Fyzika 2.- prednáška 13.

1. Fyzika 2.- prednáška 13. RNDr. Z. Gibová, PhD.

2. Ciele 5. ELEKTROMAGNETICKÉ POLE 5.6 Striedavý prúd 6. ELEKTROMAGNETICKÉ VLNENIE 6.1 Postupná elektromagnetická vlna 6.2 Niektoré vlastnosti EM vlnenia

3. Problémy Prečo sa na prenos elektrickej energie používa striedavý prúd? Prečo sa najčastejšie v domácnostiach používajú žiarovky, ktoré vyžarujú žlté svetlo? Oplatí sa investovať do slnečných okuliarov, ktoré sú polarizované?

4. Zopakujte si • Zdrojom mechanického vlnenia je .................. . • Vzťah = vTje ......................... . • Perióda netlmeného oscilačného obvodu je daná výrazom................ .

5. 5.6 Striedavý prúd Tlmený RLC obvod – tepelné straty (domácnosti, podniky, závody) Vonkajší zdroj elektromotorického napätia – dodáva energiu na pokrytie strát (napr. elektráreň, transformačná jednotka). Energia dodávaná z vonkajšieho zdroja energie do tlmeného RLC obvodu prostredníctvom striedavého napätia, resp. prúdus frekvenciou 50 Hz. Ako vznikne striedavé napätie a prúdu? Jednoduchý model generátora striedavého napätia vodič tvaru závitu, ktorý rotuje v homogénnom magnetickom poli, je pripojený na zberacie krúžky (K1, K2)a vodivé kefky, ktoré sú spojené s vonkajším obvodom.

6. Striedavé napätie - indukované elektromotorické napätie, ktoré vznikne v generátore striedavého napätia, má harmonický priebeh a uhlovú frekvenciu rovnú uhlovej rýchlosti, ktorou sa otáča vodivý závit. Striedavý prúd – vznikne v generátore, ak je otáčajúci závit súčasťou uzavretého obvodu, má harmonický priebeh a uhlovú frekvenciu rovnú uhlovej rýchlosti závitu – budiaca uhlová frekvencia.

7. V praxi je otáčavý vodič nahradený sústavou cievok, ktoré rotujú - trojfázový alternátor.

8. Prečo sa na prenos elektrickej energie používa striedavý prúd? Základná výhoda striedavých prúdov je, že s časovou zmenou prúdu sa mení magnetické pole obklopujúce vodiče. To dáva možnosť využiť Faradayov zákon elektromagnetickej indukcie na ľubovoľné zvýšenie alebo zníženie veľkosti striedavého napätie pomocou transformátora. Okrem toho je striedavý prúd vhodnejší k použitiu v rotačných strojoch (generátory, motory) ako jednosmerný prúd.

9. 6. ELEKTROMAGNETICKÉ VLNY Elektromagnetické pole sa šíri do všetkých časti ohraničené priestoru s konečnou rýchlosťou. Tvoria ho dve navzájom spojené časovo premenné polia – elektrické a magnetické. Je schopné samostatnej existencie (nie je viazané na materiálne objekty). Samostatné elektrické a magnetické pole sú viazané na materiálne objekty (vodič s prúdom, magnet, elektrický nabité teleso). Objav elektromagnetického charakteru svetla –J. C. Maxwell. Ak je elektromagnetické pole periodické, šíri sa ako vlnenie = elektromagnetické vlny, elektromagnetické žiarenie. J.C. Maxwell (1831 - 1879)

10. Zdroj vlnenia –kmitavý pohyb (anténa, Slnko, LC generátor, ..). Prostredie – nepotrebuje žiadne hmotné prostredie, šíri sa aj vo vákuu. Elektromagnetické vlnenie – kmitanie elektrického a magnetického poľa v tvare postupnej vlny (rádiové vlny, televízne signály, viditeľné svetlo, mikrovlny, kozmické žiarenie).

11. Rýchlosť EM vlny– všetky EM vlny majú vo vákuu rovnakú rýchlosť rovnú rýchlosti c = 3.108 m/s. Vlnová dĺžka– daná súčinom rýchlosti EM vlnenia a periódy.

12. Trocha histórie Polovica 19. storočia – známe viditeľné svetlo, infračervené svetlo, ultrafialové svetlo. V roku 1888 - H. R. Hertz objavil rádiové vlny, bezdrôtová telegrafia - Popov (1895), J. Murgaš, Marconi. V roku 1895 objavené X žiarenie Röntgenom. Od r. 1950 - televízne signály. W. C. Röntgen (1845 –1923) H. R. Hertz (1857 –1894) Legendárna rtg snímka ruky, urobená Röntgenom Celotelová röntgenová snímka z roku 1913, Technisches Museum Wien

13. Klasifikácia elektromagnetických vĺn – podľa vlnovej dĺžky

15. Prečo sa najčastejšie v domácnostiach používajú žiarovky, ktoré vyžarujú žlté svetlo? Na grafe je znázornená relatívna citlivosť ľudského oka na rôzne vlnové dĺžky. Hranice viditeľnej oblasti sú definované tými vlnovými dĺžkami, pri ktorých klesne citlivosť oka na 1% svojej maximálnej hodnoty. Odtiaľ dostaneme interval asi od 430 nm až 690 nm. Ľudské oko môže vnímať aj iné vlnové dĺžky za týmito hranicami, pokiaľ je intenzita svetla dosť veľká. Z grafu vyplýva, že relatívna citlivosť oka je najväčšia v strede intervalu, okolo hodnoty 555 nm, čo je vlnová dĺžka žltozeleného svetla. Preto sa najčastejšie vyrábajú a používajú v domácnostiach žiarovky, ktoré vyžarujú žlté svetlo. Pri tomto svetle oko najlepšie vníma vlnové dĺžky tohto svetla. Inak povedané pri žltozelenej farbe svetla najlepšie vidíme.

16. 6.1 Postupná elektromagnetická vlna Uzavretý oscilačný obvod - uzavretý oscilátor - sériový RLC obvod (odpor obvodu je malý, R = 0) Elektrické pole je len vo vnútri kondenzátora a magnetické pole je vo vnútri cievky. Otvorením kondenzátora sa pole dostáva aj do okolia: L C

17. Otvorený oscilačný obvod - otvorený oscilátor (anténa, dipól) - do priestoru sa šíria elektrické a magnetické kmity.

18. Základné vlastnosti EM vlny 1. Elektrické pole a aj magnetické pole sú vždy kolmé na smer šírenia sa vlnenia. EM vlna je priečna. 2. Elektrické pole je vždy kolmé na magnetické pole. 3. Vektorový súčin určuje smer šírenia sa vlny. 4. Ak je vlna harmonická, majú polia rovnakú frekvenciu a sú vo fáze.

19. Elektrická zložka EM vlnenia Magnetická zložka EM vlnenia Rýchlosť

20. Pokus s lecherovými drôtmi Lecherove drôty – dve medené rúrky o priemere 6 mm, vo vzdialenosti 35 mm; slúžia na demonštráciu EM vĺn. Zdroj vlnenia – vysokofrekvenčný generátor ( f = 433,92.106 Hz).

21. 6.2 Niektoré vlastnosti EM vlnenia Geometrická optika – sa zaoberá šírením svetla. Vlnová optika – popisuje svetlo ako vlnu pomocou vlnovej funkcie. Viditeľné svetlo - časť EM vlnenia s vlnovou dĺžkou 400 – 800 nm, ktoré ľudské oko dokáže vnímať.

22. 6.2.1 Polarizácia vlnenia Polarizácia svetla – nastane pri prechode cez vhodné kryštály, polarizátory, odrazom. Polarizačné filtre (polaroidy)– vynašiel v r.1932 Edwin Land. Skladajú sa z určitých dlhých molekúl rozptýlených v umelej hmote. Keď sa vrstva vyrába, natiahne sa, a tým sa molekuly usporiadajú do rovnobežných radov. Keď svetlo prechádza doštičkou, elektrická zložka s jedným smerom prechádza vrstvou, zatiaľ čo zložka kolmá k tomuto smeru je pohltená molekulami a zanikne. Nepolarizovaná EM vlna - elektrická zložka je náhodne polarizovaná, kmitá kolmo na smer šírenia EM vlny, ale náhodne mení svoj smer (svetlo zo Slnka, žiarovky).

23. EM vlna z dipólu, antény (televízny signál) – elektrická zložka kmitá v jednej rovine – vodorovne polarizovaná (USA), zvislo polarizovaná (Anglicko). Ak zvolíme smer polarizácie potom zložka intenzity rovnobežná zo smerom polarizácie prejde polarizačnou doštičkou a zložka k nej kolmá bude pohltená. Polarizovaná EM vlna– EM vlna, v ktorej elektrická zložka kmitá v jednej rovine.

24. Intenzita polarizovaného svetla Pri polarizácii nepolarizovaného svetla sa pohltí polovica intenzity pôvodného svetla - pravidlo jednej polovice.

25. P1 – polarizátor, P2 – analyzátor Pri polarizácii už polarizovaného svetla pre intenzitu platí pravidlo kosínusu na druhú.

26. Oplatí sa investovať do slnečných okuliarov, ktoré sú polarizované? Určité áno. Slnečné okuliare sú vybavené polarizačnými fóliami. Tie na rozdiel od bežných fólii, ktoré len stmavujú výhľad, polarizujú dopadajúce svetlo, čím znižujú intenzitu dopadajúceho svetla na polovicu. Do oko dopadá menšie množstvo energie (súvisí s intenzitou), čo menej zaťažuje oko pri videní. Súčasne je oko aj chránené pred poškodením, pričom samotná kvalita a jasnosť videnia sa tým neovplyvní.

27. 6.2.2 Odraz a lom Pri dopade svetla na rozhranie sa časť svetla láme a časť sa odráža. Priehľadné materiály - cez ktoré môže svetlo prechádzať (napr. sklo), cez ktoré vidíme. Rozhranie– povrch, ktorý rozdeľuje dve prostredia s rôznymi optickými vlastnosťami. Normála – kolmica k povrchu v mieste dopadu lúča svetla. Rovina dopadu – je rovina, v ktorej sa nachádza dopadajúci lúč a normála. Uhol dopadu – pod ktorým dopadá lúč na rozhranie  (vzhľadom na normálu). Uhol odrazu – pod ktorým sa lúč odráža z rozhrania  ´ (vzhľadom na normálu). Uhol lomu – pod ktorým sa lúč láme na rozhraní  (vzhľadom na normálu).

28. Odraz - reflexia Pri dopade svetla na rozhranie sa časť svetla láme a časť sa odráža. Zákon odrazu: Odrazený lúč leží v rovine dopadu a uhol odrazu sa rovná uhlu dopadu.

29. Lom (refrakcia)– prechod svetla cez rozhranie, svetlo sa láme. Svetlo mení svoj smer. Lom závisí od optických vlastností prostredia – indexov lomu. Zákon lomu: Lomený lúč leží v rovine dopadu a uhol lomu je spojený s uhlom dopadu vzťahom, ktorý nazývame Snellovým zákonom. n1, n2 – indexy lomu.

30. Niektoré indexy lomu pre vlnovú dĺžku 589 nm (žlté sodíkové svetlo)

31. Závislosť uhla lomu od indexov lomu n1, n2 : Optický hustejšie prostredie má väčší index lomu. B) C) A) n1 = n2 , svetlo pokračuje v pôvodnom smere. Nenastáva lom ani odraz. B) n1<n2 , lúč sa láme k normále. C) n1>n2 , lúč sa láme od normály.

32. 6.2.3 Úplný (totálny) odraz Zväčšovaním uhla dopadu, časť svetla sa láme do vzduchu a časť sa odráža v skle. Medzný uhol– uhol, pri ktorom sa lúč bude šíriť po rozhraní dvoch optických prostredí. Pri zväčšení uhla dopadu nad medzný uhol nastane totálny odraz. Úplný odraz nastane, ak prostredie je opticky hustejšie a uhol dopadu je väčší ako medzný uhol.

33. Optické vlákno – svetlo, ktoré vstúpilo do jedného konca optického vlákna, prechádza na jeho druhý koniec s malými stratami na stenách vlákna, pretože väčšina svetla sa na jeho stenách opakovane úplne odráža (medicína, telekomunikácie)

34. Čo sme sa naučili Vysvetliť vznik striedavého napätia a prúdu pomocou jednoduchého generátora striedavého prúdu (obrázok). Napísať vzťah pre striedavého napätie a prúd a popísať v ňom všetky veličiny. Vysvetliť ako vznikne EM vlnenie, čo je jeho zdrojom, kde sa šíri, akú má rýchlosť a definovať EM vlnenie. Definovať vlnovú dĺžku EM vlnenia ( slovne a matematicky). Klasifikovať EM vlny podľa vlnovej dĺžky. Vysvetliť ako vznikne postupná EM vlna. Vysvetliť pojmy uzavretý a otvorený oscilačný okruh. Popísať elektrickú a magnetickú zložku EM vlnenia, uviesť vlastnosti postupnej EM vlny. Vedieť popísať a vysvetliť polarizáciu svetla: polarizované a nepolarizované svetlo, ich schematické znázornenie pomocou vektora intenzity E, definovať polarizačné filtre, uviesť intenzitu svetla pre svetlo, ktoré nebolo ešte polarizované a svetlo, ktoré už bolo raz polarizované. Vedieť popísať a vysvetliť odraz svetla: poznať základné pojmy – rozhranie, normála, rovina dopadu, uhol dopadu, uhol odrazu, uhol lomu. Uviesť zákon odrazu –matematicky zápis, slovné znenie, obrázok. Vedieť popísať a vysvetliť lom svetla. Uviesť zákon lomu – matematicky zápis, slovné znenie, obrázok. Popísať závislosť uhla lomu od indexov lomu prostredí (obrázok a vysvetlenie). Vedieť popísať a vysvetliť totálny odraz svetla: princíp vzniku, obrázok, vysvetliť, čo je to medzný uhol a napísať pre neho podmienku.