Zkušební test: elektrické pole
Jak na to
- 1Připrav si papír, tužku a kalkulačku. Sešit i materiál zavři, test se píše zpaměti a bez vzorců.
- 2Vyber variantu a spusť čas. Máš 45 minut jako na písemce. Všechno piš na papír, i postup a graf.
- 3Potom si práci opravíš bez učitele: výsledky příkladů napíšeš do políček a u teorie si podle vzoru zaškrtneš, co na papíře máš. Stránka sečte body.
Varianta
Varianta A
Vezmi si papír a oprav si to. U příkladů napiš výsledek do políčka a dej Zkontrolovat, u teorie porovnej odpověď se vzorem a zaškrtni, co máš. Boduj stejně přísně jako učitel.
Deskový kondenzátor
7 bodůDeskový kondenzátor má desky o plošném obsahu 250 cm² ve vzdálenosti 1,0 mm, mezi deskami je vzduch. Připojíme ho ke zdroji napětí 200 V.
Permitivita vakua je 8,85 · 10−12 F · m−1, relativní permitivita vzduchu je 1.
- a)Určete kapacitu kondenzátoru.2 b
- b)Jaký náboj je na deskách a jakou energii má elektrické pole kondenzátoru?2 b
- c)Kondenzátor odpojíme od zdroje a prostor mezi deskami zcela vyplníme sklem s relativní permitivitou 5. Jak se změní náboj na deskách a jaké bude nové napětí? Zdůvodněte.3 b
Postup
- a250 cm² = 0,025 m², 1 mm = 0,001 m. C = ε0εrS/d = 8,85 · 10−12 · 0,025 / 0,001 = 2,21 · 10⁻¹⁰ F = 221 pF.
- bQ = CU = 2,21 · 10−10 · 200 = 4,43 · 10⁻⁸ C = 44,3 nC. Energie Ee = ½CU2 = ½ · 2,21 · 10−10 · 2002 = 4,43 · 10⁻⁶ J = 4,43 µJ.
- cKondenzátor je odpojený, náboj nemá kam odtéct: Q se nezmění. Sklo zvětší kapacitu pětkrát, C′ = 5C. Proto U′ = Q/C′ = U/5 = 200/5 = 40 V.
Výboje v plynech
8 bodů- a)Proč je vzduch za běžných podmínek izolant? Co se v něm musí stát, aby jím procházel proud, a jak se průchodu proudu plynem říká?2 b
- b)Nakreslete voltampérovou charakteristiku výboje v plynu. Popište osy, vyznačte nasycený proud a zápalné napětí a pojmenujte části grafu. Kde je výboj nesamostatný a kde samostatný?4 b
- c)Jaký je rozdíl mezi nesamostatným a samostatným výbojem? Uveďte, jakou roli hraje vnější ionizátor.2 b
a)Vzorová odpověď
Vzduch tvoří neutrální molekuly a volné nositele náboje skoro nemá, proto proud nevede. Aby vedl, musí v něm dojít k ionizaci: z neutrálních částic vzniknou ionty a volné elektrony. Průchod proudu plynem je výboj.
b)Vzorový graf
- 1Proud roste úměrně napětí (platí Ohmův zákon). K elektrodám doletí jen část iontů, zbytek cestou rekombinuje.
- 2Nasycený proud In: s napětím se nemění, závisí jen na síle ionizátoru.
- 3Za zápalným napětím Uz nastane nárazová ionizace, proud prudce roste a výboj je samostatný.
c)Vzorová odpověď
Nesamostatný výboj potřebuje vnější ionizátor (záření, plamen), který v plynu stále vyrábí ionty. Když ionizátor odstraníme, ionty rekombinují a výboj zanikne. Samostatný výboj se udrží i bez ionizátoru: po překročení zápalného napětí si nositele náboje vyrábí sám nárazovou ionizací.
Jiskra mezi deskami
5 bodůMezi dvěma rovnoběžnými deskami vzdálenými 4,0 mm je suchý vzduch. Jeho dielektrická pevnost je 30 kV/cm.
- a)Vyjádřete dielektrickou pevnost suchého vzduchu v základních jednotkách V/m.1 b
- b)Při jakém napětí mezi deskami přeskočí jiskra?1 b
- c)Na desky připojíme napětí 9,0 kV. Jak velká je intenzita pole mezi deskami? Nastane výboj?2 b
- d)Jiskrový výboj trvá 0,10 ms a přenese náboj 25 µC. Jaký je průměrný proud výboje?1 b
Postup
- a30 kV/cm = 30 000 V / 0,01 m = 3 · 10⁶ V/m.
- bUz = Ep · d = 3 · 106 · 0,004 = 12 000 V = 12 kV. V kV/cm to jde rovnou: 30 · 0,4.
- cE = U/d = 9000 / 0,004 = 2,25 · 10⁶ V/m. To je méně než pevnost 3 · 10⁶ V/m, výboj nenastane.
- dI = Q/t = 25 · 10−6 / 0,10 · 10−3 = 0,25 A = 250 mA.
Intenzita pole bodového náboje
4 bodyBodový náboj Q = +20 nC je ve vakuu.
k = 9 · 109 N · m² · C−2
- a)Určete velikost intenzity elektrického pole ve vzdálenosti 30 cm od náboje.2 b
- b)Do tohoto místa vložíme náboj q = −4 nC. Jak velkou silou na něj pole působí a kterým směrem?2 b
Postup
- aE = kQ/r2 = 9 · 109 · 20 · 10−9 / 0,32 = 180 / 0,09 = 2000 N/C (= 2 kV/m).
- bFe = |q| · E = 4 · 10−9 · 2000 = 8 · 10⁻⁶ N = 8 µN. Náboje mají opačná znaménka, přitahují se: síla míří k náboji Q, tedy proti směru intenzity.
Soustava kondenzátorů
7 bodůKondenzátory o kapacitách 3 µF a 9 µF jsou zapojeny paralelně a k této dvojici je sériově připojen kondenzátor o kapacitě 4 µF. Soustava je připojena ke zdroji napětí 48 V.
- a)Vypočítejte celkovou kapacitu soustavy.2 b
- b)Určete celkový náboj odebraný ze zdroje.1 b
- c)Jaké napětí je na kondenzátoru o kapacitě 4 µF?2 b
- d)Jaký náboj je na kondenzátoru o kapacitě 9 µF?2 b
Postup
- aParalelní dvojice: 3 + 9 = 12 µF. Sériově se 4 µF: 1/C = 1/12 + 1/4 = 4/12, tedy C = 3 µF.
- bQ = CU = 3 · 48 = 144 µC.
- cKondenzátor 4 µF je v sérii, je na něm celý náboj 144 µC: U = Q/C = 144/4 = 36 V.
- dNa paralelní dvojici zbývá 48 − 36 = 12 V. Q = 9 · 12 = 108 µC (na 3 µF je 36 µC, dohromady 144 µC).
Výboje v plynech
8 bodů- a)Co je zápalné napětí a jaký děj se po jeho dosažení v plynu spustí? Jakými dvěma způsoby lze dosáhnout samostatného výboje?3 b
- b)Nakreslete voltampérovou charakteristiku výboje v plynu, vyznačte nasycený proud a zápalné napětí a pojmenujte části grafu. Vysvětlete, proč se v části nasyceného proudu proud s rostoucím napětím nemění.3 b
- c)Vyjmenujte čtyři druhy samostatného výboje. U jednoho uveďte, za jakých podmínek vzniká, a příklad, kde se s ním setkáme.2 b
a)Vzorová odpověď
Zápalné napětí je napětí, při kterém nesamostatný výboj přejde v samostatný. Elektrony se mezi srážkami urychlí natolik, že nárazem vyrazí z molekuly další elektron (nárazová ionizace). Elektronů lavinovitě přibývá a proud prudce roste. Samostatného výboje dosáhneme zvýšením napětí (silnější pole urychlí elektron víc), nebo snížením tlaku (ve zředěném plynu má elektron mezi srážkami delší dráhu a stihne se víc urychlit).
b)Vzorový graf
- 1Proud roste úměrně napětí (platí Ohmův zákon). K elektrodám doletí jen část iontů, zbytek cestou rekombinuje.
- 2Nasycený proud In: s napětím se nemění, závisí jen na síle ionizátoru.
- 3Za zápalným napětím Uz nastane nárazová ionizace, proud prudce roste a výboj je samostatný.
V části nasyceného proudu už k elektrodám doletí všechny ionty, které ionizátor vytvoří. Vyšší napětí jich víc nepřidá, proto proud neroste.
c)Přehled výbojů
- Obloukovýatmosférický tlak, velký proud a malé napětí, žhavé elektrody. Svařování, obloukové lampy.
- Jiskrovýatmosférický tlak, vysoké napětí, krátký děj se zábleskem a zvukem. Blesk, zapalovací svíčky.
- Korónaatmosférický tlak, vysoké napětí u hrotů a tenkých vodičů. Eliášův oheň, odlučovače prachu.
- Doutnavýzředěný plyn (nízký tlak), malý proud, svítí barvou plynu. Doutnavky, neony, zářivky.
- Klouzavýatmosférický tlak, mezi rozbíhavými elektrodami ho posouvá proud plynu. Úprava povrchů plastů.
Blesk
5 bodůSpodní základna bouřkového mraku je 800 m nad zemí. Dielektrická pevnost vlhkého vzduchu je 10 kV/cm. Pole mezi mrakem a zemí považujte za homogenní.
Elementární náboj je 1,6 · 10−19 C.
- a)Vyjádřete dielektrickou pevnost vlhkého vzduchu v základních jednotkách V/m.1 b
- b)Jaké napětí je mezi základnou mraku a zemí těsně před úderem blesku?2 b
- c)Blesk přenese náboj 15 C za 0,50 ms. Jaký je průměrný proud?1 b
- d)Jak velkou silou působí pole těsně před úderem blesku na volný elektron?1 b
Postup
- a10 kV/cm = 10 000 V / 0,01 m = 10⁶ V/m.
- bU = Ep · d = 106 · 800 = 8 · 10⁸ V.
- cI = Q/t = 15 / 0,50 · 10−3 = 30 000 A = 30 kA.
- dFe = e · E = 1,6 · 10−19 · 106 = 1,6 · 10⁻¹³ N.
Dva náboje
4 bodyDva bodové náboje Q1 = +16 nC a Q2 = +4 nC jsou pevně umístěny ve vakuu ve vzdálenosti 40 cm od sebe.
k = 9 · 109 N · m² · C−2
- a)Vypočítejte velikost a směr výsledné intenzity elektrického pole v bodě S, který je uprostřed na jejich spojnici.3 b
- b)Jak velkou silou na sebe náboje působí?1 b
Postup
- aBod S je 0,2 m od obou nábojů. E1 = 9 · 109 · 16 · 10−9 / 0,22 = 3600 N/C, míří od Q1. E2 = 9 · 109 · 4 · 10−9 / 0,22 = 900 N/C, míří od Q2. Jdou proti sobě, odečtou se: 2700 N/C. Směr určí větší z nich: k náboji Q₂.
- bFe = kQ1Q2/r2 = 9 · 109 · 16 · 10−9 · 4 · 10−9 / 0,42 = 3,6 · 10⁻⁶ N = 3,6 µN, odpudivá.
Výsledek
0z 24 bodů
Pro jistotu zpaměti
V tomhle testu jsou konstanty v zadání. Jestli budou i na písemce, není jisté, takže těchhle pět se vyplatí umět.
- k = 9 · 109 N · m² · C−2 v Coulombově zákoně a v intenzitě bodového náboje
- ε0 = 8,85 · 10−12 F · m−1 permitivita vakua
- 30 kV/cm = 3 · 10⁶ V/m dielektrická pevnost suchého vzduchu
- 10 kV/cm = 10⁶ V/m dielektrická pevnost vlhkého vzduchu
- e = 1,6 · 10−19 C elementární náboj