Најважније из лекције
Физика и савремене технологије – кључне тачке:
- Комуникација и навигација: Рад мобилних телефона, рачунара и GPS-а почива на електромагнетним таласима и теорији релативности. Интернет је значајан замах добио у истраживачком центру ЦЕРН.
- Оптика и ласери: Оптички каблови преносе сигнале помоћу тоталне рефлексије светлости; ласери омогућавају велику прецизност у индустрији и медицини.
- Суперпроводност: Стање без електричне отпорности на температурама блиским \( 0 \text{ K} \); омогућава рад МРИ уређаја и левитацију Маглев возова.
- Нанотехнологија: Обухвата структуре димензија испод \( 100 \text{ nm} \) (\( 10^{-9} \text{ m} \)), као што су фулерени и наноцеви, са супериорним механичким и електричним особинама.
- Енергија будућности: Контролисана термонуклеарна фузија (пројекат ITER) спајањем лаких језгара на температурама од преко \( 10^8 \text{ K} \) представља чист и безбедан извор енергије без радиоактивног отпада.
Пренос информација у мобилној телефонији и рачунарским мрежама заснива се на простирању електромагнетних таласа одређених фреквенција кроз простор.
Глобални позициони систем (GPS) је сателитски систем састављен од око 24 сателита који омогућава прецизно одређивање положаја и брзине објеката на Земљи. Његово функционисање директно зависи од примене физичких закона и теорије релативности.
Развој интернета и веб софтвера подстакли су физичари у истраживачком центру ЦЕРН (CERN) ради брзе размене велике количине података при истраживању елементарних честица.
GPS се користи за навигацију у авио, бродском и друмском саобраћају, за праћење возила, просторно планирање и израду прецизних дигиталних карата.
Који физички принцип омогућава GPS пријемнику да израчуна тачан положај корисника?
GPS пријемник прима и обрађује посебно кодиране радио-сигнале (електромагнетне таласе) са најмање четири сателита. На основу времена путовања сигнала брзином светлости и корекција проистеклих из теорије релативности, пријемник прецизно израчунава своју удаљеност од сателита, а тиме и свој тачан положај и брзину.
Оптички каблови се састоје од низа танких влакана од стакла или пластике (пречника око \( 10^{-6} \text{ m} \)) кроз које се информације преносе у облику светлосних сигнала.
Светлосни сигнали се кроз оптичко влакно простиру захваљујући појави тоталне рефлексије, одбијајући се од унутрашњих зидова влакна без значајног губитка енергије.
Ласери су извори висококохерентне и усмерене светлости који се поред медицине широко користе у индустрији за прецизно резање и заваривање материјала, оптичка мерења и космичка истраживања.
Оптички каблови се користе за ултрабрзи пренос података на интернету, али и у медицини код ендоскопских инструмената за преглед и извођење микрохируршких операција.
Зашто су оптички каблови ефикаснији од класичних бакарних проводника при преносу података?
Оптички каблови користе светлосне сигнале и појаву тоталне рефлексије, што омогућава знатно веће брзине преноса, већи капацитет преноса информација и отпорност на електромагнетне сметње у поређењу са бакарним проводницима.
Суперпроводност је појава при којој одређени материјали потпуно губе електричну отпорност када се охладе на веома ниске температуре, блиске апсолутној нули (\( T \approx 0 \text{ K} \)).
Главна препрека за масовну употребу суперпроводника је потреба за веома ниским температурама, због чега се интензивно трага за материјалима који показују суперпроводност на вишим температурама.
Примена суперпроводника: уређаји за магнетну резонанцију (МРИ), акцелератори честица и магнетно левитирајући (Маглев) возови који лебде изнад шина и крећу се без механичког трења.
Како суперпроводници омогућавају кретање Маглев возова великим брзинама?
Суперпроводни електромагнети стварају изузетно јака магнетна поља захваљујући којима воз лебди изнад шина (магнетна левитација). Пошто нема директног контакта између воза и шина, елиминисано је трење подлоге, што омогућава постизање изузетно великих брзина.
Нанотехнологија је област примењене физике која се бави синтезом, манипулацијом и применом материјала на атомском и молекулском нивоу, у опсегу димензија до \( 100 \text{ nm} \).
\[ 1 \text{ nm} = 10^{-9} \text{ m} \]
Својства наноматеријала: Наноматеријали се састоје од неколико десетина до неколико хиљада атома и имају физичка (механичка, термичка, електрична, оптичка) својства потпуно различита од макроскопских система. Одликују се изузетном механичком чврстоћом, високом електричном проводношћу и израженим каталитичким деловањем.
Типичне наноструктуре:
- Фулерен (\( \text{C}_{60} \)): сфера сачињена од 60 атома угљеника распоређених у облику фудбалске лопте.
- Угљеничне наноцеви: цилиндричне структуре које показују изузетну проводљивост и велику затезну чврстоћу.
Ако угљенична наноцев има пречник од \( 2 \text{ nm} \), изрази тај пречник у метрима.
Пошто је \( 1 \text{ nm} = 10^{-9} \text{ m} \), пречник износи:
\[ d = 2 \text{ nm} = 2 \cdot 10^{-9} \text{ m} \]
Термонуклеарна фузија је процес спајања лаких атомских језгара (попут изотопа водоника) у тежа језгра, при чему се ослобађа огромна количина енергије, слично процесима у унутрашњости Сунца.
Предности у односу на фисију: При фузији не настаје дугоживећи радиоактивни отпад, гориво је лако доступно, а процес представља безбедан и еколошки чист извор енергије будућности.
Услови за одвијање фузије:
- Температура плазме од око \( 100 \text{ милиона } ^\circ\text{C} \) (\( 10^8 \text{ K} \)).
- Концентрација честица од \( 10^{14} \text{ cm}^{-3} \) до \( 10^{15} \text{ cm}^{-3} \).
- Задржавање вреле плазме помоћу суперпроводних магнета у јаким магнетним пољима (\( 5 \text{ T} \) до \( 10 \text{ T} \)).
Највећи светски научно-истраживачки пројекат за добијање енергије фузијом је ITER (Интернационални термонуклеарни експериментални реактор), који се гради у Француској.
Због чега се за одржавање плазме у фузионим реакторима користе суперпроводни магнети, а не класични материјални зидови суда?
Плазма за термонуклеарну фузију има температуру од око 100 милиона степени Целзијуса. Ниједан чврсти материјал на Земљи не може да издржи ту температуру без тренутног топљења и испаравања, због чега се плазма држи „лебдећом” унутар реактора помоћу изузетно јаких магнетних поља.
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Која физичка појава је одговорна за вођење светлости кроз језгро оптичког влакна? Наведи бар два поља примене ових каблова.
Одговор: За вођење светлости одговорна је појава тоталне рефлексије.
Примене:
Примене:
- Телекомуникације (брзи пренос података и интернет);
- Медицина (ендоскопија и прецизне хируршке операције).
Задатак 2 (средњи): Објасни шта је суперпроводност и на којим температурама се најчешће јавља. Наведи барем два савремена уређаја или система који раде захваљујући суперпроводницима.
Одговор: Суперпроводност је појава потпуног губитка електричне отпорности материјала при веома ниским температурама (близу апсолутне нуле, \( 0 \text{ K} \)).
Примери примене:
Примери примене:
- Маглев возови (возови на магнетном јастуку);
- Уређаји за магнетну резонанцију (МРИ) у медицини;
- Акцелератори честица у истраживачким центрима.
Задатак 3 (средњи): Шта су наноматеријали и у ком опсегу димензија се налазе њихове структуре? Наведи један пример наноструктуре угљеника и њен облик.
Одговор: Наноматеријали су материјали синтетисани на атомском и молекулском нивоу чије су димензије мање од \( 100 \text{ nm} \) (\( 1 \text{ nm} = 10^{-9} \text{ m} \)).
Пример: Фулерен (\( \text{C}_{60} \)), који има облик фудбалске лопте састављене од 60 атома угљеника, или угљеничне наноцеви цилиндричног облика.
Пример: Фулерен (\( \text{C}_{60} \)), који има облик фудбалске лопте састављене од 60 атома угљеника, или угљеничне наноцеви цилиндричног облика.
Задатак 4 (тежак): Зашто се термонуклеарна фузија сматра еколошки повољнијим извором енергије од нуклеарне фисије и који су основни физички услови неопходни за њено одвијање у реакторима као што је ITER?
Одговор:
1. Еколошка предност: При фузији (спајању лаких језгара) не настаје опасан радиоактивни отпад дугог века полураспада, за разлику од фисије (цепања тешких језгара).
2. Физички услови за одвијање:
1. Еколошка предност: При фузији (спајању лаких језгара) не настаје опасан радиоактивни отпад дугог века полураспада, за разлику од фисије (цепања тешких језгара).
2. Физички услови за одвијање:
- Изузетно висока температура плазме од око \( 100 \text{ милиона } ^\circ\text{C} \);
- Висока концентрација честица у плазми (\( 10^{14} \text{ cm}^{-3} - 10^{15} \text{ cm}^{-3} \));
- Задржавање плазме у магнетном пољу јачине од \( 5 \text{ T} \) до \( 10 \text{ T} \) помоћу суперпроводних магнета током одређеног времена.
