Zaujal vás nějaký fyzikální jev? Nevíte si rady s jeho vysvětlením? Neváhejte a napište nám svůj dotaz!
nalezeno 51 dotazů obsahujících »kovov«
33) Vodivostní pás a vedení elektrického proudu
14. 11. 2003
Dotaz: Zajímalo by mě, jakým způsobem se v kovu přenáší el. proud, nechápu pojem
"vodivostní pás". Znamená to, že elektrony se pohybují jen z jednoho vodivostního
pásu do druhého, kde "vyrazí" další elektron, a to je přenos proudu? (Jana Šupíková)
Odpověď: Elektrický proud v kovech vedou elektrony, které se téměř volně pohybují v
mřížce atomů kmitajících kolem rovnovážných poloh. Tyto elektrony se
oddělily od atomů, které mají tím pádem kladný náboj a elektronům
znesnadňují pohyb. Kov má proto elektrický odpor. K tomu, aby tekl kovovým
drátem elektrický proud, musí se na jeho konce přiložit elektrické napětí.
Jak se s klesající teplotou zmenšují kmity atomů mřížky, klesá i elektrický
odpor. Neklesne na nulu, protože elektronům stojí v cestě i nečistoty,
nepravidelnosti a poruchy mřížky, které jsou vždycky přítomny. Tento zdroj
odporu na teplotě nezávisí a projeví se tedy v nízkých teplotách. Čím je
materiál čistší, tím lépe vede elektrický proud.
Toto je tedy klasický pohled na vedení proudu v kovech. Mnohé jevy v
mikrosvětě vysvětlíme však jen s pomoci kvantové teorie. Elektron si nelze
představovat jako přesně ohraničenou kuličku, popisuje se spíše vlnovou
funkc9 a vyskytuje se tam, kde má vlnová funkce velkou hustotu. Podle
kvantové teorie mohou mít elektrony v atomech jen určit0 hodnoty energie.
Fermiho statistika, kterou se elektrony řídí, dovoluje, aby se na jisté hladině
energie nacházely vždy jen dva elektrony a ještě s opačným vlastním
mechanickým a magnetickým momentem (spinem). Přiblíží-li se atomy k sobě tak
blízko, že vytvoří strukturu pevné látky, jejich energetické hladiny se
posunou a promísí tak, že vytvoří pás energií. Volně elektrony opouštějí
vlivem tepelné energie tento pás (nad tzv. Fermiho energií) a podílejí se na
vedení proudu. Pás, o kterém se zmiňujete, není tedy žádná jízdní dráha
nebo kanál, jimiž by elektrony proudily, nýbrž je to pás ve spektru energií.
Vznikne-li přiblížením některých druhů atomů (kondenzací) místo kovů
polovodič, je nad zmíněným valenčním pásem zakázaný pás energií, nad nímž se
nachází vodivostní pás, kam se musí nositelé náboje (elektrony nebo díry po
elektronech) dostat, aby mohly vést proud. Polovodič vede tedy tím lépe, čím
více nositelů náboje může přeskočit z valenčního pásu do vodivostního pásu.
Odpor polovodiče tedy s teplotou klesá.
Materiály, které mají široký zakázaný pás, přes který se elektrony už
nemohou dostat, se chová jako izolátor.
V krátkosti jsem mohl podat jen takovéto hrubé vysvětlení. Nahlédněte do
nějaké učebnice fyziky pevných látek. Dozvíte se tam i o takových
zvláštních vodičích, jako jsou supravodiče.
Dotaz: Možná můj dotaz je blbost, ale dostal jsem nápad, při pohledu na tancující
pračku, zda by to nešlo využít k řízenému pohybu. Představoval bych si to asi
takto: Dva kovové pásky široké cca 1cm, stočené do kruhu o průměru X,
položené na sobě, ale s mezerou cca 3mm. V ose tohoto kruhu umístěn svisle
motor. Kolmo v ose motoru upevněna tyčka průměr 3mm a délky cca max 2x průměr
kruhů z pásku. Tato tyčka by se pohybovala v mezeře mezi kruhy rychlostí
podle počtu otáček. Ale teď na osu navléknu posuvná závažíčka(třeba v podobě
koleček,aby se mohla snadno pohybovat po vnitřní stěně kruhů).Co se stane
když motor nebude v ose kruhů, ale budu jeho polohu měnít směrem od osy ke
stěně kruhů? Bude na kruhy působit nějaká síla, která způsobí jejich pohyb
budouli třeba připevněny na desce s kolečky? A jak velká? Dá se případně
spočítat účinnost přeměny energie? Co když místo kružnic bude použita elipsa
a pohyb motoru bude po její delší ose?Posouváním tohoto rotujicího motoru od
středu kruhu k jeho plášti by se možná dala řídit síla působící na kruhy za
optimálních otáček motoru. Nepoužívá se tento nápad pokud to funguje již
někde? Třeba u plavidla s velmi nízkým ponorem. Snad mému dotazu porozumíte a
(Kvíz)
Odpověď: Milý pane, tohle je dotaz, na který podle mně nejlepší odpověď je to
zkusit. Nevím o praktické realizaci podobného principu, jaký jste popsal,
vím, že se používají excentrická závaží například pro buzení kmitů
(minizemětřesení). Ono totiž při praktické realizaci nejlíp přijdete na
to, k čemu by to mohlo být dobré, objasnit chování podobného zařízení pak
jde vždycky, zatímco navrhnout z pohybových rovnic konstrukci třeba té
zmíněné pračky moc nejde. Zkuste vyrobit, pošlete fotku. Kdyby vás akutně
zajímala otázka, zda to už někdo nenavrhl (třeba známý český génius), pak
relevantní informace se dají hledat např. na
http://platan.vc.cvut.cz/vychova/vychova1/inf_pram/p_online.html .
(J.Dolejší)
Reakce na dotaz (17.10.2003):
Narazil jsem náhodou na vaši odpovědnu a opravdu se mi líbí. Přesto si
neodpustím komentář k jedná vaší odpovědi na téma : Jak využít pračku k
řízenému pohybu. Pan Dolejší má jistě mnohem širší fyzikální vědomosti než
já, ale tady si myslím byla na místě jasná odpověď typu tohle fungovat
nebude. Sám jsem kdysi v mladické naivitě řešil podobný problém, kde
výsledkem mělo být vznášedlo. Záhy jsem ale pochopil, že je to nesmysl. Ve
fyzice totiž platí zákon, že izolovaná soustava nemůže změnit polohu svého
těžiště. To platí pokud je v klidu. Pokud je v pohybu, tak nemůže změnit jeho
rychlost. Jinými slovy, pokud se chce něco pohnout,nebo zrychlit, pak to musí
poslat kus hmoty opačným směrem. Ta hmota může být vlastní (spaliny rakety ve
vesmíru), nebo vnější (auto jedoucí po Zemi, způsobilo její, byť
zanedbatelné, otáčení proti směru jízdy automobilu). Kdyby si tazatel provedl
integrál třeba impulsu síly v těžišti svého zařizení, pak by po jedné
vykonané otáčce motoru dostal čistou a krásnou nulu. Pokud se mýlím,nebo jsem
nepochopil otázku tazatele, nebo vaši odpověď, pak rád přijmu vaši kritiku.
(L. Felger)
Odpověď:
Já se pokusím trochu naznačit, proč jsem odpověděl tak, jak jsem
odpověděl: Pokud jsem dobře pochopil návrh tazatele, vyrobí zařízení,
které sebou bude zmítat (podobně jako pračka). Ale stejně tak jako pračka
může urazit značnou vzdálenost a utrhnout se od přívodní a odpadové trubky
(stačí například, aby se pěkně zmítala a měla kolečka, která se na jednu
stranu pohybují snáze než na druhou). Když dáte zmítající se pračku na záď
kanoe a vyrobíte nějakou ploutev připevněnou na kanoi, tak asi také
dosáhnete pohybu vpřed. Tohle všechno není vůbec ve sporu s momentovými
větami atd. Takže si nemyslím, že se dá jednoznačně říct, že tazatelův
nápad nemůže fungovat. Podstatný je totiž opravdu výsledek, a i v rámci
dobře ověřených fyzikálních zákonů je veliký prostor. A jak jste zmínil,
když se pračka na lodi bude pohybovat jedním směrem a voda nebo dokonce
Země druhým, vše je v pořádku.
Dotaz: Chtěl bych vás poprosit o podrobnější vysvětlení (mně naprosto
nepochopitelného) jevu Magdeburských polokoulí, kdy je ze dvou kovových
polokoulí, na sobě přiložených, odsán vzduch a tyto pak u sebe "drží" velkou
silou. Bude zachováno silové působení i po odtržení polokoulí od sebe? Např.
zpětným přiblížením? "Chytnou" se na sebe jako magnety? Využívá se tohoto
jevu někde v praxi? Proč jev nefunguje i opačně? Tzn. polokoule naplněné pod
vysokým tlakem se neodpuzují? (Pavel Faltýnek)
Odpověď: Na každý předmět kolem nás působí vzduch tak, že na každý čtverečný
centimetr tlačí stejně, jako kdyby na tom čtverečku bylo položeno
kilogramové závaží. Nepozorujeme to jednak proto, že to tlačí ze
všech stran a protože pod tímto tlakem jsme od narození. Když ty
polokoule dáš vzduchotěsně k sobě a vzduch ze vzniklé dutiny
vyčerpáš, bude vzduch tlačit jen zvenku a tedy polokoule stlačovat k
sobě. Po odtržení vleze zase vzduch dovnitř a tlačí
proto ze všech stran a netlačí polokoule k sobě. I po přiblížení
polokoulí je stále vevnitř vzduch, který odtlačuje polokoule od sebe
stejně, jako je vnější vzduch tlačí k sobě. Proto je výsledek
nerozhodný, žádnou sílu nepozorujeme.
Tohoto jevu se využívá na každém kroku. Když saješ limonádu brčkem,
vycucneš z brčka vzduch a vzduch, který tlačí na hladinu limonády ti
ji nažene brčkem do úst. Když přimáčkneš přísavku na dlaždičku,
vymáčkneš z pod ní vzduch a venkovní vzduch ji drží přitisknutou u
dlaždice, když maminka zavařuje, vyžene pára ze zavařovačky vzduch a
když potom pára zkapalní a přestane zevnitř tlačit, vnější vzduch
drží víčko na zavařovačce.
Opačně to samozřejmě taky funguje. Copak jsi nikdy nestřílel ze
vzduchovky. Kdo vyžene brok z hlavně a pušku trochu strčí dozadu?
Pokud chceš kulatější příklad, tak si vzpomeň na granát. Tam sice
netlačí vysokým tlakem vzduch ale plyny vzniklé rychlým spálením
nálože, ale jinak je to totéž v bleděmodrém.
Dotaz: Chtěl jsem se zeptat na jeden zajímavý jev ukázaný v televizní
reklamě. Před časem běžela reklama na výrobek, který měl tvar desky, položil
se do teplé vody, nasypala se sůl a v této lázní bylo možno bezproblemově
čistit stříbrné předměty. Prý se v samotné
vodě nic nedělo, až po přidání soli. Zajímalo by mě, na jakém principu tento
proces fungoval. Odhadl bych, že šlo o elektrolýzu, deska a stříbrný předmět
tvořily elektrody. (Adam Nováček)
Odpověď: Je to spíš otázka z chemie, odpovím, co vím a na zbytek se ptejte na
Přír. fak. UK či podobně.
Černání stříbra je způsobeno hlavně černým sulfidem Ag2S, který se
vytváří na povrchu kovu pod vlivem sirovodíku (vznikajícího hnitím org.
látek) nebo jiných látek schopných uvolňovat síru (allylsulfidy z cibule
a česneku apod.). Pokud sirník rozpustíte a tím odsttraníte, vynikne
původní stříbrný lesk (do té doby, než se to znova znečistí). Ag2S je
nerozpustný ve vodě a v běžných rozpouštědlech, rozkládá se kyselinami
nebo ho lze rozpustit vytvořením různých thiokomplexů, nebo ho lze
nejprve oxidovat na síran Ag2SO4, který je sice taky velice málo
rozpustný, ale už to přece jen jde mírnějšími prostředky, anebo lze
konečně použít elektrolytické oxidace (na Ag2SO4) či redukce (na Ag
kovové). A ten poslední případ zřejmě nastává. Jednou elektrodou je tác,
druhou je přímo čištěný předmět, elektrolytem je právě ona sůl z
reklamy, a buď pomáhá rozpouštět Ag2S na komplexy, nebo oxidovat nebo
redukovat.
Dotaz: Zajímalo by me, jak je možné, že se kostka cukru (pevná látka) rozpustí ve
vodě a jiná pevná látka nikoliv (např. kovový předmět)? Jaká energie na ni
působí a na jakou "úroveň" se vlastně rozpustí? (Petr)
Odpověď: Jde o mezimolekulární síly.
Přeložte si to asi takto:
1) Proč vlastně - za dané teploty, tj. když molekuly mají nějakou tu
nadbytečnou energii - drží některé molekuly pospolu (látka je v pevné
fázi), jiné se drží poblíž sebe, ale nikoli už v pevných směrech (kapalina)
a jiné jsou si "cizí" - raději poletují (plyn)? Rámcově řečeno, jde o to,
jaký je poměr energie příslušné molekuly k potenciální energii dané vazbami
na sousedy.
2) Mám molekuly dvou druhů, dejme tomu, že s energiemi odpovídajícími
makroskopicky tomu, že látka je kapalinou. Bude pro konkrétní molekulu
energiově výhodnější držet se poblíž molekuly téhož druhu, anebo jiného
druhu? To ovšem záleží i na tvaru molekul spolu s rozložením elektrických
nábojů na povrchu. Je-li to molekule jedno či bude-li pro ni spojení s
jinou molekulou energiově atraktivnější, pak se - makroskopicky - budou obě
kapaliny mísit.
3) Analogická situace nastane, je-li teplota taková, že je v pevné fázi
jedna složka (rozpouštění ve fázi druhé) nebo obě (směsné krystaly, tj.
fakticky rozpouštění v tuhé fázi).
Pokud Vám tento náznak nestačí, zeptejte se znovu, podrobněji.
