Egy űreszköz építéséhez szükség van egy \(R = 0,05\ \Omega\) ellenállású, \(l = 5\ \mathrm{m}\) hosszúságú vezetékre. Természetesen a lehető legkisebb tömegű vezetéket kell a rendelkezésre álló anyagokból elkészíteni. Az alábbi táblázatban megtalálhatjuk négy felhasználható fém sűrűségét \((\varrho)\) és fajlagos ellenállását (jelöljük most \(\varrho^*\)‑gal).
| anyag | Sűrűség | fajlagos ellenállás \(\varrho^* (\Omega \mathrm{m})\) |
| alumínium | 2,7 | \(2,67\cdot 10^{-8}\) |
| réz | 8,9 | \(1,69\cdot 10^{-8}\) |
| ezüst | 10,5 | \(1,63\cdot 10^{-8}\) |
| titán | 4,5 | \(5,40\cdot 10^{-7}\) |
Melyik anyagból lehet az adott feltételeknek megfelelő, lehető legkönnyebb vezetéket elkészíteni?
Alumíniumból.
Annak megadása, hogy egy adott anyagú, ellenállású és hosszúságú vezetéknek mekkora a keresztmetszete:
4 pont
(bontható)
\[R=\varrho^*\cdot \frac{l}{A}\]
amiből
\[A=\varrho^*\cdot \frac{l}{R}\]
(képlet + rendezés 2 + 2 pont)
1. megoldás:
Annak megadása, hogy az adott tulajdonságú vezeték tömege hogyan függ az anyagi minőségétől:
4 pont
(bontható)
Mivel a vezeték tömege
\[m=\varrho\cdot l\cdot A\]
\[m=\varrho\cdot l\cdot \varrho^*\cdot \frac{l}{R}\]
\[m=\varrho\cdot \varrho^*\cdot \frac{l^2}{R}\]
(Képlet + egyenletrendezés, 2 + 2 pont)
Annak felismerése, hogy a sűrűség és a fajlagos ellenállás szorzatának lehető legkisebb értéke biztosítja a legkisebb tömeget:
4 pont
A keresett anyag megnevezése:
3 pont
A táblázatban található anyagok közül az alumínium esetén minimális a szorzat, tehát ebből kell készíteni a vezetéket.
2. megoldás
A megadott adatokkal a szükséges keresztmetszet kiszámítása az egyes anyagokra:
5 pont
(bontható)
A korábban felírt egyenletbe helyettesítve
\[A=\varrho^*\cdot \frac{l}{R}\]
az alumínium: \(2,67\cdot 10^{-6}\ \mathrm{m^2}\)
a réz: \(1,69\cdot 10^{-6}\ \mathrm{m^2}\)
az ezüst: \(1,63\cdot 10^{-6}\ \mathrm{m^2}\)
a titán: \(5,4\cdot 10^{-6}\ \mathrm{m^2}\)
keresztmetszetű.
(Az első adat kiszámítása 2 pont, a többi 1‑1 pont.)
Az egyes vezetékek tömegének meghatározása az \(m=\varrho\cdot l\cdot A\) összefüggés alapján:
5 pont
(bontható)
Alumínium: \(3,6\cdot 10^{-2}\ \mathrm{kg}\)
réz: \(7,5\cdot 10^{-2}\ \mathrm{kg}\)
ezüst: \(8,6\cdot 10^{-2}\ \mathrm{kg}\)
titán: \(1,2\ \mathrm{kg}\)
A keresett anyag megnevezése:
1 pont
Ezek közül a vezetékek közül az alumínium a legkönnyebb.
Összesen: 15 pont