čiai naudojami praktinėje veikloje (3.1.3 pav.). Kūnai, gebantys išlaikyti įmagnetėjimą, va-

rodyklė.

ašies, vadi-

3.14pav,b

w

E 2] Ė J S 2

3.1.5 pav.

3.1.6pav.,b

3.16pav,a

šiaurės magnėtiniu poliumi ir žymimas N, o pasisukantis į pietus - pietį magnėtiniu pėliumi ir žymimas S. Vienavardžiai magnetų poliai vienas kitą stumia (3.1.6 pav., a), įvairiavardžiai — traukia (3.1.6 pav., b).

Magneto polių perskirti neįmanoma. Šią mag-

neto savybę dar XVI a. aprašė anglų fizikas Viljamas Gilbertas. Perpjovus magnetą pusiau, abi

jo dalys turės po du polius. Kiekvienas gabalas vėl bus magnetas, tik mažesnis (3.1.7 pav.).

Žemės magnetinis laukas Senovės Kinijoje pastebėta, kad iš mineralo magnetito (FesO,) pagamintas pailgas strypelis, pakabintas ant siūlo arba padėtas ant plūdės vandenyje, pasisuka šiaurės-pietų kryptimi. Tai buvo pirmasis kompasas. Įprastą pavidalą jis

įgavo tik XIV a. Kompasą veikia Žemės rutulio

magnetinis laukas. Jo prigimtis nėra visiškai aiški. Prancūzų fizikas ir matematikas Andrė Mari

Amperas iškėlė hipotezę, kad Žemės magnetinį lauką sukelia jos viduje cirkuliuojančios elektros srovės. Ši hipotezė išliko iki mūsų

Manoma,

kad,

Žemei

sukantis

elektringųjų dalelių, judančių jonosferoje, bei įsimagnetinusios Žemės plutos uolienų magne-

tinio lauko stipris. Žemės magnetinio lauko ašis pakrypusi 11,49 kampu

į jos sukimosi

nis laukas, vadinamas magnetosfera, o Žemės paviršiaus ir magnetosferos ašies sankirtos taš-

kai - magnėtiniais Žėmės poliais. Liekamasis

— Žemės ašis

ašį,

—1149

jos mantija su kietąja pluta, slysdamos išoriniu

branduolio

sluoksniu,

Žemės

rutulį supanti erdvė, kurioje reiškiasi magneti-

dienų.

apie savo

ašį (3.1.8 pav.).

sukasi šiek tiek greičiau

negu vidinis branduolys. Todėl branduolio elektronų ir mantijos bei plutos elektronų greičiai skiriasi. Toks elektronų judėjimas sukuria gamtinį

srovės generatorių,

0 srovė — magne-

tinį lauką. 95 6 viso Žemės paviršiuje esančio magnetinio lauko stiprio sudaro Žemės gelmių

Magnetinės linijos

sukurto magnetinio lauko stipris, o 5 Yo — Sau-

lės spinduliuojamų elektringųjų dalelių srauto,

3.1.8 pav.

87

Šiaurės ašigalio jis nutolęs apie 1600 km. Šiaurės magnetinis

polius

yra

į pietus

nuo

Australijos.

Žemės magnetinis laukas vaizduojamas magneti-

niais žemėlapiais. Jie naudojami geologijoje, jūrų ir oro navigacijoje. Lietuvos magnetinį žemėlapį 1930 m. pradėjo kurti akademikas Povilas Braz-

džiūnas (1897-1986). Žemės

magnetinis

laukas

yra

nesimetriškas

(3.19 pav.). Jį deformuoja iš Saulės sklindantis greitų

elektringųjų

dalelių

srautas,

vadina-

mas Saulės vėju. Saulės pusėje Žemės magne-

tinis laukas yra tarytum suspaustas, tęsiasi apie

6000 km, priešingoje pusėje — ištęstas, driekiasi

3.1.9 pav.

uolų magnetizmas rodo, kad du kartus per mili-

joną metų Žemės magnetinis laukas keičia kryptį (šiaurės ir pietų magnetiniai poliai susikeičia vie-

tomis). Dabar pietų magnetinis polius (traukiantis kompaso

rodyklės

šiaurės

polių) yra Kana-

dos šiaurėje, prie Karalienės Elžbietos salų. Nuo

net 100 kartų toliau.

Žemės magnetiniame lauke vyksta pokyčiai. Trumpalaikiai lauko sutrikimai vadinami mag-

nėtinėmis audromis. Jos susijusios su Saulės aktyvumo padidėjimu. Magnetinių audrų metu suintensyvėja poliarinės pašvaistės, suaktyvėja ciklonai troposferoje, sutrinka radijo ryšys.

Ką vadiname magnetiniu lauku? Išvardy-

Tikriausiai pastebėjote, kad troleibuso liniją

kite pagrindines jo savybes.

sudaro du laidai. Mokydamiesi

Nurodykite, kas yra magnetinio lauko

sužinojote, kad laidai, kuriais teka elektros

Paaiškinkite, kodėl aplink nuolatinius magnetus atsiranda magnetinis laukas.

Palyginkite Saulės vėją su mums įprastu vėju

srovė, sąveikauja. Paaiškinkite, kaip veikia vienas kitą troleibuso linijos laidai.

šaltiniai.

G

(C4:) Remdamiesi artiveikos teorija, paaiškinkite

atmosferoje. Kuo šie reiškiniai skiriasi? Ar jie gali būti tarpusavyje susiję? Padiskutuokite

magnetinės rodyklės ir laidininko, kuriuo

apie tai.

teka elektros srovė, sąveiką.

at k = £ i

g 7 ž =s 2

šią temą,

3.2. Magnetinio lauko jėgų Magnetinio lauko jėgų

linijos

linijų samprata jo jėgų

klių (3.2.1 pav.). Įvairiuose plokštumos taškuose

tinkamos atliekant bandymus. Aplink nuolatinį magnetą arba laidininką, kuriuo teka elektros srovė, išdėliojama daug mažų magnetinių rody-

magnetiniame lauke išsidėsto magnetinės rodyklės, vadinamos magnėtinio laūko jėgą

Magnetinį

lauką

galima

pavaizduoti

linijomis. Tos linijos yra nematomos, tačiau ap-

jos pasisuka skirtingai. Linijos, išilgai kurių

linijomis, arba magnėtinėmis linijomis.

Magnetiniame lauke pabėrę smulkių geležies drožlių, galime nustatyti, kaip išsidėsčiusios magnetinės linijos. Geležies gabalėliai, atsidūrę magnetiniame lauke, įsimagnetina ir virsta mažytėmis magnetinėmis

rodyklėlėmis,

kurios iš-

sidėsto išilgai lauko jėgų linijų.

Kadangi geležies drožlių yra labai daug, ga-

lima matyti gana tikslų magnetinio lauko jėgų linijų vaizdą. Tiesiu laidininku tekančios elek-

tros srovės sukurto magnetinio nijos statmenoje

laidininkui

lauko jėgų li-

plokštumoje

Nuolatinio

magneto

(3.1.4 pav., a, b) ir ritės

išsi-

(3.2.3 pav.) sukurtų magnetinių laukų jėgų lini-

Magnetinio lauko jėgų linijos yra uždaros, t. y. neturi nei pradžios, nei pabaigos, ir apjuosia laidininką, kuriuo teka elektros srovė (žr. 3.2.2 pav.). Primename, kad elektrinio lauko

netinis laukas yra sūkurinis. Magnetinių linijų uždarumas yra esminė magnetinio lauko

dėsto koncentriniais apskritimais (3.2.2 pav.).

Magnetinio lauko jėgų

jos yra panašios formos.

li

jėgų linijos yra kitokios: turi pradžią ir pabaigą — prasideda ir baigiasi elektros krūviuose (arba begalybėje). Laukas, kurio jėgų linijos yra uždaros,

vadinamas sūkuriniū laukū. Vadinasi, mag-

savybė. Ji rodo, kad magnetinis laukas neturi šaltinių. Magnetinių

krūvius, gamtoje nėra.

krūvių,

panašių

į elektros

Magnetinio lauko jėgų linijos niekur nesikerta. Per kiekvieną erdvės tašką eina tik viena mag-

netinio lauko jėgų linija.

89

Magnetinio lauko jėgų linijų kryptis Magnetinio lauko jėgų linijų kryptimi susitarta laikyti kryptį, kurią rodo magnetinės rodyklės

šiaurės polius. Bandymai rodo, kad magnetinio

pirštai rodys magnetinio lauko jėgų linijų

krypčių ryšį nusako sraigto taisyklė: kai sraigto slenkamojo judėjimo kryptis sutampa su

laidininku

tekančios

srovės

kryptimi,

jo rankenos sukimosi kryptis rodo magne-

tinio lauko jėgų linijų kryptį (3.24 pav.).

r

2 I Ką vadiname magnetinio lauko jėgų linijo-

mis? Kaip jas galime pastebėti?

Išvardykite pagrindines magnetinio lauko jėgų linijų savybes.

£ 7 Ž as z

galima nustatyti pagal dešinės rankos taisyklę:

tus srovės tekėjimo laidininku kryptį, pakinta ir magnetinių rodyklių kryptis. Magnetinio lauko jėgų linijų ir elektros srovės

J

jėgų linijų kryptį

jėgų linijų kryptis susijusi su laidininku

tekančios srovės kryptimi (žr. 3.2.1 pav.). Pakei-

2

lauko

jei laidininką, kuriuo teka elektros srovė, apimsime dešine ranka taip, kad ištiestas

lauko

“t bi =

Paprasčiau magnetinio

G)

Internete susiraskite virtualių mokymosi objektų (puz., adresu http:/mkp.emokykla.

nykštys rodytų srovės kryptį, tai kiti keturi

kryptį (3.2.5 pav.). Laidininką galime vaizduoti brėžinio plokštu-

moje arba jai statmenoje plokštumoje. Pastaruoju atveju, norėdami parodyti laidininku tekan-

čios elektros srovės kryptį, laikomės tam tikro susitarimo. Jei srovė teka į mus, rašome ženklą

(-), jei nuo mūsų - ženklą (X) (3.2.6 pav.).

3.26 pav.

3.2.6 paveiksle pavaizduotas apie tiesų laidininką, kuriuo teka elektros srovė, atsiradęs magnetinis laukas. Pritaikykite

dešinės rankos taisyklę ir įsitikinkite, kad

magnetinio lauko jėgų linijų kryptis abiem atvejais pavaizduota teisingai.

It/fizika9-10/ fobjects/view/31/tžup) ir

„Mokslininkus domina, kaip paukščiai orientuojasi erdvėje, migruodami iš šiltųjų

a) kaip taikoma dešinės rankos taisyklė nustatant magnetinio lauko jėgų linijų

kraštų į šiaurę ir iš šiaurės į pietus. Manoma,

patikrinkite:

kryptį:

B) kaip kinta magnetinio lauko jėgų linijų kryptis keičiant elektros srovės kryptį laidininke.

jog paukščių migracijai padeda Žemės magnetinės linijos. Mokslininkai bandymais nustatė, kad paukščiai geba jas matyti. Paieškokite informacijos apie tai internete, padiskutuokite šia tema su klasės draugais.

3.3*. Magnetinės indukcijos vektorius Magnetinės indukcijos vektoriaus kryptis Magnetinės indukcijos vektorius

Magnetinis laukas veikia magnetinę rodyklę,

laidininką, kuriuo teka elektros srovė. Akivaizdu, kad skirtingų magnetinių laukų poveikis

rodyklei ir laidininkui gali būti nevienodas. Magnetiniam laukui įvertinti kiekybiškai vartojamas fizikinis dydis, vadinamas magnėtinės

indūkcijos vėktoriumi ir žymimas B. Vekto-

rinius dydžius apibūdina jų skaitinė vertė (modulis) ir kryptis.

33.1 pav.

Magnetinio lauko jėgų linija

Magnetinės indukcijos vektorius (B) nukreip-

tas išilgai magnetinio lauko jėgų linijų liestinės

(3.3.1 pav:). Vadinasi, magnetinės indukcijos vektoriaus B kryptis bet kuriame lauko taške sutampa

su magnetinio

linijų liestine, nubrėžta

lauko jėgų

per tą tašką.

To-

dėl magnetinio lauko jėgų linijos dar vadinamos

magnetinės indukcijos linijomis. Magnetinės indukcijos vektoriaus, kaip ir mag-

netinių linijų, kryptis nustatoma pagal sraigto taisyklę (žr. 3.2.4 pav.): kai sraigto slenkamojo judėjimo kryptis sutampa su laidininku tekančios srovės kryptimi, jo rankenos sukimosi kryptis rodo magnetinės indukcijos

vektoriaus kryptį. Paprasčiau magnetinės in-

3.3.2 pav.

apimsime dešine ranka taip, kad ištiestas nykštys rodytų srovės kryptį, tai kiti keturi

kryptį, tai ištiestas nykštys rodys magnetinės indukcijos vektoriaus kryptį (3.3.2 pav.). Žemės magnetinį lauką apibūdina jos magnetinės indukcijos vektorius. Šio vektoriaus kryptį daugeliui teko ne kartą nustatyti prak-

riaus kryptį (žr. 3.2.5 pav.). Dešinės rankos tai-

orientacininkų

dukcijos vektoriaus kryptį galima nustatyti pagal

dešinės

rankos

taisyklę:

jeigu

laidininką

pirštai rodys magnetinės indukcijos vekto-

syklė, pritaikyta ritei, formuluojama taip: jei ritę, kuria teka elektros srovė, apimsime

dešine

ranka taip, kad keturi pirštai rodytų srovės

tiškai, pavyzdžiui, turistinio žygio metu

ar per

Jo rodyklės

Žemės

varžybas

naudojantis

šiaurės polius

kompasu.

rodė būtent

magnetinio lauko indukcijos vektoriaus kryptį

arba Žemės magnetinių linijų kryptį.

Magnetinės indukcijos vektoriaus modulis jautraus dinamometro. Pagal dinamometro rod-

Primename, kad vektoriniai dydžiai turi ir skaitinę vertę — modulį. Norėdami išsiaiškinti, kas lemia magnetinės indukcijos vektoriaus mo-

menis nustatoma, nuo ko priklauso laidininką veikiančios jėgos didumas.

tinį lauką (3.3.3 pav., a) ir pritvirtinamas prie

modulis didėja (IF — Al).

dulį, aptarkime bandymą. Ilgio I laidininkas, kuriuo teka elektros srovė, įnešamas į magne-

+ Didinant tarp magneto polių esančios laidininko dalies ilgį (3.3.3 pav., b), veikiančios jėgos

91

+ Stiprinant laidininku tekančią elektros srovę

(3.3.3 pav., c), laidininką veikiančios jėgos modulis didėja (I = I).

Apibendrinus abi šias priklausomybes, matyti, kad jėga, kuria magnetinis laukas veikia laidininką, yra tiesiogiai proporcinga jo ilgiui ir srovės stipriui:

I - IAI.

Šią proporciją galime pakeisti lygybe, parašydami proporcingumo koeficientą (B), kuris pri-

klauso nuo magnetinio lauko:

I = BIAI.

Šis

koeficientas

ir yra

(3.1)

magnetinės

indukcijos

vektoriaus modulis. Iš 3.1 lygybės išplaukia, kad

B=Ž

IAI

6.2)

Magnėtinės indūkcijos vėktoriaus moduliu

vadinamas didžiausios jėgos, kuria magnetinis laukas veikia jame esančią laidininko dalį, ir tuo laidininku tekančios srovės stiprio bei laidininko dalies ilgio sandaugos santykis. Magnetinės indukcijos matavimo vienetas vadinamas tesla, pagerbiant serbų mokslininką Ni-

> |

333pav,a | 333 pav,b

3.33 pav, C

kolą Teslą (Nikola Tesla, 1856-1943). Sutrumpintai šis vienetas žymimas T:

[B= 17.

1 T lygi magnetinei indukcijai tokio magnetinio lauko, kuris veikia jame esančią 1 m ilgio lai: ko dalį, kai ja teka 1 A srovė, didžiausia 1 N jėga.

3.1 lentelėje pateikiame keletą skirtingų fiziki-

nių kūnų sukurto magnetinio lauko indukcijos modulio verčių.

3.1 lentelė

Fizikiniai kūnai

Tarpžvaigždinė erdvė

at k = £ A

£ 7 = J8 3

Magnetinio

lauko

indukcijos skaitinė vertė, T

1079

Fizikiniai kūnai

Magni

indukcijos skai T

Saulės paviršius

102

Žmogaus kūnas

3-10710

Strypinis magnetas 1 Zail

10“

Saulės šviesa

3-10*

Saulės dėmė

03

104

Laboratorinis

5

Televizorius (50 Hz) Plakiklis

3-10“

Jupiteris

8-104

Plaukų džiovintuvas

(50 Hz)

103

(arti polių)

elektromagnetas

Superlaidininkas

lauko

,

40

paviršius

10

Atomo branduolys

1012

Ką vadiname magnetinės indukcijos vektoriumi? Kaip nustatoma jo kryptis?

b) atsuktąį viją šiaurės poliumi;

€) nukreiptą lygiagrečiai su vijos plokštuma,

((22) Kaip bandymais galima nustatyti magnetinės indukcijos vektoriaus modulį?

be to, šiaurės poliumi į dešinę? CO

Kokio magnetinio lauko indukcija lygi vienai teslai?

teka elektros srovė, ir magnetinės rodyklės sąveika. Persipieškite šį paveikslą sąsiuvinyje ir pažymėkite jame:

Tiesiais laidininkais tekančios elektros srovės

a) ženklais + ir — prie ritės prijungto šaltinio polius;

sukuria magnetinius laukus, kurių jėgų linijų kryptys pavaizduotos 3.3.4 paveiksle. Nustatykite kiekvienu laidininku tekančios

b) srovės tekėjimo rite kryptį:

c)ritės sukurto magnetinio lauko jėgų linijų

elektros srovės kryptį.

kryptį.

Ritė, kuria teka elektros srovė, virsta

magnetu. Remdamiesi 3.3.5 paveikslu, nustatykite, kuris ritės galas yra jos šiaurės polius, o kuris — pietų polius. Atsakymą pagrįskite.

„Apskrita laido vija laisvai kabo ant elektros

srovę tiekiančių laidų (3.3.6 pav.). Srovės

kryptis vijoje pažymėta rodykle. Kaip reaguos vija, kai prieš ją padėsime strypinį magnetą: a)atsuktą į viją pietų poliumi;

(B)

3.3.8 paveiksle pavaizduotas laidininkas ir pažymėta juo tekančios elektros srovės sukurto magnetinio lauko linijų kryptis.

Persipieškite šį paveikslą sąsiuvinyje ir pažymėkite jame laidininku tekančios

elektros srovės kryptį. Atsakymą pagrįskite.

Paieškokite internete informacijos apie serbų mokslininką Nikolą Teslą, jo atliktus darbus. Padiskutuokite apie tai su klasės

draugais.

ž|

(6)

3.3.7 paveiksle pavaizduota ritės, kuria

3.34 pav.

3.3.5 pav.

3.3.6 pav.

3.3.7 pav.

93

3.4. Ampero jėga Ampero jėgos modulis Magnetinis laukas veikia jame esantį laidinin-

ką, kuriuo teka elektros srovė (žr. 3.3.3 pav.) tam tikra jėga. Ta jėga vadinama Ampėro jėga (I). Ampero jėga yra vektorinis dydis, turintis kryptį ir skaitinę vertę (modulį). (Primename, kad Andrė Mari Amperas buvo žymus prancūzų fizikas ir matematikas, elektrodinamikos teorijos

kūrėjas. Pagal šio mokslininko pavardę elektros srovės stiprio matavimo vienetas vadinamas am-

peru, o elektros srovės stiprio matavimo prietaisas — ampermetru. Amperas pirmasis pavartojo sąvokas „elektrostatika“, „elektrodinamika“,

„elektromagnetas“.)

kad tai yra didžiausia Ampero jėgos vertė. Tokią vertę Ampero jėga įgyja tada, kai laidininkas statmenas magnetinio lauko jėgų linijoms (3.4.1 pav.). Ampero jėgos modulis

dar priklauso nuo kampo a tarp magnetinės indukcijos vektoriaus (B) ir laidininko, kuriuo teka elektros srovė (3.4.2 pav.). Kadangi B, = B sin a, tai, įrašę šią išraiškąį 3.1 formulę, gauname: I, = BIAI sin a.

Taigi Ampero

(3.3)

jėga lygi magnetinės in-

dukcijos vektoriaus modulio, srovės stip-

rio, laidininko dalies ilgio ir kampo tarp

magnetinės

indukcijos vektoriaus

laidininko dalies sinuso sandaugai.

Andrė Mari Amperas

7 ž =)8

z

3.4.1 pav.

Išsiaiškinkime, kaip nustatomas Ampero jėgos modulis. Pagal 3.1 formulę laidininką veikiančios Ampero jėgos modulis (IA) lygus srovės stiprio, laidininko dalies ilgio ir magnetinės indukcijos vektoriaus modulio sandaugai (F, = BIAI). Bandymais nustatyta,

3.4.2 pav.

bei

Ampero jėgos kryptis Laidininką,

kuriuo

kiančios Ampero

teka

elektros

srovė,

vei-

jėgos kryptis nustatoma pagal

kairės rankos taisyklę: jei kairė ranka

laiko-

ma taip, kad magnetinės indukcijos linijos eina statmenai į jos delną, o keturi ištiesti pirštai rodo srovės kryptį, tai delno plokš-

tumoje 90* kampu ištiestas nykštys rodo laidininko dalį veikiančios jėgos kryptį (3.4.3 pav.). Ampero

jėga pagrįstas ampermetrų,

voltmet-

rų, elektros variklių veikimas.

Elektros srovių sąveika Remiantis žiniomis apie Ampero sunku paaiškinti elektros srovių,

jėgą, netekančių

laidais, sąveiką. Lygiagretūs laidai, kuriais

teka elektros srovė, vienas kitą traukia arba

stumia,

esančio

nes

laido

kiekvienas

srovės

laidas yra

magnetiniame

šalia

jo

lauke

(3.4.4 pav.). Pirmuoju laidu tekanti elektros

srovė (I) sukuria magnetinį

lauką,

kurio

magnetinės indukcijos vektorius (51) yra horizontalioje plokštumoje. Šis laukas vei-

344 pav.

kia antrąjį laidą, kuriuo teka elektros srovė

šinga jėgos Ž, krypčiai. Vadinasi, laidai, kuriais srovė teka priešingomis kryptimis,

(5). Antrojo laido dalį (Al) veikianti Ampe-

ro jėga lygi

I, = LAIB, sin 909 = LAIB,

vienas

| (3.4)

įrodoma,

kad,

kitą traukia.

kairės rankos taisyklę.

laidu tekanti elektros srovė (I)

sukuria magnetinį lauką (B;), kuris veikia pirmąjį laidą. Pirmojo laido dalį (A!) veikianti Ampero jėga lygi Jėgos

Panašiai

srovei tekant ta pačia kryptimi, laidai vienas

Jėgos Ž, kryptis (3.4.4 pav.) nustatoma pagal Antruoju

kitą stumia.

Iš elektros srovių sąveikos išplaukia srovės stiprio matavimo vieneto — ampero - apibrėžtis.

Fi = LAIB; sin 909 = NAIB,. | (3.5)

Primename, kad ampėras (A) — tai tokio stiprio

Ėi2 kryptis (3.4.4 pav.) taip pat nusta-

lygiagrečiais, be galo ilgais laidais, nutolusiais

toma pagal kairės rankos taisyklę. Ji yra prie-

elektros

srovė,

kuri,

tekėdama

dviem

tiesiais,

vakuume vienas nuo kito 1 m atstumu, sukelia

2-107 N jėgą!.

" Bandymais nustatyta, kad laidų sąveikos jėga išreiškiama formule F

k =2-107 N/A".

ALLAI; čia k- proporcingumo koeficientas;

95

a

Ką vadiname Ampero jėga? Nuo ko ji

priklauso?

Tarp magneto polių esančiu laidininku (3.4.5 pav., a, b, I), pavyzdžiui, geležies u = 107. Feromagnetikuose savasis magnetinis laukas atsiranda dėl elektronų sukimosi apie savo ašį (3.7.2 pav.). Šį lauką kuria ne tik valentiniai, bet ir vidinių sluoksnių elektronai. Atomams sąveikaujant, feromagnetike susidaro sritys, kuriose savojo magnetinio lauko indukcijos vektoriai yra orientuoti lygiagrečiai. Šios savaime įsimagnetinusios

sritys vadinamos

domėnais (3.7.3 pav., a). Jų matmenys siekia

10-10"? cm. Atskiruose domenuose magneti-

niai laukai yra orientuoti skirtingai, todėl visame at k = 2 i

£ 7 Ž )s z

feromagnetike jie kompensuoja vienas kitą. Feromagnetiko bandinį įnešus į išorinį magnetinį

lauką, domenų magnetiniai laukai orientuojasi tvarkingai (3.7.3 pav., b).

Išorinio magnetinio lauko indukcijai (4) didėjant, vis daugiau domenų orientuojasi tvarkingai.

Dėl to magnetinis laukas feromagnetiko bandinio viduje (B) stiprėja (3.7.4 pav.). Kai visų domenų laukai orientuojasi tvarkingai, toliau stiprinant

išorinį magnetinį lauką (4), magnetinis laukas

(5) feromagnetiko bandinyje nustoja stiprėti. Šis

reiškinys vadinamas magnėtine sėtimi.

3.73 pav, a

ARS

1

3.73 pav, b

PT

| 14 [== kt tt KT

B,=0 3.74 pav.

|ža

| šo

B4 < By < Bop < Bas

Iš

Kylant aplinkos temperatūrai, atomų šiluminiai virpesiai stiprėja. Dėl to tvarkinga dome-

768 *C geležis išsimagnetina. Todėl temperatū-

pastebėjo

Kobalto ji yra 1130 9C, nikelio- 356 *9C.

nų orientacija suyra, o feromagnetiko bandinys išsimagnetina. Šį reiškinį pirmą kartą 1894 m. prancūzų

Nuolatinį

fizikas Pjeras Kiuri (Pierre

Curie,

1859-1906).

Jis nustatė,

kad įkaitusi iki

ra, kuriai esant medžiaga praranda feromagnetines savybes, vadinama Kiuri temperatūra.

i magnetai - feromagnetikai

Feromagnetiko bandinį išnešus iš išorinio mag-

netinio lauko, daugelio domenų tvarkinga orien-

to junginių. Feromagnetikai naudojami kompiuterių atmintinių, magnetinių juostų, kredito kor-

magnetu. Nuolatiniai magnetai gaminami iš plie-

tros generatoriuose,

tacija nepasikeičia — bandinys tampa nuolatiniu

no, geležies ir aliuminio, taip pat nikelio ir kobal-

telių gamybai. Plieninės šerdys naudojamos elektransformatoriuose,

elektros

varikliuose.

Diamagnetikai

mai.

Gamtoje

vanduo,

(auksas, sidabras, švinas, denilis, helis).

kryptis yra priešinga išorinio magnetinio lauko

“x

indukcijos vektoriaus (B4) krypčiai. 3.75 pa-

Išorinio magnetinio lauko indukcijos vektorius

nukreiptas nuo mūsų statmenai lapo plokštumai.

x

Judantis elektronas ir teigiamasis jonas sukuria elektros srovę, o ši - savąjį magnetinį lauką (B).

yra daug

stiklas, guma,

magnetinį lauką, kurio indukcijos vektoriaus (B:)

veiksle pavaizduota, kuria kryptimi juda elektronas (a) ir teigiamasis jonas (b) plazmoje, esančioje išoriniame magnetiniame lauke (4).

savybės būdingos

ne tik plaz-

diamagnetikų: kvarcas,

medis,

druska,

bismutas),

dujos

metalai

(van-

XXXXXXXX

Diamagnetikuose judančios elektringosios dalelės (elektronai, teigiamieji jonai) sukuria savąjį

Diamagnetinės

=

nė skvarba skiriasi nuo vieneto ne daugiau kaip dešimttūkstantosiomis dalimis.

lauko vektoriaus (B4) krypčiai.

XXXXXXXX

šiek tiek silpnina išorinį magnetinį lauką. Diamagnetikų magnetinė skvarba truputį mažesnė už vienetą (u < 1), pavyzdžiui, aukso u = 0,999961. Vadinasi, diamagnetikų magneti-

lauko indukcijos vektorius (B,) nukreiptas į mus, taigi jo kryptis priešinga išorinio magnetinio

XX X

sukuriančios savąjį magnetinį lauką, kuris

Pagal dešinės rankos taisyklę savojo magnetinio

X X ——

medžiagos,

xxx

vadinamos

xxx X AX

Diamagnėtikais

3.7.5 pav, a

Paramagnetikai Paramagnėtikais

vadinamos

medžiagos,

sukuriančios savąjį magnetinį lauką, kuris šiek tiek stiprina išorinį magnetinį lauką.

Paramagnetikų magnetinė skvarba nedaug didesnė už vienetą (u > 1). Net labai stiprių para-

magnetikų

ji mažai skiriasi nuo vieneto, pavyz-

džiui, platinos u = 1,00036. Paramagnetikai sukuria silpną savąjį magnetinį lauką, kurio indukcijos vektoriaus (B) kryptis sutampa

su išorinio magnetinio

lauko indukcijos

105

vektoriaus

(134)

kryptimi.

Paramagnetikų

sa-

vojo magnetinio lauko prigimtis yra sudėtingesnė. Šį lauką sukuria mikroskopinės srovės,

atsirandančios dėl elektronų sukimosi apie savo ašį! (žr. 3.7.2 pav.). Kai išorinio magneti-

nio lauko nėra, mikroskopinių srovių sukurtų magnetinių laukų indukcijos vektoriai (B.) orientuoti netvarkingai (3.7.6 pav., a). Todėl paramagnetikas savojo magnetinio lauko neturi (B, = 0). Paramagnetikui

Kaitinant

paramagnetiką,

savojo

magnetinio

lauko indukcijos vektorių tvarkingas išsidėsty-

mas išnyksta. Dėl to savasis magnetinis laukas

(B)

susilpnėja ir kartu sumažėja

skvarba ų.

magnetinė

atsidūrus išoriniame

magnetiniame lauke, savųjų magnetinių laukų indukcijos vektoriai orientuojami išorinio mag-

netinio lauko kryptimi (3.7.6 pav., b). Dėl to savojo magnetinio

(3, > 0) ir šis laukas papildo išorinį magnetinį lauką.

lauko indukcija nelygi nuliui

Koks fizikinis dydis apibūdina terpės

A

S 8

3.76 pav, a

3.7.6pav,b

Kokia yra Ampero hipotezės esmė?

Skutimosi peiliuką magnetas pritraukia. Tačiau pakaitintas liepsna peiliukas nuo magneto atitrūksta. Paaiškinkite šį reiškinį.

Ką vadiname feromagnetikais; paramagne-

Paieškokite informacijos apie feromagnetikų

magnetines savybes?

taikymą buityje ir technikoje. Padiskutuokite

tikais; diamagnetikais? Kur taikomos šios

medžiagos?

apie tai.

3.8. Elektrinių ir magnetinių laukų

poveikis gyvajai gamtai ir žmogui

“8 k = £

ai

£ 7 Ž a8 3

Visa gyvoji gamta Žemėje gyvena jos magne-

tiniame lauke. Tačiau tik nedaugelis gyvūnų geba jį justi. Nemažai gyvūnų, iš jų kai kurie ropliai, paukščiai ir delfinai, orientuojasi registruodami nedidelius Žemės magnetinio lauko pokyčius.

0,01

Pavyzdžiui,

jūrų

vėžliai

pajunta

net

uT dydžio pokytį. Tai sudaro apie 0,2 00

Žemės magnetinio lauko indukcijos. Kaip veikia

šie biologiniai kompasai? Viena iš teorijų teigia, " Čia tarsi

kad kai kuriuose audiniuose aptinkamos magne-

tito molekulės veikia kaip mažytės kompasų rodyklėlės. Kita teorija tvirtina, jog gyvūnai jaučia magnetinio lauko poveikį biocheminėms reakcijoms. Biologai mano, kad paukščiai migruodami orientuojasi pagal Žemės magnetinį lauką. Kai kurių paukščių, delfinų ir bičių organizmuose rasta mažyčių magnetito kristalėlių, kuriuos nervų skaidulos jungia su smegenimis. Tai pa-

elgiame analogiją su Žemės judėjimu. Žemė skrieja orbita aplink Saulę ir drauge sukasi apie savo ašį. Tačiau reikia

atkreipti dėmesį į tai, kad elektronas juda ne pagal klasikinės, o pagal kvantinės mechanikos dėsnius.

tvirtina prielaidą, kad šių gyvūnų navigacinius gebėjimus lemia Žemės magnetinis laukas. Kai

nius

elektrinius

pateikiamos kai kurių buitinių prietaisų sukurtų elektrinių laukų stiprio ir magnetinių laukų indukcijos modulio vertės.

kurių

rūšių

žuvys,

gyvenančios

receptorius,

kurie

lauko pokyčius.

IU

tamsoje,

jaučia

turi

elektrinio

ar stipresnius

elektrinius

ir magnetinius

laukus, kurių intensyvumas priklauso nuo įrenginio galios ir būklės. 3.2 lentelėje (žr. p. 108)

per rr

aa

Veikla

Kai aaa kis

Ka aina

Snaudulys

ApsMiegasram

IG S EeTteg ES

una

Magnetinis laukas

(sn

3.8.2 pav.

ul

Stiprius

SCI

laukų,

taip

televizoriai,

kūnas yra elektrinių ir magnetinių

pat

infraraudonosios

spinduliuo-

tės šaltinis (3.8.1 pav.). Svarbiausi jo elektros

centrai — smegenys ir širdis. Šių organų skleidžiami elektros impūlsai teikia daug informacijos apie jų veiklą.

elektrinius

ir

magnetinius

laukus

skleidžia mikrobangų krosnelės, šaldytuvai (ypač neturintys apledėjimo sistemos), kompiuteriai,

3.8.1 pav.

Žmogaus

Gilus miegas

Impulsai registruojami

spe-

cialiais prietaisais ir užrašomi. Taip gaunamos

kardiogrūmos, encefalogrūmos. Žmogaus smegenys siunčia silpnesnius elektros impulsus negu

širdis. Įdomu tai, kad šių impulsų forma ir daž-

mobilieji

telefonai,

kai

kurios

šil-

domos grindys, signalizacijos sistemos, elektros maitinimo

kabeliai, transformatorinės, radijo ir

televizijos

siųstuvai

(3.8.3

pav.).

Tolstant

nuo

spinduolio, laukų stipris sparčiai mažėja. Skaičiavimai rodo, kad šiuo metu elektromagnetinių impulsų intensyvumas yra beveik 200 mln. kartų didesnis už tą, kuris buvo mūsų

protėvių laikais.

Tyrimais nustatyta, kad nuola-

tinis įvairių elektrinių įrenginių poveikis kenkia

žmogaus sveikatai. Antai jautrių žmonių, ilgą lai-

nis keičiasi. 3.8.2 paveiksle pavaizduota, kaip jie

atrodo žmogui dirbant, užmiegant, miegant ir

giliai įmigus.

Kitaip negu kai kurie gyvūnai, žmogus nejunta nei elektrinių, nei magnetinių laukų. Kadangi

jo kūnas skleidžia tokius laukus, vadinasi, žmo-

gus yra jautrus jiems, jų pokyčiams.

Šiuo metu

mus supančioje aplinkoje šalia Žemės magnetinio lauko yra daug techninių įrenginių sukurtų magnetinių ir elektrinių laukų. Buityje plačiai naudojami pramoninio (50 Hz) dažnio elektri-

niai įrenginiai. Aplink save jie sukuria silpnes-

107

ką būnančių

netoli siųstuvų, gali pablogėti savi-

Išjų stipriausi elektriniai laukai sukuriami trans-

jauta ir darbingumas, ilgalaikis aukštosios įtampos linijų ir transformatorinių poveikis sukelia leukemiją (kraujo vėžį).

formatoriuose,

ra: skalbyklės, siurbliai, džiovintuvai, oro kondi-

manančių, kad ilgai dirbant kompiuteriu galima susirgti kai kuriomis ligomis.

Žmones veikia ir buitinė elektroninė aparatū-

cionieriai, elektrinės krosnelės, šildymo aparatai.

prietaisų.

kurių

yra daugelyje

elektrinių

Kompiuteris pasaulyje vis dažniau vadinamas

žydruoju žudiku. Daugėja medicinos specialistų, 3.2lentelė

ų prietaisų elektriniai

ir magnetiniai laukai

Elektrinio lauko

is prietaisas

Magnetinė indukcija, T

stipris, V/m

Atstumas 30 cm

3cm

30 cm

1m

Spalvotas televizorius

30

2,5-50,0

0,04-2,00

0,010-0,150

Dulkių siurblys

16

200,0-800,0

2,00-20,00

0,130-2,000

60

8,0-30,0

0,12-0,30

0,10-0,025

Plaukų džiovintuvas

40

6,0-2000,0

0,01-7,00

0,010-0,30

Elektrinis plakiklis

50

60,0-700,0

0,60-10,00

0,020-0,250

Elektrinė viryklė

4

6-200

0,2-4,2

-

Lygintuvas

Elektrinė antklodė

250

Šaldytuvas

60

Liuminescencinė lempa

-

-

0,5-24

-

Mikrobangų krosnelė

=

-

4,0-12,0

>

-

-

0,01-040

-

Skalbyklė

Tarpdalykinis projektas “S ž a £ i T] = oS z

Parenkite pranešimą apie magnetinių laukų taikymą medicinoje (magnetoterapiją): magnetinio lauko poveikį kaulų augimui, lūžusių kaulų sujungimui, kraujo prisotinimą deguonies ir pan.

Magnetinis laukas

Magnetinis laukas - ypatingos formos materija, sudaranti sąlygas

Magnetinio lauko savybės

1. Magnetinis laukas egzistuoja realiai, nepriklausomai nuo mūsų žinių apie jį.

sąveikauti judančioms elektringosioms dalelėms.

2. Magnetinį lauką sukuria tik judantys elektros krūvininkai. 3. Magnetinis laukas veikia judančius elektros krūvininkus. Magnetosfera

Magnetosfera - Žemės rutulį supanti erdvė, kurioje reiškiasi magnetinis laukas.

Magnetiniai Žemės poliai

Žemės paviršiaus ir magnetosferos ašies sankirtos taškai vadinami

Magnetinės audros

Magnetinės audros - trumpalaikiai Žemės magnetinio lauko

Magnetinio lauko jėgų

jų kryptis

magnetiniais Žemės poliais. sutrikimai.

linijos,

Linijos, išilgai kurių magnetiniame lauke išsidėsto magnetinės rodyklės, vadinamos magnetinio lauko jėgų linijomis, arba

magnetinėmis linijomis.

Magnetinio lauko jėgų linijų kryptis nustatoma pagal sraigto arba dešinės rankos taisyklę. Sraigto taisyklė: kai sraigto slenkamojo judėjimo kryptis sutampa su laidininku tekančios srovės kryptimi, jo rankenos sukimosi kryptis

rodo magnetinio lauko jėgų

linijų kryptį.

L—

Dešinės rankos taisyklė: jei laidininką, kuriuo teka elektros srovė, apimsime dešine ranka taip, kad ištiestas nykštys rodytų srovės kryptį, tai kiti keturi pirštai rodys magnetinio lauko jėgų linijų kryptį.

109

Magnetinės indukcijos vektorius, jo modulis

Fizikinis dydis, apibūdinantis magnetinį lauką, vadinamas magnetinės indukcijos vektoriumi ir žymimas B. Jis nukreiptas išilgai magnetinio lauko jėgų linijų liestinės.

Magnetinio lauko

Tėgų linija A

Magnetinės indukcijos

vektorius

Magnetinės indukcijos vektoriaus, kaip ir magnetinių linijų, kryptis nustatoma pagal sraigto arba dešinės rankos taisyklę.

Magnetinės indukcijos vektoriaus moduliu (B) vadinamas

didžiausios jėgos (F), kuria vienalytis magnetinis laukas veikia jame esančią laidininko dalį, ir tuo laidininku tekančios srovės stiprio (I)

bei Ridininko dalies ilgio (A/) sandaugos santykis:

B= I Ampero jėga

Jėga, kuria magnetinis laukas veikia laidininką, kai juo teka elektros srovė, vadinama Ampero jėga. Ji lygi magnetinės indukcijos vektoriaus modulio (B), srovės stiprio (I), laidininko dalies ilgio (Al) ir kampo (a) tarp magnetinės indukcijos vektoriaus bei laidininko

dalies sinuso sandaugai: F„= BIAI sin a.

Ampero jėgos kryptis

£sEi G A

5G |4 J5 z

Nuolatinės elektros srovės variklis Lorenco jėga

Ampero jėgos kryptis nustatoma pagal kairės rankos taisyklę: jeigu kairė ranka laikoma taip, kad magnetinės indukcijos linijos eina įjos delną, o keturi ištiesti pirštai rodo elektros srovės kryptį, tai delno plokštumoje 90* kampu ištiestas nykštys rodo laidininko dalį veikiančios jėgos kryptį.

Nuolatinės elektros srovės variklis - įrenginys, kuris elektros energiją paverčia mechanine energija.

Jėga, kuria magnetinis laukas veikia judančią elektringąją dalelę, vadinama Lorenco jėga. Lorenco jėgos modulis lygus elektringosios dalelės krūvio modulio

(|g|), judėjimo greičio modulio (v), magnetinės indukcijos vektoriaus modulio (B) ir kampo (a) tarp dalelės greičio ir magnetinės indukcijos vektorių sinuso sandaugai:

F.= |g|vB sin a.

Lorenco jėgos kryptis

Lorenco jėgos kryptis nustatoma pagal kairės rankos taisyklę: jeigu kairė ranka laikoma taip, kad magnetinės indukcijos linijos eina statmenai į jos delną, o keturi ištiesti pirštai rodo teigiamosios elektringosios dalelės judėjimo kryptį, tai delno plokštumoje 90* kampu ištiestas nykštys rodo tą dalelę veikiančios Lorenco jėgos

kryptį.

Magnetinė skvarba

Fizikinis dydis, kuris rodo, kiek kartų magnetinio lauko indukcija

(B) vienalytėje terpėje skiriasi nuo magnetinio lauko indukcijos (B;)

vakuume, vadinamas magnetine skvarba:

NH

E:

Feromagnetikai

Feromagnetikais vadinamos medžiagos, sukuriančios savąjį magnetinį lauką, kuris labai stiprina išorinį magnetinį lauką. Feromagnetikų ų >1.

Diamagnetikai

Diamagnetikais vadinamos medžiagos, sukuriančios savąjį magnetinį lauką, kuris šiek tiek silpnina išorinį magnetinį lauką. Diamagnetikų u

dinamas elektroniniu laidumū. Elektroninis

a

9

a

a

a

s

laidumas dar vadinamas n laidumū (lot. negati-

vus - neigiamas). Nutrūkus

kovalentiniam ryšiui, atsiranda lais-

va vieta, kurią gali užimti gretimo atomo elektronas. Ta vieta vadinama skylė. Skylės padėtis




2

a

kristale kinta. Puslaidininkio kristalui atsidūrus

Skylių judėjimo kryptis

tingai — atsiranda skylinio laidumo elektros sro-

434 pav.

elektriniame lauke, skylės pradeda judėti kryp-

vė (4.3.4 pav.). Skylinis laidumas trumpiau vadinamas p laidumū (lot. positivus — teigiamas). Suprantama, kad skylinio, kaip ir elektroninio, laidumo srovę sukelia kryptingai judantys elek-

| Elektronų judėj

tronai. Idealiame puslaidininkio kristale neigiamųjų

laisvųjų

elektronų

skaičius yra vienodas.

ir teigiamųjų

skylių

Priemaišinis puslaidininkių laidumas Savasis

puslaidininkių

Į puslaidininkį

įterpus

laidumas nėra didelis.

priemaišų,

jis smarkiai

padidėja. Atsiradęs papildomas laidumas vadi-

namas priemaišiniū laidumū. Jis priklauso

nuo priemaišos rūšies ir koncentracijos. Puslai-

dininkiuose su priemaiša vyrauja vienos rūšies

(elektroninis arba skylinis) laidumas. Pagal tai

jie skirstomi į dvi rūšis:

+ elektroninius pūslaidininkius; + skyliniūs pūslaidininkius.

* Panašiai lenktyniniai automobiliai, važiuodami dideliu greičiu, posūkyje kartais išlekia iš trasos

119

Elektroniniai puslaidininkiai Elektroniniai puslaidininkiai gaunami, kai į ma-

Puslaidininkiai, kuriuose, palyginti su sky-

nio valentingumo medžiagos, pavyzdžiui, į keturvalentį silicį (Si) įdedama penkiavalenčio arseno (As: 4.3.5 pav.). Arseno atomas sudaro keturis kovalentinius ryšius su silicio atomais, o penktasis

nami elektroniniais pūslaidininkiais. Kartais jie įvardijami trumpiau - n pūslaidininkiai (iš lot. negativus — neigiamas).

žesnio valentingumo medžiagą įterpiama dides-

liniu, vyrauja elektroninis laidumas, vadi-

valentinis jo elektronas lieka silpnai susijęs su ato-

Laisvasis elektronas

mo branduoliu. Todėl net kambario temperatūros sąlygomis jis nesunkiai atitrūksta nuo branduolio

ir virsta laisvuoju elektronu. Priemaiša, kuri ati-

duoda elektronus, vadinama donorinė.

Puslaidininkio su donorine priemaiša elektronai yra pagrindiniai, tačiau ne vieninteliai krūvininkai — elektros krūvį pernešančios dalelės. Paprastai

būna

jonizuota

šiek tiek savųjų

pus-

laidininkio kristalo atomų ir dalį srovės sukelia skylės. Šiuo atveju jos yra šalutiniai krūvininkai.

43,5 pav.

Skyliniai puslaidininkiai Skyliniai puslaidininkiai gaunami, kai į didesnio valentingumo medžiagą įterpiama mažesnio

valentingumo medžiagos, pavyzdžiui, į keturvalentį silicį (Si) įdedama trivalenčio indžio (In).

lot. positivus — teigiamas). Pagrindiniai skylinio puslaidininkio krūvininkai yra skylės, o šalutiniai — elektronai.

Priemaišos atomai sudaro tris kovalentinius ry-

šius. Ketvirtajam trūksta vieno elektrono, taigi atsiranda skylė (4.3.6 pav.). Priemaiša, sukurianti

skyles, vadinama akceptorinė. Skylių tokiame 92 į = £ A £

kristale yra tiek pat kiek priemaišos atomų. Puslaidininkiai, kuriuose, palyginti su elektroniniu, vyrauja skylinis laidumas, vadinami

skyliniais pūslaidininkiais. Šios rūšies puslai-

dininkiai dar vadinami p pūslaidininkiais (iš

I

S

2 7 2 25 a B k £[r]

Ką vadiname savuoju puslaidininkių laidumu? Kokių judriųjų elektringųjų dalelių yra tokiame puslaidininkyje? Ką vadiname priemaišiniu puslaidininkių laidumu?

4346 pav.

Skylė

Pažaiskite žaidimą, imituojantį skylių judėjimą puslaidininkyje. Tvarkingai susėskite į suolus po du, išskyrus pirmąjį suolą. Jame turėtų sėdėti

tik vienas mokinys, o kitą vietą reikėtų palikti

tuščią (skylės analogas). Vienas mokinys iš antrojo suolo persėda į pirmąjį. Į antrajame

suole atsiradusią vietą atsisėda mokinys iš

trečiojo suolo, į trečiajame suole atsiradusią

vietą — mokinys iš ketvirtojo suolo ir t. t. Taip tuščia vieta klasėje juda kaip skylė puslaidininkyje. Padiskutuokite, kaip šis

žaidimas padėjo suprasti skylinį laidumą puslaidininkyje.

Kokio laidumo puslaidininkį gausime įterpę

į germanį:

a) galio;

b) arseno; c) seleno;

d) indžio?

Kodėl, kylant temperatūrai, puslaidininkių varža mažėja, o metalų didėja?

Ar galima, didinant puslaidininkių

temperatūrą, pasiekti, kad jų laidumas prilygtų metalų laidumui? Kodėl?

Nurodykite, kuo iš esmės

skiriasi metalų

ir elektroninių puslaidininkių laidumas.

CC)

Kokiomis sąlygomis puslaidininkis gali virsti dielektriku? Ar, būdamas tokios būsenos, jis

gali išlaikyti puslaidininkio savybes?

Kambario temperatūroje germanio laidumo

elektronų koncentracija lygi 3+ 10! m ?.

Kurią bendro atomų skaičiaus dalį sudaro laidumo elektronai, kai germanio tankis

54000 kg/m“, o molio masė 0,073 kg/mol?

(6,7-10“* dalį)

Sąsiuvinyje pabaikite pildyti schemą,

nu-

rodančią puslaidininkių laidumo rūšis:

PUSLAIDININKIŲ LAIDUMAS

1 Sarastsi

Es maišinis

Apšviestų puslaidininkių varža mažėja,

o metalų nepakinta, nors elektronui išplėšti iš metalo atomų reikia mažesnės energijos

negu iš puslaidininkio atomų. Kaip paaiškinti šį reiškinį?

4.4*. Puslaidininkinė sandūra. Puslaidininkinis diodas inkių kontaktas Praktikoje

plačiai

naudojami

puslaidininki- | lės) pavaizduoti raudonais rutuliukais, šalutiniai

niai prietaisai, sudaryti iš dviejų skirtingų pus- | (elektronai) — mėlynais, o elektroninio puslailaidininkių: skylinio (p) ir elektroninio (n). | dininkio pagrindiniai krūvininkai (elektronai) — Dviejų skirtingo laidumo puslaidininkių kon- | mėlynais rutuliukais, šalutiniai (skylės) — rau-

taktas, arba riba, skirianti skylinio ir elektroni- | donais (4.4.1 pav., a). Suglaudus

du skirtingo

nio laidumo sritis, vadinama puslaidininkinė, | laidumo puslaidininkius, prasideda krūvininkų arbaskylinė-elektronine, sandūra, arbatrum- | difuzija. Dalis elektronų pereina iš n puslaidi-

piau — pn sandūra. ninkio į p puslaidininkį (4.4.1 pav., b), čia susiAptarkime, kaip ji susidaro (4.4.1 pav.). Skyli- | duria su skylėmis ir rekombinuoja!, t. y. elektronio puslaidininkio pagrindiniai krūvininkai (sky- | nai ir skylės neutralizuoja vieni kitus.

kombinacija“ kilęs iš lot. re — veiksmo atnaujinimas arba pasikartojimas, priešingas veiksmas arba pasipriešinimas, combinatio— jungimas, derinimas. "Žodis „

121

Skylinio puslaidininkio skylės! juda priešinga kryptimi. Elektroniniame puslaidininkyje susidūrusios su elektronais, jos rekombinuoja. Dėl krūvininkų difuzijos ir rekombinacijos iš abiejų

skylinės-elektroninės sandūros pusių susidaro

sritis (maždaug 1077-1079 m pločio), kurioje krūvininkų labai sumažėja. Dėl to šios srities varža padidėja ir toji sritis virsta dielektriku.. Toliau

vykstant

krūvininkų

difuzijai,

n pus-

laidininkio sritis prie skylinės-elektroninės sandūros įsielektrina teigiamai, o p puslaidininkio sritis — neigiamai (4.4.1 pav., c). Atsiradę priešingo

ženklo

krūvininkai

skylinės-elektroninės

sandūros srityje sukuria elektrinį lauką, kuris

pradeda stabdyti difuziją. Susidaro užtvarinis slūoksnis — priešingo ženklo krūvininkų sritys

P

a

*858

"EL

s'a83

333

2

3342

22335

441 pav, a P

Ė n

P

n

Šo. 3 333

Šae2?a4

332'+-L129 832

33 Sa 4 ?a d2

9253 323

232

A E

Užtvarinis sluoksnis

44. pav,b

44.1 pav, C

abipus skylinės-elektroninės sandūros, stabdančios tolesnį elektringųjų dalelių judėjimą. Taip skylinėje-elektroninėje

sandūroje

nusistovi

di-

naminė pusiausvyra.

Laidžioji kryptis puslaidininkių kontakte Elektros srovės tekėjimas per pn sandūrą priklauso nuo to, kaip ši sandūra jungiama prie srovės šaltinio. Kai p puslaidininkis prijungiamas prie teigiamojo šaltinio poliaus, o n puslaidininkis — prie neigiamojo (4.4.2 pav.), elektros srovę

n

ale) S 22 29 3)92,2 299

ži

terpėse

sandūra įjungta į grandinę laidžiąja kryptimi.

=2 2d 2 e ž 6pr

Sandūros elektrines savybes atspindi jos voltamperinė charakteristika — elektros srovės stiprio priklausomybė nuo įtampos. Didinant šal-

L—

B

33 353372 42

+-—

per sandūrą sukelia pagrindiniai krūvininkai. Iš n puslaidininkio į p puslaidininkį juda elektronai, o iš p puslaidininkio į n puslaidininkį - skylės. Dėl to viso puslaidininkio laidumas yra didelis, o varža — maža. Sakoma, kad nagrinėjama

I

U

4433 pav. tinio

stipris

įtampą,

didėja.

puslaidininkiu

Laidžiosios

tekančios

krypties

voltampe-

rinę charakteristiką vaizduoja grafiko dalis AB

(4.4.3 pav.). Laidžiosios krypties srovė dar vadinama tiesiogine srovė.

Užtvarinė kryptis puslaidininkių kontakte Kai p puslaidininkis prijungiamas prie neigia-

mojo šaltinio poliaus, o n puslaidininkis — prie teigiamojo (4.4.4 pav.), skyline-elektronine sandūra juda šalutiniai krūvininkai: iš n puslaidininkio — skylės, iš p puslaidininkio — elektro-

nai. Tačiau skyliniame puslaidininkyje yra mažai elektronų, o elektroniniame — mažai skylių. Pa-

srovės

444 pav.

"Iš tikrųjų iš elektroninio puslaidininkio į skylinį pereina valentiniai elektronai, dėl to skylės juda priešinga kryptimi.

grindiniai krūvininkai, veikiami elektrinio lauko, tolsta nuo sandūros.

grandinę būdas vadinamas jungimu užtvarinė kryptimi. Užtvarinės krypties voltamperinę

tai pačiai įtampai, yra daug mažesnis negu laidžiąja kryptimi. Toks pn sandūros jungimo į

4.4.3 pav.). Užtvarinės krypties srovė vadinama

Dėl

to

srovės

stipris

puslaidininkyje,

esant

charakteristiką

vaizduoja

grafiko

dalis CA

(žr.

atgalinė srovė.

Puslaidininki Skylinės-elektroninės sandūros savybė praleisti elektros srovę tik viena kryptimi taikoma puslaidininkiniuose

dioduose.

Puslaidininkiniū

diodū vadinamas prietaisas, turintis vieną skylinę-elektroninę sandūrą ir du išvadus, kuriais jungiamas į elektrinę grandinę. Puslaidininki-

niai diodai gaminami iš seleno, germanio, silicio ir kitų medžiagų.

Elektrinėse schemose

jie

nio laidumo. Taip tarp skirtingo laidumo sričių

susidaro

skylinė-elektroninė

Siekiant

išvengti aplinkos poveikio (šviesos, oro), diodai

dedami į hermetiškus apsauginius apvalkalus. Puslaidininkiniai diodai naudojami kintamajai srovei lyginti skaičiavimo technikoje, radiotech-

nikoje.

žymimi ženklu, pavaizduotu 4.4.5 paveiksle, a

Smailės kryptis sutampa su laidžiąja kryptimi (iš p puslaidininkio į n puslaidininkį). 4.4.5 pa-

sandūra.

445 pav, a

i

veiksle, b, pavaizduota keletas puslaidininkinių

diodų. Mechaniškai suliečiant du skirtingo laidumo puslaidininkius, pavyzdžiui, elektroninį ir sky-

linį, skylinės-elektroninės sandūros gauti nepavyksta, nes tarp jų susidaro pernelyg didelis

(palyginti su atstumu tarp atomų) tarpas. Skylinė-elektroninė sandūra sudaroma įlydant vieną

medžiagą į kitą, pavyzdžiui, į germanio paviršių įlydoma indžio (4.4.6 pav.). Indžio atomams

skverbiantis į germanį, jo paviršiuje susidaro skylinio laidumo sritis. Kita germanio dalis, į kurią indžio atomai nepatenka, tebėra elektroni-

445 pav,b

Išvadas

Elektroni

puslaidininkis

Korpusas: Indžio lašelis

Germanio plokštelė

Skylinis puslaidininkis

Skylinė-elektroninė sandūra

446 pav.

123

Ką vadiname puslaidininkine sandūra? Kaip ji technologiškai gaunama? CO

Kas yra užtvarinis sluoksnis? Paaiškinkite, kaip jis susidaro. Kaip skylinis-elektroninis puslaidininkis jungiamas prie srovės šaltinio laidžiąja kryptimi? Kokie krūvininkai sukelia srovę sandūroje?

(C42) Kaip reikia prijungti skylinį-elektroninį

€) Palyginkite elektronų judėjimą skyliniame puslaidininkyje (p) ir varže. d) Nurodykite, ar grandine tekės elektros srovė, kai sukeisime srovės šaltinio polius. Atsakymą pagrįskite. 4.4.8 paveiksle pavaizduotos puslaidininkinio diodo jungimo į elektrinę grandinę schemos. Paaiškinkite, kas atsitiks kiekvienu atveju sujungus grandinę.

puslaidininkį prie srovės šaltinio užtvarine kryptimi? Kas šiuo atveju lemia puslaidininkio laidumą? Ką vadiname puslaidininkiniu diodu? Kaip jis gaminamas? Kur taikomas? Elektrinę schemą (4.4.7 pav.) sudaro elekironinis ir skylinis puslaidininkiai, varžas ir srovės šaltinis. a) Palyginkite elektronų judėjimą puslaidininkiuose. b) Palyginkite elektronų judėjimą elektroniniame (n) puslaidininkyje ir varže.

R

+-

2

8

4.4.7 pav.

44.8pav,b

448 pav,a

4.5*. Puslaidininkiniai prietaisai 92 į = £ 9a £ =

i

2 "7 > 25 “ 8 k £[r]

Šviesos diodai Šviesos diodai (LED) vis dažniau pakeičia kaitinamąsias elektros lempas. Jų šviesos srautas gali

būti sutelktas kelio ar pastato dalims apšviesti. Šviesos diodai naudojami naktinei architektūrai

paryškinti ar spalvų tonams pakeisti (4.5.1 pav., a). Šie diodai mažai kaista, todėl juos galima

ir puslaidininkinį

lustą (4.5.2 pav.).

Jo vidu-

Tarp jų susidaro (4.5.3 pav.).

skylinė-elektroninė

sandūra

je yra sluoksnis, turintis elektronų perteklių, t. y. elektroninis (n) puslaidininkis. Virš jo yra kitas sluoksnis — skylinis (p) puslaidininkis.

Šviesos diodų veikimas pagrįstas pn sandūros sa-

Tokią sandūrą įjungus laidžiąja (tiesiogine) kryptimi, dalis į skylinį puslaidininkį pateku-

Šviesos diodas yra skaidrus, bespalvis, ritinio formos kūnas, kurio skersmuo apie 5 mm, o il-

niais krūvininkais.

montuoti į sienas, lubas, baldus (4.5.1 pav., b). vybėmis.

gis apie 8 mm.

Apžiūrėję įjungtą šviesos dio-

dą, pamatysime per jo pagrindą einančią vielą

sių elektronų ir į elektroninį puslaidininkį prasiskverbusių skylių rekombinuoja su pagrindiTuo metu

elektros energija

paverčiama šviesos energija. Diodai, skleidžiantys žalią, geltoną ir raudoną šviesą, sukurti jau

4.5.1 pav, a

45.1 pav.,b

seniai, o mėlyną — tik pastaruoju metu. Šviesos

diodų privalumas yra tas, kad švytėti jie pradeda labai greitai.

Šiuo metu stengiamasi sumažinti šviesos diodų

4

gamybos kainą, padidinti jų efektyvumą, išplėsti spinduliuojamų

spalvų gamą. Raudonų,

žalių ir

mėlynų šviesos diodų išvesčių spinduliuotės visada galima sumaišyti ir gauti baltą šviesą, kuri būtų

labai plačiai taikoma. Tokie diodai turėtų pakeisti prieš daugiau kaip šimtmetį Tomo Edisono (Thomas Edison) išrastas kaitinamąsias lempas.

4.5.2 pav.

ŠVIESOS DIODO LUSTAS

ŠVIESOS DIODO

Skylė Na' + Cl.

Elektrolitinės disociacijos reiškiniui turi įtakos molekulių šiluminis judėjimas. Pakilus elektrolito temperatūrai, padidėja molekulių šiluminio judėjimo vidutinė kinetinė energija, o kartu ir jonų porų, susidariusių per vienetinį laiką, skai-

čius. Kylant temperatūrai, jonų koncentracija didėja, todėl elektrolito elektrinė varža mai

9Ž į = £ A £ KI

= 7 > 25 “ 8 k £[r]

Susitikę priešingų ženklų jonai gali susijungti ir sudaryti neutralias molekules. Šis procesas

vadinamas jonų rekombinacija. Ji priklauso nuo tirpiklio dielektrinės skvarbos. Pavyzdžiui,

vandens dielektrinė skvarba lygi 81, todėl jonų sąveikos jėga vandenyje sumažėja 81 kartą.

Teigiamieji ir neigiamieji jonai gali susidaryti

elektrolitus lydant. Antai žemos temperatūros sąlygomis stiklas nelaidus elektros srovei, nors jame yra natrio jonų. Pakaitintas iki 300-400 *C, jis virsta laidininku - jonai gali laisvai judėti.

Elektrolizė Elektrolitinės disociacijos metu susidarę jonai juda netvarkingai (4.7.3 pav., a). Prie elektrodų

prijungus elektros srovės šaltinį, atsiranda elektrinis laukas. Jo veikiami elektrolito jonai ima judėti kryptingai (4.7.3 pav., b): teigiamieji jonai - katodo link, neigiamieji jonai - anodo link. Šių elektringųjų dalelių judėjimas yra elektros srovė. Kadangi krūvį elektrolitų vandeniniuose tirpaluose arba lydaluose perneša jonai, tai lai-

dumas vadinamas joniniu laidumū. Skysčiams

sĮš 2

a4l2

473 pav,a

473 pav,b

ir skystiesiems metalams elektroninis laidumas. Jonai,

pasiekę

gali būti būdingas ir

elektrodus,

ant jų nusėda.

Šis

reiškinys vadinamas oksidacijos-redukcijos reakcija. Neigiamųjų jonų nusėdimas ant anodo chemijoje

vadinamas

oksidacijos

reakcija.

Jai

vykstant neigiamieji jonai atiduoda perteklinius elektronus:

CrF-e>—

Cl.

Teigiamųjų

namas redukcijos reakcija. Jos metu teigiamieji jonai prisijungia trūkstamus elektronus: Na' + e > Na.

Medžiagos išsiskyrimas ant elektrodų tekant srovei elektrolitu vadinamas elektrolizė.

Kokios elektringosios dalelės sukelia

Tuščiavidurį metalinį ritinį reikia padengti nikelio sluoksniu. Kaip reikia prijungti elektrodus, kad nikeliu būtų galima padengti tiek išorinį, tiek vidinį ritinio

elektros srovę skysčiuose? Kaip jos

atsiranda?

Paaiškinkite, kodėl tirpalas, kuriame yra jonų, elektriškai neutralus.

paviršių? Nubraižykite aiškinamąjį brėžinį. Elektrolizės įrenginį pagaminti

Kas turi įtakos elektrolitinės disociacijos

nesudėtinga. Reikia turėti srovės šaltinį,

reiškiniui? (2)

G)

jungiamųjų laidų ir du pieštukus. Internete

Kai elektros srovė teka elektrolito tirpalu,

paieškokite informacijos, kaip su tokiu

medžiaga pernešama, o kai metaliniu laidininku - ne. Pagrįskite šį teiginį.

įrenginiu atliekama vandeninių tirpalų

elektrolizė. Prisiminkite elektrolizės bandymus, atliktus per chemijos pamoką. Juos palyginkite.

Palyginkite elektros srovę puslaidininkiuose ir elektrolituose. Nurodykite panašumus ir

skirtumus.

(6)

jonų nusėdimas ant katodo vadi-

Palyginkite elektrolizės aiškinimus fizikos

Kodėl, didėjant temperatūrai, elektrolitų varža mažėja? Atsakymą pagrįskite.

ir chemijos vadovėliuose. Kuo jie panašūs ir

kuo skiriasi?

4.8*. Elektrolizės dėsnis. Elektrolizės

taikymas

Elektrolizės teorijos pradžia - Lietuvoje

Elektrolizės reiškinį tyrinėjo mūsų šalies moks-

lininkas

Teodoras

fon

Grotusas

(Theodor

von

Grotthuss, 1785-1822). Jis gimė netoli Žeimėlio

Gedūčių dvarininkų šeimoje. Vaikystėje Grotu-

sas buvo mokomas literatūros, meno ir muzikos.

Domėjimasis tapyba paskatino jo polinkį gamtos mokslams.

Tapybai

reikėjo dažų, tačiau

dažų

domėtis

jų gamyba.

nebuvo.

Todėl

savybes,

Grotusas

pats

pradėjo

bibliotekoje rastų knygų aprašymus

jų

tyrinėti

Pagal

tėvo

būsimasis

131

kietijoje, Prancūzijoje, Rūsijoje. Studijų metais

jis susidomėjo galvaniniais reiškiniais ir įsitraukė į jų tyrimus. 1805 m. prancūzų kalba išleido ne-

didelės apimties mokslinį veikalą. Jame buvo atspausdinta pirmoji pasaulyje elektrolizės teorija. Netrukus ji buvo išversta į kitas pasaulio kalbas:

vokiečių, anglų. Maiklo Faradėjaus elektrolizės teorija paskelbta tik 1833 m. Taigi galima di-

džiuotis, kad Lietuvos mokslininkas elektrolizės

mokslo teoriją paskelbė beveik trimis dešimtmečiais anksčiau.

Grotusas dar domėjosi geologija, fotochemija.

Jis buvo pirmasis tyrėjas Lietuvojė, gvildenęs fizikinės chemijos reiškinius.

Teodoras fon Grotusas

mokslininkas pradėjo daryti bandymus. 1803 m. Teodoras fon Grotusas išvyko į Pai studijuoti inžinerijos. Vėliau Grotusas studijavo Vo-

1985 m., minint Teodoro fon Grotuso gimimo 200 metų sukaktį, prie buvusio Gedūčių dvaro tvenkinio atidengtas paminklinis akmuo su šio

mokslininko bareljefu.

Elektrolizės dėsnis Vykstant elektrolizei, ant elektrodų išsiskiria medžiaga. Jos masė lygi visų jonų, nusėdusių ant elektrodo per tam tikrą laiką, masei:

m= mN; čia m; — vieno

jono masė, N, — nusėdusių

(4.1) jonų

skaičius. Jonų perneštas elektros krūvis lygus vieno jono

krūvio ir ant elektrodo nusėdusių jonų skaičiaus 95 1 E £ 82

£

I

2

= 2 aD " B ž =a

sandaugai:

4=4,N,.

(4.2)

Vieną lygtį panariui padaliję iš kitos, gauname:

m.m LH

(43)

Jono masės ir krūvio santykis (k) vadinamas medžiagos elektrochėminiu ekvivalentū. Iš 4.3 formulės matyti, kad ant elektrodo nusėdu-

sios medžiagos masė yra tiesiogiai proporcinga elektrolito tirpalu pratekėjusiam elektros krūviui:

m = ką.

(4.4)

Ši teoriškai gauta priklausomybė dar XIX a.

buvo pagrįsta bandymais. 1833 m. ją nustatė anglų fizikas ir chemikas Maiklas Faradėjus. Jis išma-

tavo katodo masę prieš bandymą ir po jo, elektros srovės stiprį ir jos tekėjimo trukmę. Remdamasis

bandymo rezultatais, Faradėjus nustatė, kaip ant elektrodo nusėdusios medžiagos masė priklauso nuo srovės stiprio ir srovės tekėjimo trukmės.

Šią dydžių priklausomybę vadiname Faradė-

jaus, arba elektrolizės, dėsniu: ant elektrodo nusėdusios medžiagos proporcinga

masė

yra tiesiogiai

srovės stipriui ir jos tekėjimo

trukmei:

m = kIAt. Faradėjus

pirmasis

pradėjo

(45) vartoti

sąvokas

„elektrodas“, „katodas“, „anodas“, „elektrolitas“, „elektrolizė“.

Elektrolizės taikymas Elektrolizės reiškinys taikomas metalurgijoje.

Iš druskų ir oksidų

varis, nikelis, aliuminis.

išskiriama daugelis metalų:

Šiuo būdu galima gauti

mažai priemaišų turinčių medžiagų. Elektrolizės reiškiniu pagrįstas akumuliatorių veikimas.

Taikant elektrolizę, metalo gaminiai dengiami

plonu kitų metalų sluoksniu: sidabruojami, nikeliuojami,

auksuojami.

Elektrolitinis

gaminių

dengimo plonu metalo sluoksniu būdas vadinamas galvanostėgija

(galvano reiškia sąsają su

4.8.1 pav.

elektros srove, gr. stego — dengiu). Galvanostegija gaminiai puošiami, apsaugomi

cijos (4.8.1 pav.).

nuo oksida-

Elektrolizės būdu galima ant gaminio nusodinti

storą metalo sluoksnį, paskui jį atskirti išlaikant formą.

Įvairių

gaminių

tikslių

kopijų

gavimas

elektrolizės būdu vadinamas galvanoplastika.

Ji taikoma skulptūroms, meno kūrinių kopijoms

gaminti (4.8.2 pav.).

Elektrolizė taikoma žmonių organizmui valy-

ti ir energinei pusiausvyrai atkurti (4.8.3 pav.). Sveiko žmogaus kūno ląstelių neigiamasis potencialas būna nuo 70 mV iki 90 mV. Užterštos

ląstelės neigiamasis potencialas gali sumažėti net iki

10-20

mV.

Tada

sutrinka

maisto

4.8.2 pav.

medžiagų

pasisavinimas ir toksinų išskyrimas. Valant orga-

nizmą elektrolizės būdu, nestipri elektros srovė

(iki 1,5 mA) teka nuo pėdų per visą žmogaus kūną (žr. 4.8.3 pav.). Susidaro uždaroji elektri-

nė grandinė.

Daugelio toksinų elektros krūvis

yra teigiamas. Jie juda elektrine grandine ir per

pėdų poras (kiekvienoje pėdoje jų yra apie 2000) pasišalina į vandenį.

Dėl to pasikeičia vandens

spalva. Pagal vandens spalvos pokytį sprendžiama apie žmogaus organizmo užterštumą.

C

Į vario sulfato tirpalo pripildytą vonią iki pusės panardinami du elektrodai. Tirpalu teka elektros pakis per trumpą laikotarpį ant

elektrolizės angliniai srovė. Kaip katodo

nusėdusio vario masė šiais atvejais:

483 pav.

a) anglinį katodą pakeitus variniu; b) anglinį anodą pakeitus tokios pat formos ir tūrio variniu;

€) padidinus elektrodų įtampą: d) įpylus tos pačios koncentracijos tirpalo;

133

e) padidinus tirpalo koncentraciją; f) suartinus elektrodus; £) sumažinus į tirpalą panardintą anodo dalį; h) sumažinus į tirpalą panardintą katodo

€) Palyginkite srovės tekėjimo lempute ir elektrolizės vonia trukmę. Atsakymą pagrįskite. (6)

dalį:

i) pašildžius elektrolito tirpalą?

G

G

Internete („Youtube“) raskite filmuotos medžiagos apie elektrolizės taikymą vandenilio dujų gamybai. Aptarkite elektrolizei reikalingą įrangą, saugaus darbo reikalavimus atliekant šį bandymą. Atlikdami virtualų bandymą!, patikrinkite Faradėjaus dėsnį. Nustatykite, kaip kinta

Elektrolizės būdu išskiriant gryną aliuminį, naudojamos vonios, kurioms reikalinga 5 V įtampa ir 40 kA stiprio elektros srovė. „Apskaičiuokite: a) per kiek laiko gaunama 1 t aliuminio;

(per 3,1 paros)

b) kiek energijos tam sunaudojama.

(15 MW.)

(C72) Kiek elektros energijos reikia sunaudoti,

norint gauti 2,5 I vandenilio, kurio temperatūra 25 9C, o slėgis 100 kPa? Yra žinoma,

ant elektrodo nusėdusios medžiagos masė,

keičiant elektros srovės stiprį. Stebėkite, kaip vyksta vario sulfato disociacija, kaip juda

susidarę jonai.

kad elektrolizė vyksta, kai įtampa lygi 5 V, o įrenginio naudingumo koeficientas lygus

75 96.

(013 MJ)

(2) Elektrolito tirpalu tekant 2 A stiprio elektros srovei, gaminys pasidengia nikelio sluoksniu, kurio masė 1,8 g. Kiek laiko trunka nikeliavimas? (50 min)

G

Elektrolito

tirpalas

4.8.4 paveiksle pavaizduota elektrolito tirpalo pripildyta vonia ir prie jos lygiagrečiai prijungta elektros lemputė. a) Nurodykite, kokios elektringosios dalelės sukelia elektros srovę lemputėje.

b) Nurodykite, kokios elektringosios dalelės

sukelia elektros srovę elektrolizės vonioje.

4.84 pav.

"Prieiga per internetą adresu http:/mkp.emokykla.lt/imo/lt/mo/274/. 15 į = £ 82 E I

i

v 2 2r p B ž =a

4.9*. Elektros srovė dujose Dujinis išlydis Dujos sudarytos iš neutralių molekulių (atomų). Normaliomis sąlygomis jos yra dielektri-

telių, elektrometras

Pavyzdžiui,

vės tekėjimas dujomis vadinamas dūjiniu išlydžiu.

kas. Tačiau elektros srovę dujose galima sukelti. kondensatorius

prijungiamas

prie

elektrometro ir įelektrinamas (4.9.1 pav., a). Pakaitinus oro tarpą tarp kondensatoriaus plokš-

išsielektrina (4.9.1 pav., b).

Kondensatorius išsikrauna, nes tarp jo plokštelių juda elektringosios dalelės. Elektros sro-

+ 1 + ap

2 z z

Dujų jonizacija, dujų laidumas Elektros srovė dujose atsiranda jas kaitinant arba apšviečiant (regimąja šviesa, rentgeno ar

ultravioletiniais spinduliais). Dėl to molekulės

arba atomai pradeda judėti greičiau, o kai kurie

įgyja tokį greitį, kad susidūrę skyla į teigiamuosius jonus ir laisvuosius elektronus (4.9.2 pav., a). Dujų molekulių ar atomų skilimas į teigiamuosius jonus ir elektronus vadinamas dūjų jonizacija. Išorinis poveikis

(kaitinimas,

švitinimas),

keliantis dujų jonizaciją, vadinamas išorini nizatoriumi.

su-

jo-

Laisvieji elektronai gali prisijungti prie neutra-

lių atomų. Tada susidaro neigiamieji jonai. Vadinasi, dujų laidumas yra elektroninis, kaip

492 pav,a

4.9.2 pav, b

metalų, ir joninis, kaip elektrolitų vandeninių tirpalų arba lydalų. Dujose, kaip ir elektrolituose, taip pat vyksta elektringųjų dalelių rekombinacija. Elektronas ir

teigiamasis jonas susitikę gali vėl sudaryti neu-

tralų atomą (4.9.2 pav., b). Veikiant išoriniam jonizatoriui, nusistovi dinaminė pusiausvyra: susi-

darančių elektringųjų dalelių porų skaičius lygus rekombinuojančių porų skaičiui.

Dujinis išlydis, kuris vyksta veikiant išo-

riniam jonizatoriui, vadinamas nesavaiminiu išlydžiu. Jam stebėti naudojamas stiklinis vamzdelis, kuriame įmontuoti du elektrodai. Vienas iš jų jungiamas prie srovės šaltinio teigia-

mojo poliaus, kitas— prie neigiamojo (4.9.3 pav.).

Dėl išorinio jonizatoriaus poveikio dujose atsi randa elektringųjų dalelių: teigiamųjų bei neigiamųjų jonų ir elektronų. Elektrinis laukas verčia elektronus ir neigiamuosius

jonus judėti

4.93 pav. 135

prie teigiamojo elektrodo, o teigiamuosius jonus - prie neigiamojo elektrodo. Vamzdeliu ima tekėti elektros srovė. Srovės

priklausomybę

voltamperinė

nuo

įtampos

vaizduoja

charakteristika (4.9.4 pav.). Didi-

nant įtampą tarp vamzdelio elektrodų, kas sekun-

dę juos pasiekia vis daugiau elektringųjų dalelių, taigi elektros srovė stiprėja (grafiko dalis AB). Kai visos per sekundę atsiradusios elektringosios dalelės pasiekia elektrodus, srovė nustoja stiprė-

ti, nors įtampa ir didinama (grafiko dalis BC). Ši srovė vadinama soties srove. Toliau didinant įtampą tarp vamzdelio elektrodų, nuo tam tikros vertės srovės stipris vėl ima

Nesavaiminis

išlydis

4.94 pav.

didėti (grafiko dalis CD). Išjungus torių, išlydis nenutrūksta.

išorinį joniza-

Dujinis išlydis, ku-

ris vyksta neveikiant išoriniam jonizatoriui, vadinamas savaiminiu išlydžiu.

Smūginė jonizacija Esant aukštai įtampai, elektringųjų dalelių atsiranda ir be išorinio jonizatoriaus. Jų skaičius greitai didėja — susidaro elektronų griūtis. Šis procesas vadinamas smūgine jonizacija.

Aptarkime, kaip ji vyksta. Veikiamas elektri-

nio lauko, laisvasis elektronas juda greitėdamas.

Jo įgyta kinetinė energija (I) =

lygi elek-

Ip = FI = eEl;

(4.6)

trinio lauko darbui (A = FI):

tronų. Be to, elektronai gali išlėkti iš katodo dėl išlydžio metu atsiradusios šviesos. Visi šie iš kato-

do išmušti elektronai taip pat gali sukelti smūginę jonizaciją, todėl procesas vyksta nenutrūkstamai.

-

čia e- elektrono krūvis, I/ — elektrinio lauko stipris, I - elektrono laisvojo kelio ilgis, t. y. atstumas,

kurį elektronas nuskrieja, kol susiduria su

jonu (4.9.5 pav., a). Jeigu elektrinio lauko stipris

9" į = £ A £ I

Ž "7 > 25 “ B k a[r]

pakankami didelis, laisvai lėkdamas elektronas įgyja tiek kinetinės energijos, kad, susidūręs su molekule (arba atomu), jį jonizuoja (4.9.5 pav.,

b). Tai įvyksta, kai elektrono kinetinė energija

yra ne mažesnė už darbą, kurį reikia atlikti jonizuojant neutralų atomą:

mu2

(4.7)

> Ai.

Atomą jonizavęs elektronas ir jonizacijos metu

atsiradęs

elektronas,

veikiami

elektrinio

lauko,

juda anodo link. Pakeliui jie įgyja energijos ir jonizuoja kitus sutiktus dujų atomus (4.9.6 pav.). Elektringųjų dalelių skaičius ima sparčiai didėti. Vykstant smūginei jonizacijai, atsiranda ir teigiamųjų jonų. Veikiami elektrinio lauko, jie juda

katodo link ir, jį pasiekę, gali išmušti naujų elek-

4.96 pav.

+

CD

Kokios elektringosios dalelės sukelia

(3)

elektros srovę dujose?

GC

izoliatoriai?

Suraskite internete virtualų mokymosi objektą!, skiriamą elektros srovės tekėjimui dujose nagrinėti. Stebėkite, kaip vyksta nesavaiminis ir savaiminis išlydis. Nustatykite, kokiai

Kuo skiriasi savaiminis ir nesavai-

minis išlydis? G

Kodėl įprastinėmis sąlygomis dujos yra elektros

Kokiomis sąlygomis vyksta savaiminis išlydis? Pateikite savaiminio išlydžio

įtampai esant virtualiame bandyme prasideda savaiminis išlydis.

pavyzdžių.

Kuo dujų jonizacija skiriasi nuo

' Interaktyvi prieiga per internetą adresu

elektrolitinės disociacijos?

http://mkp.emokykla.lt/imo/lt/mo/273/.

4.10*. Dujinis išlydis gamtoje ir technikoje Dujinio išlydžio rūšys Dujinis

išlydis

matomas

gamtoje

ir techni-

koje. Savaiminis išlydis gali būti kibirkštinis,

vainikinis,

rusenantysis,

lankinis.

Išlydžio

pobūdį lemia aplinkos sąlygos: dujų būsena (slėgis, temperatūra), elektrodų ypatybės, išsidėsty-

mas, įtampa.

Kibirkštinis išlydis Kibirkštinis išlydis atsiranda esant normaliam atmosferos slėgiui (10? Pa) ir stipriam elektriniam laukui (3

10 V/m).

Jį matome kaip atsi-

randančius ir vėl išnykstančius ryškius zigzagus (4.10.1 pav.). Srovės stipris žaibo kanale siekia apie

500 kA,

įtampa — apie

3 MV.

Trunka

jis

maždaug 1 ms. Kartais tuo pačiu kanalu vienas po kito įvyks-

ta keli išlydžiai, kurių bendra trukmė gali siekti 1,5 s. Žaibas gali padaryti didelių nuostolių: at-

imti žmonėms gyvybę, sukelti gaisrus. Dujinis išlydis (žaibas) turi ir magnetinį poveikį, dėl to gali sugadinti elektros instaliaciją, buitinius elektrinius prietaisus.

4.10.1 pav. 137

Vainikinis išlydis Vainikinio išlydžio atsiradimo sąlygos panašios į kibirkštinio. Jis kyla esant normaliam atmosfe-

nuo laidininko, elektrinis laukas staigiai silpnė-

(apie 3 109 V/m) prie didelio kreivumo paviršių: laidininko smaigalių, aplink elektros perda-

Gamtoje pasitaikantis vainikinis išlydis vadinamas šv. Elmo ugnimis. Jos kartais matomos

aureolės, todėl išlydis vadinamas vainikiniu. Kai

stiebų, žaibolaidžių

jai vykti pakanka

įtampos įrenginius, reikia į tai atsižvelgti: vengti smailumų, naudoti storus laidus.

ros slėgiui (10? Pa) ir stipriam elektriniam laukui

vimo linijų laidus. Apie juos susidaro švytinčios

elektrinis laukas toks stiprus, smūginei jonizaciir atmosferos slėgio. Tolstant

Rusenantysis išlydis Rusenantysis išlydis vyksta mažo slėgio sąlygomis. Jam sukelti pakanka kelių šimtų voltų

(o kartais ir mažesnės)

Rusenantysis

įtampos tarp elektrodų.

išlydis taikomas įvairiomis formo-

mis išlankstytuose reklaminiuose vamzdeliuose.

Pripildyti neono, jie skleidžia raudoną šviesą,

ja, todėl dujos jonizuojasi ir ima švytėti ribotoje erdvės dalyje.

prie

medžių

viršūnių,

bažnyčių

bokštų,

laivų

ir t. t. Konstruojant aukštos

argono — melsvai žalsvą, helio - geltoną ir pan. (4.10.2 pav.).

Stebint šį išlydį, tarp katodo ir anodo galima pamatyti šviesia ir tamsi iti „ kurių matmenys ir forma priklauso nuo slėgio ir elektrinio lauko

už

stiprio.

Prie katodo

susidaro

tamsi

sritis,

jos - šviesi. Tiriant potencialo pasiskirstymą,

išsiaiškinta, kad didžioji jo dalis tenka tam

jai sričiai (4.10.3 pav.). Taigi staigus potencialo

00) No

kitimas prie katodo yra būdingas rusenančiojo išlydžio

410.3 pav. 138

Išlydžio

metu

vyksta

antrinė

elektronų emisija iš katodo, palaikanti išlydį Rusenanty

išlydis taikomas dienos

šviesos

lempose (4.10.4 pav.), kurios dažniausiai naudojamos patalpoms apšviesti. Jos vartoja mažiau energijos

4.10.2 pav.

požymis.

negu

kaitinamosios

lempos.

Dienos

šviesos lempą sudaro stiklinis vamzdelis „iš kurio išsiurbtas oras ir kuris pripildytas gyvsidab-

4104 pav.

rio garų. Vamzdelio vidinis paviršius padengtas

švytalu, t.

letinių

y. medžiaga, kuri, veikiama ultraviospindulių, skleidžia regimąją šviesą Šios

šviesos atspalvis priklauso nuo švytalo sudėties.

Daugelis žmonių junta neigiamą dienos švie-

sos lempų poveikį, mat jos skleidžia tokios pat

rūšies spindulius kaip ir katodiniai kompiuterių

monitoriai. Dienos šviesos lempos kenkia akims.

Per sekundę jos sublyksi 50 kartų. Žmogus šio

blykčiojimo nemato, bet akys jį jaučia ir gali pa-

rausti. Apšvietimui patariama naudoti lempas su stores iu švytalo sluoksniu. Jos mažiau kenkia. Dienos šviesos lempose yra kenksmingų medžiagų: fosforo (naudojamo vamzdelio vidiniam paviršiui padengti) ir gyvsidabrio garų. Šiuo metu gaminamos dienos šviesos lempos pasižymi atspalvių įvairove, galima nusipirkti lempų,

pritaikytų paprastiems cokoliams.

Elektros lankas Elektros

lankas

(žr. 4.10.5

pav.)

susidaro,

kai

įtampa yra neaukšta (40-50 V), tačiau elektros srovė — labai stipri, siekia dešimtis ar net šimtus

amperų. Elektros lanką galima gauti prijungiant įtampos šaltinį prie dviejų anglinių elektrodų. Jų galus iš pradžių reikia trumpam suglausti, paskui

Šiek tiek atitraukti vieną nuo kito. Kontakto vietoje elektrodai staiga įkaista ir ima spinduliuo-

ti elektronus. Šie jonizuoja orą tarp atitrauktų

elektrodų, ir čia sušvinta akinamas dujų stulpas — elektros lankas. Jo temperatūra siekia 4000 *C. Labiausiai įkaista neigiamasis elektrodas (ka-

todas).

Jame

atsiranda

įduba

(lanko

krateris).

Didelį elektrinį lanko laidumą lemia intensyvi

termoelektroninė emi:

ja

iš katodo, esant tokiai

aukštai temperatūrai. Elektros lankas naudoja-

41045 pav. mas metalams

lydyti, pjaustyti ir virinti. Jis yra

galingiai ias šviesos šaltinis, įtaisomas prožektoriuose ir kino aparatuose.

(C12) Šiaurės pašvaistė (4.10.6 pav.) - gamtos

reiškinys, susijęs su elektros srovės tekėjimu dujomis. Remdamiesi žiniomis iš šios temos,

atsakykiteį klausimus: a) Kodėl šiaurės pašvaistę galima matyti

tik aukštutiniuose Žemės atmosferos

sluoksniuose?

b) Kaip šiaurės pašvaistė susijusi su Saulės aktyvumu? a

Paaiškinkite, kodėl reklaminiai dujų išlydžio

vamzdeliai įsižiebia tik praėjus tam tikram laikui, nors įtampa yra pakankama.

4.10.6 pav.

139

Deguonies molekulės jonizacijos energija

jonizacija prasideda, kai elektrinio lauko stipris yra 3 MV/m. Kokiu atstumu viena

2,16- 1055J. Kokiu mažiausiu greičiu

turi lėkti elektronas, kad galėtų jonizuoti

deguonies molekulę?

nuo kitos turi būti kondensatoriaus plokštės,

kad jis būtų pramuštas?

(2,2: 10“ m/s)

Dujas apšvietus gama spinduliais, jose

kas sekundę atsiranda 5:10!5 jonų porų.

Kiekvieno jono krūvis 1,6-10*? C. Apskaičiuokite dujomis tekančios soties srovės stiprį.

(08 A)

C)

(2mm)

Oro molekulių jonizacijos energija 14 eV.

Apskaičiuokite elektrono vidutinį laisvąjį

kelią ore. Normaliomis sąlygomis kibirkštinis išlydis ore kyla tada, kai elektrinio lauko stipris lygus 3 MV/m. (=47 um)

Plokščiasis kondensatorius prijungtas prie 6 kVįtampos šaltinio. Oro smūginė

4.11*. Vanduo - gyvybės šaltinis. Jonizuotas vanduo „O vanduo! Tu neturi nei skonio, nei spalvos, nei kvapo — tavęs nė nusakyti negalima, tavimi gardžiuojamės, nepažindami tavęs. Netinka sakyti, kad tu būtinas gyvybei: pats tu esi gyvybė!

Tu mus pripildai smagumo,

visai nesuvokiamo

mūsų juslėmis. Su tavimi grįžta į mus visos tos ga-

lios, kurias jau buvome praradę. Tavo malone vėl ima kunkuliuoti mumyse visos versmės, kurios 9Ž į > £ 9a £ =

Š "7 5 25 “ 8 k £[r]

buvo išsekusios mūsų širdyse. Tu esi didžiausias turtas visame pasaulyje...“!, — rašė prancūzų pi-

lotas ir rašytojas

Antuanas

de Sent-Egziuperi

(Antoine de Saint-Exupėry, 1900-1944). Vandens elektrolizė keičia požiūrį į vandens spalvą.

Vykstant elektrolizei, vanduo papilkėja vos ne iki

“2 =

Sušaldytas į ledą

ir atitirpintas šulinio vanduo

Šulinio

vanduo

4.11.1 pav.

juodumo (4.11.1 pav.). Kiek vandens reikia organizmo gyvybinėms funkcijoms palaikyti, priklauso nuo klimato są-

duonoje — apie 40 "6. Vandens kiekiui organizme sumažėjus 1 6, žmogus pajunta troškulį. Teigia-

bių (pvz., prakaitavimo intensyvumo).

Atrodo, kad norisi valgyti, nors iš tikrųjų orga-

lygų, fizinio krūvio, individualių žmogaus savyžmogui

rekomenduojama

išgerti 6-8

Per parą

stiklines

vandens. Jo gaunama su maistu: vaisiuose ir daržovėse vandens yra 80-95 4, mėsoje - 45-65 “0,

ma, kad troškulys dažnai painiojamas su alkiu.

nizmui reikia skysčių.

Daugelio Vakarą Europos ir kitų pasaulio šalių gyventojams tiekiamas apvalytas atvirų vandens

" Antuanas de Sent-Egziuperi. Žemė žmonių planeta: apysakos / Iš prancūzų kalbos vertė Valys Drazdauskas. Kaunas: Šviesa, 1985. P. 167-168.

telkinių (upių, ežerų ir pan.) vanduo. Pavyzdžiui, Sūomijoje

paviršinio vandens

suvartojama apie

80 Yo, Švėdijoje — 54 14, JAV — 80 04 ir t. t. Toks

vanduo yra valomas (filtruojamas ar kitaip padaromas tinkamas vartoti). Lietuvojė gausu požeminio vandens, kuriuo galima aprūpinti visus šalies gyventojus. Kasdien Lietuvojė iš požemių išpumpuojama iki 0,5 mln. m? vandens. Hidrologinis vandens apytakos ratas palaiko gyvybę Žemėje. Per metus iš vandenynų į žemy-

nus patenka apie 6,6: 10* m? vandens. Panašus jo kiekis iš žemynų kasmet suteka atgal į vandenynus. Vanduo sudaro 70 6 žmogaus organizmo, vandeniu padengta apie 70 96 Žemės paviršiaus. Be maisto žmogus gali išgyventi keliasdešimt dienų, o be vandens — tik apie 3 dienas. Geriamasis vanduo — ne tik vandenilio ir deguonies junginys (H;O). Jame yra daug Žmogaus organizmui būtinų mikroelementų, kurie be elektrolizės nematomi. Kartu su vandens elektrolize vyksta ir jame ištirpusių druskų elektrolizė. Druska yra cheminis junginys, kurį sudaro teigiamąjį krūvį turintys metalų (kalcio, magnio, kalio, natrio) jonai ir neigiamąjį krūvį turintys druskų liekanų jonai. Vykstant elektrolizei, teigiamuosius metalų jonus traukia katodas, o neigiamuosius — anodas. Prie katodo kaupiasi teigiamieji šarminių metalų (kalcio, magnio, kalio,

Katodas

Anodas

4.11.2 pav.

Geriamasis vanduo

m

vanduo

J Elektrolizės procesas

natrio) jonai, o prie anodo - hidroksilo OH“ jo-

nai (4.11.2 pav.).

1972 m. Taškeūto (Vidurinė Azija) gamtinių

dujų

institute

sumanyta

patobulinti

vandens

elektrolizės mechanizmą. Vykstant elektrolizei, vanduo visą laiką maišosi. Buvo nuspręsta indą,

kuriame vyksta vandens

vanduo

elektrolizė, membra-

„Membrana

na (brezentu) perskirti į dvi dalis (4.11.3 pav.). Membrana praleisdavo jonus, bet neleisdavo susimaišyti

vandeniui.

Patobulinus

elektrolizę,

vanduo įgijo naujų savybių. Teigiamojo elek-

trodo (anodo) pusėje jis pasidarė rūgštusis, o neigiamojo elektrodo (katodo) pusėje — šarmi-

nis. Šarminio vandens gydomosios savybės buvo

aptiktos atsitiktinai. Jo atsargos buvo laikomos statinėje, šarminiu vandeniu prausdavosi darbininkai. Pastebėta,

Rūgštusis vanduo

Šarminis

kad šarminis vanduo

gerai

gydo įpjautą ar sumuštą kūno vietą, saulės nudegintą odą. Netrukus buvo aptiktas ir rūgščio-

Katodas

Anodas

4.11.3 pav.

jo vandens dezinfekuojamasis poveikis. Dėl šių

savybių šarminis ir rūgštusis vanduo pradėtas taikyti medicinoje. Prieš chirurgines operacijas instrumentai

sterilizuojami

rūgščiuoju

vande-

niu, o po operacijų žaizdos gydomos šarminiu vandeniu. Šarminio ir rūgščiojo vandens savybės apibendrintos 4.2 lentelėje.

141

4.2lentelė Šarminio ir rūgščiojo vandens savybės

Šarminio vandens savybės

Rūgščiojo vandens savybės

Natūralus stimuliatorius Natūralus antioksidantas Šarmina organizmą Saugo sveikąsias ląsteles Stiprina organizmo imuninę sistemą

Natūralus baktericidas Stiprus oksidatorius Rūgština organizmą Ardo pažeistas ląsteles Įveikia įvairias bakterijų sukeliamas ligas

Žmogaus organizmo skysčiai (kraujas, tarpląstelinis skystis ir kt.) yra silpni elektrolitai. Jonizuotą vandenį, turintį panašų elektros krūvį, or-

ganizmas pasisavina lengviau. Medicinoje ligos

priežastimi

laikomi

ląstelių energinės

sistemos

sutrikimai. Jonizuotas vanduo efektyviai gydo minėtus sutrikimus ir kartu šalina negalavimų priežastis.

pp ->>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>->->---1 EEE E

, Tarpdalykinis projektas

1

1

,

' Elektrolizės reiškinys nagrinėjamas per fizikos ir chemijos pamokas. 4.3 lentelėje ženklu + pažy-

|

, kutuokite, kuo skiriasi ir kuo panašus elektrolizės nagrinėjimas per fizikos ir chemijos pamokas. 1 Remdamiesi žiniomis iš fizikos ir chemijos kurso, parenkite pranešimą apie elektrolizės reiškinį.

, 1

1 1

1 |

| mėta, kurie elektrolizės aspektai nagrinėjami per fizikos, o kurie - per chemijos pamokas. Padis- |

4.3lentelė

1 1 1

| | 1

„|

Elektrolizės reiškinio nagrinėjimas per fizikos ir chemijos pamokas Nagrinėjama tema

Chemija

Joninis ryšys

1 Fizika

1 1

+

+

|

Elektrolitinė disociacija

+

+

Hidratuoti jonai, hidratacijos šiluma

+

1 1

,

9" į £ £ A £

! 4 Oksidacijos-redukcijos reakcijos

Ž "7 > a5 “ B k 2[r]

; * Metalinių dangų formavimas

+

|

Metalų rafinavimas

+

|

1

Metalų gavimas ir aplinkos tarša

+

1

Sunkieji metalai. Vandens, užteršto sunkiaisiais metalais, valymas

+

1

K

+

1

„ * Elektrolizės (Faradėjaus) dėsnis !

+

Metalų (kurių aktyvumas mažesnis negu šarminių ir šarminių žemės

! | metalų) gavimas elektrolizės būdu 1

1

1

Ci

i

iii

l

p

>

1

1

!

l

+

1

1

1

1

Termoelektroninė emisija

Termoelektronine emisija vadinamas elektronų spinduliavimas iš įkaitintų iki aukštos temperatūros kūnų.

Vakuuminis diodas

Vakuuminiu diodu vadinama dvielektrodė elektroninė lempa. Elektrinėse schemoseji žymima tokiu ženklu:

Vakuuminis triodas

Vakuuminiu triodu vadinama trielektrodė elektroninė lempa. Elektrinėse schemoseji žymima tokiu ženklu:

3 Elektroninis vamzdis

Elektroninis vamzdis - vakuuminis prietaisas, valdantis elektronų pluoštą. Elektroninis

spindulys

Katodas Anodas | .

Ža Y|

4]

Valdymo plokštės

Ekranas

Puslaidininkiai

Puslaidininkiais vadinamos medžiagos, kurios pagal laidumą elektros srovei yra tarp laidininkų ir dielektrikų.

Savasis puslaidininkių laidumas

Grynųjų puslaidininkių (neturinčių priemaišų) laidumas vadinamas savuoju laidumu. Jis gali būti: + elektroninis (n laidumas), susijęs su laisvaisiais elektronais; + skylinis (p laidumas), susijęs su skylėmis.

Priemaišinis puslaidininkių

Puslaidininkių su priemaišomis laidumas vadinamas priemaišiniu

Donorinės priemaišos

Priemaišos, kurios atiduoda elektronus, vadinamos donorinėmis.

Akceptorinės priemaišos

Priemaišos, kurios sukuria skyles, vadinamos akceptorinėmis.

laidumas

laidumu.

143

* Puslaidininkinė sandūra

' Puslaidininkine, arba skyline-elektronine, arba pn, sandūra vadinama „ riba, skirianti skylinio ir elektroninio laidumo sritis.

1 Užtvarinis sluoksnis 1 1 skylinės-elektroninės 1 judėjimą. 1 1 1 1 1 1 1 1 Puslaidininkinės sandūros savybės

| i

tai priešingo ženklo krūvininkų sritys abipus sandūros, stabdančios tolesnį krūvininkų Ė

P

*a929l25

n

22

33 $92,2 359

*3

53272 Ša

+ Elektros srovę laidžiąja puslaidininkinės sandūros kryptimi, t. y. tiesioginę srovę, lemia pagrindiniai krūvininkai. + Elektros srovę užtvarine puslaidininkinės sandūros kryptimi, arba atgalinę srovę, lemia šalutiniai krūvininkai.

Puslaidininkinis diodas - prietaisas, turintis vieną skylinę-elektroninę sandūrą ir du išvadus, kuriais jungiamas į elektrinę grandinę. Elektrinėse schemose jis žymimas tokiu ženklu:

Tranzistorius yra puslaidininkinis prietaisas, turintis dvi skylineselektronines sandūras ir tris išvadus, kuriais jungiamas į elektrinę grandinę. Elektrinėse schemose jis žymimas taip:

Eiti

terpėse

K

i

2 25 2 8 ž apr

npn tranzistorius - ženklu

5

i E K

pnp tranzistorius - ženklu

5

4 E

' Elektrolitais vadinamos medžiagos, kurių vandeniniais tirpalais arba

„ lydalais gali tekėti elektros srovė.

1

i

Elektrolitinė disociacija

Elektrolitine disociacija vadinamas elektrolito molekulių skilimas į jonus joms tirpstant arba lydantis.

Elektrolizė

Medžiagos išsiskyrimas ant elektrodų tekant srovei elektrolitu

vadinamas elektrolize.

Elektrolizės (Faradėjaus) dėsnis

Ant elektrodo nusėdusios medžiagos masė (m) yra tiesiogiai proporcinga srovės stipriui (I) ir jos tekėjimo trukmei (At): m=klAt; čia k- medžiagos elektrocheminis ekvivalentas.

Dujinis išlydis

Elektros srovės tekėjimas dujomis vadinamas duji

Dujų jonizacija

Dujų atomų ir molekulių skilimas į teigiamuosius jonus vadinamas dujų jonizacija.

iu išlydžiu. ir elektronus

a“

8 Nesavaiminis išlydis

Dujinis išlydis, kuris vyksta veikiant išoriniam jonizatoriui, vadinamas nesavaiminiu išlydžiu.

Savaiminis išlydis

Dujinis išlydis, kuris vyksta be išorinio jonizatoriaus vadinamas savaiminiu išlydžiu.

poveikio,

145

Elektromagnetinė indukcija Šiame skyriuje nagrinėsite elektromagnetinės ale Kaj ae LS EAN [ale [W Ale io ie TS Ai Aa ei susipažinsite su elektromagnetinės indukcijos [e alio Aa e EEA Sia saviindukcijos reiškinį ir jo taikymą praktikoje.

5.1. Elektromagnetinės indukcijos reiškinys. Magnetinis srautas Elektromagnetinės indukcijos reiškinio atradimas Elektros

srovei atsirasti ne visada reikalingas

įprastas srovės šaltinis. 1831 m. rugpjūčio 29 d. Maiklas Faradėjus bandymais įrodė, kad elektros srovę gali sukurti kintantis magnetinis laukas. Šis atradimas turėjo didelę praktinę reikšmę, nes juo pagrįsta visose pasaulio elektrinėse veikian-

čių generatorių konstrukcija. Be to, Faradėjaus atradimas patvirtino glaudų elektrinio ir magnetinio lauko tarpusavio ryšį.

S Šauliu, i

5.1.1 pav, a

Faradėjaus bandymus pakartoti nesunku. Mag-

netą judinant ritės atžvilgiu, ritėje atsiranda elektros srovė (5.1.1 pav.). Kai magnetas kišamas į ritę (5.1.1 pav., a) arba traukiamas iš jos (5.1.1 pav., b), galvanometro rodyklė nukrypsta.

Magnetui nejudant ritės atžvilgiu, elektros srovė

rite neteka (5.1.1 pav., c). Jį artinant prie ritės,

magnetinis laukas, kertantis ritę, stiprėja, tolinant — silpnėja. Vadinasi, kintant magnetiniam laukui ritės atžvilgiu, joje atsiranda elektros srovė.

a

Šukių, ip

5.1.1 pav,b

5.11 pav,C

Elektromagnetinės indukcijos reiškinio apibrėžtis Magnetinis

laukas

vaizduojamas

magnetinės

indukcijos linijomis. Judinant nuolatinį magnetą ritės atžvilgiu, kinta šių linijų, kertančių ritės vijas, skaičius. Kai magnetas prie ritės artinamas, magnetinių linijų skaičius didėja (5.1.2 pav.), kai tolinamas — mažėja. Elektros srovės atsi-

=

radimas uždarame laidžiame kontūre kintant magnetinės indukcijos linijų, kertančių jo ribojamą plotą, skaičiui vadinamas

5.1.2 pav.

elektromagnėtinės indūkcijos rėiškiniu. Jo metu atsiradusi elektros srovė vadinama indukūotąja srovė. Faradėjus savo bandymais

įrodė, kad, sujun-

giant ir išjungiant elektrinę grandinę, indukuo-

toji srovė sukeliama nejudančiuose vienas kito

atžvilgiu laidininkuose (5.1.3 pav., a). Ji taip pat atsiranda judinant rites viena kitos atžvilgiu

(5.1.3 pav., b).

= 147

513 pav, b

*Magnetinis srautas Magnetinio

lauko pagrindinė

charakteristika

|

yra magnetinės indukcijos vektorius (B). Jis apibūdina magnetinį lauką tik viename erdvės taš-

ke, pavyzdžiui, taške A (5.1.4 pav., a). Magnetinį lauką tam tikroje erdvės srityje AS (5.1.4 pav., b) nusako magnetinis srautas!. Jis priklauso nuo kontūro padėties magnetinės indukcijos vekto-

s!

riaus atžvilgiu (5.1.5 pav., a, b, c). Kai kampas

tros srovės atsiradimas uždarame laidžiame kon(5.1) * tūre, kintant jį kertančiam magnetiniam srautui.

O-= BS cosa.

B

"

1111

5.1.5 pav, a

O)

B=

š

5

O]

vadina-

trumpiau: elektromagnetinė indukcija yra elek-

nuso sandaugai:

(J

vienetas

1 Wb srautas statmenai kerta 1 m? ploto kontūrą 1 T indukcijos magnetiniame lauke. Remiantis magnetinio srauto sąvoka, elektromagnetinės indukcijos reiškinį galima apibrėžti

riaus (B) ir paviršiaus normalės (A) kosi-

s/

srauto matavimo

1Wb=1T-1m*= I Tm?.

(a) tarp indukcijos vekto-

i

514 pav,b

mas vėberiu ir žymimas Wb:

Magnėtiniu srautū vadinamas fizikinis dydis (6), lygus magnetinės indukcijos vektoriaus (B) modulio, paviršiaus ploto

a

A

Magnetinio

liui. Šiuo atveju jis kontūro nekerta.

= k) Žž El £ |: "7 E 7 i =) IE S k ] pr

|

514 pav,a

(a) tarp magnetinio lauko jėgų linijų ir kontūro normalės (7) lygus nuliui (5.1.5 pav., b), magnetinis srautas yra didžiausias. Kai šis kampas lygus 909 (5.1.5 pav., c), magnetinis srautas lygus nu-

(S) ir kampo

š

S

(ooo

|||

5.15 pav.,b

=L