az alapiskola 9. és a nyolcosztályos gimnázium 4. osztálya számára

Átírás

1 FIZIKA az alapiskola 9. és a nyolcosztályos gimnázium 4. osztálya számára doc. RNDr. Viera Lapitková, CSc. Mgr. Ľubica Morková

2 Szerzők Autori doc. RNDr. Viera Lapitková, CSc., Mgr. Ľubica Morková Lektorálták Lektorovali: Mgr. Zuzana Klaudíniová, Mgr. Mária Oravcová, doc. RNDr. František Kundracik, CSc. Az illusztrációk szerzői Autori ilustrácií Mgr. Zuzana Lapitková, doc. RNDr. Václav Koubek, CSc., RNDr. Peter Kohaut Fordította Prekladateľ Mgr. Lacza Tihamér Jóváhagyta a Szlovák Köztársaság Oktatási, Tudomány- és Kutatásügyi és Sportminisztériuma szeptember 24-én a /42141:4-919 szám alatt, mint fizika tankönyvet az alapiskola 9. és a nyolcosztályos gimnázium 4. osztálya számára. A jóváhagyási záradék 5 évig érvényes. Schválilo Ministerstvo školstva, vedy, výskumu a športu Slovenskej republiky pod č /42141:4-919 zo dňa 24. septembra 2012 ako učebnicu fyziky pre 9. ročník základnej školy a 4. ročník gymnázia s osemročným štúdiom. Schvaľovacia doložka má platnosť 5 rokov. Minden jog fenntartva. A könyv vagy bármely része nem használható fel, nem reprodukálható, nem terjeszthető semmilyen módon, akár mechanikus, fotografikus vagy elektronikus eszközökkel nyomtatott formában, fotokópiaként, illetve információs rendszer útján stb. a kiadó előzetes írásos beleegyezése nélkül. Všetky práva vyhradené. Žiadna časť tejto knihy nesmie byť použitá, reprodukovaná ani šírená akýmkoľvek spôsobom a prostriedkami, či už mechanickými, fotografickými alebo elektronickými a to vo forme tlačenej, fotokópií či záznamov, alebo prostredníctvom informačného systému a pod. bez predchádzajúceho písomného súhlasu vydavateľa. Első kiadás Prvé vydanie, 2012 ISBN

3 Hogyan tájékozódjunk gyorsan a tankönyvben? Kísérlet Feladat Oldd meg a faladatokat Fontos kifejezések Házi felkészülés a tanítási órára Projekt Összefoglaló tananyag Megjegyzés: Tudod-e, hogy Az információk összegyűjtésére és feldolgozására irányuló feladatok Kiegészítő tananyag A tankönyvhöz az interneten a következő helyeken találhatók elektronikus anyagok vagy

4 4 TARTALOM Mit fogunk tanulni... 6 I. AZ ANYAGOK MÁGNESES ÉS ELEKTROMOS TULAJDONSÁGAI... 8 Az anyagok mágneses tulajdonságai Vizsgáljuk az anyagok mágneses tulajdonságait Hogyan készítsünk mágnest A Föld mint mágnes Az anyagok elektromos tulajdonságai Vizsgáljuk az anyagok elektromos tulajdonságait. Az elektromos töltés Az elektromos töltés átvitele. Elektroszkóp Elektromos mező. Testek elektromos mezőben projekt Amit megtanultunk teszt feleltesd le önmagadat II. ELEKTROMOS ÁRAM Elektromos áram vezetése fémvezetőkben Elektromos áramkör. Elektromos vezetők és szigetelők Elektromos áram fémvezetőben. Az áram hőhatása Elektromos áramerősség mint fizikai mennyiség. Az áramerősség mérése Elektromos erők és elektromos mező a vezetőben Elektromos feszültség. A feszültség mérése Ohm törvénye. A vezető elektromos ellenállása Az elektromos ellenállás függése a vezető tulajdonságaitól Változó ellenállású rezisztor Amit megtanultunk... 61

5 5 2. teszt feleltesd le önmagadat A fogyasztók soros kapcsolása az elektromos áramkörben A fogyasztók párhuzamos kapcsolása az elektromos áramkörben Elektromos munka. Elektromos bemenő teljesítmény Mágneses mező az árammal átjárt vezető körül. Az árammal átjárt tekercs mágneses mezeje Elektromágnes és alkalmazása Amit megtanultunk teszt feleltesd le önmagadat Elektromos áram vezetése folyadékokban és gázokban Elektromos áram vezetése folyadékokban. Elektrolízis és hasznosítása Kémiai áramforrások Elektromos áram vezetése gázokban Az elektromos áram hatása az emberi szervezetre. Biztonság az elektromos berendezésekkel végzett munka közben Elektromos energia és átalakulásai projekt Amit megtanultunk teszt feleltesd le önmagadat

6 6 Mit fogunk tanulni Ebben a tanévben az anyagok elektromos és mágneses tulajdonságait, valamint az elektromos árammal összefüggő jelenségeket fogjuk vizsgálni a szilárd, a cseppfolyós és a gáznemű anyagokban. Az elektromos jelenségekkel kapcsolatos legkorábbi beszámoló Milétoszi Thalész görög filozófustól származik, aki i. e. a 6. században élt. A borostyánkövet dörzsölve, amely egy megszilárdult természetes gyanta és különböző tárgyak készíthetők belőle, azt látjuk, hogy apró testeket vonz magához. A borostyánkőből készült szerszám a len fonásánál használt berendezés része volt. Munka közben a szerszám súrlódott és mindenféle apró anyagmaradványokat: szalma- és lenszáltörmelékeket vonzott magához, miközben a lenfonalak taszították egymást. Ezeket az ókori megfigyeléseket az elektron kifejezés őrizte meg, ami a borostyánkő görög neve. Később, 1600 táján William Gilbert angol orvos ismét leírta ezt a jelenséget, és ezzel ösztönzést adott a további kutatásokhoz. borostyánkő A görögök azt is megfigyelték, hogy bizonyos természetes kövek, pl. a magnetit nevű ásvány, vonzzák a vastárgyakat. Ez volt az elektromos és mágneses jelenségekkel foglalkozó tudomány kezdete. Később az ún. Oersted kísérlet során (1820-ban) kiderült, hogy ez a két jelenség összefügg egymással. A dán Hans Oersted (örszted) megfigyelte, hogy a vezetőben haladó áram kitéríti az iránytű mágnestűjét. Ez a történelmi kísérlet megtalálható a tankönyvben is. A tudományos kutatás új területével, az elektromágnességgel számos ország tudósai foglalkoznak és sok új műszaki találmány alapját képezi. A bevezetőnek szánt két egyszerű kísérlet összefügg a tankönyvben feldolgozott fizikai ismeretekkel. Végezzétek el a kísérleteket és gondolkodjatok el a lefolyásukon. mágnesvaskő 1. kísérlet Figyeljétek meg és magyarázzátok meg a fonalra függesztett golyócska viselkedését, ha elektromosan töltött vonalzóval közelítünk felé. (Dolgozzatok csoportokban.) Eszközök: 6 x 2 cm-es alufólia, hosszú műanyagvonalzó, cm hosszú fonal, olló, Bunsen-állvány (főzőpohár), grafitceruza, papír zsebkendő Végrehajtás: a) A 6 2 cm nagyságú alufóliából készítsetek egy kis golyót és erősítsetek rá egy fonalat. b) A fonal másik végén alakítsatok ki egy hurkot, hogy a golyócskát fel tudjátok akasztani a ceruzára. c) A ceruzát erősítsétek az állványra vagy fektessétek keresztbe egy magasabb főzőpoháron úgy, hogy a golyócska szabadon függjön. d) Papír zsebkendővel dörzsöljétek meg a műanyagvonalzót, majd közelítsétek a golyócskához. 1. ábra A golyócskával és az elektromosan feltöltött vonalzóval végzett kísérlet eszközei

7 7 Válaszolj: 1. Hogyan viselkedett a golyócska, amikor az elektromosan feltöltött vonalzóval közelítettél hozzá? 2. A megfigyelés során csak egy jelenséget észleltetek vagy volt több is? 3. Hogyan magyarázod az egyes megfigyeléseket? 2. kísérlet Egy laposelemből és egy kis izzóból állíts össze elektromos áramkört, hogy az izzó világítson. Eszközök: laposelem (telep, 4,5 V), kis izzó 2. ábra A teleppel és az izzóval végzett kísérlet eszközei Válaszolj: 1. Írd le, hogyan kell az izzót a telephez csatlakoztatni, hogy meggyulladjon. 2. Rajzold le, hogyan képzeled el az elektromos áram áthaladását az izzón. 3. Mi az oka, hogy az izzó akkor gyullad meg, amikor helyesen csatlakoztatjuk a telephez? Ha a golyócskával végzett kísérletnél ilyen kifejezéseket használtál, mint elektromos töltés, vonzó vagy taszító erő, a tapasztalatodra épülő magyarázatod nagyon közel volt a szakmai magyarázathoz. A második kísérlet, az izzó kigyulladása és a világítás magyarázata valakinek nagyon egyszerű lehet, de vannak felnőttek is, akik nem képesek az izzót helyesen csatlakoztatni a telephez. A megfelelő magyarázathoz legalább az elektromos áramkör, az izzó és a telep szerkezetének legfontosabb elemeit ismerni kell.

8 8 I. AZ ANYAGOK MÁGNESES ÉS ELEKTROMOS TULAJDONSÁGAI Az anyagok mágneses tulajdonságai A mágneseket és a mágneses anyagokat mindennapjainkban széles körben alkalmazzák. Hasznosítják őket az elektronikai iparban (pl. számítógépek merevlemezei, a hitelkártyák mágneses vonalai), amely a mágneses anyagok tulajdonságainak ismerete nélkül nem létezne. Bizonyára találkoztatok már az iránytűvel, a tájolóval vagy a tárgyak egyszerű mágneses rögzítésével. Az iskolában valószínűleg mágneses táblát használtok. A mindennapi életben gyakran használnak elektromágneseket is. Példaként a mágnes vasutat vagy a rejtett betegségek feltárására szolgáló képalkotó orvos-diagnosztikai berendezéseket (mágneses magrezonancia készülék) stb. említhetjük. Ezek a mágnesség jelenségének korszerű magyarázatán alapuló berendezések Vizsgáljuk az anyagok mágneses tulajdonságait Az ókorban a magnetit (mágnesvaskő) ásvány csak szórakozásra szolgált, pl. bizonyos fémtárgyak vonzására. A mágnesvaskő természetes mágnes. Ma már mesterséges mágneseket készítenek (acélból vagy speciális ötvözetekből) vagy akár elektromágneseket is, amelyekről bővebben szó lesz az elektromos árammal foglalkozó fejezeben. A következő feladatban lehetőségetek lesz megvizsgálni a rúdmágnes tulajdonságait. Az iskolai eszközként használt rúdmágnes egyik végét a mágnes egyik pólusát (sarkát) pirosra festik, a másik végét (pólusát, sarkát) pedig kékre.

9 I. AZ ANYAGOK MÁGNESES ÉS ELEKTROMOS TULAJDONSÁGAI 9 Kísérlet A kísérletek alapján jellemezzétek két rúdmágnes kölcsönös viselkedését. Írjátok le a rúdmágnes tulajdonságait és viselkedését a különböző anyagú tárgyakkal szemben. (Dolgozzatok csoportokban.) Eszközök: 2 rúdmágnes, acél szögecskék (acélreszelékek, kis mágnesek vagy apró tárgyak) és a feladat végrehajtásához szükséges egyéb eszközök belátásotok szerint Javaslatok további eszközökre: Végrehajtás: a) Javasoljatok és végezzetek el kísérleteket két rúdmágnessel úgy, hogy megválaszolhassátok a feladat kérdéseit. b) Hajtsatok végre kísérleteket kis acéltárgyakkal és mágnessel. c) Javasoljatok kísérleteket, amelyek alapján következtetéseket tudtok levonni a mágnes és a különböző tárgyak közötti viselkedésről. d) Prezentáljátok megállapításaitok eredményét a kísérletekkel együtt az osztály előtt, majd közösen állítsátok össze a mágnes tulajdonságainak a jegyzékét. Válaszolj: 1. Hogyan viselkednek egymással szemben a mágnesek ellenkező színű ellentétes pólusai? 2. Hogyan viselkednek egymással szemben a mágnesek azonos színű megegyező pólusai? 3. A mágnes két sarka és a középső része hasonlóan viselkedik, amikor magához vonzza az apró acélszögeket vagy egyéb tárgyakat? 4. Milyen anyagokból készült tárgyakat vonz magához a mágnes, és milyen anyagúakat nem vonz? 5. Milyen közegben nyilvánul meg a mágnes hatása? Az előző feladat célja az volt, hogy megmutassuk a rúdmágnes közismert tulajdonságait. A kísérletek során meggyőződhettetek róla, hogy a mágnes és a vasból, az acélból (valamint a nikkelből, a kobaltból) készült tárgyak között mágneses erő hat. Azokat az anyagokat, amelyekre a mágnes hat, gyűjtőnévvel ferromágneses anyagoknak nevezzük. A mágneses erő láthatóan nem mutatkozik meg (igen gyenge), ha a mágnes közelében olyan anyagok találhatók, mint a műanyagok, a papír, a fa vagy az alumínium, de akár a réz, az ón vagy a sárgaréz is. Ha a kísérletek során a rúdmágnessel a szögekhez (acél iratkapcsokhoz) közelítettetek, megfigyelhettétek, hogy a legtöbb a mágnes sarkaihoz tapadt, ahol az erőhatások a leginkább megnyilvánulnak. A mágnes közepénél egyetlen szögecske sem tapadt meg. A mágnesnek ezt a részét semleges övezetnek nevezik.

10 10 I. AZ ANYAGOK MÁGNESES ÉS ELEKTROMOS TULAJDONSÁGAI pólusok 3. ábra Az acél szögecskék megtapadása a rúdmágnesen A rúdmágnesnek két eltérő pólusa van. Erről meggyőződhettek, ha a mágnest ceruzákra helyezzük és a piros színű sarokhoz a másik mágnes kék színű sarkával közelítünk. Megállapítható, hogy a mágnesek kölcsönösen vonzzák egymást (4.a ábra). Ha a ceruzákra helyezett mágnes valamelyik sarkához egy másik mágnes ugyanolyan színű sarkával közelítünk, a mágnesek kölcsönösen taszítják egymást (4.b ábra) a b 4. ábra A rúdmágnesnek eltérő pólusai (sarkai) vannak A mágnesek pólusai mágneses erővel hatnak egymásra. Az iskolai mágneseken az egyik pólus feltűnő vörös festékkel van megjelölve, ez az északi pólus és N betűvel jelölik (az angol North = észak nyomán). A másik a déli pólus, amelyet S betűvel jelölnek (South = dél). Az egymáshoz közelített mágnesek már egy bizonyos távolságból hatnak egymásra, még azt megelőzően, hogy érintkeznének. Hasonlóan viselkednek a mágnessel szemben a ferromágneses anyagokból készült testek is. Érintkezés nélkül a mágneses erőhatást a mágneses mező közvetíti, amely a mágnesek körül alakul ki. A mágnesek közeledésével a mágneses erőhatás egyre intenzívebb lesz és fordítva, a mágneseket fokozatosan eltávolítva gyengül. Végezzünk el egy kísérletet, amelyben feldaraboljuk a rúdmágnest, akárcsak az iskolai krétát. A mágnest feldarabolva azt várnánk, hogy elválasztjuk egymástól a mágnes pólusait. Meglepetésünkre azonban ez nem következik be. Nem történik meg ez akkor sem, amikor a mágnest igen kis részekre törjük, akár molekulákra, atomokra bontjuk. Minden mágnesdarabnak van északi és déli pólusa.

11 I. AZ ANYAGOK MÁGNESES ÉS ELEKTROMOS TULAJDONSÁGAI 11 S N S N S N S N S 5. ábra Kisebb darabokra osztva a mágnest minden résznek lesz északi és déli pólusa Minden mágnes nagyszámú kis (elemi) mágnesből áll. Ezek a mágnesben megőrzik az eredeti irányukat. A mágnes feldarabolása után az irányuk nem változik, ezért marad meg az új mágnesdarabok mindkét pólusa. N A mágnesek mágneses erőkkel hatnak egymásra. A mágneses erők lehetnek vonzók és taszítók. A mágneses erők nagysága csökken a mágnestől távolodva. A mágneses erőhatást a mágneses mező közvetíti. A mágneses hatás a legintenzívebb a mágnes pólusainál. Minden mágnesnek van északi (N) és déli (S) pólusa. Oldd meg a feladatokat 1. Végezd el a kísérletet: Hasonlítsd össze két rúdmágnes erőhatását, amelyek először ellentétes pólusaikkal, majd azonos pólusaikkal fordulnak egymás felé. Eszközök: két rúdmágnes, Bunsen-állvány, szorító, nagyobb mennyiségű acél szögecske (acél iratkapocs) Végrehajtás: a) Helyezz egymás mellé két rúdmágnest ellentétes pólusaikkal szemben és tegyél a közelükbe nagyobb számú acél szögecskét (gemkapcsot). Helyezd őket az ellentétes pólusokhoz. b) Számold meg, hány szögecskét vonzott magához a mágnes. c) Helyezz egymáshoz két rúdmágnest azonos pólusaikkal szemben és tegyél a közelükbe nagyobb mennyiségű acél szögecskét (gemkapcsot). Helyezd őket a mágnes azonos pólusaihoz. d) Számold meg a mágnesekhez tapadt szögecskéket. Válaszolj: 1. Hasonlítsd össze és jellemezd a két rúdmágnessel végzett kísérlet eredményeit. 2. Általánosítsd a kísérlet eredményeit. 2. Állapítsd meg, hogy az elektronikai iparban mire használják az anyagok mágneses tulajdonságait. 3. Feladatul kaptad, hogy megmérjed annak az erőnek a nagyságát, amellyel két rúdmágnes ellentétes pólusai vonzzák egymást. Javasolj eszközöket és végezd el a mérést Hogyan készítsünk mágnest Az acélból készült tárgyak, mint a szögek, a kulcsok, a különböző szerszámok, általában nem mágnesesek. Amikor erős mágneses mezőbe helyezzük őket, megállapíthatjuk, hogy mágneseződnek és rúdmágnesként viselkednek.

12 12 I. AZ ANYAGOK MÁGNESES ÉS ELEKTROMOS TULAJDONSÁGAI Ha a tárgyak ún. mágnesesen lágy acélból készültek, a mágnest, tehát a mágneses mezőt eltávolítva, megszűnnek mágnesként viselkedni. Ilyenkor ideiglenes mágnesekről beszélünk. Készíthetünk persze tartós mágnest is. Ez esetben egy mágnesesen kemény acélból készült tárgyat kell mágneseznünk. Mi történik az anyagban, amely mágnessé válik? Mielőtt a mágneses mezőbe helyeznénk a tárgyat, az anyagban levő kis mágnesek rendezetlenek és a közeli északi és déli pólusok hatásai kölcsönösen kioltják egymást (6.a ábra). Mágneses mezőbe helyezve a tárgyat a kis mágnesek a 6.b ábrán szemléltetett módon rendeződnek el. a b 6. ábra A mágnes keletkezésének magyarázata Az anyagban az elemi mágnesek elrendeződését követően a tárgy középső részében az északi és a déli pólusok hatása kioltja egymást, csak a test végében jelentkezik. Feladat Állapítsd meg, a tárgyak közül melyek vannak mágnesesen kemény, és melyek mágnesesen lágy acélból. Eszközök: 6 7 cm hosszú acélcsavar, 6 7 cm hosszú varrótű, apró szögek (acél gemkapcsok) Végrehajtás: Hogyan végeznéd el a kísérletet és hogyan értékelnéd ki? Leírunk egy kísérletet, amely lehetővé teszi, hogy közelebbről jellemezzük a mágneses mezőt. Az asztalra helyezünk egy rúdmágnest (7. a ábra) és a mágnesre egy nagyobb üveglapot fektetünk. A lapra durvább acélreszeléket szórunk. Minden részecske reszelékdarabka mágnessé válik. Az üveglapon a reszelékek a 7.a ábrán látható módon rendeződnek el. A reszelékekből kialakult vonalak rendszere a mágneses mező erőhatását szemlélteti. a b c 7. ábra A mágneses mező indukcióvonalainak modellje az acélreszelék elrendeződése A reszelékláncból kialakult vonalakat a mágneses mező indukcióvonalainak nevezzük. Hasonló módon acélreszelékekkel szemléltetjük az erőhatást az ellentétes pólusok közeledésekor (7. b ábra). A mágneses mező indukcióvonalai úgy irányulnak, mintha a mágnes egyik pólusából indulnának ki és a másikba érkeznének meg. A mágnes azonos pólusainak közeledésekor (7. c ábra) a mágneses mező indukcióvonalai a mágnesek taszítását szemléltetik.

13 I. AZ ANYAGOK MÁGNESES ÉS ELEKTROMOS TULAJDONSÁGAI 13 A mágneses mező indukcióvonalait azokkal a görbékkel ábrázolhatjuk, amelyek a mágneses erőhatás irányát szemléltetik a mágneses mezőben. A mágneses mező indukcióvonalai úgy irányulnak, hogy a mágnesen kívül az északi pólusból indulnak ki és belépnek a déli pólusba. A mágnes belsejében az indukcióvonalak a déli pólustól az északi pólus felé irányulnak. Az indukcióvonal zárt görbe. A 7. ábrán bemutatott kísérlet fényképeit vonalak segítségével ábrázoljuk (8. a, 8. b és 8. c ábra). a b c 8. ábra A mágneses mező indukcióvonalainak szemléltetése Az indukcióvonalakat akár a 7. ábrán, akár a 8. ábrán látható módon acélreszelékkel vagy rajz segítségével szemléltetjük, csak két dimenzióban tehetjük. A mágneses mező azonban a mágnest az egész térben körbeveszi és nincs éles határa. A ferromágneses anyagokból készült testeket mágnesezhetjük, ha mágneses mezőbe helyezzük azokat. Mágnesezéskor az elemi mágnesek elrendeződnek az anyagban. A mágneses mezőt szemléltethetjük modellezhetjük a mágneses mező indukcióvonalainak a rendszerével. Az indukcióvonalak szemléltetik a mágnes körüli térben jelentkező mágneses erőhatás irányát. Oldd meg a feladatokat 1. Az ábrákon az acélszög mágnesezését szemléltettük. Magyarázd meg, mit szemléltet az a, b, c ábra a szög belső szerkezete szempontjából. a b c 2. Van két egyforma nagyságú acélrudad. Az egyiket mágnesezték. Javasolj néhány módszert, hogyan állapítanád meg, hogy melyik rúd mágnesezett. 3. A következő ábrán a rúdmágnes metszetén a két pólus, valamint egy mágnespatkó látható. a) Rajzold le vagy másold le az ábrákat és a mágneses mező indukcióvonalaival szemléltesd a mágneses erőhatás irányát a környezetükben. b) Mi a különbség a mágneses mező indukcióvonalainak kétdimenziós és a mágneses erőhatás reális ábrázolása között a mágnesek körül? 4. Van egy mágnesezett tűd. A tűzbe tartva izzásig hevül. a) Fogalmazz meg egy hipotézist, vajon a tű a kihűlés után is mágnesezett marad. Indokold meg a hipotézised. b) Állapítsd meg, mit jelent a Curie hőmérséklet a ferromágneses anyagok számára. S N

14 14 I. AZ ANYAGOK MÁGNESES ÉS ELEKTROMOS TULAJDONSÁGAI 1.3. A Föld mint mágnes A Föld egy hatalmas mágnes. A Föld körüli mágneses mezőt úgy ábrázolhatjuk, mint egy óriási rúdmágnes mezejét, amely áthalad a bolygó középpontján. Sok ezer, sőt százezer kilométer távolságig terjed. A Föld mágneses mezejében mágneses erő hat. Föld forgástengelye M déli mágneses pólus R északi földrajzi pólus déli mágneses pólus északi földrajzi pólus S N R M 9. ábra A Föld mágneses pólusai, a pólusok megjelölése A Föld magja jobbára olvadt vasból és nikkelből áll, és a mágneses mezőt elektromos áramok gerjesztik. El kell azonban mondani, hogy a földmágnesség pontos magyarázatát egyelőre nem ismerjük. A földi mágneses mező déli pólusa az Arktisz térségében található, az északi földrajzi pólus közelében. Megjegyzés: A térképeken a Föld mágneses pólusai ellenkező módon vannak jelölve. A déli mágneses pólus északi geomágneses pólusként van jelölve, az északi mágneses pólus pedig déli geomágneses pólusként. A Föld mágneses mezejének képzeletbeli indukcióvonalai az északi féltekén hatolnak be a Földbe. A déli féltekén viszont épp ellenkezőleg, az Antarktisz térségének kb. arról a pontjáról indulnak ki az indukcióvonalak, amelyet mint északi mágneses pólust jelölünk. A mágneses és a földrajzi pólusok nem ugyanazon a helyen találhatók, ez a 9. ábrán is látható. A Föld mágneses pólusait összekötő vonal M jelenleg a Föld forgástengelyével R mintegy 12 fokos szöget zár be. A világtájak meghatározására általában az iránytűt használják, amelynek a legfontosabb része egy kis mágnes (szabadon forog a függőleges tengely körül) és a szögskála, esetleg a szélrózsa. Hasonló berendezés a busszola, amely emellett az azimut vagyis az irányszög meghatározására is alkalmas. A déli-északi irány meghatározása iránytűvel vagy a busszolával pontatlan a mágneses és a földrajzi pólusok eltérő helyzete miatt. Napjainkban a tájékozódás már nem függ ezeknek a műszereknek az alkalmazásától. A helyzetünket bárhol a Föld felszínén a GPS műholdas rendszer segítségével nagyon gyorsan meg tudjuk állapítani, amely 24 Föld körül keringő műholdról kapja a jeleket. A Föld mágneses mezejét egyszerű eszközökkel mi is igazolhatjuk, amiről a következő kísérlet végrehajtásával győződhetünk meg. 1. kísérlet Egyszerű eszközökkel győződjetek meg az észak-déli irány meghatározásának elvéről és feltételeiről a Föld felszínén. (Dolgozzatok csoportban.)

15 I. AZ ANYAGOK MÁGNESES ÉS ELEKTROMOS TULAJDONSÁGAI 15 Eszközök: 6 7 cm-es varrótű, rúdmágnes, kis mágnes, esetleg más eszközök választásotok szerint Javaslatok a kísérlet végrehajtásához: Végrehajtás: a) Beszéljétek meg a csoportban a kísérlet elvégzésének módját. b) Bizonyítsátok be, hogy a berendezésetek nem határozza meg pontosan az észak-déli irányt, ha a radiátorhoz vagy más fémes berendezéshez közelítitek a tanteremben. c) Az osztály előtt prezentáljátok a megoldásokat és a magyarázatot is. Válaszolj: 1. Milyen fizikai ismereteket hasznosítottál a kísérlet végrehajtásánál? 2. Mivel magyarázod a tényt, hogy az iránytűt vagy a tájolót nem használhatod a világtájak meghatározására acélból készült berendezések közelében? Ahogy fentebb már utaltunk rá, a kis mágnes fontos része az iránytűnek vagy a tájolónak és gyakori eszköze az iskolai fizikai szertáraknak. Tulajdonképpen egy kemény acélból készült rombusz alakú kis mágnesről van szó. A kis mágnes egy éles csúcson van elhelyezve, hogy szabadon foroghasson. Ennek segítségével meghatározhatjuk a mágneses erőhatás irányát, ahogy azt a rúdmágnesen szemléltettük (10. ábra). 10. ábra A mágneses erőhatás irányának meghatározása kis mágnessel A tudományos kutatások szerint a Föld mágneses mezője már 3,9 milliárd évvel ezelőtt létezett. A Föld mágneses mezője sok ezer kilométeren át szétterül a világűrben. magnetoszféra 11. ábra A napszél által deformált földi mágneses mező

16 16 I. AZ ANYAGOK MÁGNESES ÉS ELEKTROMOS TULAJDONSÁGAI Ez a mező állandóan ki van téve a napszél nyomásának. A napszél főleg pozitív töltésű protonokból és negatív töltésű elektronokból áll, ezeket a Nap löki ki magából. Az ember egészségét ezek a részecskék veszélyeztetik, ezért fontos, hogy a Föld mágneses mezője megakadályozza a behatolásukat a bioszférába. A mágneses mezőre ható nyomás hatására ez a mező deformálódik. A Földnek a Nap felé néző oldalán a mező összenyomódott, a túlsó felén elnyúlt és eközben messzire behatol a bolygóközi térbe (kb km). A Föld körül mágneses mező van. A déli mágneses pólus az északi földrajzi pólus (északi sark) közelében, míg az északi mágneses pólus a déli földrajzi pólus (déli sark) közelében található. A mágneses és a földrajzi pólusok nem ugyanazon a helyen találhatók. A világtájak (égtájak) meghatározására általában iránytűt vagy tájolót használunk. A Föld mágneses mezője megvéd bennünket a Napból érkező részecskéktől. Oldd meg a feladatokat 1. Hasonlítsd össze a Föld mágneses mezőjét a rúdmágnes mágneses mezőjével. Állapítsd meg az azonos és az eltérő jegyeket a földmagban található mágnesben és a szertári rúdmágnesben. A feladat megoldásához keress további információkat a föld- magban található mágnesről és az átmágneseződéséről. 2. Keress információkat: a) Ki próbálkozott meg a múltban az északi mágneses pólus helyének a meghatározásával? b) A Föld mellett vannak más bolygók is, amelyeknek mágneses mezőjük van? c) Kik és mikor kezdték először meghatározni a világtájakat iránytű segítségével? 3. Az ábrán a földgömböt szemléltettük és bejelöltük azokat a helyeket, ahol a kis mágnes helyzetét kell berajzolni. a) Másold le az ábrát és szemléltesd rajta a Föld forgástengelyét és a mágneses tengelyét. b) Tüntesd fel az ábrán a földrajzi és a mágneses pólusokat. c) Rajzold be a mágneses indukcióvonalak haladását a Föld körül. d) A kijelölt körökben kis nyíllal rajzold be a kis mágneseket. A nyílban végződő vonal vége legyen a kis mágnes északi pólusa. a Föld forgástengelye Tudjátok-e, hogy bizonyos állatok képesek visszatérni eredeti helyükre anélkül, hogy a tájban látható tájékozódási pontokra lenne szükségük? A tájékozódáshoz a mágneses mező nagyságával kapcsolatos információkat hasznosítják. A mágneses mező érzékelésének képességét magnetorecepciónak nevezik. Érdekes, hogy ezzel a képességgel sokféle élőlény rendelkezik, a baktériumoktól kezdve, a puhatestűeken, rovarokon, bizonyos halfajokon, kétéltűeken és madarakon át egészen az emlősökig, mint pl. a cetek. A mágneses mező érzékelésének módjai eltérőek és egyelőre keveset tudunk róluk. Például a galambok koponyájában találtak egy idegekkel átszőtt területet, ahol egy, a mágneses mezőre érzékeny biológiai magnetit található. A magnetit megtalálható a fókák, a delfinek, a bálnák, a teknősök fejében és bizonyos madárfajok nyakizmaiban is. Az emberi orr körüli csontokban is előfordul kevés magnetit, ami talán kis mértékben segíti a tájékozódásunkat.

17 I. AZ ANYAGOK MÁGNESES ÉS ELEKTROMOS TULAJDONSÁGAI 17 Az anyagok elektromos tulajdonságai Ha műanyag szövetből készült ruhát öltünk magunkra, megfigyelhetjük, hogy a hajunk elektromossá válik, akárcsak fésülködés közben, amikor a hajszálak a fésűhöz tapadnak. Ha a hajunk nedves, akkor ezt a jelenséget nem tapasztaljuk. De a pulóverek sem mindig egyformán gerjesztik villamosan a hajunkat. Ez függ a szövet anyagától és a külső körülményektől. A tankönyv elején olvasható a villamosan gerjesztett borostyánkő megfigyelése, amely apró lenszál darabkákat vonzott magához, és ez ösztönzést adott az elektromos jelenségek megfigyeléséhez. A hajszálak is dörzsöléssel villamosan gerjeszthetők. A testek villamos gerjesztését különböző módon valósíthatjuk meg. A testeknek ezt az állapotát magával az anyag szerkezetével magyarázhatjuk: az anyag elektromos tulajdonságaival. A mágneses tulajdonságokhoz hasonlóan az anyagok elektromos tulajdonságait is hasznosíthatjuk. Példa erre a másolatok készítése a másológépeken vagy a gépkocsik festése festékporlasztóval. A gépjármű karosszériája és a festékcseppek ellenkező elektromos töltésűek. Ez a technológia jobb minőségű és kíméletesebb festést tesz lehetővé Vizsgáljuk az anyagok elektromos tulajdonságait. Az elektromos töltés Gyakran a dörzsölés során a testek nem kívánatos módon is villamosan gerjesztődnek. Már említettük a műanyag szálas ruhák vagy a száraz haj és a fésű esetét, sőt a villamos gerjesztés jelenségét a hópelyheken is megfigyelhetjük hóviharban, amikor a hulló hópelyhek a levegőhöz súrlódnak. Előfordultak olyan esetek, amikor a villamos töltés tüzet okozott. A következő kísérletben lehetőségetek nyílik megfigyelni néhány anyag elektromos tulajdonságait. A vizsgálat és az elektromos tulajdonságok leírásának alapjául szolgálhatna a polietilén tasakból levágott két villamosan gerjesztett csík. Kísérlet A kísérletek alapján jellemezzétek két ugyanolyan anyagú villamosan gerjesztett tárgy kölcsönös viselkedését. Jellemezzétek továbbá a villamosan gerjesztett polietiléncsík viselkedését különböző anyagú tárgyakkal szemben. (Dolgozzatok csoportokban.) Eszközök: 2 polietiléncsík, apró papírszeletkék, fésű, két hosszú vonalzó, 2 felfújt léggömb, fonalra függesztett polisztirol golyócskák, alufóliából készített, fonalra függesztett golyócska, papír zsebkendő és további, magatok javasolta eszközök, amelyekre esetleg szükség lehet a feladat elvégzésénél.

18 18 I. AZ ANYAGOK MÁGNESES ÉS ELEKTROMOS TULAJDONSÁGAI Javaslatok további eszközökre: Végrehajtás: a) Dörzsöléssel villamosan gerjesszetek két azonos anyagú tárgyat (léggömböket, polietilén tasakokat) és figyeljétek meg, hogyan viselkednek egymással szemben. b) Végezzetek kísérletet villamosan gerjesztett polietiléncsíkkal és más anyagokból készült tárgyakkal. A polietiléncsíkot úgy gerjeszthetjük, hogy félbe hajtjuk és ujjainkkal megdörzsöljük. A megfigyeléseket egy táblázatba jegyezzétek fel. c) Nedvesítsétek meg a villamosan gerjesztett polietiléncsíkokat és figyeljétek meg a viselkedésüket. d) Az osztály előtt prezentáljátok megfigyeléseitek eredményeit a kísérletekkel együtt. Készítsetek egy közös jegyzéket a villamosan gerjesztett tárgyak tulajdonágairól. Válaszolj: 1. Hogyan viselkedik egymással szemben két azonos anyagú villamosan gerjesztett tárgy? 2. Hogyan viselkedik a villamosan gerjesztett polietiléncsík más anyagokból készült tárgyakkal szemben? 3. Hogyan viselkedtek a villamosan gerjesztett tárgyak a megnedvesítést követően? 4. Hogyan vélekedsz a megfigyelt jelenségekről? 5. Milyen közegben nyilvánul meg leginkább a villamosan gerjesztett tárgyak hatása a környező tárgyakra? Két villamosan gerjesztett polietiléncsík taszítja egymást, de ha összedörzsölünk egy papírlapot és egy polietilén tasakot, akkor azt látjuk, hogy vonzzák egymást. A testek elektromos állapotát az elektromos töltés idézi elő. Az iménti egyszerű kísérletekből kitűnik, hogy a papír és a polietiléncsík ellentétes elektromos töltésű. A polietiléncsíkok között a villamos gerjesztést követően elektromos erő jelentkezett. A villamosan gerjesztett papír és a polietiléncsík vonzotta egymást, mert szintén elektromos erő lépett fel köztük. A polietiléncsíkokon a dörzsölés nyomán jelentkező töltés negatív töltés ( ). A papírlap töltése pozitív töltés (+). Ha tehát ismerjük a polietiléncsík töltéstípusát, ennek alapján meg tudjuk határozni más villamosan gerjesztett testek töltéstípusát is. A polietiléncsíkkal és a papírlappal végzett kísérletből két további következtetés is leszűrhető. Két azonos töltésekkel rendelkező test taszítja egymást (pl. a két polietiléncsík), az ellentétes töltésű testek vonzzák egymást (a papírlap és a polietilén tasak).

19 I. AZ ANYAGOK MÁGNESES ÉS ELEKTROMOS TULAJDONSÁGAI kísérlet Állapítsd meg, hogy a villamosan gerjesztett tárgyakon, pl. a műanyagvonalzón, a léggömbön, az üvegtárgyon vagy más tárgyakon az elektromos töltés pozitív vagy negatív. Használd fel azt a tényt, hogy a villamosan gerjesztett polietiléncsíknak negatív töltése van. (A feladat megoldásának eredményeit jegyezd fel.) A dörzsölés előtt a testek nem mutattak semmilyen elektromos erőhatást a környező tárgyakra. Honnan kerül a töltés a testekre a villamos gerjesztést követően. A magyarázatot az anyagokat alkotó atomokban találjuk. Ismételjük át a kémiaórákon tanultakat az atomok felépítéséről. Tudjuk, hogy minden atom atommagból és elektronburokból áll. Az atommagban pozitív töltésű protonok és elektromos töltéssel nem rendelkező neutronok találhatók. Az atommag körül, az elektronburokban elektronok mozognak, amelyeknek negatív elektromos töltésük van. Az elektronok száma a burokban és a protonok száma az atommagban megegyezik. Az atom külsőleg nem mutat elektromos tulajdonságokat nincs elektromos töltése. Azt mondjuk, hogy elektromosan semleges állapotú. Az ábrán a szénatom modellje látható, amelynek magjában 6 proton, az elektronburkában pedig 6 elektron található. A legegyszerűbb atom a hidrogénatom. Ez egy protonból és egy elektronból áll. A tudósoknak sikerült megállapítaniuk, hogy a legkisebb, tovább már nem osztható töltés, az elektron töltése (jele: e). Ezt elemi töltésnek tekintjük, mert ennél kisebb önálló töltést még nem láttunk. Az elektron negatív töltése ugyanakkora, mint a proton pozitív töltése, tehát a proton töltése is elemi töltés. A töltés nagysága mérhető, ez fizikai mennyiség és a jele Q. Az elektromos töltés mértékegysége a coulomb (ejtsd: kulomb), jele C. Az elektromos töltés egysége az elektromos áramerősség egységéből van levezetve, erről majd a következő tematikus egységben fogtok tanulni. A coulomb egység bevezetése azért volt szükséges, mert az elemi töltés nagyon kicsi egység lett volna. Az elemi elektromos töltés az egyik legfontosabb fizikai állandó. Méréssel megállapították, hogy 1 C megközelítőleg e. Foglalkoztunk a két villamosan gerjesztett test között fellépő elektromos erőhatással. Az elektromos erő (pontosabban az elektrosztatikus erő) a töltések között hat. Ez végbemehet úgy, hogy a töltések kölcsönösen vonzzák, illetve taszítják egymást. Az erő nagysága meghatározható. Az elektromos erő nagysága egyenesen arányos a töltések nagyságával és fordítottan arányos a köztük levő távolsággal. A mérések alapján ezt a következtetést 1785-ben Charles Augustin Coulomb fogalmazta meg és a pontos kifejezését Coulomb-törvényének nevezzük. Megjegyzés: A 8. osztály számára készült fizikatankönyvben a gravitációs erővel kapcsolatban találkoztatok egy megállapítással: A gravitációs erő nagysága, amely két test között hat, összefügg a tömegükkel és a köztük levő távolsággal. Newton 1666-ban két, m 1 és m 2 tömegű test között fellépő vonzóerővel kapcsolatban megfogalmazott egy törvényt, amely hasonlónak tűnik, mint a Coulomb-törvény (1785), de jóval korábban. A gravitációs erők azonban csak vonzóerők, míg az elektrosztatikus erők lehetnek vonzók és taszítók is. az elektronok taszítják egymást a protonok szintén taszítják egymást az elektronok és a protonok vonzzák egymást 12. ábra A részecskék között ható erők szemléltetése A 12. ábrán szemléltettük a a töltések közötti erőhatást, az 1. táblázatban pedig feltüntettük a részecskéket, a jelölésüket és a töltésük jelölését. 1. táblázat Részecskék, jelölésük és töltésük jelölése Részecske Jelölés A töltés jelölése elektron e e proton p +e neutron n 0

20 20 I. AZ ANYAGOK MÁGNESES ÉS ELEKTROMOS TULAJDONSÁGAI Az elektronburokból néhány elektron könnyen kiszabadul és az egyik testről átmegy egy másik testre. Ezért van az egyik testnek elektronhiánya és pozitív töltésű lesz. A másik testen elektronfelesleg keletkezik, és negatív töltésű lesz. A polietiléncsíkokat száraz ujjal dörzsölve az ujjunkon levő elektronok átugrottak a polietiléncsíkokra. A csíkoknak ezáltal elektrontöbbletük lett, negatív töltésre tettek szert. A csíkok és az ujjak szoros érintkezésekor egy kis mennyiségű töltés áthelyeződik, és a testek már nem maradnak semleges állapotban. Ha a testben több az elektron, mint a proton, a test negatív töltésű. Elektronjaikat elvesztve az ujjaknak pozitív töltésük van. A csíkokon a töltés növelhető vagy épp ellenkezőleg, a csíkok más tárggyal érintkezve leadhatják azt. A csíkok azonban gyorsan el is veszíthetik a töltésüket, ha pl. nedves kézzel érintjük meg azokat. A pozitív villamos gerjesztés jellegzetes kísérlete az üvegbot dörzsölése selyemkendővel. A negatív elektromos töltések az elektronok az üvegbotról áthelyeződnek a selyemkendőre. Az üvegbot pozitív töltésű, a selyemkendő negatív töltésű lesz. Mindkét villamos gerjesztés esetén a dörzsölésen van a hangsúly. A dörzsölés azért fontos, hogy az anyagok között szorosabb érintkezést érjünk el, és ezáltal növeljük az átvitt elektronok számát is. A dörzsöléskor a töltések átrendeződnek a töltések az egyik testről áthelyeződnek a másik testre. Így a testek már nem maradnak semleges állapotban. A testek elektromos állapotát az elektromos töltés okozza. Kétféle elektromos töltés létezik: pozitív és negatív. Az azonos és az ellentétes töltések között elektromos erő hat. Az elektromos töltés fizikai mennyiség és a jele Q. Az elektromos töltés egysége: C (coulomb) Kisebb egységeket is használnak: μc (mikrocoulomb) 1 μc = 0, C Az e elemi elektromos töltés értéke az egyik legfontosabb fizikai állandó. Oldd meg a feladatokat 1. Az ábrán két üvegbot látható, amelyek azonos töltésűek (a. ábra) és két különböző anyagból készült rúd, amelyek ellenkező töltésűek (b. ábra). Mindkét üvegbotot dörzsöléssel gerjesztették. a b üveg üveg üveg ebonit a) Hogyan fog viselkedni a két üvegbot az a ábrán? b) Hogyan fog viselkedni az üvegbot és az ebonitrúd a b ábrán? c) A rudakat dörzsöléssel gerjesztettük. Magyarázd meg, hogyan sikerült dörzsöléssel villamosan gerjeszteni az üvegbotot és az ebonitrudat. 2. Gyűjts információkat, vagy akár mutasd is be a gyakorlatban, hogy a klasszikus tévéképernyőnek elekt- romos töltése van. Villamosan gerjesztett polietiléncsík segítségével állapítsd meg, hogy ez pozitív vagy negatív töltés-e.