FyzWeb  odpovědna

Zaujal vás nějaký fyzikální jev? Nevíte si rady s jeho vysvětlením? Neváhejte a napište nám svůj dotaz!


nalezeno 18 dotazů obsahujících »rovnovážné«

11) Mechanický model napětí, zesilovače a střídavého proudu23. 01. 2004

Dotaz: Prolétl jsem články o elektřině a magnetismu, ale to co jsem hledal, jsem nenašel. Vždy se dovídám dogmata.
1.) Tak např. vždy používáte el. napětí. Do obvodu musíme zavést el. napětí, aby mohl téct proud. Ten ale téct vůbec nemusí.. tomu nerozumím, co je tedy el. napětí, resp. jak si ho představit (a to na molekulární úrovni - pokud tak lze).
2.) V učebnici Elektřina a magnetismus pro střední školy je zakreslen obvod s tranzistorem - obr. "Tranzistorový zesilovač"- podobný lze nalézt i jinde (i ve skriptech elektroniky). Vždy tam je řečeno, že na výstupu je obrácená fáze napětí, ale proč to tak je? Fyzikář mi to vysvětlil tak, že jsem si připadal, jako by mi neodpovídal na otázku - asi jsem jediný, kdo tomu nerozumí. U tohoto obvodu nerozumím ani vstupu, výstupu a podobným pojmům, v knize definovány nejsou.
3.) Další problém je s představou střídavého proudu. Kudy jdou elektrony případně díry? U stejnosměrného je jasně dané, kde je + a kde -, ale střídavý, chvíli jde do obvodu na obě strany + a pak zase -. Byl bych rád, kdyby jste mi pomohli v tom udělat jasno. (Liam)

Odpověď: K 1. otázce: Co je to napětí?
Než napíši obecnou odpověď, popíši něco obdobného v mechanice. Kolem Země je gravitační pole. Když umístím 10 m nad podlahu kilovku, bude v tom místě mít jinou potenciální energii než na podlaze. Rozdíl bude 100 J. Mohli bychom říci, že mezi těmi místy (i když tam žádné kilovky nebudou) je "mechanické napětí" 100 J/kg. Toto "mechanické napětí" charakterizuje ROZDÍL STAVŮ mezi těmito dvěma místy gravitačního pole. Nic "molekulárního" si představit k tomu nedovedu, to co jsem popsal, platí i kdyby kolem Země bylo vakuum. Dosaďte místo Země nabité těleso, místo kilovky nabitou kuličku jednou blíž a jednou dál a opět můžeme říci, že v těchto dvou bodech bude mít nabitá kulička rozdílnou potenciální elektrickou energii, rozdíl těchto energií přepočtený na 1 coulomb, tj. třeba 6 J/C, což je ve voltech 6V. Je to "elektrické napětí" mezi těmito dvěma místy pole. I zde charakterizuje elektrické napětí ROZDÍL STAVŮ mezi dvěma místy elektrického pole. (Svým žákům vždycky říkám, že když ukazují na nějaké napětí, potřebují k tomu dva prsty, aby ukázali ta dvě místa) Nic "molekulárního" si tomu představit opět nedovedu, to co jsem popsal platí i když je to elektrické pole ve vakuu. To napětí mezi dvěma místy vodiče se dá vytvořit různé, připojením článku, pohybem magnetu v okolí, atd.

Ke 2. otázce: Co znamená opačná fáze napětí na vstupu a výstupu zesilovače?
Opět to zkusím s mechanickou analogií. Představte si spojitou nádobu tvaru písmene U s vodou, kde pravé rameno bude mít velký průřez a levé malý, něco jako kropicí konev. Když pustím do konve nějaký "vstupní signál" - v širokém rameni budu například pajtlovat pístem 1 cm dolů a 1 cm nahoru od rovnovážné polohy, bude "mechanické napětí" mezi rovnovážnou polohou a okamžitou polohou kmitat od 0 J/kg do -0,1 J/kg (píst dole) k 0 J/kg (píst při návratu uprostřed) až k +0,1 J/kg (píst nahoře). V sousední úzké rouře (tj. "výstup zesilovače" dejme tomu s plochou průřezu 10krát menší) bude voda kmitat 10 cm nahoru a 10 cm dolů, tj. s vyšším napětím , které bude kolísat nejdřív nahoru od 0 J/kg k + 1 J/kg , potom přes nulu dolů k -1 J/kg atd. Tento zesilovač pracuje s desetinásobným zesílením, vstupní signál má opačnou fázi než výstupní (když jde píst v konvi dolů, stoupá hladina v úzké rouře nahoru a obráceně). Co je vstup, plyne ze znalosti českého jazyka. Vstupem může např. být napětí z mikrofonu, které přivádím na vstupní svorky zesilovače, výstup je napětí, které ze zesilovače přivádím třeba na svorky reproduktorů.

Ke 3. otázce: Jak si představit střídavý proud?
Do třetice s mechanickým modelem. V hadici, ve které jsou oba konce napojeny na vstup a výstup čerpadla, proudí voda stejnosměrně kolem dokola. Teď elektromotorek toho čerpadla budu krmit tak, aby chvíli čerpalo zleva doprava a potom zprava doleva. Vodní proud poteče chvilku doleva, chvilku doprava. Proud bude střídavý, ovšem ne sinusový ale zhruba obdélníkového průběhu. Sinusový průběh vodního proudu bychom mohli v této trubici docílit třeba tak, že bychom čerpadlo odstranili, konce propojili a po kusu hadice jezdili sem tam sinusově (jako při kývání kyvadla) válečkem na nudle. Z mikrofyzikálního pohledu (opět velmi primitivního) na elektrický proud doplňuji, co už jednou v Odpovědně zaznělo.
Opakuji: "Nositele nábojů ve vodičích, tj. elektrony v kovech, ionty v kapalinách a plynech a elektrony a "díry" v polovodičích opravdu cestují, jak je elektrické pole žene, !!!!kolem dokola!!! v uzavřeném obvodu (odstartují najednou). Samozřejmě po sepnutí obvodu se nechovají jako účastníci májového průvodu, kteří udělají vpravo vbok a jdou ukázněně směrem, kterým je žene pole, ale spíše tak jak naznačuji svým žákům modelem: Nositelé nábojů představují hemžící se mravence v mraveništi, kde vytvořím pachové pole tím, že na jednu stravu mraveniště dám lákavý med a na druhou něco smradlavého (otevřu tam třeba lahvičku se čpavkem). Tím mezi těmito dvěma body bude "smradové napětí". Díky smradovému poli hemžení neustane, nebude ale zcela souměrně chaotické (středová rychlost nebude 0), ale bude trošičku převládat směr rychlosti mravenců k medu. Kam pocestují, tj. jaký je směr proudu, když smradové pole vyměním, je snad jasné. Samozřejmě mohu to smradové pole střídat a proud mravenců pak bude střídavý."
Ve vodiči je to chaotické hemžení částic - nosičů náboje velmi velkou rychlostí, závislou na teplotě, ta usměrněná rychlost (složka rychlosti) je ve srovnání s tím strašně prťavá, závislá pro daný vodič mj. na napětí mezi jeho konci.

(M.Rojko)   >>>  

12) Barva topení a chladiče ledničky03. 12. 2003

Dotaz: Proč je topení bílé a chladič ledničky černý? (Anežka Horáková)

Odpověď: Černá barva způsobuje, že těleso lépe absorbuje dopadající záření (světelné i tepelné), a což je pro leckoho překvapivé, že také lépe teplo vyzařuje. Proto se chladiče dělají černé. Radiátor topení také potřebuje předávat teplo do okolí, ale asi (nejsem expert na topení) se počítá s tím, že podstatnou roli bude hrát ohřívání vzduchu v kontaktu se žebry radiátoru (zde barva nerozhoduje) a pak přenos tepla prouděním tohoto vzduchu. Estetická stránka patrně převažuje nad přínosem zvýšeného přenosu tepla v případě tmavého radiátoru.
(J.Dolejší)

Reakce na odpověď:
V odpovědi uvádíte, ze barva je důležitá pro efektivitu chladiče. Odkazujete se na Planckův zákon. Pořád ale nerozumím, proč tomu tak je. Můžete to rozvést? Bílý chladič vydává záření o vyšší vlnové délce, a proto je hustota zářivého toku menší? Nevydává se většina tepla v infračerveném spektru?

Odpověď:
Má-li chladič nějakou barvu, znamená to, že tuto barvu odráží více než ostatní (proto ho v této barvě taky vidíme). Uvážíme-li situaci v rovnovážném stavu, pak zvýšená emise na jisté vlnové délce musí být spjata i se zvýšenou absorbcí této vlnové délky, aby totiž předměty téže teploty, ale různých barev mohly být spolu v rovnováze. Obvyklá situace chladiče však není rovnovážný stav: chladič je spojen s něčím o teplotě výrazně vyšší než okolí a disipuje do okolí teplo. Pak je ovšem nejvýhodnější chladič "všech barev", černý, který bude co nejvíc vyzařovat světlo všech vlnových délek. (Samozřejmě, že by v případě teplejšího okolí naopak pohlcoval světlo i teplo nejrychleji - ale chladič je zpravidla v okolí chladnějším, než je sám.)
(J.Obdržálek)   >>>  

13) Kavitace19. 06. 2003

Dotaz: Existují reálné kapaliny, které mají tlak par roven tlaku vakua? Tedy, že škrcením jejich průtoku za žádných podmínek nedojde ke kavitaci. Pokud ano, patří k nim např. VGO (Vacuum Gas Oil)? (Jaroslav Habán)

Odpověď: Myslím, žejde o neporozumění. "Tlak vakua" je samozřejmě 0, podle definice vakua; to by asi doslovně možné nebylo. Prakticky by tedy šlo o kapalinu, jejíž tlak par je za zamýšlené teploty zanedbatelný. Tomu by asi nejlépe vyhovovaly oleje užívané ve vakuové teplotě.
Ovšem kavitace je způsobena tím, že pod vlivem velkého a náhlého gradientu sil a tím i rychlostí se kapalina "roztrhne", tj. vzniknou v ní dutiny. Jejich vznik nesouvisí s tím, že vzápětí poté se do tohoto "bublinového vakua" vypařuje okolní kapalina. Myslím, že (rovnovážné) napětí par nad kapalinou mnoho neřekne o jejím chování při prudkých změnách, které jsou příčinou kavitace.
(J.Obdržálek)   >>>  

14) Ochlazování těles03. 10. 2002

Dotaz: Zajímalo by mne, zda lze ochlazovat tělesa jinka než pomocí Joule-Thompsonova efektu. Samozřejmě lze použít například skupenské teplo fázové přeměny, ale to je jen krátkodobá záležitost a nelze takto trvaleji udržet sníženou teplotu. Jak například fungují malé chladničky určené pro osobní automobily napájené z autobaterie. (Rostislav Dudek)

Odpověď: Tyto lednicky pracují na principu Peltierova jevu. Pri pruchodu elektrického proudu rozhraním dvou vodicu proudu nejsou obecne rovnovážné teploty vodicu stejné: jeden se ochlazuje a druhý se zahrívá (NENÍ to Joulovo teplo). Jiný zpusob chlazení užívá expanze plynu, který je pritom nucen konat práci; pritom se ochlazuje KAŽDÝ plyn, nejen neideální, jako pri Joulove-Thomsonove jevu.
Mužete se podívat i na stránku: http://www.ereferaty.cz/index.asp?c=view&ID=1018, kde se dozvíte další zajímavosti o chlazení. (JO - 3.10.2002)

Bežne se používá v chladnickách a mraznickách adiabatická expanze, plyn se stlací a pri rychlé expanzi dojde k ochlazení, pak se plyn znova stlací, v chladici se opet teplota sníží a další expanzí se to zase chladí a tak to jde dokola. Proto každá chladnicka víc tepla do kuchyne dodává, než ubírá zevnitr.
Jeden z dalších zpusobu je využití Peltierova efektu: pri pruchodu proudu obvodem spájeným ze dvou ruzných kovu (príp. polovodicu) vzniká mezi obema spájenými místy teplotní rozdíl. Jde o brácený jev k termoelektrickému. To se dnes prakticky využívá k chlazení menších objemu. (MR - 7.10.2002)

(J.Obdržálek, M.Rojko)   >>>  

15) Makroskopický a mikroskopický proud20. 08. 2002

Dotaz: Rád bych se zeptal, který proud je makroskopický a který mikroskopický a proč? (Petr Besta)

Odpověď: Nevím, v jakém kontextu je užit "mikroskopický proud", ale odpověď podle analogie by zněla asi takto: elektrický proud je vytvořen (mechanickým) pohybem elektrického náboje. Proto vztah "makroskopický proud" vs. "mikroskopický proud" by měl být jako "makroskopický pohyb" vs. "mikroskopický pohyb". U makroskopického předpokládáme "uspořádanost", takže takový pohyb vidíme i navenek. Mikroskopickým pohybem nazýváme zpravidla víceméně chaotický pohyb velmi malých částic, typicky molekul. Takový pohyb ovšem jako celek neuvidíme (střední hodnota vektoru rychlosti je nulová), ale projeví se nám jako (zvýšená) teplota předmětu (střední hodnota velikosti vektoru rychlosti, případně kvadrátu rychlosti, je nenulová).
V tomto smyslu by bylo možno nazvat mikroskopickými proudy např. vířivé proudy. V oblasti elektromagnetického pole je analogií např. rovnovážné tepelné záření ("záření černého tělesa"). Makroskopicky je homogenní a isotropní (tj. stejné ve všech bodech i ve všech směrech) a nemůžeme ho tedy popsat makroskopickými vektorovými veličinami E, D, H, B; jejich střední hodnota je nulová. Ovšem jejich čtverce, a rovněž hustota energie 1/2(E.D + H.B) jsou nenulové.
(J.Obdržálek)   >>>