Villám és mennydörgés
A leggyakoribb villámfajta nem más, mint egy elektromos gázkisülés, ami felhőn belül, felhők között, vagy a talaj és felhők között jön létre. Keletkezésének pontos folyamata még csak részben ismert, de elfogadott magyarázat, hogy a villám kialakulása a felhők vízcseppjeinek, jégkristályainak súrlódására, széttöredezésére vezethető vissza, aminek következtében az elektromos töltések szétválnak a felhőn belül. A felhő felső felén a pozitív, alul a negatív töltések halmozódnak fel. A töltésszétválasztás elektromos teret hoz létre, ami a felhalmozott elektromos töltésekkel arányos. Az erőtér a földfelszínben lévő negatív töltésekre taszító erőt gyakorol, így azok a föld belseje felé mozdulnak (megosztás történik), és a földfelszín pozitív töltésű lesz. A kisülés úgy jön létre, hogy ionizált gázt tartalmazó, így nagyon kis ellenállású csatorna keletkezik a felhő és a földfelszín között. Ezen a csatornán halad végig az elektromos kisülés. A fő kisülés átlagosan $30\ \mathrm{kA}$ áramerősséggel körülbelül $15\ \mathrm{C}$ töltést és $500\ \mathrm{MJ}$ energiát szállít. A csatornában a hirtelen felmelegedett gáz erős fényt bocsát ki és robbanásszerűen kitágul, ez a levegőben lökéshullámot indít el, amelyet mennydörgésként hallunk.
a) A megadott ábra felhasználásával ábrázolja a töltések elhelyezkedését a felhőn belül és a Föld felszínén. Továbbá jelölje az ábrán az elektromos tér irányát a felhőn belül, valamint a felhő alja és a földfelszín között!
Adatok:
$I=30\ \mathrm{kA}$
$\Delta Q=15\ \mathrm{C}$
a) Megfelelő ábra készítése a szöveg alapján:
5 pont
(bontható)
Az ábrán fel kell tüntetni:
- pozitív töltések a felhő tetején – 1 pont
- negatív töltések a felhő alján – 1 pont
- lefelé mutató térerősség a felhő belsejében – 1 pont
- pozitív töltések a földfelszín közelében – 1 pont
- felfelé mutató térerősség a felhő alja és a föld között – 1 pont
A térerősséget vektorral (akár egyetlen nyíllal) vagy a tér irányát kifejező nyilakkal, illetve töltéstől töltésig nyúló erővonalakkal is lehet jelölni. A válasz elfogadható, amennyiben az irányítottság egyértelmű.
b) Miért halljuk a mennydörgést csak jóval a villámfény észlelése után?
b) A mennydörgés és a villámfény időben eltérő érzékelésének magyarázata:
5 pont
(bontható)
Mivel a fény-, illetve hanghatás egyszerre (2 pont) keletkezik az elektromos kisülés helyén, és a fény terjedési sebessége sokkal nagyobb, mint a hangé (1 pont) a fény szinte azonnal (1 pont) a szemünkbe jut, míg a hang több másodperces késéssel (1 pont) érkezik a fülünkbe.
c) Körülbelül milyen hosszú ideig tart egy átlagos villámkisülés?
$\Delta t=0,5\ \mathrm{ms}$
c) A villámkisülés átlagos időtartamának meghatározása:
6 pont
(bontható)
$$I=\frac{\Delta Q}{\Delta t}$$
$$\Delta t=\frac{\Delta Q}{I}$$
$$\Delta t=\frac{15\ \mathrm{C}}{30\ 000\ \mathrm{A}}$$
$$\Delta t=0,5\ \mathrm{ms}$$
(képlet 2 pont, rendezés 1 pont, megfelelő adatok behelyettesítése 1 + 1 pont, számítás 1 pont)
Összesen: 16 pont