Curcubeul si efectele curentului electric

Curcubeul si efectele curentului electric

Curcubeul

Curcubeul, cel mai frumos fenomen din atmosfera a impresionat omenirea din toate timpurile, fiind considerat un "semn ceresc" care aduce binele, pacea si prosperitatea.

Curcubeul este un fenomen optic care ia nastere din cauza dispersiei si reflexiei luminii solare in picaturile de ploaie din atmosfera. El este vizibil atunci cand soarele bate din spatele nostru in perdeaua de nori din fata, lumina reflectandu-se pe bolta senina.

Cand apare curcubeul?

Curcubeul apare cand lumina soarelui straluceste prin stropii de ploaie. Cand lumina cade pe picaturi sub un anumit unghi, lumina "alba" se descompune sau se refracta in cele 7 culori ale spectrului luminii.

Perioadele in care curcubeul se observa cel mai bine sunt dimineata devreme sau seara tarziu, cand Soarele se afla pe cer intr-o pozitie joasa.

Poti observa curcubeul numai daca Soarele iti straluceste din spate, iar ploaia cade din fata.

Culorile curcubeului sunt: rosu, oranj, galben, verde, albastru, indigo, violet (ROGVAIV).

Culorile apar intodeauna in aceeasi ordine.

Cum se descompune lumina o picatura de ploaie?

Stropii de ploaie se comporta ca niste mici prisme, descompunand lumina alba in toate culorile spectrului. Cand razele de lumina strabat o picatura de ploaie, ele se refracta, ceea ce le face sa se descompuna in mai multe culori. Razele se reflecta pe peretele interior al picaturii si apoi ies din acesta descompuse in toate culorile ce se observa in curcubeu.

Pentru fiecare lungime de unda exista un unghi la care intensitatea luminii iesite din picatura are un maxim. Existenta acestui maxim se explica astfel: functia care face legatura dintre excentricitatea razei de intrare (distanta dintre raza de lumina care intra in picatura si centrul picaturii) si unghiul de iesire (unghiul dintre raza de la intrare si cea de la iesire) nu este monotona, ci creste de la zero, are un punct de intoarcere si apoi scade. In jurul punctului de intoarcere, pentru un interval relativ larg de excentricitati, unghiul de iesire se modifica foarte putin, ceea ce face la acest unghi sa iasa din picatura o cantitate de lumina mult mai mare decit la alte unghiuri.

Acest fenomen, combinat cu faptul ca pentru fiecare lungime de unda unghiul corespunzator maximului de intensitate luminoasa are alta valoare, explica formarea curcubeului sub forma unui arc colorat. Punctul de intoarcere mentionat se remarca prin faptul ca partea atmosferei din interiorul arcului curcubeului este mai luminoasa decit cea din exterior.

Acelasi rationament explica de ce razele care ies din picatura de apa fara nici o reflexie interna nu formeaza un curcubeu: unghiul de iesire depinde monoton de excentricitatea razei de intrare, deci la nici un unghi nu se concentreaza o parte semnificativa din lumina soarelui; aceste raze nu fac decit sa imprastie lumina intr-un mod care depinde prea putin de lungimea de unda.

Curcubeul secundar difera de primul prin aceea ca in interiorul picaturii de apa lumina sufera doua reflexii interne. Analog, ordinele superioare se obtin printr-un numar sporit de reflexii interne, ceea ce explica in parte intensitatea lor scazuta.

Exista mai multe fenomene fizice care stau la baza producerii curcubeului sau care il pot influenta:

Tensiunea superficiala face ca picaturile de apa, mai ales cele foarte mici, sa fie aproape perfect sferice.

Refractia si reflexia luminii explica de ce lumina curcubeului are alta directie decit lumina de la soare.

Dispersia, adica dependenta indicelui de refractie al apei de lungimea de unda a luminii, explica de ce curcubeele sunt colorate si nu doar albe.

Difractia luminii devine semnificativa atunci cand picaturile de apa sunt extrem de mici, de ordinul micronilor, deci comparabile cu lungimea de unda (aproximativ 0,5 μm). In acest caz culorile curcubeului se estompeaza.

Daca picaturile sunt mari si nu se afla intr-un echilibru care sa le asigure forma sferica, efectul de curcubeu fie este redus, fie nu apare.

EXPERIMENT: Realizati propriul vostru curcubeu

Nu trebuie sa asteptati aparitia unui curcubeu. Folosind un furtun de gradina, puteti realiza unul. Intorceti-va su spatele la Soare si imprastiati apa in aer.

In fata dumneavoastra va aparea un curcubeu produs de picaturile de apa. Daca vreti sa studiati mai atent culorile spectrului solar, puteti realiza un curcubeu in casa.

Pentru asta aveti nevoie de o prisma de sticla, o coala, alba de hartie si o camera care are jaluzele sau perdele groase la fereastra. Daca nu aveti o prisma, puteti folosi orice bucata de sticla care nu este plata.

Cum procedati

Trageti jaluzelele pentru a face intuneric in camera.

Lasati o raza de soare inauntru.

Prindeti raza cu prisma sau cu bucata de sticla.

Reflectati curcubeul care apare pe perete sau pe coala de hartie.

Acum veti vedea culorile spectrului solar in amanunt.

Priviti gama de culori si observati cum se schimba

treptat de la un capat al spectrului la altul.

Curentul electric

Atunci cand sarcinile electrice sunt supuse in miscare se produce un curent electric.

Producerea curentului electric

Un generator produce energie electrica printransformarea unei alte forme de energie.

Bateria ofera un astfel de exemplu. Bateria simpla este alcatuita din doua tipuri de metale diferite, cum ar fi cupru si zinc, scufundate intr-un mediu conducator (apa sarata).

Atunci cand cele doua metale printr-un circuit exterior format dintr-un fir conductor, in baterie au loc o serie de reactii electrochimice complexe. Ele provoaca o deplasare de electroni care se transmite prin circuit: curentul incepe sa curga.

Cele doua metale le constituie electroizii bateriei, numite si "bornele" circuitului.

Electricitatea trece prin toate materialele?

Ai nevoie de:

O baterie de 4,5 volti

Un bec de 5 volti fixate pe un suport de bec

3 bucati de fir electric izolat

2 cleme metalice

2 suruburi

O masa de lemn

Cateva obiecte:

Un cui

O bucata de guma

O scobitoare

O bucata de staniol

Un pai de baut

O bagheta de sticla

Cum se procedeaza:

Fixeaza cu suruburile pe masa cele doua cleme metalice la o distanta de circa 2 cm una de alta

Aseaza suportul de lampa aproape de cleme si leaga la baterie suportul de bec si clemele

Pune cate un obiect pe rand peste cleme

Ce se intampla?

Cuiul si bucata de staniol fac ca becul sa se aprinda celelalte obiecte impiedica aprinderea becului.

De ce?

Becul se aprinde doar cand pe clemele metalice se afla un obiect metalic care permite trecerea curentului si deci inchide circuitul. In general metalele sunt bune conductoare de electricitate, in timp ce guma, plasticul, lemnul sau sticla sunt izolante, adica opresc sarcinile electrice si nu le lasa sa se deplaseze. Materialele izolante sunt folosite pentru a proteja impotriva electricitatii: firele electrice, de exemplu sunt acoperite cu plastic pentru a putea fi atinse fara pericol.

Efectele curentului electric

Iti poti imagina cum ar fi viata fara electricitate? Gandeste-te cate lucruri sunt posibile datorita curentului electric! Folosim electricitatea la luminat, pentru a produce caldura sau frig, pentru a pune in functiune motoare, pentru a ne deplasa cu trenul.

Efectul termic

Efectul termic (denumit si efect Joule-Lenz) este reprezentat de disiparea caldurii intr-un conductor traversat de un curent electric. Aceasta se datoreaza interactiunii particulelor curentului (de regula electroni) cu atomii conductorului, interactiuni prin care primele le cedeaza ultimilor din energia lor cinetica, contribuind la marirea agitatiei termice in masa conductorului.

Efectul electrochimic

Electroliza

Electroliza este procesul de orientare si separare a ionilor unui electrolit cu ajutorul curentului electric continuu.

Electroliza unei solutii de clorura de cupru: in electrolit datorita disocierii sunt prezenti ioni de Cu2+ si ioni de 2Cl. Dupa mai multe minute de functionare catodul capata o culoare rosiatica si se degaja un miros intepator. Catozii cantaresc mai mult decat initial si daca m1, m2, m3, m4 sunt masele finale ale acestora m1<m2<m3<m4. Ionii de Cu2+ sunt atrasi de catod care le cedeaza electroni, sunt neutralizati si se depun pe acesta.

Ionii de 2Cl cedeaza electroni anodului; atomii neutri de clor, sub forma de molecule de gaz se dizolva partial in apa; este caracteristic mirosul intepator.

Neutralizarea electrica a ionilor este insotita de reactii chimice specifice care transforma calitativ suprafata electrozilor.

Reactiile chimice de la electrozi duc la fenomenul de ionizare electrolitica a acestora. Comparand m3 si m4, deducem ca masa de cupru depusa pe catod, m~t. Comparand m1, m2, m3, m4, deducem ca m~I.

Efectul Hall

Tensiunea Hall

Plasam o placuta din material semiconductor intr-un camp magnetic uniform de inductie B, perpendicular pe fetele laterale, prin care circula curentul I.

Sub actiunea fortei Lorentz, electronii se vor deplasa spre fata interioara care se incarca negativ. Fata superioara se incarca pozitiv.

Intre cele doua placi se formeaza un camp electrostatic de intensitate Eh, care exercita asupra fiecarui electron o forta electrica Fe egala si de sens opus fortei Lorentz.

Intre fete se mentine constanta diferenta de potential Uh=Ua-Ub numita tensiune Hall.

Se demonstreaza ca Uh=Kh x I x B unde Kh se numeste constanta Hall si depinde de temperatura si de natura materialului.

Efectul piezoelectric

Efectul piezoelectric direct consta in proprietatea unor cristale de a se incarca cu sarcina electrica pe unele dintre fetele acestora atunci cand sunt supuse la solicitari de intindere sau de compresiune dupa o anumita directie.

Efectul piezoelectric invers se numeste electrostrictiune si consta in proprietatea cristalelor de a se deforma dupa anumite directii, daca pe unele dintre fetele acestora se afla o diferenta de potential. Marimea sarcinii electrice este proportionala cu marimea fortei aplicate.

Prin actiunea fortelor F pe directia axelor mecanice reteaua se deformeaza si centrele de greutate ale particulelor cu sarcini negative si ale particulelor cu sarcini nu mai coincid. Apare un moment electric dipolar si deci sarcini electrice de polarizare.

Efectul fotoelectric

Energia purtata de radiatia electromagnetica este de natura discreta sub forma de cuante de energie numite fotoni.

Daca pe suprafata unei placute semiconductoare cade un flux Φ de radiatii electromagnetice, acesta se desparte in trei componente (flux transmis, absorbit si reflectat). Fluxul absorbit conduce la marirea la nivele energetice inferioare pe nivele energetice superioare, iar la atomii din nodurile retelei cristaline creste energia de vibratie in jurul pozitiei de echilibru din nodurile retelei cristaline.

Cresterea energiei de vibratie a atomilor retelei se asociaza cu aparitia in retea a unor purtatori de energie de vibratie numiti fononi.

Efectul piezoelectic intern are loc cand energia incidenta preluata contribuie numai la ruperea electronilor de valenta care devin electroni liberi.

Efectul piezoelectric extern are loc cand energia incidenta retinuta in interior este mai mare decat energia de legatura a electronilor, in retea se formeaza fononi, in exterior se emit electroni.

La un semiconductor impurificat sub influenta luminii apare efectul piezoelectric, iar energia radiatiei incidente este preluata de purtatorii de sarcina si energia cinetica a acestora creste.

Am vazut ca in jonctiunea pn apare o bariera de potentian; sub influenta luminii, la o jonctiune fotosensibila, marimea barierei creste.

Un element care contine o asemenea jonctiune se numeste fotoelement si este un generator de tensiune. Fotoelementul este o fotodioda care sub influenta luminii genereaza curent electric intr-un circuit, fara alta sursa de energie din exterior.

Daca fotodioda este polarizata invers, curentul din circuit este dat de curentul de camp la care participa purtatorii minoritari generati pe cale termica si generati prin efect fotoelectric intern si este proportional cu fluxul luminos si cu sensibilitatea spectrala a fotodiodei.

Efectul Seebeck

Efectul Seebeck consta in aparitia unei t.e.m. intr-un circuit format din doua conductoare de natura diferita cu jonctiuni la capete, cand cele doua jonctiuni se afla la temperaturi diferite.

Pe baza acestui efect se realizeaza termocuple pentru masurarea temperaturii.

Fenomenul invers este efectul Peltier, care se manifesta prin absorbtia sau degajarea unei cantitati de caldura (diferita de cea degajata prin efectul Joule al curentului electric) intr-o jonctiune formata din doi conductori sau doi semiconductori diferiti si zona de contact, de exemplu intre cupru si fier apare o t.e.m de contact.

Daca prin jonctiune trece un curent electric cu semnul de la cupru la fier, electronii din zona de contact capata energie cinetica suplimentara si temperatura jonctiunii creste; la trecerea unui curent in sens invers, temperatura jonctiunii scade.

Daca intr-un circuit electric cu doua jonctiuni ca cele de mai sus, circula un curent electric cu sens adecvat, se poate realiza un transport de caldura de la jonctiunea mai rece la jonctiunea mai calda. Efectul Peltier este folosit la realizarea minifrigiderelor.

Sfarsit