Zaujal vás nějaký fyzikální jev? Nevíte si rady s jeho vysvětlením? Neváhejte a napište nám svůj dotaz!
nalezeno 1493 dotazů
806) Je plamen formou plazmatu?
07. 02. 2004
Dotaz: 1. Chtěl bych se zeptat jestli je plamen formou plazmatu (jestli se zde vyskytují ionty), jestli je to otázka teploty nebo elektromagnetického pole.
2. Četl jsem něco o iontovém motoru, kde se ionty urychlují elektromagnetickým polem a zajímalo by mne, jestli to samé lze udělat i se spalinami chemického motoru - zvýšení rychlosti výtokových plynů a výkonnosti pohonu rakety. Rychlost iontů je asi 10x vyšší než u chemického paliva, ale nemá takovou akceleraci a nelze použít v atmosféře, a já nevím proč. (Petr Zimmermann)
Odpověď: 1. Ionty se, např. vlivem kosmického záření, běžně vyskytují
i ve vzduchu za pokojové teploty.
Pouhý výskyt iontů tedy není dobrým kritériem pro to, aby bylo
rozumné nějaké prostředí nazvat plazmatem.
Plamen sice obsahuje velké množství iontů (1014 - 1018
v krychlovém metru), ale formou plazmatu bych jej též,
z důvodů, jež se pokusím níže vysvětlit, nenazval.
Plazma je obyčejně definováno jako navenek neutrální
plyn obsahující velké množství kladně i záporně nabitých částic,
které se vzájemně ovlivňují elektromagnetickými silami.
Přesněji řečeno, lze definovat tři podmínky pro plazma:
A. Rozměr plazmatu musí být mnohem větší, než je Debyeova
délka, neboli vzdálenost, na které nabité částice elektrostaticky
odstíní náboje do plazmatu vložené. Tato vzdálenost je přímo úměrná
tepelné rychlosti částic a nepřímo úměrná odmocnině z jejich hustoty.
B. Hustota nabitých částic musí být taková, aby v krychli o hraně
rovné Debyeově délce byl statisticky významný počet částic, to jest
mnohem více, než jednotky.
C. Pokud plyn obsahuje i neutrální částice, srážky mezi nimi a
nabitými částicemi musí být méně časté než je perioda oscilací
působených vzájemným působením elektromagnetických sil mezi nabitými
částicemi. V opačném případě by se totiž nabité částice vzájemně
neovlivňovaly elektromagnetickými silami, ale pohybovaly pod vlivem srážek s
neutrálním plynem. Za onu periodu oscilací zde lze uvažovat periodu
elektrostatických plazmových kmitů, jež je nepřímo úměrná
odmocnině z hustoty nabitých částic. Na hustotě nabitých a neutrálních
částic a na jejich tepelných rychlostech též závisí frekvence
jejich vzájemných srážek.
Pro odpověď na otázku, je-li plamen formou plazmatu je tedy důležitá
nejen teplota ale i hustota nabitých a neutrálních částic.
O teplotě plamene přirozeně hořících materiálů mají dobrý přehled hasiči.
Následující tabulka je převzata z [1].
rašelina, mazut: 1 000 °C
dřevo, hnědé uhlí, ropa, petrolej, motorová nafta: 1 100 °C
černé uhlí, kaučuk a jeho výrobky, benzín: 1 200 °C
antracit, síra: 1 300 °C
hořlavé plyny: 1 300 - 1 500 °C
hořčík, elektron: 2 000 °C
Jak uvádí pplk. Mráz [2], hořící plastová ramínka z tvrzeného
polystyrenu mají teplotu plamene až 2210 °C.
Co se týče uměle pěstovaného plamene, běžné propan-butanové hořáky
dosahují teploty plamene 800-1600 °C. Zemní plyn spalovaný na vzduchu
dosahuje teploty asi 2000 °C a v čistém kyslíku
asi 2700 °C. Acetyléno-kyslíkový hořák vyvine teplotu 2700-3200 °C a
tryska hlavního motoru raketoplánu, napájená kapalným kyslíkem
a kapalným vodíkem dosáhne teploty plamene asi 3300 °C [3].
Převážná většina nabitých částic vzniká při chemických
reakcích spojených s hořením, nikoli tedy přímou tepelnou ionizací.
Hustota a druh vzniklých nabitých částic tak velmi závisí na druhu paliva.
Při hoření dochází ke vzniku kladných iontů (například CHO+, CH3+, C2H3O+,
H3O+),
záporných iontů (např. O2-) a elektronů, ale občas též
až mikrometrových grafitových částic s kladnými náboji řádu 1000 elementárních
nábojů [4,5]). Hustota vniklých nabitých částic je, podle druhu paliva,
mezi 1014 m-3 (klasická tuhá paliva [5]) a 1018 m-3 (maximum pro
plynná paliva v hořácích a tryskách [4,6]). To ale může být stále ještě
zanedbatelná hodnota v porovnání s hustotou neutrálních částic,
jež je za pokojové teploty a atmosférického tlaku asi 3*1025 m-3.
Z takto shromážděných údajů lze již ověřit, platí-li
výše uvedené podmínky A-C pro to, abychom plamen mohli označit jako plazma.
Zde zjistíme, že podmínkám A a B plamen většinou vyhoví (Debyeova délka je
v řádech od 10-6 do 10-4 m), avšak podmínce C nikoli.
Frekvence plazmových kmitů je zde mezi 100 MHz a 10 GHz, což je
výrazně méně, než je frekvence srážek mezi elektrony a neutrálními
částicemi, jež je v řádech tisíců GHz. Pohyb nabitých částic v plameni je
tedy natolik ovlivňován srážkami s
neutrálním plynem, že jejich vzájemné elektromagnetické
působení je zanedbatelné, a plamen v tomto smyslu nelze nazvat
plazmatem.
Doporučená literatura:
F.F. Chen: Úvod do fyziky plazmatu, Academia, Praha 1984. Použitá literatura:
[1] Ing. Bohdan PTÁČEK, Základy požární taktiky: Parametry požáru,
MV ŘEDITELSTVÍ HASIČSKÉHO ZÁCHRANNÉHO SBORU ČR
ODBORNÁ PŘÍPRAVA JEDNOTEK PO^ÎÁRNÍ OCHRANY, Konspekt 1-1-04
(http://onsov.borec.cz/hasici/1_1_04.html)
[2] pplk. Milan MRÁZ, V Otovicích hasiči bojovali s velkým množstvím hoříciho
plastu,
150 HOŘÍ číslo 9/2001
(
http://www.mvcr.cz/casopisy/150hori/2001/zari/mraz.html )
[3]
http://www.space.com/businesstechnology/technology/new_shuttle_engine_010426.htm
l
[4] A. Sorokin, Emission of ions and charged soot particles by aircraft
engines,
Atmos. Chem. Phys. 3, 325-334, 2003.
[5] D. J. Latham, Space charge generated by wind tunnel fires,
Atmospheric Research 51, 267-278, 1999.
[6] R. M. Clements and P. R. Smy, Anomalous currents to a spherical
electrostatic probe
in a flame plasma, Brit. J. Appl. Phys. (J. Phys. D) Ser. 2, Vol. 2, 1731-1737,
1969.
2. Druhá část otázky je spíše technického rázu, odpovím jen stručně:
Iontový motor může pracovat po dlouhou dobu, ale na druhou stranu
pracuje s velmi malým tahem. Lze jej použít pro
drobné korekce drah již vypuštěných družic, pro korekce orientace, a
přichází doba jeho použití pro postupné urychlování těles. To povede
k výrazným korekcím drah, avšak pouze při dlouhodobém chodu motoru
umístěném na klasicky vypuštěných tělesech.
Z běžného velmi malého poměru koncentrací iontů a neutrálních částic
v plameni (viz výše) vyplývá, že klasický pohon raket je
založen spíše na proudu neutrálních částic a dodatečné urychlování
iontů by se v této situaci patrně nijak neprojevilo.
807) Konstantní rychlost světla a současnost událostí
02. 02. 2004
Dotaz: V učebnicích teorie relativity se často uvádí jako myšlenkový pokus dokazující
dilataci času příklad, ve kterém se v jedoucím vlaku na malý okamžik rozsvítí
baterka a paprsek vyslaný kolmo nahoru se odrazí od zrcátka zpět. Pro
pozorovatele jedoucího ve vlaku paprsek vykoná cestu nahoru a dolů, avšak z
pohledu pozorovatele stojícího mimo vlak paprsek vykoná pohyb šikmo nahoru a
šikmo dolů. Ale totéž je možno udělat například s míčem při rychlosti třeba 60
km/h, ale o tak velké dilataci času, která by tak vyšla nejde hovořit. Čím je tedy světlo tak ''univerzální''? Protože kdyby mělo nekonečnou rychlost, byla by
současnost absolutní. Také mě zarazilo tvrzení o relativnosti současnosti. Uvádí
se příklad dvou od sebe vzdálených pozorovatelů. Jeden pozorovatel tomu druhému
zamává, avšak druhý pozorovatel spatří toto zamávání o chvíli později. Podle mě
se musí brát v úvahu, jak myslíme pojem ''současnost'', jestli jako to co vidíme
nebo jako to, co se stalo. (Petr Choulík)
Odpověď: Klíčový rozdíl mezi míčem a světlem ve vašem příkladu je to, že světlo létá
STEJNOU rychlostí v každé soustavě (to je ověřeno experimentálně a je základ
speciální teorie relativity), zatímco míč ne. Na téma současnost: Uvažujte, co
vidíte, změříte atd. z hlediska různých soustav. Tj. podstatné výroky znějí:
"Pro pozorovatele v dané soustavě jsou/nejsou tyto dvě události současné
(vidí/nevidí je jako současné)" Komplikace se současností nevznikají jen v
případě současných soumístných událostí, to je vidět stejně z libovolné
soustavy.
Dotaz: Zajímalo by mě, jaký je odběr vzduchu v l/s z trubky o vnitřním průměru 25,4 mm
při tlaku 6 bar. v potrubí. Nebo jak lze spočítat výstupní rychlost proudění
vzduchu při určitém tlaku a průřezu, abych si mohl spotřebu vypočítat.Děkuji
(ZSILAY Pavel)
Odpověď: Myslím si, že množství vzduchu proudící z trubky bude dramaticky záviset na
detailech vyústění, také tlak v trubce poté, co ji otevřete, asi poklesne a bude
záviset na způsobu připojení atd. Proto spíše navrhuji ono množství, o které vám
jde, změřit. Například tak, že změříte dobu, za jakou naplníte větší plastový
pytel (jeho nafukování neklade vzduchu podstatný odpor), který pak zformujete do
podoby válce, abyste snadno zjistil objem (například postavíte zavázaný pytel na
zem, přiklopíte nějakou deskou a máte válec s krásně rovnými podstavami).
Dotaz: Není mi zcela jasné, proč se v distribučních trafech (3x400V) uzel vinutí
(nulák) musí spojit ze zemí (zakopaná Cu deska). Nebylo by bezpečnější, kdyby
zem byla galvanicky oddělena od výstupu trafa? Předešlo by se úrazu proudem
dotykem fázového vodiče. Nevím, zda je to z ekonomických důvodů nebo ochrana
před bleskem... Nebylo by bezpečnější pro každou domácnost oddělovací trafo, kde
by se žádná svorka sekundáru neuzemnila? (Jirka)
Odpověď: S tím „jednopólovým dotykem“ fázového vodiče (označme L1) by to byla pravda pouze do té doby, než by na jiném místě síte došlo (např. v důsledku poruchy) ke spojení některého z ostatních fázových vodičů (L2, L3) resp. středního vodiče (N) se zemí. Pak by se na tomto vodiči (L1) objevilo napětí vůči zemi až 400V resp. 230V. Tato porucha by navíc mohla přežívat při izolovaném uzlu vinutí velmi dlouho, protože nevznikne žádný zkratový proud (neuzavře se obvod), který by přerušil pojistku a tím odpojil vodič s poruchou od zdroje.
(Někdy je to však žádoucí - např. v průmyslových sítích (IT), kde je potřeba nepřetržitý chod, i když dojde k poruše izolace na jedné fázi - není to však případ distribučních sítí.)
Spojení uzlu vinutí transformátoru se zemí principielně umožňuje činnost ochrany zemněním (sítě TT) resp. nulováním (sítě TN-S, TN-C) (dnes souhrnně ochrana samočinným odpojením od zdroje) neživých částí elektrických zařízení (např. kovová skříň ledničky, pračky, kostra žehličky...) před nebezpečným dotykovým napětím vůči zemi. Činnost této ochrany znázorňuje přiložený obrázek a následující text: V důsledku poruchy došlo ke spojení fázového vodiče s kostrou přístroje. Díky jejímu spojení přes ochranný vodič (PE) s uzlem vinutí transformátoru dojde okamžitě k přepálení pojistky a tím i k odpojení poškozeného přístroje od sítě. Spojení uzlu vinutí transformátoru (resp. také ochranného vodiče PE v rozvadeči) se zemí zajistí, že na vodivé kostře přístroje nevznikne větší dotykové napětí vůči zemi než je úbytek napětí na ochranném vodiči (PE) při zkratovém proudu. Velikost tohoto dotykového napětí a dobu odpojení spotřebiče pojistkou stanovují normy.
Co se týče toho transformátoru pro domácnost - platí totéž co bylo napsáno pro „velkou síť“. Oddělovací transformátor (1:1) se však používá např. při opravách el. přístrojů, kde by byla větší pravděpodobnost dotyku fázového vodiče. V tomto případě je však na sekundární vinutí transformátoru připojen pouze jeden přístroj.
Další a související informace (např. ochrana pomocí proudových a napěťových chráničů) je možno najít např. v knize Václav Honys: Nová příručka pro zkoušky elektrotechniků 1997-8
(nebo v některém jejím aktualizovaném vydání) nebo na serveru www.elektrika.cz.
810) Mechanický model napětí, zesilovače a střídavého proudu
23. 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.
