Пређи на главни садржај

Постови

Приказују се постови за октобар, 2013

Узајамно дејство електричних струја

Инспирисан Ерстедовим експериментом, Француз Андре Ампер врши експерименте употребљавајући проводнике кроз које протиче електрична струја. Почетком XIX века није било познато које честице чине струју у металима, али то није била препрека да се установи порекло магнетних појава. Анимација приказује два струјна проводника, прикључена на изворе једносмерне струје тако да се проводници привлаче или одбијају путем магнетних поља које стварају:

Црвеном и плавом бојом су приказани полови магнетних поља насталих протоком електричних струја. Дакле, привлачење или одбијање можемо схватити као дејство магнетних полова. Ампер је уочио да се привлачење или одбијање између проводника не дешава на исти начин као код наелектрисаних објеката. За њега је проналажење једначине којом би описао такво дејство представљало изазов, јер је у то време наука о електромагнетним појавама била у зачетку.

Нуклеарне реакције

Прву нуклеарну реакцију, преображај језгра остварен путем судара честица, остварио је Ернест Радерфорд. Да би се то догодило, честица и језгро морају да буду на минималном растојању од око 10⁻¹⁵ m, јер се дејство остварује путем јаке нуклеарне силе.


Симулација приказује нуклеарну реакцију путем стварања сложеног језгра које постоји кратко време, затим поприма изобличен облик, а од таквог језгра настају продукти реакције. Оваква реакција се дешава ако пројектил није брз. С обзиром да не постоји могућност осматрања језгра путем микроскопа, нуклеарне реакције представљају поступак помоћу чега физичари стичу представу о микро свету. Током судара се обављају разна мерења физичких величина које карактеришу честице (енергија, импулс и тако даље) те се доносе закључци полазећи од резултата. Да ли је могуће да продукт нуклеарне реакције буде само једна честица?
Није ми познат такав случај.

Кристална решетка

Из искуства ми је познато да многи ђаци током прве године школовања у гимназији нису упознати са чињеницом да честице које сачињавају кристалну решетку нису непомичне. Оне врше осцилације око равнотежног положаја. Видео запис
Због кретања честица проистичу и нека занимљива својства материјала који поседују кристалну структуру. На пример, то што се бетон на плажи брже загреје у односу на воду тумачи се чињеницом да се доведена топлотна енергија преобликује искључиво у кинетичке енергије честица решетке - под условом да топлотна енергија није довољно велика да раскине везе између честица у решетки. Зато се наводи да материјали са кристалном структуром поседују низак специфични топлотни капацитет. Међутим, постоје ситуације када је топлотна енергија довољна да изврши разлагање кристалне решетке. То се дешава када ставимо коцкицу шећера у шољу напуњену топлим чајем. Ако желите да се чај брже охлади, ставите шећер одмах.

Радиоактивност

Ако честице које сачињавају атомско језгро не поседују довољно високу енергију узајамне везе, стварају се услови да се догоди појава позната под називом радиоактивност (радиоактивни распад). У том случају језгро емитује једну или више честица. Проучавање радиоактивности је започето код језгара код којих се преображај дешава спонтано, а касније је појава индукована путем нуклеарних реакција. Видео запис
Први део анимације тиче се емисије алфа честице, језгра атома хелијума, из атомског језгра. Преображај језгра путем алфа распада је могућ под условом да је маса атома родитеља већа од збира маса атома потомка и атома хелијума. Разлика у масама највећим делом се претвара у кинетичку енергију алфа честице. Након што напусти језгро ступа у дејство са честицама средине и јонизује их, губи енергију кретања, а затим захвата два слободна електрона и постаје атом хелијума.  Други део анимације представља електронски бета распад. Преображај се остварује помоћу слабе нуклеарне силе. И за овај рас…

Ленцово правило

Естонац немачког порекла Хајнрих Ленц, физичар и пустолов у млађим годинама, познат је по формулисању закона који пружа могућност да се одреди смер индуковане струје у проводнику.  У анимацији је дат приказ смера индуковане струје (зелена стрелица) и линија магнетног пољакалема (стрелице плаве боје):

Када се у калему увећава флукс магнетног поља које потиче од шипкастог магнета, у жицама настаје електрична струја таквог смера да се магнетно поље струје супротставља увећању флукса. Дакле, магнетно поље калема је оријентисано на начин да је северни пол окренут ка северном полу шипкастог магнета (обојен плавом бојом). Када се магнет удаљава од калема ствара се струја таквог смера да се магнетно поље струје опет супротставља промени, али овог пута умањењу флукса поља шипкастог магнета. Смер индуковане струје је исто тако у складу са законом о одржању енергије.

Успоравање ротације Земље

Да ли стварно Земљина ротација успорава? Да, али веома мало (2 ms током једног века). Због дејства гравитације Месеца појављују се две плимске избочине, на страни ближе Месецу и на супротној страни. Земља ротира брже од плимских избочина, па настаје плимско трење које утиче на смањење момента импулса наше планете и тиме на продужење дана.  Још једна занимљива последица ове појаве је удаљавање нашег сателита од Земље у износу од неколико центиметара током године. Према закону одржања момента импулса, ако се Земља и Месец третирају као изоловани физички систем, Месец стиче износ момента импулса који је Земља изгубила. Једначина за момент импулса гласи: L = r·m·υ при чему је υ линеарна брзина Месеца, m је његова маса, а r растојање између центара Земље и Месеца. Линијска брзина Месеца може се изразити помоћу периода ротације (Т) око наше планете: υ = 2πr/T  а период ротације je могуће изразити полазећи од III Кеплеровог закона: T²/r³ = const Полазећи од ове три једначине проистиче да се …

Соларне плоче

Херцово откриће и Ајнштајново тумачење појаве фотоефекта представља први корак који ће довести до употребе Сунчеве енергије за добијање електричне енергије. Фотоефекат је могуће остварити на металним површинама, али и код полупроводничких материјала. Ово последње се употребљава ради добијања електричне струје од Сунчеве енергије. Међутим, појава се не испољава на исти начин код поменутих материјала, јер електрони у полупроводницима не напуштају материјал.  Симулација приказује дејство фотона и полупроводничког споја:

Ако плоча није изложена дејству Сунчевог електромагнетног зрачења, на месту споја два примесна полупроводника је присутна рекомбинација електрона и шупљина (у анимацији је тај део између полупроводника p и n). Дакле, електрони су попунили шупљине у валентној зони p полупроводика. Ако електромагнетно зрачење поседује довољну енергију да пребаци електроне у проводну зону полупроводника n типа, односно да електрони савладају забрањену зону, створиће се напон у полупроводнич…

ПН спој

Већина аудио-визуелних уређаја користе једносмерну струју. За исправљање наизменичне струјеу једносмерну употребљавају се диоде, које представљају pn спој. Видео запис приказује један такав спој: youtu.be/4NFGAr5oW-4
Први део анимације приказује електроне који попуњавају p полупроводник, а шупљине то исто чине у n полупроводнику. Појава се остварује дифузијом. Након што електрони пређу из n у p полупроводник појављује се шупљине на местима где су били електрони и то се представља као дифузија шупљина у полупроводник n типа. Међутим, дифузија не протиче до потпуног „поништавања” електрона и шупљина већ се зауставља, што се уочава у анимацији, јер се појавио запречни слој који зауставља дифузију. Запречни слој представља локално електрично поље које је усмерено од n ка p, јер линије електричног поља извиру из позитивног дела споја. Ако овакав спој постане део електричног кола, на начин да се p повеже за позитиван пол извора, запречни слој се сужава - и то приказује други део анимације. …

Силицијум

Полупроводнички материјали постали су незамењиви у протеклих неколико деценија и улазе у састав многих уређаја које користимо. Чине их елементи четврте групе периодног система, а атоми у кристалу су везани ковалентним везама. Силицијум поседује четири валентна електрона које може да дели са суседним атомима. Због обилности у земљиној кори и постојаности физичких карактеристика на високим температурама, стекао је широку употребу. Кристална структура јединичне ћелије кристала силицијума изгледа овако:
youtu.be/u0XDKUyiL5c

Електрични отпор

Рингла, фен или грејалица представљају потрошаче струје са великим електричним отпором. Међутим и потрошачи који нису направљени да се јако загревају поседују известан отпор.  Анимација би требала да прикаже да је електрични отпор у металима последица осцилаторног кретања атома у решетки, дејстава атома и слободних електрона и присуства страних атома који нарушавају периодичност распореда:
youtu.be/eaNaAlYD3pA

Куглице црвене боје представљају електроне који стичу кинетичке енергије од спољашњег електричног поља. Дејства са атомима и другим електронима утичу на промену укупне енергије електрона (кинетичке и потенцијалне) па тиме и на карактер кретања. Атоми стичу енергију за осциловање када се догоде интеракције са електронима, што се испољава као загревање материјала који се сачињен од оваквих атома.

Светлећи штапићи

Шта садрже светлећи штапићи кад тако светле? Објекти могу да емитују електромагнетно зрачење услед тога што поседују унутрашњу енергију, и тада је реч о топлотном зрачењу, или током прелаза електрона између енергетских нивоа у атому, односно молекулу - назовимо га хладно зрачење. Луминесцентно зрачење припада другој групи. Електрон након побуде не мора да се врати директно у основно стање већ постоји вероватноћа да пређе на други нижи ниво. Током прелаза емитује се инфрацрвено зрачење, а након што се електрон врати у основно стање емитује се фотон ниже енергије у односу на онај који је извршио побуду. То што одећа постаје „блиставо бела” након употребе детерџената представља пример за флуоресценцију. Постоји могућност да електрон пређе на енергетски ниво где ће се задржати дуго. Такво својство се употребљава код материјала који светлуцају у мраку - попут оних који се користе у саобраћају, за обележавање саобраћајних средстава или као додатак на униформама запослених у комуналним служб…

Флукс магнетног поља

Анимација приказује обртање равни у хомогеном магнетном пољу, при чему стрелица одређује оријентацију површине. Уочимо број линија поља које пролазе кроз површину проводника у различитим положајима:


Први део анимације приказује промену броја линија магнетног поља у зависности од угла (α) између вектора индукције (B) и вектора површине (S). Други део анимације даје увид на који начин се број линија мења ако се увећа/смањи површина проводника. Запис не приказује да постоји могућност појачања магнетног поља. Дакле, проток линија магнетног поља може се изразити једначином:
Ф = B·S·cosα Зар не би требало у једначини за флукс магнетног поља да се индукција дели са површином проводника?  Замислимо уместо површине проводника врата, а уместо линија магнетног поља људе док пролазе кроз та врата. Било би противно искуству да се проток људи увећа са смањивањем површине врата. Данас смо из физике учили флукс магнетног поља; флукс подразумева број линија магнетног поља које прођу кроз један квадратни…

Квантни бројеви

Боров модел атома данас има једино историјску вредност. Савремено схватање физике је да су положаји електрона на орбитама могући са великим степеном извесности, али постоји вероватноћа да се нађу и изван тога - што је мање вероватно. Међутим, највеће вредности вероватноћа не морају да се поклапају са полупречницима орбита.  Видео запис Могући положаји електрона у атому представљају електронске облаке:


Главни квантни број n је уведен од стране Бора и одређује вредност енергије електрона у атому, али и више од тога: његову брзину и удаљеност у односу на језгро. Овај квантни број одређује и величину атома, а поседује целобројне вредности. Његове вредности хемичари означавају са: K, L, М... Орбитални квантни број l је одговоран за облик електронског облака, а одређује и бројну вредност орбиталног момента импулса који је квантован. Хемичари употребљавају ознаке: s, p, d... Магнетни квантни број mₗ одређује оријентацију електронског облака у простору. Анимација је приказала три просторна ра…

Стојећи таласи у атому

Аустријанац Ервин Шредингер је био уверен да се модел атома не сме засновати на једној непознаници која је била предмет расправе међу физичарима с почетка XX века: прелазима електрона (квантним скоковима) с једне љуске на другу. По њему, физика микро света треба да буде утемељена на де Брољевим таласима материје, јер су доступни опажању. У складу са Шредингеровом таласном механиком, ако се електрон у атому третира као талас и ако се узме у обзир да се простире у ограниченом простору, у могућности смо да ову појаву упоредимо са настанком стојећег таласа. То значи да било која путања електрона представља место конструктивне интерференције де Брољевог таласа (електрона). Видео запис Шредингер је сматрао да је емитовање фотона последица истовременог дејства два стојећа таласа у атому, а њихова интерференција утиче да настане. Његов модел успешно је објаснио спектар атома водоника, али није могао да се усклади са Планковим открићем кваната енергије. Цитираћу делић расправе Бора и Шрединге…

Боров модел атома

Не дешава се често да физичар изнад улазних врата своје куће држи потковицу, а то је Нилс Бор чинио. Посао професора није баш обављао са великим ентузијазмом, али је волео да дискутује са студентима не устручавајући се да покаже да нешто не зна, а понекад би са њима решавао укрштене речи или играо стони тенис, што га је чинило популарним међу младим људима. Током Другог светског рата је био принуђен да побегне из Данске у САД, где се придружује пројекту „Менхетн“, односно тиму физичара који се бавио израдом прве нуклеарне бомбе. Након катастрофе у Јапану преобразио се у предводника оних који су се залагали за забрану коришћења нуклеарне енергије у војне сврхе.  Радерфордов ђак је учинио исто што и његов професор - надмашио је учитеља. Боров модел атома данас има једино историјски значај, али му посвећујем страницу јер представља непроцењив помак у развоју физике. У чланку о Радерфордовом моделу атома поменуо сам да је поседовао једну велику ману: такав атом би могао да постоји кратко…

Феромагнетици, парамагнетици и дијамагнетици

Упрошћена слика електрона у атому приказује ову честицу на начин да се обрће дуж орбитале, око језгра брзином сталне бројне вредности, али и око своје осе (спин). С обзиром да је електрон наелектрисан, током кретања ствара два магнетна поља: једно настаје због кретања око језгра, а друго због обртања око своје осе. Та два магнетна поља одређују магнетни (диполни) моменти- орбитални и спински. Ова величина је својствена и честицама у атомском језгру, али је њихов допринос укупном магнетном моменту атома знатно мањи те није битан за тумачење магнетних особина материјала. Стрелицама су приказани укупни магнетни моменти атома - као збир магнетних момената електрона.


Код материјала који припадају групи дијамагнетика, атоми не поседују магнетни момент (или је веома слаб) када материјал није изложен дејству магнетног поља. Међутим, у магнетном пољу, као што анимација приказује, атоми дијамагнетика стичу магнетне моменте који су усмерени на начин да слабе магнетно поље. Типични представници …

Проводник у хомогеном магнетном пољу

Анимација приказује ротационо кретање четвртастог проводника у хомогеном магнетном пољу (стрелице жуте боје), док кроз проводник протиче електрична струја:
youtu.be/UP2jtTNvhh4
На уздужнe страницe проводника магнетно поље делује силом у било ком положају. На бочне (попречне) странице исто тако делује сила, али јачина је променљива и може да има вредност 0. Момент силе, који узрокује обртање проводника, потиче једино од сила које делују на уздужне странице. У анимацији је назначен магнетни момент μ, физичка величина која зависи од јачине струје и површине проводника:  μ = I·S Момент силе се изражава помоћу ове физичке величине.

Анимација прегревања Земље

Први део анимације приказује електромагнетно зрачење које потиче од Сунца, у видљивом и инфрацрвеном делу спектра. Приближно половина тог зрачења је апсорбовано од стране атмосфере или рефлектовано у свемир, пре свега од облака, а друга половина долази до површине Земље.

Други сегмент анимације приказује емисију инфрацрвеног зрачења у току ноћи од стране земље. Запазимо да је део тог зрачења апсорбован од облака, а део одлази у свемир. Да ли ће се ниво воде повећати када се отопи лед у чаши? Ако остаје исти, зашто кажу да ће се подићи ниво мора при отапању леда на половима?  Ниво воде у чаши ће бити непромењен. Када се лед убаци у воду, запремина истиснуте воде је једнака запремини леда. Ову појаву описује Архимедов закон. Лед на половима Земље не плива у води. Подлога је чврста, попут антарктичке плоче, тако да та два случаја није могуће упоређивати.