Реферат: Физика (лучшее)

Билет № 1

1. Всё что существует в природе называется материей. Любое измене­ние материи, любой процесс, происходящий в природе, называют движе­нием материи. Простейшей формой движения материи является механи­ческое движение. Механическим движением называется изменение вза­имного расположения тел или частей одного и того же тела в простран­стве с течением времени. Раздел физики, рассматривающий механическое движение, называют механикой. Основные законы механики в значитель­ной мере были выяснены Галилеем и сформулированы Ньютоном. Меха­ника Галилея-Ньютона называется классической. Она изучает законы движения макроскопических тел, движущихся со скоростями много меньшими скорости света. Движение тел со скоростями, сравнимыми со скоростью света, рассматривает релятивистская механика. Изучением микромира занимается квантовая механика. Классическая механика под­разделяется на кинематику, динамику и статику. Кинематика изучает за­коны движения тел, не вникая в причины, обусловливающие это движе­ние. Динамика рассматривает механическое движение с учётом причин, вызывающих его. Статика исследует условия равновесия тел.

Относительность движения – это перемещение и скорость тела относительно разных систем отсчета различны (например, человек и поезд). Скорость тела относительно неподвижной системы координат равна геометрической сумме скоростей тела относительно подвижной системы и скорости подвижной системы координат относительно неподвижной. (V₁ – скорость человека в поезде, V₀ - скорость поезда, то V=V₁ +V₀ ).

Система отсчёта. Механическое движение, как это следует из его определения, является относительным. Поэтому о движении тел можно говоритъ лишь в том случае, когда указана система отсчёта. Система от­счёта включает в себя: 1) Тело отсчёта, т.е. тело, которое принимается за неподвижное и относительно которого рассматривается движение других тел. С телом отсчёта связывают систему координат. Чаще всего использу­ют декартовую (прямоугольную) систему координат 2) Прибор для измерения времени.

Траектории движения. Воображаемая линия, по которой движет­ся материальная точка, называется траекторией. В общем случае траек­тория - сложная трёхмерная кривая. В частности, она может быть и пря­мой линией. Тогда для описания движения необходима только одна коор­динатная ось, направленная вдоль траектории движения. Следует иметь ввиду, что форма траектории зависит от выбора системы отсчёта, т.е. фор­ма траектории понятие относительное. Так, траектория концов про­пеллера относительно системы отсчёта, связанной с летящим самолётом, является окружностью, а в системе отсчета, связанной с Землёй, — винто­вой линией.

Перемещением называется вектор, проведённый из начального положения материальной точки в конечное. Длину участка, пройденного материальной точкой по траектории, называют путём или длиной пути. Нельзя путать эти по­нятия, так как перемещение — вектор, а путь — скаляр.

Скорости бывают: мгновенные и средние. Мгновенная скорость – это скорость в данный момент времени в данной точке траектории. Мгновенная скорость направлена по касательной. (V=DS/Dt DtÞ0). /Средняя скорость – скорость, определяемая отношением перемещения при неравномерном движении к промежутку времени, за которое это перемещение произошло./

Ускорение. Скорость материальной точки может изменяться со вре­менем. Быстроту такого изменения характеризуют ускорением. Пусть в течение малого промежутка времени At быстрота изменения скорости практически неизменна, а изменение скорости равно DV. Тогда ускорение находим по формуле: a=DV/Dt

Таким образом, ускорение — это изменение скорости, отнесённое к еди­нице времени, т.е. изменение скорости за единицу времени при условии его постоянства за это время. В системе единиц СИ ускорение измеряется в м/с² .

Движение, при котором скорость тела неизменна по модулю и на­правлению, называется прямолинейным равномерным движением, Со­гласно (1.1), скорость такого движения находится по формуле V=S/t.

Если ускорение a направлено в ту же сторону, что и начальная скорость, то скорость будет увеличиваться и движение называют равноускоренным.

Билет № 2

В повседневной жизни нам постоянно приходится сталкиваться с различными взаимодействиями. Например, с притяжением тел к Земле, отталкиванием и притяжением магнитов и токов, текущих по проводам, отклонением электронных пучков в электронно-лучевых трубках при дей­ствии на них электрических и магнитных полей и т.д. для характеристики взаимодействия тел и вводится понятие силы. В механике сила, дейст­вующая на тело, является мерой его взаимодействия с окружающими те­лами, действие силы проявляется в деформации тела или в приобретении им ускорения. Сила — это вектор. Поэтому она характеризуется модулем, направлением и точкой приложения.

Несмотря на удивительное разнообразие сил, встречающихся в приро­де, все их можно свести к четырём видам фундаментальных сил: гравита­ционные, электромагнитные, ядерные и слабые. Гравитационные силы возникают между любыми телами. Их действие надо учитывать лишь в мире больших тел. Электромагнитные силы действуют на заряды как не­подвижные, так и движущиеся. Поскольку вещество построено из атомов, которые, в свою очередь, состоят из электрически заряженных частиц электронов и протонов, то большинство сил, с которыми мы встречаемся в жизни, это электромагнитные силы. Ими являются, например, силы упру­гости, возникающие при деформации тел, силы трения. Ядерные и слабые силы проявляют себя на расстояниях, не превышающих 10-14 м. Поэтому эти силы заметны лишь в микромире. Необходимо отметить, что вся клас­сическая физика, а вместе с ней и понятие силы, не применимы к элемен­тарным частицам. Характеризовать точным образом взаимодействие этих частиц с помощью сил нельзя. Единственно возможным здесь становится энергетическое описание. Тем не менее, и в атомной физике часто говорят о силах. В этом случае термин сила становится синонимом слова взаимодействие.

Таким образом, в современной науке слово сила употребляется в двух смыслах: во-первых, в смысле механической силы, здесь она является точ­ной количественной мерой взаимодействия, и, во-вторых, обозначает на­личие взаимодействия определенного типа, точной количественной мерой которого может быть только энергия.

Билет № 3

Импульсом тела или количеством движения называют произведение массы тела на его скорость. P – векторная величина. Направление импульса тела совпадает с направлением скорости.

Совокупность тел взаимодействующих между собой и рассматриваемых как единое целое, называют механической системой. Силы, действующие в механической системе, подразделяются на две группы: внутренние силы, т.е. силы взаимодействия между телами, входящими в систему, и внешние силы, т.е. силы, действующие на тела системы со стороны тел, не принадлежащих ей. Если на механическую систему внешние силы не действуют или их равнодействующая сила равна нулю, то такую систему называют замкнутой (или изолированной).

Рассмотрим замкнутую механическую систему, состоящую только из двух тел. Пусть импульсы этих тел равны и . В какой-т момент времени они сталкиваются. В результате импульс первого тела становится равным , а второго . Во время удара на первое тело действует сила , а на второе - , которые, согласно третьему закону Ньютона, равны по модулю и противоположны по направлению, т.е. . Под действием этих сил изменяются импульсы взаимодействующих тел. Используя второй закон Ньютона, запишем: где t – время, в течение которого действуют силы, равное времени соударения тел. Но , поскольку, согласно третьему закону Ньютона . С учетом этого получаем . Отсюда, . Левая часть этого равенства представляет собой импульс механической системы после взаимодействия (после столкновения тел), а правая – до взаимодействия. Поэтому можно сделать вывод, что импульс замкнутой механической системы, состоящей из двух тел не меняется. Это справедливо и для механической системы. Состоящей из любого числа тел. Итак, импульс замкнутой механической системы постоянен при любых взаимодействиях тел, принадлежащих этой системе, т.е. - закон сохранения импульса

Можно назвать много явлений, в основе которых лежит закон сохра­нения импульса — отдача орудий и огнестрельного оружия при выстреле, действие реактивных двигателей и т.д. В механике закон сохранения импульса является следствием законов Ньютона, являющихся основными за­конами динамики. Однако этот закон универсален и имеет место и в мик­ромире, где законы ньютона неприменимы.

Билет № 4

Эти силы получили название гравитационных сил. Ньютон установил закон, называемый законом всемирного тяготения: силы, с которыми притягиваются две материальные точки, прямо пропорциональны произведению их масс, обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними и направлены вдоль прямой, соединяющей их.

где М и m — массы тел, r — расстояние между телами, g — гравитацион­ная постоянная. Эта формула применима и для вычисления силы притяжения двух однородных шаров. Однако расстояние в этом случае берется между центрами шаров.

Выясним физический смысл гравитационной постоянной. Из формулы следует, что при m=M=1 кг и r=1м, g = F, т.e. гравитационная постоянная равна модулю силы притяжения материальных точек единичной массы находящихся на единичном расстоянии друг от друга. Впервые опытное доказательство закона всемирного тяготения проведено Кавен­дишем. Он сумел определить величину гравитационной постоянной. По современным данным g = 6,67*10^-11 Н*м² /кг² . Очень малая величина g указывает на то, что сила гравитационного взаимодействия значительна только в случае тел с большими массами.

Сила, с которой тело притягивается к Земле, называется силой тяжести. Сила тяжести приложена к центру тяжести Весом тела называют силу, с которой тело давит на опору или растягивает подвес. Вес тела приложен к опоре или подвесу. Он равен по модулю силе реакции опоры (подвеса).

Пусть тело массой m находится в лифте, поднимающимся вертикально вверх с постоянным ускорением а а). Найдём вес, которым будет об­ладать тело. На тело действуют сила тяжести mg и сила реакции опоры N. Тогда, согласно второму закону Ньютона, запишем . Пере­пишем его в скалярном виде в проекции на координатную ось y: . Отсюда, , т.е. модуль веса тела, равный модулю силы реакции опоры, больше модуля силы тяжести. Такое состояние называется перегрузкой. Предположим теперь, что лифт опускается с ускорением a. б) В этом случае второй закон Ньютона в скалярной форме имеет вид и . Таким образом, вес тела меньше силы тяжести. Если a=g, то как следует из последней формулы, N=0, т.е. и вес тела равен нулю. Такое состояние называют невесомостью. Из рассмотренного примера следует, что невесомость возникает в случае, когда тело движется только под действием силы тяжести, т.е. под действием гравитационной силы. Из этого вытекает вывод, невесомость наблюдается при движении тела только под действием гравитационных сил.

Билет № 5

Колебаниями называются процессы, характеризуемые определённой повторяемостью со временем. Процесс распространения колебаний в пространстве называют волной. Можно без преувеличения сказать, что мы живём в мире колебаний и волн. Действительно, живой организм существует благодаря периодическому биению сердца, наши лёгкие колеблются при дыхании. Человек слышит и разговаривает вследствие колебаний его барабанных перепонок и голосовых связок. Световые волны (колебания электрических и магнитных полей) позволяют нам видеть. Современная техника также чрезвычайно широко использует колебательные процессы. Достаточно сказать, что многие двигатели связаны с колебаниями: перио­дическое движение поршней в двигателях внутреннего сгорания, движе­ние клапанов и т.д. Другими важными примерами являются переменный ток, электромагнитные колебания в колебательном контуре, радиоволны и т.д. Как видно из приведённых примеров, природа колебаний различна. Однако они сводятся к двум типам — механическим и электромагнитным колебаниям. Оказалось, что, несмотря на различие физической природы колебаний, они описываются одинаковыми математическими уравнения­ми. Это позволяет выделить в качестве одного из разделов физики учение о колебаниях и волнах, в котором осуществляется единый подход к изуче­нию колебаний различной физической природы.

Любая система, способная колебаться или в которой могут происходить колебания, называется колебательной. Колебания, происходящие в колебательной системе, выведенной из состояния равновесия и представленной самой себе, называют свободными колебаниями. Свободные колебания являются затухающими, так как энергия, сообщенная колебательной системе, постоянно убывает.

Гармонические колебания. Гармоническими называют колебания, при которых какая-либо физическая величина, описывающая процесс, из­меняется со временем по закону косинуса или синуса:

Выясним физический смысл постоянных A, w, a, входящих в это уравнение.

Константа А называется амплитудой колебания. Амплитуда – это наибольшее значение, которое может принимать колеблющаяся величи­на. Согласно определению, она всегда положительна. Выражение wt+a, стоящее под знаком косинуса, называют фазой колебания. Она позволяет рассчитать значение колеблющейся величины в любой момент времени. Постоянная величина a представляет собой значение фазы в момент вре­мени t =0 и поэтому называется начальной фазой колебания. Значение начальной фазы определяется выбором начала отсчёта времени. Величина w получила название циклической частоты, физический смысл которой связан с понятиями периода и частоты колебаний. Периодом незатухаю­щих колебаний называется наименьший промежуток времени, по истече­нии которого колеблющаяся величина принимает прежнее значение, или коротко - время одного полного колебания. Число колебаний, совершае­мых в единицу времени, называют частотой колебаний. Частота v связа­на с периодом Т колебаний соотношением v=1/T

Частота колебаний измеряется в герцах (Гц). 1 Гц частота периодиче­ского процесса, при котором за 1 с происходит одно колебание. Найдём связь между частотой и циклической частотой колебания. Используя формулу, находим значения колеблющейся величины в моменты времени t=t₁ и t=t₂ =t₁ +T, где Т — период колебания.

Согласно определению периода колебаний, Это возможно, ес­ли , поскольку косинус - периодическая функция с периодом 2p радиан. Отсюда . Получаем . Из этого соотношения следует физический смысл циклической частоты. Она показывает, сколько колебаний совершается за 2p секунд.

Свободные колебания колебательной системы являются затухающими. Однако на практике возникает потребность в создании незатухающих ко­лебаний, когда потери энергии в колебательной системе компенсируются за счёт внешних источников энергии. В этом случае в такой системе воз­никают вынужденные колебания. Вынужденными называют колебания, происходящие под действием периодически изменяющегося воздействия, асами воздействия — вынуждающими. Вынужденные колебания происхо­дят с частотой, равной частоте вынуждающих воздействий. Амплитуда вынужденных колебаний возрастает при приближении частоты вынуж­дающих воздействий к собственной частоте колебательной системы. Она достигает максимального значения при равенстве указанных частот. Явле­ние резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, когда час­тота вынуждающих воздействий равна собственной частоте колеба­тельной системы, называется резонансом.

Явление резонанса широко используется в технике. Оно может быть как полезным, так и вредным. Так, например, явление электрического ре­зонанса играет полезную роль при настройке радиоприемника на нужную радиостанцию изменяя величины индуктивности и ёмкости, можно до­биться того, что собственная частота колебательного контура совпадёт с частотой электромагнитных волн, излучаемых какой-либо радиостанцией. В результате этого в контуре возникнут резонансные колебания данной частоты, амплитуды же колебаний, создаваемых другими станциями, будут малы. Это приводит к настройке радиоприёмника на нужную станцию.

Билет № 6

При изучении механики были рассмотрены законы, управляющие движением тел. При этом совсем не интересуются строением этих тел и их свойствами, поскольку в механике важно лишь какова масса тела, каковы его размеры, форма и агрегатное состояние. Для изучения движения тел этого, как правило, достаточно. Однако совершенно очевидно, что окру­жающее нас тела отличаются друг от друга многими другими свойствами: тепловыми, электрическими, оптическими и т.д. Свойства же тел завися тот их строения, от связи молекул или атомов друг с другом и от многого другого. Поэтому, в первую очередь, важно знать строение вещества. Этот вопрос и является одним из основных в курсе, называемом молекулярная физика.

Молекулярная физика - это раздел физики, в котором рассматрива­ются свойства тел (газы, жидкости, твердые тела), состоящих из огромного числа молекул и атомов. практической деятельности человека жизненно необходимо знание тепловых свойств различных тел и систем, так как на таком знании основывается работа тепловых машин, без которых челове­чество существовать уже не может. Поэтому вопросы теплоты, энергии систем, превращения энергии в работу составляют основу молекулярной физики и термодинамики.

Молекулярно-кинетической теорией называют учение о строении и свойствах вещества, использующее представления о существования ато­мов и молекул как наименьших частиц вещества. Способность газов зани­мать весь предоставленный ему объем, упругость газов, жидкостей и твёр­дых тел, теплопроводность, диффузии и т.д. объясняются, если принять следующие положения молекулярно-кинетической теории строения веще­ства:

1.Все тела состоят из молекул, атомов или ионов.

2.Молекулы (атомы), из которых состоят тела, находятся в непрерыв­ном хаотическом движении, называемом тепловым. Интенсивность этого движения возрастает с повышением температуры.

3.Молекулы (атомы) взаимодействуют между собой.

Покажем на примере диффузии справедливость указанных положений. Диффузией называют явление взаимного проникновения молекул одного тела между молекулами другого. Очевидно, что диффузии может происхо­дить лишь при наличии движущихся молекул. Скорости теплового движе­ния молекул велики (в газах несколько сотен метров в секунду). Поэтому процесс диффузии должен бы быть практически мгновенным. Однако в действительности скорость диффузии конечна. Это указывает на то, что молекулы сталкиваются друг с другом, т.е. взаимодействуют между собой. С повышением температуры диффузия происходит быстрее. Это свиде­тельствует о возрастании скорости теплового движения молекул.

Другим подтверждением правильности положений молекулярно-­кинетической теории является броуновское движение, названное в честь учёного Броуна, впервые наблюдавшего его. Если в жидкость поместить мельчайшие частички вещества и следить за их поведением в микроскоп, то можно заметить, что частицы движутся беспорядочно. Это объясняется следующим образом. Вследствие хаотичного движения молекул может оказаться, что число ударов молекул о частицу с одной стороны больше, чем с противоположной. В результате этого на неё будет действовать сила, под действием которой она движется. Так как движение молекул хаотиче­ское, то направление силы непрерывно меняется, а следовательно, изменя­ется и направление движения частицы.

Массы и размеры молекул очень малы. (D»10^-8 см »10^-10 м).

Любое вещесво состоит из частиц, поэтому количество вещества принято считать пропорциональным числу частиц. Количество вещества равно отношению числа молекул в данном теле к постоянной Авогадро. (). Относительная молекулярная масса – это величина, равная отношению массы молекул данного вещества к 1/12 массы атома углерода С¹² .

Моль – это такое число частиц, равное числу атомов в 12 г углерода. Это число и есть число Авогадро. (N_A = 6*10²³ моль^-1 ).

Молярная масса – это количество вещества, взятая в количестве 1 моля.

g - количество вещества или число молей.

[g]= моль [m]= кг/моль

Билет № 7

1. Важным понятием в молекулярной физике и термодинамике является понятие термодинамической системы, к рассмотрению которого мы и пе­реходим.

1.Термодинамической системой (или просто системой) называют совокупность большого числа молекул, атомов или ионов, находящихся в тепловом движении и взаимодействующих между собой. Такими система­ми являются твёрдые тела, жидкости, газы. Состояние термодинамической системы характеризуется совокупностью небольшого числа физических величин, называемых параметрами состояния. Например, для газа в ка­честве таких параметров обычно используют давление, объём и темпера­туру Простейшей термодинамической системой является идеальный газ.

2. Газ называют идеальным, если выполняются следующие условия:

а) Размеры молекул исчезающе малы

б) Силы притяжения между молекулами отсутствуют.

в) Столкновения молекул между собой и со стенками сосуда упругие, те. в результате этих соударений кинетическая энергия и импульс всех молекул, находящихся в сосуде, не изменяется.

Хотя идеальных газов в природе не существует, реальные газы при обычных условиях (при малых давлениях и не слишком низких темпера­турах) в достаточно хорошем приближении можно рассматривать как иде­альные.

З. Основным уравнением молекулярно-кинетической теории иде­ального газа принято называть соотношение, связывающее давление газа и кинетическую энергию поступательного движения молекул, содержа­щихся в единице объёма Запишем уравнение без вывода.

т.е. давление газа равно двум третям кинетической энергии поступательного движения молекул, находящихся в единице объёма

2.Температура — одно из основных понятий физики. Она характеризует степень нагретости тела. Первоначально это понятие возникло из наших ощущений холодное, теплое, горячее. Однако такой критерий крайне субъективен, поскольку ощущения зависят от состояния человека. Напри­мер, если одну руку подержать в холодной воде, а другую - в горячей, а затем опустить их в воду комнатной температуры, то ощущения для них будут различными. Поэтому необходимо ввести объективный критерий для измерения температуры. Так, в термодинамике температуру связывают с теплообменом, т.е. передачей энергии от одного тела к другому без со­вершения работы. Известно, что перенос энергии осуществляется от тела с более высокой температурой к телу с более низкой. Если теплообмен не происходит, то температуры этих тел одинаковы. Такое состояние называ­ется тепловым равновесием.

Физический смысл температуры раскрывается в молекулярной физике. При тепловом движении молекулы газа непрерывно сталкиваются между собой. Это приводит к тому, что скорости молекул, а следовательно, и их кинетические энергии при любой температуре различим. Поэтому можно говорить о средней кинетической энергии поступательного движения мо­лекул. Из молекулярно-кинетической теории идеального газа известно, что средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул связана с абсолютной температурой Т соотношением

где k — постоянная Больцмана. Это соотношение свидетельствует о том, то средняя кинетическая энергия молекул смеси будет одинаковой, несмотря на различие масс молекул. Выражение), полученное для идеального газа, справедливо и для любых термодинамических систем. Из этого выражения вытекает важнейшее положение молекулярно-­кинетической теории: абсолютная температура является мерой сред­ней кинетической энергии поступательного движения молекул.

Из формулы видно также, что абсолютная температура является сугубо положительной величиной, поскольку средняя кинетическая энер­гия отрицательной быть не может. Нулевой уровень температуры по абсо­лютной шкале называют абсолютным нулём. Это предельно низкая тем­пература, которая в принципе не достижима.

В физике рассматриваются две температурные шкала — это шкала Кельвина (абсолютная шкала) и шкала Цельсия. Реперной (опорной) точ­кой на шкале Кельвина является тройная точка воды, т.е. такое состояние, при котором вода одновременно находится в трёх агрегатных состояниях -твёрдом, жидком и газообразном. Этому состоянию приписывается аб­солютная температура 273,16 К. Поэтому 1/273,16 часть этой температуры равна 1К. у шкалы Цельсия две реперные точки — температура таяния льда принимается за 0 °С, а кипения воды - за 100 °С при нормальном атмосферном давлении. Одна сотая часть этого интервала температур рав­на 1 °С. Данные температурные шкалы связаны соотношением ТК = t°C + 273,15, из которого следует, что один градус Цельсия равен одному Кельвину.

Билет № 8

1. Из основного уравнения молекулярно-кинетической теории идеально­го газа выводятся газовые законы, открытые опытным путем.

Согласно соотношению запишем

где Р — давление газа, — кинетическая энергия поступательного дви­жения молекул, находящихся в единице объёма. Кинетическую энергию молекул можно выразить через среднюю кинетическую энергию од­ной молекулы: где n - число молекул в единице объёма. Но

Здесь k — постоянная Больцмана, Т — абсолютная темпе­ратура газа. Подставляя это выражение в находим

Учитывая, что n = N/V. где N— число молекул газа в объёме V. получаем

Это соотношение называется уравнением состояния идеального газа.

Уравнение состояния идеального газа неудобно тем, что в него входит число молекул N, которое нельзя непосредственно измерить. По­этому придадим ему такую форму, чтобы величины, входящие в него, можно было измерить. Обозначим через массу одной молекулы. Тогда, очевидно, , где m - масса газа. Умножим и разделим правую часть этого равенства на

так как - масса одного моля или молярная масса. (Напомним, что число Авогадро показывает, сколько молекул находятся в одном моле вещества, а один моль - это количество вещества, выраженное в граммах, равное относительной молекулярной массе). Подставляя выражение

находим . Введём новую постоянную Ее называют универсальной газовой постоянной. Тогда

Соотношение (25.5) называется уравнением Менделеева - Клапейрона.

Оно связывает между собой параметры состояния идеального газа и по­зволяет предсказывать состояние газа.

2. Переход термодинамической системы из одного состояния в другое называют термодинамическим процессом (или процессом). При этом изменяются параметры состояния системы. Однако возможны процессы, называемые изопроцессами, при которых один их параметров состояния остаётся неизменным. Существует три изопроцесса: изотермический, изо­барический (изобарный) и изохорический (изохорный). Изотермическим называют процесс, происходящий при неизменной температуре (Т= соnst); изобарическим процессом - при постоянном давлении (P = const), изо­хорическим - при неизменном объёме (V= const).

Из уравнения Менделеева - Клапейрона как частные случаи можно получить все газовые законы, открытые опытным путём. Выведем закон Бойля - Мариотта. Если масса и температура газа постоянны (m=const, T=const), то правая часть равенства будет постоянной. Поэтому

т.е. для данной массы газа при неизменной температуре произведение давления газа на его объём - величина постоянная. График: изотерма

Для изобарического процесса справедлив закон Гей-Люссака. Из уравнения Менделеева - Клапейрона следует . Если масса и давление газа постоянны, то и

Соотношение называется законом Гей-Люссака: для данной массы газа при постоянном давлении объём газа пропорционален его темпе­ратуре. На рис. 26.2 показан график зависимости объёма от температуры.

В случае изохорического процесса справедлив закон Шарля. Из уравнения Менделеева - Клапейрона следует, что. Если масса и объём газа постоянны, то и

Уравнение называют законом Шарля: для данной массы газа при постоянном объёме давление газа пропорционально его температуре.

График: изохора.

Билет № 9

1. Испарение и конденсация. Процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное состояние называется парообразованием, обратный процесс превращения вещества из газообразного состояния в жидкое называют конденсацией. Существуют два вида парообразования - испарение и кипение. Рассмотрим сначала испарение жидкости. Испарением называют процесс парообразования, происходящий с открытой поверхности жидкости при любой температуре. С точки зрения молекулярно-кинетической теории эти процессы объясняются следующим образом. Молекулы жидкости, участвуя в тепловом движении, непрерывно сталкиваются между собой. Это приводит к тому, что некоторые из них приобретают кинетическую энергию, достаточную для преодоления молекулярного притяжения. Такие молекулы, находясь у поверхности жидкости, вылетают из неё, образуя над жидкостью пар (газ). Молекулы пар~ двигаясь хаотически, ударяются о поверхность жидкости. При этом часть из них может перейти в жидкость. Эти два процесса вылета молекул жидкости и ах обратное возвращение в жидкость происходят одновременно. Если число вылетающих молекул больше числа возвращающихся, то происходит уменьшение массы жидкости, т.е. жидкость испаряется, если же наоборот, то количество жидкости увеличивается, т.е. наблюдается конденсация пара. Возможен случай, когда массы жидкости и пара, нахо­дящегося над ней, не меняются. Это возможно, когда число молекул, по­кидающих жидкость, равно числу молекул, возвращающихся в неё. Такое состояние называется динамическим равновесием, а пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным . Если же между паром и жидкостью нет динамического равновесия, то он называется ненасыщенным . Очевидно, что насыщенный пар при данной температуре имеет определённую плотность, называемую равновесной.

Это обусловливает неиз­менность равновесной плотности, а следова­тельно, и давления насы­щенного пара от его объ­ёма при неизменной тем­пературе, поскольку уменьшение или увели­чение объёма этого пара приводит к конденсации пара или к испарению жидкости соответственно. Изотерма насыщенного пара при некоторой температуре в координатной плоскости Р, V представляет собой прямую, параллельную оси V С повышением температуры термодина­мической системы жидкость - насыщенный пар число молекул, поки­дающих жидкость за некоторое время, превышает количество молекул, возвращающихся из пара в жидкость. Это продолжается до тех пор, пока возрастание плотности пара не приводит к установлению динамического равновесия при более высокой температуре. При этом увеличивается и давление насыщенных паров. Таким образом, давление насыщенных паров зависит только от температуры. Столь быстрое возрастание давления насыщенного пара обусловлено тем, что с повышением температуры происходит рост не только кинетической энергии поступательного движения молекул, но и их концентрации, т.е. числа молекул в единице объема

При испарении жидкость покидают наиболее быстрые молекулы, вследствие чего средняя кинетическая энергия поступательного движения оставшихся молекул уменьшается, а следовательно, и температура жидко­сти понижается (см. §24). Поэтому, чтобы температура испаряющейся жидкости оставалась постоянной, к ней надо непрерывно подводить опре­делённое количество теплоты.

Количество теплоты, которое необходимо сообщить единице массы жидкости, для превращения её в пар при неизменной температуре называется удельной теплотой парообразования. Удельная теплота парообразования зависит от температуры жидкости, уменьшаясь с её повышением. При конденсации количество теплоты, затраченное на испарение жидкости, выделяется.

2. Влажность. В атмосфере всегда содержится некоторое количество водяных паров. Степень влажности является одной из существенных характеристик погоды и климата и имеет во многих случаях практическое значение. Так, хранение различных материалов (в том числе цемента, гипса и других строительных материалов), сырья, продуктов, оборудования и т.п. должно происходить при определенной влажности. К помещениям, в зависимости от их назначения, также предъявляются соответствующие требования по влажности.

Для характеристики влажности используется ряд величин. Абсолют­ной влажностью р называется масса водяного пара, содержащегося в единице объёма воздуха. Обычно она измеряется в граммах на кубический метр (г/м³ ). Абсолютная влажность связана с парциальным давлением Р водяного пара уравнением Менделеева – Клапейрона , где V - объём, занимаемый паром, m, Т и m — масса, абсолютная температура и молярная масса водяного пapa, R — универсальная газовая постоянная (см. (25.5)). Парциальным давлением называется давление, которое оказывает водяной пар без учёта действия молекул воздуха другого сорта. Отсюда , так как р = m/V— плотность водяного пара.

В определённом объёме воздуха при данных условиях количество во­дяного пара не может увеличиваться беспредельно, поскольку существует какое-то предельное количество паров, после чего начинается конденса­ция пара. Отсюда появляется понятие максимальной влажности. Макси­мальной влажностью Pm называют наибольшее количество водяного па­ра в граммах, которое может содержаться в 1 м³ воздуха при данной тем­пературе (по смыслу это есть частный случай абсолютной влажности). По­нижая температуру воздуха, можно достичь такой температуры, начиная с которой пар начнёт превращаться в воду — конденсироваться. Такая тем­пepaтypa носит название точки росы. Степень насыщенности воздуха во­дяными парами характеризуется относительной влажностью. Относительной влажностью b называют отношение абсолютной влажности р к максимальной Pm т.е. b=P/Pm. Часто относительную влажность выражают в процентах.

Существуют различные методы определения влажности.

1. Наиболее точным является весовой метод. Для определения влажно­сти воздуха его пропускают через ампулы, содержащие вещества, хорошо поглощающие влагу. Зная увеличение массы ампул и объём пропущенного воздуха, определяют абсолютную влажность.

2. Гигрометрические методы. Установлено, что некоторые волокна, в том числе человеческий волос, изменяют свою длину в зависимости от от­носительной влажности воздуха. На этом свойстве основан прибор, назы­ваемый гигрометр ом. Имеются и другие типы гигрометров, в том числе и электрические.

З. Психрометрический метод — это наиболее распространенный ме­тод измерения. Суть его состоит в следующем. Пусть два одинаковые тер­мометра находятся в одинаковых условиях и имеют одинаковые показания. Если же баллончик одного из термометров будет смочен, например, обернут мокрой тканью, то показания окажутся различными. Вследствие испарения воды с ткани так называемый влажный термометр показывает более низкую температуру, чем сухой. Чем меньше относительная влажность окружающего воздуха, тем интенсивнее будет испарение и тем ниже показание влажного термометра. Из показаний термометров определяют разность температур и по специальной таблице, называемой психрометрической, определяют относительную влажность воздуха.

Билет № 10

Твёрдые тела бывают аморфными и кристаллическими. Аморфными. называют тела, в которых атомы или молекулы расположены беспорядоч­но. Примерами этих тел являются янтарь, стекло, пластмассы и т.д. Аморфные тела являются изотропными, т.е. их физические свойства оди­наковы по всем направлениям. Твёрдые тела, атомы или молекулы кото­рых расположены в определённом порядке, называются кристаллами. Все кристаллические тела делятся на монокристаллы и поликристаллы. Монокристаллы представляют собой одиночные кристаллы, имеющие единую кристаллическую решетку. Монокристаллы встречаются в приро­де в естественных условиях (кварц, поваренная соль, рубин алмазы и т.д.). Создав специальные условия (удаление примесей, очень медленное охла­ждение расплавов и т.д.) их можно вырастить искусственно. Физиче­ские свойства (механические, теп­ловые, электрические, оптические) монокристаллов, как правило, раз­личны по различным направлениям. Как показатель преломления кри­сталла исландского шпата зависит от того, как на него падает луч све­та. Такое свойство кристаллических тел называется‚ анизотропностью. Поликристаллы представляют собой совокупность большого числа срос­шихся между собой и хаотически ориентированных маленьких монокристаллов, называемых кристалли­тами. Такое поликристаллическое тело в целом изотропно, хотя каждый кристаллит сам по себе анизотропен. Поликристаллы получаются, как пра­вило, путём кристаллизации жидкого вещества при охлаждении его в обычных условиях.

Для наглядного представления структуры кристаллов применяется способ изображения его с помощью кристаллической решётки. Кристал­лической решёткой называется пространственная сетка, узлы которой совпадают с центрами атомов или молекул в кристалле .

По характеру взаимодействия частиц (атомов, молекул, ионов), распо­ложенных в узлах кристаллической решётки, различают четыре типа кри­сталлов: атомные, ионные, металлические и молекулярные кристаллы.

1. Ионные кристаллы. В узлах кристаллической решётки этих кри­сталлов располагаются новы разных знаков, причём они чередуются меж­ду собой. Силы взаимодействия между ними электростатические (кулоновские). Связь, обусловленная кулоновскими силами притяжения, называется ионной или гетерополярной. В ионном кристалле нельзя вы­делить отдельные молекулы. Примерами ионных кристаллов являются га­лоидные соединения щелочных металлов (NaC1, KBr, KCI и другие), а также оксиды различных элементов (CaO, MgO и т.д.).

2. Атомные кристаллы. В этих кристаллах в узлах кристаллической решётки находятся нейтральные атомы, которые удерживаются в них так называемыми ковалентными связями. Ковалентная связь возникает толь­ко между двумя атомами парами валентных электронов (по одному от ка­ждого атома), движущихся по орбитам, охватывающих оба атома. Поэто­му число связей, в которых может участвовать данный атом, а следова­тельно, и число соседних атомов, связанных с ним, равно его валентности. Атомными кристаллами являются алмаз, кремний, германий и т.д. В пере­численных кристаллах каждый атом, например кремний, окружен четырь­мя такими же атомами, поскольку его валентность равна четырём. Атомы образуют кристаллическую структуру, в которой один атом расположен в центре тетраэдра, а четыре - в его вершинах. При этом ковалентная связь образуется между центральным атомом и атомами в вершинах тетраэдра.

3. Металлические кристаллы. Во всех узлах кристаллической решёт­ки расположены положительные ноны. Это объясняется тем, что при обра­зовании кристаллической решётки валентные электроны, наиболее слабосвязанные с атомами, отрываются от атомов и коллективизируются, т.е. они уже принадлежат не одному атому, а всему кристаллу в целом. Поэто­му в металлах между положительными нонами хаотически движутся элек­троны, взаимодействие которых с положительными нонами металла и приводит к возникновению сил притяжения, компенсирующих силы от­талкивания ионов и образованию кристалла.

4. Молекулярные кристаллы . В узлах кристаллической решётки рас­полагаются молекулы, ориентированные определённым образом. Силы, образующие кристалл, имеют электростатическое происхождение. Следу­ет отметить, что многие свойства тел, такие как трение, прилипание, сцеп­ление, поверхностное натяжение, вязкость и т.д. являются проявлением электростатических сил. К молекулярным кристаллам относятся лёд, йод, парафин, большинство твёрдых органических соединений и т.п., а также водород, аргон, метан и другие газы после превращения их в твёрдые тела.

2. При строительстве и конструировании различных сооружений, в том числе и строительных, необходимо знать механические свойства исполь­зуемых материалов: бетона, железобетона, стали, пластмасс и т.д. Поэтому рассмотрим лишь механические свойства твёрдых тел.

1. Основные понятии. деформацией называется изменение формы и размеров тела под действием приложенных сил. Различают два вида де­формации — упругую и пластическую. Упругой называют деформацию, которая исчезает после прекращения действия приложенных сил. Если же после снятия сил тело не возвращается в исходное состояние, то такая деформация называется пластической (неупругой). Вид деформации за­висит от материала тела и от величины приложенного усилия. Механиче­ским усилием (усилием) р называют внешнюю силу, отнесённую к единице площади, т.е.

где F — сила, действующая на площадку S. При деформации в теле возни­кают cилы, противодействующие внешним силам. Их называют упругими. Упругая сила, отнесённая к единице площади, называется механическим напряжением (напряжением)

где F _упр сила, действующая на площадку S.

Деформацию тел оценивают абсолютной и относительной деформацией. Абсолютной деформацией D Х называют разность конечного Х и начального Х₀ размера тела, т.е.

Абсолютная деформация при растяжении положитель­ная, а при сжатии — отрицательная. Относительной деформацией e называется отношение абсолютной де­формации к первоначальному размеру тела, т.е.

Относительная деформация показывает, на какую часть изменились пер­воначальные размеры тела. Существуют различные виды деформации:

продольное растяжение (или сжатие), сдвиг, кручение, изгиб. Рассмотрим некоторые из них.

2. Продольное растяжение (или сжатие). Простейшим видом дефор­мации твёрдого тела является продольное растяжение (сжатие). Оно воз­никает в тонком стержне, один конец которого закреплён, а к другому вдоль его оси приложена сила Г, равномерно распределённая по попереч­ному сечению стержня В результате этого длина стержня из­меняется от до Гук показал, что при упругой деформации удлинение(сокращение) стержня пропорционально приложенной силе

где k - коэффициент пропорциональности. Это соотношение называют законом Гука. Однако удлинение (сжатие) тела зависит не только от приложенной силы, но и от его геометрической формы и размеров, а также от материала, из которого оно сделано. Опытным путём установлено, что чем длиннее стержень, тем он больше удлиняется (сокращается) при данной силе, и чем больше площадь его поперечного сечения, тем его удлинение (сокращение) меньше. Это утверждение можно записать математически следующим образом:

где l₀ и S - длина и площадь поперечного сечения стержня, Dl - измене­ние длины стержня под действием силы F, Е — модуль Юнга. Но, усилие, действующее на стержень, равно F/S = р, так как сила равномерно распределена по сечению, и Dl /I₀ = e — относительное удли­нение (сжатие) стержня Тогда соотношение запишется в виде

т.е. в пределах упругости относительная деформация пропорциональ­на усилию, приложенному к телу.

Усилие, приложенное к телу, одинаково в любом поперечном сечении стержня. Оно вызывает появление внутри стержня напряжении, которые также будут одинаковы по всей его длине и равны усилию по модулю, но противоположны по направлению, т.е. . С учётом этого выражение запишется:

Таким образом, напряжение упруго-деформированного тела пропорцио­нально его относительной деформации.

Модуль Юнга является важной характеристикой материала, из которо­го изготовлено тело, независимо от его формы и размеров. Он измеряется в паскалях (Па). Выясним физический смысл модуля Юнга. Из (42.7) сле­дует, что если е = 1 (когда Al = ‘о), то Е = р, т.е. модуль Юнга равен усилию, которое надо приложить к телу, чтобы изменить его длину вдвое при сохранении упругой деформации. В действительности же подавляюще число материалов разрушается значительно раньше, чем это произойдёт. Следовательно, величина Е вычисляется, а не измеряется непосредствен­но. Наиболее удобным способом исследования механических свойств твёрдого тела является его испытание на растяжение и построение диаграмм растяжения, т.е. зависимости между относительным удлинением e и усилием p.

Билет № 26

1. Радиоактивность. Процесс самопроизвольного распада атомных ядер называют радио­активностью. Радиоактивный распад ядер сопровождается превращени­ем одних нестабильных ядер в другие и испусканием различных частиц. Было установлено, что эти превращения ядер не зависят от внешних усло­вий: освещения, давления, температуры и т.д. Существует два вида радио­активности: естественная и искусственная. Естественная радиоактивность наблюдается у химических элементов находящихся в природе. Как прави­ло, она имеет место у тяжёлых ядер, располагающихся в конце таблицы Менделеева, за свинцом. Однако имеются и лёгкие естественно-радиоактивные ядра: изотоп калия , изотоп углерода и другие. Искусственная радиоактивность наблюдается у ядер, полученных в лабо­ратории с помощью ядерных реакций. Однако принципиального различия между ними нет.

Известно, что естественная радиоактивность тяжёлых ядер сопровож­дается излучением, состоящим из трёх видов: a-, b-, g-лучи. a-лучи - это поток ядер гелия обладающих большой энергией, которые имеют дискретные значения. b-лучи - поток электронов, энергии которых при­нимают всевозможные значения от величины, близкой к нулю до 1,3 МэВ. g-лучи — электромагнитные волны с очень малой длиной волны.

Радиоактивность широко используется в научных исследованиях и технике. Разработан метод контроля качества изделий или материалов – дефектоскопия. Гамма-дефектоскопия позволяет установить глубину залегания и правильность расположения арматуры в железобетоне, выявить раковины, пустоты или участки бетона неравномерной плотности, случаи неплотного контакта бетона с арматурой. Просвечивание сварных швов позволяет выявить различные дефекты. Просвечиванием образцов извест­ной толщины определяют плотность различных строительных материалов; плотность, достигаемую при формировании бетонных изделий или при укладке бетона в монолит, необходимо контролировать, чтобы получит заданную прочность всего сооружения. Степень уплотнения грунтов и до­рожных оснований — важный показатель качества работ. По степени по­глощения g-лучей высокой энергии можно судить о влажности материа­лов. Построены радиоактивные приборы для измерения состава газа, при­чём источником излучения в них является очень небольшое количество изотопа, дающего g-лучи. Радиоактивный сигнализатор позволяет опреде­лить наличие небольших примесей газов, образующихся при горении лю­бых материалов. Он подаёт сигнал тревоги при возникновении пожара в помещении.

2. Методы регистрации заряженных частиц . В настоящее время хорошо установлено, что ядро атома имеет слож­ную структуру и состоит из протонов и нейтронов. Из рассмотрения явле­ния радиоактивности следует, что ядра могут претерпевать существенные изменения. Всё это наводит на мысль, что нуклоны могут превращаться друг в друга и сама структура протонов, нейтронов и даже электронов мо­жет быть сложной. Встаёт вопрос о том, существуют ли какие-то кирпичики мироздания (их физики назвали элементарными частицами), из кото­рых построено всё? Ответ оказался очень сложным, и сейчас ещё на него нет окончательного ответа. В настоящее время физикам известны сотни элементарных (или, как говорят, субъядерных) частиц. Изучением их за­нимаются учёные, работающие в области физики элементарных частиц. Каким же образом можно “увидеть’, зарегистрировать столь малые объек­ты, которые недоступны никакому микроскопу? для этого разработан це­лый ряд хитроумных, весьма тонких способов, которые позволяют не только их зарегистрировать, распознать, но и увидеть их взаимные пре­вращения.

Рассмотрим только некоторые наиболее важные и широко используе­мые методы регистрации излучений. Элементарные частицы удаётся на­блюдать благодаря тем следам, которые они оставляют при своем прохож­дении через вещество. Это связано с тем, что заряженные частицы вызывают ионизацию молекул на своём пути. нейтральные частицы, такие как нейтроны, следов не оставляют, но они могут обнаружить себя в момента спада на заряженные частицы или в момент столкновения с каким – либо ядром.

1. Сцинцилляционные методы. Существует ряд веществ (бензол, нафталин, сернистый цинк с серебром и т.д.), которые дают световую вспышку (сцинцилляцию) при прохождении через них ионизирующего излучения. Эту вспышку можно зарегистрировать как просто глазом, так и соответствующим прибором, преобразующим световой сигнал в электри­ческий.

2. Счётчик Гейгера. Это устройство представляет собой стеклянную трубку, наполненную газом, в которую введены два электрода. Одни явля­ется цилиндрической поверхностью, другой тонкой проволокой, про­ходящей с одного торца к другому, по оси цилиндра. К электродам подво­дится напряжение. При пролёте через такую трубку заряженной Частицы, молекулы газа ионизируются, образовавшиеся ионы разгоняются электри­ческим полем и в свою очередь ионизируют другие молекулы, в результате чего образуется лавина ионов. В этот момент по электрической цепи, в ко­торую включена трубка, проходит ток в виде импульса. Процесс повторя­ется при каждом пролёте частицы, и электронный прибор регистрирует и считает число пролетевших частиц. Счётчик Гейгера играет весьт’4а боль­шую роль при изучении радиоактивности, радиоактивного заражения, при измерении доз, полученных в заражённых зонах.

3. Метод толстослойных фотопластин Заряженные частицы, прохо­дя через фотоэмульсию, вызывают такое же действие, как свет. Поэтому после проявления фотоматериала в эмульсии проявляется видимый след, который можно легко увидеть в микроскоп.

4. Камера Вильсона. Принцип действия камеры основан на явлении конденсации пересыщенного пара при пролёте через него заряженной час­тицы. дорожку из капелек жидкости можно сфотографировать С несколь­ких точек и получить данные о пространственном расположении траекто­рии полёта частицы. Если камеру поместить между полюсами электромаг­нита, то в результате взаимодействия частицы с полем траектории частицы будет искривляться и по этому искривлению можно определить знак заря­да частицы и её импульс.

Биологическое действие радиоактивных излучении Излучения радиоактивных веществ оказывают очень сильное воздействие на все живые организмы. Даже сравнительно слабое излучение, которое при полном поглощении повышает темпера­туру тела лишь на 0,00 1 °С, нарушает жизнедеятельность клеток.

Живая клетка — это сложный механизм, не способный про­должать нормальную деятельность даже при малых поврежде­ниях отдельных его участков. Между тем даже слабые излучения способны нанести клеткам существенные повреждения и вызвать опасные заболевания (лучевая болезнь). При большой интен­сивности излучения живые организмы погибают. Опасность излу­чений усугубляется тем, что они не вызывают никаких болевых ощущений даже при смертельных дозах.

Механизм поражающего биологические объекты действия из­лучения еще недостаточно изучен. Но ясно, что оно сводится к ионизации атомов и молекул и это приводит к изменению их химической активности. Наиболее чувствительны к излучениям ядра клеток, особенно клеток, которые быстро делятся. Поэтому в первую очередь излучения поражают костный мозг, из-за чего нарушается процесс образования крови. Далее наступает пора­жение клеток пищеварительного тракта и других органов.

Сильное влияние оказывает облучение на наследственность. В большинстве случаев это влияние является неблагоприятным.

Облучение живых организмов может оказывать и опреде­ленную пользу. Быстро размножающиеся клетки в злокачествен­ных (раковых) опухолях более чувствительны к облучению, чем нормальные. На этом основано подавление раковой опухоли g-лучами радиоактивных препаратов, которые для этой цели более эффективны, чем рентгеновские лучи.

Доза излучения. Воздействие излучений на живые организмы характеризуется дозой излучения. Поглощенной дозой излучения в называется отношение поглощенной энергии Е ионизи­рующего излучения к массе гп облучаемого вещества:

В СИ поглощенную дозу излучения выражают в г р э я х (сокращенно: Гр). Гр равен поглощенной дозе излучения, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж:

Естественный фон радиации (космические лучи; радиоактив­ность окружающей среды и человеческого тела) составляет за год дозу излучения около Гр на человека. Международ­ная комиссия по радиационной защите установила для лиц, рабо­тающих с излучением, предельно допустимую за год дозу 0,05 Гр. Доза излучения в 3 – 10 Гр, полученная за короткое время, смертельна.

Защита организмов от излучения. При работе с любым источ­ником радиации (радиоактивные изотопы, реакторы и др.) необхо­димо принимать меры по радиационной защите всех людей, могущих попасть в зону действия излучения.

Самый простой метод защиты это удаление персонала от источника излучения на достаточно большое расстояние. Даже без учета поглощения в воздухе интенсивность радиации убыва­ет о пропорционально квадрату расстояния от источника. Поэтому ампулы с радиоактивными препаратами не следует брать руками. Надо пользоваться специальными щипцами с длинной ручкой.

В тех случаях, когда удаление от источника излучения на достаточно большое расстояние невозможно, используют для защиты от излучения преграды из поглощающих материалов.

Наиболее сложна защита от g-лучей и нейтронов из-за их большой проникающей способности. Лучшим поглотителем g-лу­чей является свинец. Медленные нейтроны хорошо погло­щаются бором и кадмием. Быстрые нейтроны предварительно замедляются с помощью графита.

Билет № 11

1.Работа в термодинамике. Пусть газ находится в цилиндрическом сосуде с площадью поперечного сечения S, закрытом подвижным поршнем. Нагреем газ, в результате чего его объем увеличивается. Найдем работу, совершаемую газом при его расширении. Она равна работе, которую совершает сила, действующая на поршень, при его перемещении. При движении поршня в общем случае давление газа и сила F, приложенная к поршню, изменяются. Поэтому рассмотрим случай расширения газа, когда его давление остаётся постоянным. Предположим, что поршень переместился на расстояние l . Механическая работа А находится по формуле так как угол между силой и перемещением равен нулю и cosa = 1. Модуль силы F находим через давление Р, которое оказывает газ на пор­шень: . С учётом этого получаем А = PSl . Но DV= Sl — изменение объёма газа. Итак,

2. Внутренняя энергия. Одним из важнейших понятий термодинамики является внутренняя энергия. Внутренней энергией термодинамической системы называют сумму кинетической и потенциальной энергии всех частиц, входящих в неё. Следовательно, внутренняя энергия состоит из кинетической энергии молекул (атомов) и потенциальной энергии электронов в молекулах (атомах) и из внутриядерной энергии. Необходимо отметить, что термодинамика изучает лишь такие переходы термодинамической системы из одного состояния в другое, при которых изменяются только кинетическая и потенциальная энергия молекул (или атомов), из которых она состоит. Внутренняя энергия однозначно определяется параметрами состояния и не зависит от пути перехода в это состояние. Выбор состояния системы, в котором внутренняя энергия принимается равной нулю, произволен. Обычно счи­тают, что внутренняя энергия равна нулю при температуре 0 К.

2. В качестве примера найдём внутреннюю энергию идеального одноатомного газа, т.е. газа состоящего из атомов. Такими газами являются ге­лий, неон, аргон и другие. В идеальном газе притяжение между молекула­ми отсутствует. Поэтому их потенциальная энергия равна нулю. Тогда внутренняя энергия этого газа будет складываться только из кинетических энергий отдельных молекул. Вычислим сначала внутреннюю энергию од­ного моля газа. Известно, что число молекул, наход5пцвхся в одном моле вещества, равно числу Авогадро NA. Согласно (24.1), средняя кинетиче­ская энергия молекулы находится по формуле <e_k > = (3/2) kТ. Следователь­но, внутренняя энергия Um одного моля идеального газа равна

так как— универсальная газовая постоянная. Внутренняя энергия U произвольной массы газа m будет равна внутренней энергии одного моля, умноженной на число молей, где m - молярная масса газа, т.е.

Таким образом, внутренняя энергия данной массы идеального газа за­висит только от температуры и не зависит от объёма и давления.

3. Первый закон термодинамики. Внутренняя энергия термодинамической системы под воздействием ряда внешних факторов меняется, о чём, как видно из (27.2), можно судить по изменению температуры этой системы. Например, когда быстро сжать газ, то его температура повышается. Если привести в контакт два тела, имеющих разные температуры, то температура более холодного тела по­вышается, а более нагретого понижается. В первом случае внутренняя энергия изменяется за счёт работы внешних сил, во втором происходит обмен кинетическими энергиями молекул, в результате чего суммарная кинетическая энергия молекул нагретого тела уменьшается, а менее нагре­того - возрастает. Это приводит к передаче энергии от горячего тела к холодному без совершения механической работы. Процесс передачи энерг­ии от одного тела к другому без совершения механической работы получило название теплопередачи или теплообмен,. Передача энергии между телами, имеющими разные температуры, характеризуется величиной, на­зываемой количеством теплоты или теплотой. Количество теплоты - это энергия, переданная путём теплообмена от одной термодинамиче­ской системы к другой вследствие разности температур этих систем.

Рассмотрение понятия внутренней энергии и количества теплоты ис­пользуется в формулировке первого закона термодинамики, играющего первостепенную роль при изучении различного рода термодинамических процессов.

В природе существует закон сохранения и превращения энергии, со­гласно которому энергия не исчезает и не возникает вновь, а лишь перехо­дит из одного вида в другой. Этот закон применительно к тепловым про­цессам получил название первого закона термодинамики. Отметим, что тепловыми процессами называют процессы, связанные с изменением температуры термодинамической системы, а также с изменением агрегатного состояния вещества. Если термодинамической системе сообщить некоторое количество теплоты Q, т.е. некоторую энергию, то за счёт этой энергии в общем случае происходит изменение её внутренней энергии DU и система, расширяясь, совершает определённую механическую работу А. Очевидно, что, согласно закону сохранения энергии, должно выполняться равенство:

т.е. количество теплоты, сообщённое термодинамической системе, расходуется на изменение её внутренней энергии и на совершение сис­темой механической работы при её расширении. Соотношение называют первым законом термодинамики.

Первый закон термодинамики обладает большой общностью и универ­сальностью и может применяться для описания широкого круга явлений.

Применение первого закона термодинамики к различным процессам.

1. Изохорический процесс. Поскольку при изохорическом процессе V = const, то изменение объёма DV= 0, и работа газа , т.е. при этом процессе газ не совершает механической работы. Тогда первый закон термодинамики запишется

т.е. при изохорическом процессе количество теплоты, сообщённое газу, полностью расходуется на изменение его внутренней энергии.

Количество теплоты, переданное или отданное термодинамической системе, определяется через теплоёмкость системы. Теплоёмкость - это физическая величина, равная количеству теплоты, которое необходимо сообщить для нагревания системы на один градус. Очевидно, что теплоемкость системы зависит от её массы. Чем она больше, тем больше тепло­ёмкость. Поэтому вводят понятие удельной теплоёмкости. Удельная теплоемкость с равна количеству теплоты, которое надо сообщить единице массы вещества для повышения температуры один градус. Количество теплоты Q, которое необходимо сообщить телу массой т для повышения его температуры от Т₁ до Т₂ находится по формуле

Q=mс(Т₂ —Т₁ )

Тогда изменение внутренней энергии тела (термодинамической системы) DU, учитывая , равно

2. Изотермический процесс . Запишем первый закон термодинамики для данного процесса. Внутренняя энергия идеального газа за­висит только от температуры. При изотермическом процессе температура постоянна. Поэтому и внутренняя энергия постоянна (U = const) и, следовательно DU = 0. Тогда первый закон термодинамики принимает вид

т.е. количество теплоты, сообщённое газу при изотермическом процессе. полностью превращается в работу, совершаемую газом.

Выясним условия, необходимые для проведения такого процесса. При изотермическом расширении к газу необходимо непрерывно подводить теплоту, чтобы компенсировать уменьшение внутренней энергии, проис­ходящее вследствие совершения газом работы против внешних сил. И, на­оборот, при изотермическом сжатии надо непрерывно отбирать теплоту, чтобы внутренняя энергия, а следовательно, и температура оставались по­стоянными. Из этого следует, что изотермический процесс необходимо проводить очень медленно, так как в этом случае температура газа будет успевать выравниваться с температурой окружающей среды.

3. Изобарический процесс . Поскольку при данном процессе происхо­дит изменение температуры и объёма газа, то первый закон термодинамики записывается так же, как и в общем случае.

4. Адиабатический процесс . Процесс, протекающий в термодинамической системе без теплообмена с окружающей средой, называется адиа­батическим (адиабатным). Для практического осуществления такого процесса газ помещают в сосуд с теплоизоляционными стенками. По­скольку любой материал в той или иной степени проводит теплоту, то вся­кий процесс отличается от адиабатического процесса. Хорошим прибли­жением к адиабатическому процессу являются быстро протекающие про­цессы. Кратковременность процесса приводит к тому, что система не ус­певает обменяться теплотой с окружающей средой.

При адиабатическом процессе газ не отдаёт и не получает количество теплоты, т.е. Q = 0. Тогда первый закон термодинамики запишется

или

т.е. работа, совершаемая газом при адиабатическом процессе, произво­дится только за счёт изменения его внутренней энергии. Выясним, как изменяется температура газа при этом процессе. При адиабатном расширении DV = V₂ — V₁ > 0, где V₁ и V₂ — начальный и конечный объём газа. Поэтому А = PDV > 0. Из формулы следует, что в этом случае DU < 0. Следовательно, внутренняя энергия газа уменьшается и темпера­тура понижается. Если же газ сжимается, то А < 0 и DU > 0, а его темпера­тура повышается. Этим объясняется, например, нагревание воздуха в ци­линдре дизельного двигателя при его сжатии.

Билет № 12

Электростатика — это раздел электродинамики, изучающий свойства неподвижных зарядов, их взаимодействия друг с другом посредством по­лей, называемых электростатическими. Условие неподвижности заря­дов в той системе отсчёта, в которой они изучаются, является весьма важ­ным, так как в случае движущихся зарядов свойства окружающего про­странства кардинально меняются и, в частности, появляется магнитное по­ле.

1. Известно, что разнородные тела такие, как кожа, стекло, эбонит и т.д., потёртые друг о друга, обладают свойством притягивать к себе лёгкие предметы, например, кусочки бумаги. Для объяснения такого взаимодей­ствия, названного электрическим, и было введено понятие электрического заряда. Заряженные тела могут как притягиваться, так и отталкиваться друг от друга. Этот факт удаётся объяснить, если ввести два типа заряда, условно названных положительными и отрицательными (плюс и минус). Как следует из опыта, заряды с одинаковыми знаками отталкиваются, а с разными — притягиваются. Сила взаимодействия заряженных тел может быть различной. Это зависит от величины зарядов, находящихся на них.

Из этого можно сделать вывод: электрический заряд является количе­ственной мерой способности тел к электрическим взаимодействиям.

Заряд тела не зависит от выбора системы отсчёта, т.е. не зависит от то­го, движется или покоится тело, на котором он находится. В системе еди­ниц СИ заряд измеряется в кулонах (Кл). 1 Кулон равен заряду, протекающе­му через поперечное сечение проводника за 1 с при силе постоянного тока в 1А.

2. Возникновение зарядов на телах обусловлено следующим. Все тела построены из атомов. Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Заряд ядра обусловлен протонами. Заряды протона и электрона равны по абсолютной величине, но противо­положим по знаку. Число протонов и электронов в атоме одинаково. По­этому атом в целом нейтрален, т.е. алгебраическая сумма зарядов атома(сумма зарядов с учетом знаков) равна нулю, а следовательно, и тело ней­трально. Чтобы зарядить тела, т.е. наэлектризовать их, надо отделить часть отрицательного заряда от связанного с ним положительного заряда. Это осуществляется различными способами: трением тел друг о друга, элек­тростатической индукцией и т.д. Тело, на котором оказыва­ется избыток электронов по сравнению с протонами, заряжается отрица­тельно, если наоборот — положительно Например, при электризации трением небольшая часть электронов с одного тела переходит на другое. Если теперь раздвинуть тела, то они окажутся заряженными — одно положительно, другое - отрицательно

3. Из обобщения опытных данных установлен закон сохранения электрического заряда: в любой замкнутой электрической системе алгебраическая сумма электрических зарядов является постоянной величиной при любых процессах, происходящих в ней.

Замкнутой называется электрическая система, из которой не выходят и в которую не входят заряды. Так, при электризации тел трением заряды, возникающие на телах, равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку. Поэтому их алгебраическая сумма также равна нулю, как и в случае не заряженных тел.

4. В общем случае сила взаимодействия между заряженными телами зависит от Размеров и формы Тел, а также от свойств среды, н которой на­ходятся тела. Наиболее просто сила взаимодействия находится для так на­зываемых точечных зарядов. Точечным зарядом называется заряженное тело, размеры которого пренебрежимо малы по сравнению с расстояни­ем до других заряженных тел, с которыми оно взаимодействует. Законы взаимодействия точечных зарядов был открыт Кулоном и формулируется следующим образом: модуль Fv силы взаимодействия между двумя не­подвижными точечными зарядами q и q₀ , находящимися в вакууме, пропорционален произведению этих зарядов, обратно пропорционален квадрату расстояния r между ними, т.е.

где — электрическая постоянная. Эта сила направлена вдоль прямой линии, соединяющей заряды. Электрическая постоянная равна или , где фарад (Ф) – единица электроёмкости.

Билет № 13

1. Уединённые проводники обладают крайне малой электроёмкостью. Например, ёмкость Земли всего лишь примерно 0,7 мФ. Однако во многих электронных приборах используются устройства, называемые конденсато­рами, в которых накапливаются достаточно большие заряды. Конденсато­ры представляют собой два проводника, близко расположенных друг к другу и разделённых слоем диэлектрика. Если этим проводникам (обкладкам) сообщить одинаковые по величине, но противоположные по знаку заряды, то электрическое поле, возникающее между ними, будет практически полностью сосредоточено внутри конденсатора. Поэтому электроёмкость конденсатора мало зависит от расположения окружающих его тел.

Если сообщать конденсатору различные заряды, то и разность потен­циалов между его обкладками будет различной. (Под зарядом конденсато­ра понимается заряд на одной из его обкладок по абсолютной величине). Однако отношение заряда q, находящегося на конденсаторе, к разности потенциалов, возникающую между его обкладками, остаётся по­стоянным независимо от величины заряда. Поэтому это отношение при­нимают за характеристику способности конденсатора накапливать на себе заряды. Её по аналогии с проводником называют электроёмкостью (или ёмкостью) конденсатора и обозначают той же буквой С. Итак,

т.е. емкостью конденсатора называется физическая величина равная от­ношению заряда конденсатора к разности потенциалов между его об­кладками.

Емкость конденсатора не зависит от величины заряда и разности по­тенциалов между его обкладками и определяется только размерами и фор­мой обкладок конденсатора, а также диэлектрическими свойствами веще­ства, заполняющего его. Емкость конденсатора, как и ём­кость проводника, измеряется в фарадах (Ф): 1 Ф — это ёмкость такого конденсатора, при сообщении которому заряда в 1 Кл , разность потенциалов между его обклад­ками изменяется на 1 В.

2.Емкость плоского конденсатора. Рассмотрим пло­ский конденсатор, заполненный однородным изотропным диэлектриком с диэлектрической проницаемостью e, у ко­торого площадь каждой обкладки S и расстояние между ними d. Емкость такого конденсатора находится по формуле:

Из этого следует, что для изготовления конденсаторов большой ёмкости надо увеличить площадь обкладок и уменьшать расстояние между ними.

Энергия W заряженного конденсатор: или

Конденсаторы применяются для накопления электроэнергии и использования её при быстром разряде (фотовспышка), для разделения цепей постоянного и переменного токов, в выпрямителях, колебательных контурах и других радио-электронных устройствах. В зависимости от типа диэлектрика конденсаторы бывают воздушные, бумажные, слюдяные.

Билет № 14

1. Работой электрического тока называется работа, которую совер­шают силы электрического поля, созданного в электрической цепи, по перемещении заряда по этой цепи. Пусть к концам проводника приложена разность потенциалов (напряжение) Тогда работа А, совершаемая электростатическим полем по переносу заряда q за некоторое время 4 равна . Величину протекшего заряда можно найти, используя силу тока I: q = It С учётом этого по­лучаем

Применяя закон Ома для однородного участка цепи U = IR, где R — со­противление проводника, выражение запишем в виде

2. По определению мощность Р электрического тока равна Р = A/t. Получаем

P=IU.

В системе единиц СИ работа и мощность электрического тока измеряются соответственно в джоулях и ваттах. Однако на практике используется вне­системная единица работы — 1 кВт*ч, т.е. работа тока мощностью 1 кВт за время 1 ч

().

3. Опытным путём джоуль и, независимо от него, Ленц установили, что при протекании электрического тока по проводнику он нагревается, в результате чего увеличивается его внутренняя энергия. Количество тепло­ты Q, выделяемое в проводнике пропорционально квадрату силы тока, со­противлению проводника R и времени протекания t, т.е.

Соотношение называют законом Джоуля - Ленца.

2. ЭДС. Возьмём два проводника, заряженные разноимёнными зарядами, и со­единим их другим проводником. Тогда в этом проводнике за счёт разности потенциалов на его концах возникает электрическое поле, под действием которого свободные заряды (носители тока) приходят в упорядоченное движе­ние от положительного потенциала к от­рицательному (имеется в виду движение положительных зарядов, поскольку за направление тока принимается движе­ние именно этих зарядов), т.е. возникает электрический ток. Однако этот ток очень быстро прекращается вследствие того, что протекание тока приводит к выравниванию потенциалов на кон­цах проводника и к исчезновению внутри него электрического поля.

Для непрерывного протекания тока по проводнику необходимо к его концам подключить устройство, которое бы отводило положительные за­ряды с конца, обладающего отрицательным потенциалом, к концу — с по­ложительным, производя разделение зарядов и поддерживая разность по­тенциалов. Такие устройства называются источниками тока. Указанное движение зарядов внутри источника тока (движение от точки 1 к точке 2) возможно лишь в том случае, если на них со стороны источника тока действуют силы не электростатического происхождения, направлен­ные против сил электростатического поля, Их называют сторонними си­лами. Природа сторонних сил может быть различной. Так, в аккумулято­рах они возникают вследствие химических реакций между электродами и электролитом.

Действие сторонник сил характеризуют физической величиной, назы­ваемой электродвижущей силой (э.д.с.). Она равна работе, которую со­вершают сторонние силы по перемещению единичного заряда внутри ис­точника тока, т.е. в области, где действуют сторонние силы. Если при пе­ремещении заряда q сторонние силы совершили работу Аст, то по определению э.д.с. равна Из этой формулы следует, что э.д.с., как и разность потенциалов, измеря­ется в вольтах Если цепь, в которой протекает ток, замкнутая, то работа сторонних сил по всей цепи равна ра­боте этих сил внутри источника, поскольку вне источника сторонние силы не действуют. Таким образом, электродвижущая сила равна работе, ко­торую совершают сторонние силы по перемещению единичного заряда по замкнутой цепи.

3. Закон Ома для полной цепи.

Выведем закон Ома для такой цепи. При протекании электрического тока по цепи происходит нагревание резистора и источника тока. Нагревая источника тока свидетельствует о том, что он обладает некоторым внут­ренним сопротивлением. Обозначим его через т. Очевидно, что нагревание источника тока и рези­стора R происходит за счёт работы сторонних сил. Согласно закону сохранения энергий, эта рабо­та будет равняться количеству теплоты, выделяе­мой в источнике и в резисторе, т.е.

где и — количество теплоты, выделяемой в резисторе и на внутреннем сопротивлении источ­ника тока. Но . Здесь I - сила тока, текущего в цепи, t — время протекания тока. С учётом этого получаем. Разделив по­следнее равенство на It и учитывая, что q = It, находим

Это соотношение называют законом Ома для замкнутой цепи: сила тока в замкнутой цепи пропорциональна электродвижущей силе ис­точника и обратно пропорциональна общему сопротивлению цепи.

Билет № 15

1. Выяс­ним, какие изменения происходят в окружающем заряды пространстве, если они приходят в равномерное движение?

Присоединим два гибких металлических проводника, укреплённых параллельно, к источнику тока. На проводни­ках появляются равномерно распределённые заряды противоположных знаков, которые создают вокруг себя электростатическое поле. В результа­те этого возникает сила электростатиче­ского притяжения. Если замкнуть ключ, то по проводникам потечёт постоян­ный ток. При этом, несмотря на силы электростатического притяжения, про­водники отталкиваются. Это свидетельствует о том, что между ними возникли силы неэлектростатического происхождения. Их появление можно объяснить, если предположить, что во­круг проводника с током, т.е. вокруг упорядоченно движущихся электриче­ских зарядов, образуется поле, отли­чающееся от электростатического поля. Его назвали магнитным. Тогда взаимо­действие токов объясняется следующим образом. Магнитное поле, создаваемой током, текущим по одному проводнику, действует на ток, проходящий по другому, и наоборот.

Итак, приходим к выводу: вокруг равномерно движущихся электриче­ских зарядов возникает магнитное поле, которое обнаруживается по действию на другие движущиеся в этом поле заряды. Необходимо отме­тить, что электрическое поле действует как на неподвижные, так и на дви­жущиеся заряды, а магнитное только на движущиеся.

2. Индукция магнитного поля. Магнитное поле характеризуют физи­ческой величиной, называемой индукцией магнитного поля, являющуюся вектором. Обозначим её через В.

Подобно тому, как для изучения электрического поля используются пробные электрические заряды, при исследовании магнитного поля применяются пробные контуры. Пробными называют замкнутые контуры, по которым течёт постоянный ток, внесение которых не искажа­ет исследуемого поля. Пробный контур характеризуют магнитным мо­ментом Рм, который является вектором. Его модуль равен

где I - сила тока в контуре, S - площадь контура. Вектор Рм направлен перпендикулярно к плоскости контура и связан с направлением тока пра­вилом правого винта: при вращении винта в направлении тока, его посту­пательное движение показывает направление магнитного момента контура. Из формулы следует, что магнитный момент измеряется в ампер*метр² (Ам² ).

При внесении пробного контура в магнитное поле он устанавливает так, что его магнитный момент совпадает с направлением вектора индукции магнитного поля в данной точке поля. Если контур вывести из положения равновесия, то на него будет действовать момент сил, стремящийся вернуть его в положение равновеся. Этот мо­мент сил будет наибольшим (максимальным), ко­гда магнитный момент контура перпендикулярен к вектору В. Пусть в одну и ту же точку магнит­ного поля вносятся различные пробные контуры. Тогда на них будут дей­ствовать и различные максимальные моменты сил. Однако отношение максимального момента Мmax к магнитному моменту контура Рм остаётся постоянным независимо от модуля магнитного момента. Поэтому его при­нимают за характеристику поля в данной точке. Это и есть индукция маг­нитного поля, которую обозначают через В, т.е. Таким образом, модуль индукции магнитного поля в некоторой точке равен отношению максимального момента сил, действующего на пробный контур, помещённый в эту точку, к его магнитному моменту, и направле­ние индукции магнитного поля совпадает с направлением магнитного мо­мента свободно ориентирующегося контура.

В системе единиц СИ индукция магнитного поля измеряется в теслах (Тл). Тл - это индукция в такой точке магнитно­го поля, при внесении в которую пробного контура с магнитным момен­том 1 А*м² на него действует максимальный момент сил, равный 1 Н*м.

Подсчитаем размерность тесла.

3. Линии магнитной индукции . Для наглядного изображения маг­нитного поля пользуются линиями магнитной индукции. Линией магнит­ной индукции называют такую линию, в каждой точке которой индукция магнитного поля (вектор В) направлен но касательной к кривой. Направ­ление этих линий совпадает с направлением поля. Условились линии маг­нитной индукции проводить так, чтобы число этих линий, отнесённых к единице площади площадки, перпендикулярной к ним, равнялось бы мо­дулю индукции в данной области поля. Тогда по густоте линий судят о магнитном поле. Там, где они гуще, модуль индукции магнитного поля больше. Так же, как и линии напряжённости электрического поля, они не

пересекаются. Линии магнитной индукции всегда замкнуты и ох­ватывают проводник с током в отличие от линий напряжённости электростатического поля, кото­рые разомкнуты (начинаются и заканчиваются на зарядах). На­правление этих линий находится по правилу правого винта: если поступательное движение винта совпадает с направлением тока, то его вращение происходит в направлении линий магнитной индукции. В качестве примера приведём картину линий магнит­ной индукции прямого тока, текущего перпендикулярно к плоскости чертежа от нас за чертёж

4. Закон Ампера . Как известно, на проводник с током, помещённый в магнитное поле, действует сила. Ампер установил, что модуль F силы на­ходится по формуле

где I — сила тока, проходящего по проводнику, В — модуль индукции магнитного поля в месте расположе­ния участка проводника длиною l , a - угол между направлением тока и вектором В. Направление этой силы, получившей название силы Ампера, определяется по правилу левой руки: если руку расположить так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, четыре вытянутых пальца совпадали с направлением тока, то отогнутый на 90° большой палец да­ёт направление силы. Сила Ампера перпендикулярна к плоскости, прове­дённой через 1 и В

5. Сила Лоренца . Поскольку ток представляет собой упорядоченное движение электрических зарядов, то естественно предположить, что сила Ампера является равнодействующей сил, действующих на отдельные за­ряды, движущиеся в проводнике. Опытным путём установлено, что на за­ряд, движущийся в магнитном поле, действительно действует сила. Эту силу называют силой Лоренца. Модуль F_L силы находится по формуле

где В — модуль индукции магнитного поля, в котором движется заряд, q и v — абсолютная величина заряда и его скорость, a - угол между векторами v и В. Эта сила перпендикулярна к векторам v и В, её направление находится по правилу левой руки: если руку расположить так, чтобы четыре вытянутых пальца совпадали с направлением движения положительного заряда, линии индукции магнитного поля входили в ладонь, то отставленный на 90⁰ большой палец показывает направление силы. В случае отрицательной частицы направление силы противоположное.

Билет № 16

Полупроводниками называют группу веществ, электропроводность которых занимает промежуточное положение между металлами и диэлек­триками. Полупроводники обладают рядом свойств, отличающими их како т металлов, так и диэлектриков. Если с повышением температуры сопро­тивление металлических проводников увеличивается, то у полупроводни­ков уменьшается. Уменьшается сопротивление полупроводников и при их освещении. На базе полупроводников созданы разнообразные полупро­водниковые приборы, используемые в радиоэлектронике, автоматике и вычислительной технике.

1. Собственная проводимость полупроводников . Полупроводника­ми являются химические элементы четвёртой группы таблицы Менделеева и некоторые другие соединения. Типичными представителями полупро­водников являются кристаллы кремния и германия, в которых атомы объ­единены ковалентной связью Вследствие теплового движе­ния атомы сталкиваются между собой. Это может привести к разрыву не­которых химических связей, в результате чего возникает свободный элек­трон, который будет хаотически двигаться по кристаллу. Уда­ление электрона приводит к нарушению химической свя­зи, поскольку она осуществ­ляется лишь одним валент­ным электроном. Эту непол­ноценную связь называют дыркой. Дырка обладает по­ложительным зарядом, рав­ным заряду электрона по аб­солютной величине, так как в месте, покинутом электроном, будет недостаток элек­трона. На место дырки может попасть электрон от соседней химической связи. Это приводит к из­менению положения дырки. Поэтому дырка будет хаотически переме­щаться по кристаллу. Таким образом, в полупроводнике при любой темпе­ратуре имеется определённая концентрация свободных электронов и ды­рок, которыми и обусловливается собственная электропроводность полупроводников. С повышением температуры полупроводника возрастает концентрация указанных частиц. Это приводит к тому, что с повышением температуры увеличивается проводимость, а сопротивление полупровод­ника уменьшается.

2 Примесная проводимость полупроводников . Чистые полупровод­ники не представляют практического интереса. Для электроники весьма полезными оказались так называемые легированные полупроводники, т.е. полупроводники, в которые вве­дены примеси. Они подраз­деляются на полупроводни­ки n- и р-типа.

а) Полупроводники n -типа. Если в кристалличе­скую решётку четырехва­лентного полупроводника, например кремния, внедрить пятивалентный атом, на­пример фосфор, то для образования ковалентных связей с соседями ему надо четыре электрона. Пятый же электрон вследствие теплового движе­ния может оторваться от атома. в результате этого атомы примеси пре­вращаются в положительные ионы. И появляются свободные электроны, обусловливающие проводи­мость полулроводника. Такие примеси назы­ваются донорными, а сам полупроводник называют полупроводник n-типа (от слова negative — отри­цательный).

б) Полупроводники р-типа. Если внедрить в кри­сталлическую решетку че­тырёхвалентного полупроводника­ (кремния) трёхвалентный атом (бор), то для образования ковалентной связи с соседями ему надо четыре электрона, а у него их только три. Поэтому одна связь оказывается не укомплектованной. Атом бора за­хватывает один электрон от соседнего атома кремния, так как это энергетически выгодно. В результате этого атомы примеси превращаются в отрицательные ноны, а в полупроводнике возникают дырки, обусловливающие его электропроводность. Проводимость этого типа называется дырочной, примесь — акцепторной, а полупроводник - р-типа (от слова positive — положительный).

З. Полупроводниковый диод. На основе примесных полупроводни­ков созданы устройства, являющиеся важными компонентами современ­ных электронных приборов — диоды, транзисторы и т.д. Их важным пре­имуществом являются высокая надёжность, большой срок службы и миниатюрность. В настоящее время на 1 см² удаётся разместить тысячи таких элементов, в связи с чем и, появились, например, персо­нальные ЭВМ, размещающиеся на столе и обладающие огромными вычисли­тельными возможностями. Рассмотрим принцип работы диода. При соединении полупроводников n- и р-типа по­лучается диод с так называемым р-n - переходом. В результате такого со­единения небольшое количество электронов около контакта перейдёт из полупроводника n-типа в полупроводник р-типа, где произойдёт их рекомбинация с дырками. Вследствие этого полупроводник n-типа заряжается положительно, а р-типа - отрицательно. Возникает некоторая разность потенциалов, которая препятствует дальнейшему переходу электронов. Если к диоду подключить источник тока, чтобы минус был соединён с по­лупроводником n-типа, а плюс - с полупроводником р-типа, то под действием внешнего электрического поля электроны и дырки прохо­дят границу раздела полупроводников и рекомбинируют. В то же время источник тока поставляет всё новые электроны и дырки. Поэтому через диод протекает достаточно сильный ток. Если изменить полярность на диоде, то под действием поля электроны и дырки отходят от границы раз­дела полупроводников и ток через диод не течёт. Таким образом, диод обладает односторонней проводимостью. Это используется для выпрямления тока, т.е. для преобразования переменного тока в постоянный по направлению ток. Для того чтобы получить ток постоянный по величи­не, используют диоды, включённые в несколько более сложные цепи. Вы­прямительные схемы играют важную роль, так как электростанции выра­батывают ток переменный, а для работы большинства электронных устройств (радио, телевизоры, ЭВМ) требуется постоянное напряжение.

Билет № 17

Электромагнитная индукция. Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца Мы знаем, что электрический ток создаёт магнитное поле. Естественно возникает вопрос: «,Возможно ли появление электрического тока с помощью магнитного поля?». Эту проблему решил Фарадей, открывший явление электромагнитной индукции, которое за­ключается в следующем: при всяком изменении Магнитного потока, пронизывающего площадь, охватываемую проводящим контуром, в нём возникает электродвижущая сила, называемая э.д.с. индукции. Если контур замкнут, то под действием этой э.д.с. появляется электрический ток, названный индукционньм. Фарадей установил, что э.д.с. индукции не зависит от способа изменения магнитного потока и определяется только быстротой его изменения, т.е.

Соотношение называется законом электромагнитной индукции: э.д.с. индукции в проводнике равна быстроте изменения магнитного потока, пронизывающего площадь, охватываемую проводником. Знак минус в формуле (68.1) является математическим выражением правила Ленца. Известно, что магнитный поток является алгебраической величиной. Примем магнитный поток, пронизывающий площадь контура,

положительным. При увеличении этого потока () возникает з.д.с. индукции , под действием которой появляется индукционный ток, создающий собственное магнитное поле, направленное навстречу внешнему полю, т.е. магнитный поток индукционного тока отрицателен.

Если же поток, пронизывающий площадь контура, уменьшается (), то , т.е. направление магнитного поля индукционного тока совпадает с направлением внешнего поля.

Рассмотрим один из опытов, проведённых Фарадеем, по обнаружению индукционного тока, а следовательно, и э.д.с. индукции. Если в соленоид, замкнутый на очень чувствительный электроизмерительный прибор(гальванометр), вдвигать или выдвигать магнит, то при движе­нии магнита наблюдается отклонение стрелки гальванометра, свидетель­ствующее о возникновении индукционного тока. То же самое наблюдается при движении соленоида относительно магнита. Если же магнит и солено­ид неподвижны относительно друг друга, то и индукционный ток не воз­никает. Из приведённого опыта следует вывод, что при взаимном движе­нии указанных тел происходит изменение магнитного потока через нитки соленоида, что и приводит к появлению индукционного тока, вызванного возникающей э.д.с. индукции.

2.Направление индукционного тока определяет­ся правилом Ленца: индукционный ток всегда име­ет такое направление. что создаваемое им магнит­ное поле препятствует изменению магнитного по­тока, которое вызывает этот ток . Из этого правила следует, что при возрастании магнитного потока возникающий индукционный ток имеет такое направ­ление, чтобы порождаемое им магнитное поле было направлено против внешнего поля, противодействуя увеличению магнитного потока. Уменьшение маг­нитного потока, наоборот, приводит к появлению индукционного тока, создающего магнитное поле, совпадающее по направлению с внешним полем. Пусть, например, в однородном магнитном поле на­ходится проволочная квадратная рамка, пронизы­ваемая магнитным полем Предположим, что магнитное поле возрастает. Это приводит к увеличению магнитного потока через площадь рамки. Согласно правилу Ленца, магнитное поле, возникающего индукционного тока, будет на­правлено против внешнего поля, т.е. вектор В₂ этого поля противоположен вектору Ё. Применяя правило правого винта (см. § 65, п. З), находим направление индукционного тока I_i .

З. Явление электромагнитной индукции полу­чило широкое применение в технике: промышленности получение электроэнергии на электростанциях, разогрев и плавление проводящих материалов (металлов) в индукционных электропечах и т.д.

2.Магнитный поток. Магнитным потоком через некоторую поверхность называют число линий магнитной индукции, пронизывающих её. Пусть в однородном маг­нитном поле находится плоская площадка площадью S, перпендикулярная к линиям магнитной индукции. (Однородным магнитным полем называет­ся такое поле, в каждой точке которого индукция магнитного поля одина­кова по модулю и направлению). В этом случае нормаль n к площадке совпадает с направлением поля. Поскольку через единицу пло­щади площадки проходит число линий магнитной индукции, равное моду­лю В индукции поля, то число линий, пронизывающих данную площадку будет в S раз больше. Поэтому магнитный поток равен

Рассмотрим теперь случай, когда в однородном магнитном поле находится плоская площадка, имеющая форму прямоугольного параллелепипеда со сторонами а и b, площадь которой S = аb. Нормаль n к площадке состав­ляет угол a с направлением поля, т.е. с вектором индукции В. Число линий индукции, проходящих через площадку S и её проекцию Sпр на плоскость, перпендикулярную к этим линиям, одинаково. Следователь­но, поток Ф индукции магнитного поля через них одинаков. Используя выражение, находим Ф = ВSпр Из рис. видно, что Sпр= ab*cos a =Scosa. Поэтому

ф =BScos a.

В системе единиц СИ магнитный поток измеряется в веберах (Вб). Из формулы следует т.е. 1 Вб — это магнитный поток через площадку в 1 м2, расположенную перпендикулярно к линиям магнитно индукции в однородном магнитном поле с индукцией 1 Тл. Найдем размерность вебера:

Билет № 19

Свободные и вынужденные колебания. Электрические колебания были открыты в известной мере случайно. После того как изобрели лейденскую банку (первый конденсатор) и научились сообщать ей большой заряд от электростатической машины, начали наблюдать электрический разряд банки. Замыкая обкладки лейденской банки с помощью проволочной катушки, обнаружили, что стальные спицы внутри катушки намагничиваются. В это ничего странного не было: электрический ток и должен намагничивать стальной сердечник катушки. Удивительным было то, что нельзя было предсказать, какой конец сердечника катушки окажется северным полюсом, а какой – южным. Повторяя опыт примерно в одних и тех же условиях, получали в одних случаях один резуль­тат, а в других другой. Далеко не сразу поняли, что при разряде конденсатора че­рез катушку возникают колебания. За время разрядки конденсатор успевает много раз перезарядиться и ток меняет направление много раз. Из-за этого сер­дечник может намагничиваться различ­ным образом.

Периодические или почти периодиче­ские изменения заряда, силы тока и на­пряжёния называют электрическими коле­баниями.

Получить электрические колебания почти столь же просто, как и заставить тело колебаться, подвесив его на пружине. Но наблюдать электри­ческие колебания уже не так просто. Ведь мы непосредственно не видим ни перезарядки конденсатора, ни тока в катушке. К тому же колебания обычно происходят с очень большой частотой.

Наблюдают и исследуют электрические колебания с помощью электронного осциллографа. На горизонтально отклоняющие пластины электроннолучевой трубки осциллографа подается пере­менное напряжение развертки Up “пилообразной» формы. Сравнительно медленно напряжение нарастает, а потом очень резко уменьшается. Электрическое поле между пластинами за­ставляет электронный луч пробегать экран в горизонтальном на­правлении с постоянной скоростью и затем почти мгновенно воз­вращаться назад. После этого весь процесс повторяется. Если теперь присоединить вертикально отклоняющие пластины к кон­денсатору, то колебания напряжения при его разрядке вызовут колебания луча в вертикальном направлении. В результате на экране образуется временная «развертка» колебаний, вполне подобная той, которую вычерчивает маятник с песочни­цей на движущемся листе бумаги. Коле­бания затухают с течением времени

Эти колебания — свободные. Они воз­никают после того, как конденсатору со­общается заряд, выводящий систему из состояния равновесия. Зарядка конден­сатора эквивалентна отклонению маят­ника от положения равновесия.

В электрической цепи можно также получить и вынужден­ные электрические колебания. Такие колебания появляются при наличии в цепи периодической электродвижущей силы. Перемен­ная ЭДС индукции возникает в проволочной рамке из нескольких витков при вращении ее в магнитном поле (рис. 19). При этом магнитный поток, пронизывающий рамку, периодически изменя­ется, В соответствии с законом электромагнитной индукции периодически меняется и возникающая ЭДС индукции. При замыкании цепи через гальванометр пойдет переменный ток и стрелка начнет колебаться около положения равновесия.

2.Колебательный контур Простейшая система, в которой могут происходить свободные электрические колебания, состоит из конденсатора и катушки, присоединенной к обкладкам конденсатора (рис. 20). Такая систе­ма называется колебательным контуром.

Рассмотрим, почему в контуре возникают колебания. Зарядим конденсатор, присоединив его на некоторое время к батарее с помощью переключателя. При этом конденсатор получит энергию

где qm — заряд конденсатора, а С — его электроемкость. Между обкладками конденсатора возникнет разность потенциалов Um.

Переведем переключатель в положение 2. Конден­сатор начнет разряжаться, и в цепи появится электрический ток. Сила тока не сразу достигает максимального значения, а увеличивается постепенно. Это обусловлено явлением самоин­дукции. При появлении тока возникает переменное магнитное поле. Это переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле в проводнике. Вихревое электрическое поле при нарастании магнитного поля направлено против тока и препятствует его мгновенному увели­чению.

По мере разрядки конденсатора энергия электрического поля уменьшается, но одновременно возрастает энергия магнитного поля тока, которая определяется форму­лой

где i сила тока,. L — индуктивность ка­тушки. В момент, когда конденсатор пол­ностью разрядится (q=0), энергия элек­трического поля станет равной нулю. Энер­гия же тока (энергия магнитного поля) согласно закону сохранения энергии будет максимальной. Следовательно, в этот мо­мент сила тока также достигнет макси­мального значения

Несмотря на то что к этому моменту разность потенциалов на концах катушки становится равной нулю, электрический ток не может прекратиться сразу. Этому препятствует явление самоиндукции. Как только сила тока и созданное им магнит­ное поле начнут уменьшаться, возникает вихревое электрическое поле, которое на­правлено по току и поддерживает его.

В результате конденсатор перезаряжается до тех пор, пока ток, постепенно уменьшаясь, не станет равным нулю. Энергия магнитного поля в этот момент также будет равна нулю, а энергия электрического поля конденсатора опять станет максимальной.

После этого конденсатор вновь будет перезаряжаться и систе­ма возвратится в исходное состояние. Если бы не было потерь энергии, то этот процесс продолжался бы сколь угодно долго. Колебания были бы незатухающими. Через промежутки времени, равные периоду колебаний, состояние системы повторялось бы.

Но в действительности потери энергии неизбежны. Так, в частности, катушка и соединительные провода обладают сопро­тивлением R, и это ведет к постепенному превращению энергии электромагнитного поля во внутреннюю энергию проводника.

При колебаниях, происходящих в контуре, наблюдается превращение энергии магнитного поля в энергию электрического поля и наоборот. Поэтому эти колебания называют электромагнитными. Период колебательного контура находится по формуле :

Билет № 18

1. Индуктивность . Пусть по замкнутому контуру течёт постоянный ток силой I. Этот ток создаёт вокруг себя магнитное поле, которое прони­зывает площадь, охватываемую проводником, создавая магнитный поток. Известно, что магнитный поток Ф пропорционален модулю индукции магнитного поля В, а модуль индукции магнитного поля, возникающего вокруг проводника с током, пропорционален силе тока 1. Из этого следует

Коэффициент пропорциональности L между силой тока и магнитным по­током, создаваемым этим током через площадь, ограниченную проводни­ком, называют индуктивностью проводника.

Индуктивность проводника зависит от его геометрических размеров и формы, а также от магнитных свойств среды, в которой он находится. внутри него. Необходимо отметить, что если магнитная проницаемость среды, окружающей проводник, не зависит от индукции магнитного поля, создаваемого током, текущим по проводнику, то индуктивность данного проводника является постоянной величиной при любой силе тока, идуще­го в нём. Это имеет место, когда проводник находится в среде с диамаг­нитными или парамагнитными свойствами. В случае ферромагнетиков ин­дуктивность зависит от силы тока, проходящего по проводнику.

В системе единиц СИ индуктивность измеряется в генри (Гн). L = Ф/I и 1 Гн = 1 В6/ 1А, т.е. 1 Гн — индуктивность такого про­водника, при протекании по которому тока силой 1А возникает магнит­ный поток, пронизываю площадь, охватываемую проводником, рав­ный 1Вб.

Явление самоиндукции. Явление возникновения э.д.с. в том же проводнике, по которому течёт переменный ток, называется самоин­дукцией, а саму э.д.с. называют э.д.с. самоиндукции. Это явление объяс­няется следующим. Переменный ток, проходящий по проводнику, порож­дает вокруг себя переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, создаёт магнитный поток, изменяющийся со временем, через площадь, ог­раниченную проводником. Согласно явлению электромагнитной индукции, это изменение магнитного потока и приводит к появлению э.д.с. са­моиндукции.

Найдём э.д.с. самоиндукции. Пусть по проводнику с индуктивностью L течёт электрический ток. В момент времени t₁ сила этого тока равна I₁ , а к моменту времени t₂ она стала равной I₂ . Тогда магнитный поток, создавае­мый током через площадь ограниченную проводником, в моменты време­ни t₁ и t₂ соответственно равен Ф1=LI₁ и Ф₂ = LI₂ , а изменение DФ магнитного потока равно DФ = LI₂ — LI₁ = L(I₂ — I₁ ) = LDI, где DI =I₂ — I₁ — изменение силы тока за промежуток времени Dt = t₂ - t₁ . Со­гласно закону электромагнитной индукции, э.д.с. самоиндукции равна: Подставляя в это выражения предыдущую формулу, получаем

Итак, э.д.с. самоиндукции, возникающая в проводнике, пропорциональна быстроте изменения силы тока, текущего по нему. Соотношение представляет собой закон самоиндукции.

Под действием э.д.с. самоиндукции создаётся индукционный ток, на­зываемый током самоиндукции. Этот ток, согласно правилу Ленца, про­тиводействует изменению силы тока в цепи, замедляя его возрастание или убывание.

Энергия магнитного поля. При протекании электрического тока по проводнику вокруг него воз­никает магнитное поле. Оно обладает энергией. Можно показать, что энергия магнитного поля, возникающего вокруг проводника с индуктив­ностью L, по которому течёт постоянный ток силой I, равна

Билет № 20

Фундаментальные законы природы, к числу которых относятся открытые Максвеллом законы электромагнетизма, замечательны в следующем отношении: они могут дать гораздо больше, чем заключено в тех фактах, на основе которых они получены.

Среди бесчисленных, очень интересных и важных следст­вий, вытекающих из максвелловских законов электромагнитного поля, одно заслуживает особого внимания. Это вывод о том, что электромагнитное взаимодействие распространяется с конечной скоростью.

Согласно теории дальнодействия кулоновская сила, дейст­вующая на электрический заряд, сразу же изменится, если сосед­ний заряд сдвинуть с места. Действие передается мгновенно. С точки зрения действия на расстоянии иначе быть не может:

ведь один заряд непосредственно через пустоту <чувствует» присутствие другого.

Согласно же представлению о близкодействии обстоит совершенно иначе и много сложнее. Перемещение заряда меняет электрическое поле вблизи него. Это переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле в соседних областях пространства. Переменное же магнитное поле в свою очередь порождает переменное электрическое поле и т.д.

Перемещение заряда вызывает, таким образом, «всплеск» электромагнитного поля, который, распространяясь, охватывает все большие и большие облас­ти окружающего пространства, перестраивая по дороге то поле, которое существовало до смещения заряда. Наконец, этот «всплеск» достигает второго заряда, что и приводит к изменению действующей на него силы. Но произойдет это не в тот момент вре­мени, когда произошло смещение первого заряда. Процесс рас­пространения электромагнитного возмущения, механизм которого был вскрыт Максвеллом, протекает с конечной, хотя и очень большой, скоростью. В этом состоит фундаментальное свойство поля, которое не оставляет сомнений в его реальности.

Максвелл математически показал, что скорость распростране­ния этого процесса равна скорости света в вакууме.

Электромагнитная волна. Представьте себе, что электриче­ский заряд не просто сместился из одной точки в другую, а при­веден в быстрые колебания вдоль некоторой прямой. Заряд дви­жется подобно грузу, подвешенному на пружине, но только коле­бания его происходят со значительно большей частотой. Тогда электрическое поле в непосредственной близости от заряда начнет периодически изменяться. Период этих изменений, очевидно, бу­дет равен периоду колебаний .заряда. Переменное электрическое поле будет порождать периодически меняющееся магнитное поле, а последнее в свою очередь вызовет появление переменного электрического поля уже на большем расстоянии от заря­да и т. д.

Мы не будем в деталях рассматривать сложный процесс об­разования электромагнитного поля, порождаемого колеблющим­ся зарядом. Приведем лишь конечный результат.

В окружающем заряд пространстве, захватывая все большие и большие области, возникает система взаимно перпендикуляр­ных, периодически изменяющихся электрических и магнитных по­лей. На рисунке 84 изображен «моментальный снимок» такой системы полей.

Образуется так называемая электромагнитная волна,. бегу­щая по всем направлениям от колеблющегося заряда.

Не надо думать, что электромагнитная волна, подобно волне на поверхности воды, представляет собой возмущение какой-либо среды. На рисунке изображены в некотором масштабе значения векторов Ё и В в различных точках пространства, лежащих на линии Os, в фиксированный момент времени. Никаких гребней и впадин среды, как в случае механических волн на поверхности воды, здесь нет.

В каждой точке пространства электрические и магнитные поля меняются во времени периодически. Чем дальше распо­ложена точка от заряда, тем позднее достигнут ее колебания полей. Следовательно, на разных расстояниях от заряда коле­бания происходят с различными фазами.

Колебания векторов Ё и В в любой точке совпадают по фазе. Расстояние между двумя ближайшими точками, в которых колебания происходят в одинаковых фазах, есть длина волны l. В данный момент времени значения векторов Е и В меняются периодически в пространстве с периодом l.

Направления колеблющихся векторов напряженности элек­трического поля и индукции магнитного поля перпендикулярны к направлению распространения волны. Электромагнитная волна является поперечной.

Таким образом, векторы Ё и Й в электромагнитной волне перпендикулярны друг другу и перпендикулярны направлению распространения волны. Если вращать буравчик с правой нарез­кой от вектора Ё к вектору В то поступательное перемещение буравчика будет совпадать с вектором скорости волны с.

Электромагнитные волны излучаются колеблющимися заря­дами. При этом существенно, что скорость движения таких заря­дов меняется со временем, т. е. что они движутся с ускорением.

Наличие ускорения — главное условие излучения электромагнит­ных волн. Электромагнитное воле излучается заметным образом не только при колебаниях заряда, но и при любом быстром изменении его скорости, причем интенсивность излученной волы тем больше, чем больше ускорение, с которым движется заряд.

Наглядно это можно представить себе так. При движении заряженной частицы с постоянной скоростью созданные ею элект­рическое и магнитное поля, подобно развевающемуся шлейфу, сопровождают частицу. При ускорении частицы обнаруживается присущая электромагнитному полю инертность. Поле «отрывает­ся» от частицы и начинает самостоятельное существование в форме электромагнитных волн.

Энергия электромагнитного поля волны в данный момент времени меняется периодически в пространстве с изменением векторов Ё и В. Бегущая волна несет с собой энергию, переме­щающуюся со скоростью с вдоль направления распространения волны. Благодаря этому энергия электромагнитной волны в любой области пространства меняется периодически со временем.

Максвелл был глубоко убежден в реальности электромаг­нитных волн. Но он не дожил до их экспериментального обна­ружения. Лишь через 10 лет после его смерти электромагнитные волны были экспериментально получены Герцем.

2. Принцип радиосвязи . Радиопередатчик. Для осуществления радиосвязи необходимы ра­диопередатчик и радиоприёмник. Рассмотрим принцип действия радиопе­редатчика, блок-схема которого приведена на рис. ‘77.1. Генератор создаёт высокочастотные электромагнитные гармонические колебания с частотой

v . Пусть перед микрофоном находится звучащий камертон, создающий механические гармонические колебания звуковой частоты Yзв. Эти колебания с помощью микрофона преобразуются в электромагнитные колебания той же частоты (рис. 77.2 6). Частота Yзв этих колебаний значи­тельно меньше частоты Y высокочастотных электромагнитных колебаний.

Колебания, создаваемые генератором и микрофоном, подаются в модулятор, в котором происходит их сло­жение, в результате чего возникают электромагнитные колебания с час­тотой Y, амплитуда которых изменя­ется с частотой Yзв. Такие колебания называют амплитудно­ - модулированными (рис. 77.2 в). За­тем модулированные колебания уси­ливаются и подаются на антенну(открытый колебательный контур), которая излучает модулированные электромагнитные волны.

Радиоприёмник. Блок-схема ра­диоприёмника показана на рис. 77.3. Модулированные электромагнитные волны, излучаемые различными ра­диостанциями, индуцируют в антен­не модулированные электромагнит­ные колебания разных частот. Изменяя величину ёмкости конденсатора и индуктивности, добиваются совпа­дения собственной частоты колебательного контура с частотой одной из передающей станции. Это приводит к тому, что в колебательном контуре возникают вынужденные резонансные электромагнитные колебания дан­ной частоты. Амплитуды же колебаний с другими частотами будут очень малы. Эти модулированные колебания рис. 77.2 в) усиливаются и пода­ются в демодулятор (детектор). После его прохождения сила тока в цепи изменяется со временем по закону, график которого приведён на рис. 77.4. далее происходит преобразование этого тока в ток, сила которого изменя­ется со временем со звуковой часто­той Yзв рис.77.2б). Затем этот ток усиливается и протекает через дина­мик, который преобразует электро­магнитные колебания в звуковые той же частоты. В результате этого ди­намик воспроизводит механические колебания, происходящие перед микрофоном передающей станции.

Принцип радиопередачи используют в телевидении, радиолокации, в различных видах телефонной (сотовой) связи.

Билет № 21

С точки зрения волновой теории свет представляет собой электромаг­нитные волны с частотой v, лежащей в интервале от до Гц. Диапазон световых волн чаще выражают в длинах волн в ва­кууме (практически в воздухе). Используя соотношение длины световой волны с частотой колебания, находим, что длины волн света в вакууме заключены в пределах от 0,75 до 0,4 мкм. Установлено, что цветовое воздействие света на глаз человека обусловлено его частотой. Так, световые волны с частотой Гц воспринимаются как красный свет, а с частотой Гц как фиолетовый. Показано также, что световые волям, отличающиеся подлине волны менее чем на 2 нм, воспринимаются как одноцветные.

1. Интерференция волн. Интерференцией волн называют явление усиления и ослабления волн в определённых точках пространства при их наложении. Интерфе­рировать могут только когерентные волны. Когерентными называются такие волны (источники), частоты которых одинаковы и разность фаз колебаний не зависит от времени. Геометрическое место точек, в кото­рых происходит усиление или ослабление волн соответственно называют интерференционным максимумом или интерференционным миниму­мом, а их совокупность носит название интерференционной картины. В связи с этим можно дать иную формулировку явления. Интерференцией волн называется явление наложения когерентных волн с образованием интерференционной картины.

Пусть волны создаются когерентными источниками O₁ и О₂ . Рассмотрим точку М, на­ходящуюся на расстоянии l₁ и l₂ от источника (рис. 83.1), в которой происходит наложение

волн. Установлено, что волны усиливают друг друга, если и ослабляют друг друга, когда где l — длина волны, Величина Dl = l₁ - l₂ , т.е. разность расстояний от источников до рассматриваемой точки, называется геомет­рической разностью хода волн. С учётом этого следует, что когерентные волны, раслространяющиеся в одной среде, уси­ливаются в точках, для которых геометрическая разность хода равна це­лому числу длин волн, и ослабляется, когда она составляет полуцелое чис­ло длин волн.

Явление интерференции света используется для контроля качества об­работки поверхностей, просветления оптики, измерения показателей пре­ломления вещества и т.д.

Дифракция света. В однородной среде свет распространяется прямолинейно. Об этом свиде­тельствуют резкие тени, отбрасываемые непрозрачными предметами при освещении их точечными источниками света. Однако если размеры пре­пятствий становятся сравнимыми с длиной волны, то прямолинейность распространения волн нарушается. Явление огибания волнами препятст­вий называется дифракцией. Вследствие дифракции свет проникает в об­ласть геометрической тени. Дифракционные явления в белом свете сопро­вождаются появлением радужной окраски вследствие разложения света на составные цвета. Например, окраска перламутра и жемчуга объясняется дифракцией белого света на мельчайших его вкраплениях.

Широкое распространение в научном эксперименте и технике получи­ли дифракционные решётки, представляющие собой систему узких парал­лельных щелей одинаковой ширины, расположенных на одинаковом рас­стоянии в друг от друга. Это расстояние называют постоянной решётки. Дифракционные решётки изготавливаются с помощью специальной ма­шины, наносящей штрихи (царапины) на стекле или другом прозрачном материале. Там, где проведена царапина, материал становится непрозрачным, а промежутки между ними остаются прозрачными и играют роль ще­лей. Это так называемые прозрачные решётки. Существуют и отража­тельные решётки, которые получают нанесением штрихов на металличе­ское зеркало. Действие обеих типов решёток практически не отличается, поэтому рассмотрим явления, происходящие только в прозрачных решёт­ках. Пусть на дифракционную решётку ДР, перпендикулярно к ней, падает параллельный пучок монохроматического света (плоская монохроматиче­ская световая волна). Для наблюдения дифракции за ней помещают соби­раюпхую линзу Л, в фокальной плоскости которой располагают экран Э(рис. 84.1, на котором приведён вид в плоскости, проведённой поперёк щелям перпендикулярно к дифракционной решётке, а также показаны только лучи у краёв щелей). Вследствие дифракции из щелей исходят све­товые волны во всех направлениях. Выберем одно из них, составляющее угол j с направлением падающего света. Этот угол называют углом ди­фракции. Свет, идущий из щелей дифракционной решётки под углом р, собирается линзой в точке Р (точнее в полосе, проходящей через эту точ­ку). Геометрическая разность хода Dl между соответствующими лучами, выходящими из соседних щелей, как видно из рис. 84.1, равна А! = d~siп₉ . Прохождение света через линзу не вносит дополнительной разности хода. Поэтому если А! равна целому числу длин волн, т.е.

то в точке Р волны усиливают друг друга. Это соотношение является условием так называемых главных максимумов. Целое число m называют порядком главных максимумов.

Если на решётку падает белый свет, то для всех значений длин волн положение максимумов нулевого порядка (m = О) совпадут; положение же максимумов более высоких порядков различны: чем больше l,????// тем больше j при данном значении m. Поэтому центральный максимум имеет вид уз­кой белой полосы, а главные максимумы других порядков представляют разноцветные полосы конечной ширины — дифракционный спектр. Наи­более интенсивными являются спектры первого порядка (m = 1). Спектры более высоких порядков менее ярки. Ес­ли решётку освещать немонохроматиче­ским лучом, в составе которого имеется дискретный набор длин волн (такой свет даёт, например, ртутная лам­па), то дифракционный спектр представ­ляет собой совокупность отдельных цветных линий на тёмном фоне: каждой длине волны соответствует своя линия. Таким образом, дифракционная решётка разлагает сложный свет в спектр и по­этому с успехом используется в спектрометрах. Спектрометр — прибор для точного измерения длин волн с помощью дифракционной решётки (или призмы), которая разлагает свет в спектр, т.е. на компоненты с различными длинами волн. Свет от источника(рис. 84.2) через узкую щель направляется в коллиматор, который создаёт параллельный лучок света. далее свет попадает на решётку. Наблюдатель поворачивает трубу и при угле j, соответствующему дифракционному максимуму увидит яркую линию. Угол может быть измерен с высокой точностью. По формуле (84.1) определяют длину волны наблюдаемого света. Значение спектрометров в науке и промышленности огромно, по­скольку с их помощью осуществляется анализ элементов, входящих в со­став сплавов металлов, анализ газов, жидкостей, твёрдых тел, анализ хи­мического состава звёзд и т.д. Отметим, что элемент гелий впервые был обнаружен спектрально на Солнце, откуда и пошло его название.

Дисперсия света. Явление зависимости показателя преломления вещества от частоты света называется дисперсией света. Установлено, что с возрастанием частоты света показатель преломления вещества увеличивается. Пусть на трёхгранную призму па­дает узкий параллельный пучок белого света на котором показано сечение призмы плоскость­ю чертежа и одни из лучей). При прохождении через призму он разлагается на пучки света разного цвета от фиолетового до красного. Цвет­ную полосу на экране называют сплошным спек­тром. Нагретые тела излучают световые волны со всевозможными частотами, лежащими в интерва­ле частот от до Гц. При разложении этого света и наблю­дается сплошной спектр. Возникновение сплошного спектра объясняется дисперсией света. Наибольшее значение показатель преломления имеет для фиолетового света, наименьшее — для красного. Это приводит к тому, что сильнее всего будет преломляться фиолетовый свет и слабее всего —красный. Разложение сложного света при прохождении че­рез призму используется в спектрометрах.

1.Поляризация света. Электромагнитная природа света. Свет представляет собой элек­тромагнитные волны, в которых происходит периодическое изменение(колебание) напряжённости Е электрического и индукции В магнитного полей. Направления колебаний векторов Е и В взаимно перпендикулярны

и перпендикулярны к направлению распространения волны. Поэтому световая волна являет­ся поперечной. Плоскость, в которой колеблется вектор электрической напряжённости, называют плоскостью поляризации.

Явление поляризации света . Явления интерференции и дифрак­ции, выявлял волновые свойства све­та, не отвечают на вопрос, являются ли волны продольными или попереч­ными. Действительно, указанные явления наблюдаются для общих видов волн любой природы. Доказательством поперечности световых волн, а, следовательно, и любых электромагнитных волн, является поляризация света. Выясним, в чём заключается это явление? Опытным путём установ­лено, что физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие действия света обусловлены электрическим полем световой волны. По­этому в дальнейшем будет говориться лишь о напряжённости электриче­ского поля, а об индукции магнитного поля упоминаться не будет.

Световая волна, излучаемая светящимся телом, представляет собой на­ложение огромного числа волн, испускаемых отдельными атомами. Атомы излучают свет независимо друг от друга. Поэтому плоскости поляризация в таких волнах имеют произвольную ориентацию в пространстве. Это приводит к тому, что в такой световой волне колебания вектора Е происходят во всевозможных плоскостях, пересекающихся на оси распростpa­нения волны (рис.86.1, на котором показаны колебания вектора Е в плос­кости, перпендикулярной к направлению распространения волны). Свето­вая волна, в которой колебания вектора Ё совершаются во всех плоско­стях, называется естественной или неполяризованной. Такой свет излучают солнце, электрические лампы, свечи и т.д. Свет, в котором колебания напряжённости электрического, а следовательно, и индукция магнитного полей упорядочены, называют поляризованным. Если колебания вектора Ё происходят в одной плоскости (в одном направлении), то такой свет называется плоскополяризованным (рис. 86.2). По сути дела на рис. 76.1 также изображена плоскополяризованная волна.

Билет № 22

1. После открытия электрона Томсон предложил модель строения атома. Согласно этой модели, атом представляет собой шар, заряженный положительно, внутри которого находятся электроны. Резерфорд, усомнившись в этой модели, провёл опыты по изучению рассеяния a-частиц. Его опыт состоял в следующем. Радиоактивное вещество радий помещалось в контейнер, изготовленный из свинца, в котором просверливался узкий канал. Из этого канала узкий пучок a-частиц (ядер гелия) падал на тонкую металлическую фольгу, за которой находился экран, покрытый люминесцентным составом. Всё это помещалось в сосуд, из которого откачивался воздух. Проходя фольгу, a-частицы попадали на экран, на котором наблюдались световые вспышки в месте попадания частицы. Было обнаружено, что подавляющее большинство частиц пролетает фольгу, не меняя своего направления. Однако некоторые из них отклонялись на большие углы. Та­кое рассеяние a-частиц нельзя объяснить, исходя из модели атома Томсо­на. Поэтому Резерфорд предложил другую модель строения атома, назван­ную ядерной. Согласно этой модели, атом состоит из ядра, в котором со­средоточена почти вся масса атома и обладающего положительным заря­дом, вокруг которого вращаются электроны, имеющие отрицательный за­ряд. При этом размеры ядра много меньше размеров атома и заряд ядра равен суммарному заряду электронов по абсолютной величине.

Однако эта модель обладает двумя недостатками.

1. Согласно классической электродинамике, ускоренно движущиеся заряженные частицы излучают электромагнитные волны. В атоме элек­троны, двигаясь вокруг ядра, обладают центростремительным ускорением. Поэтому они должны бы излучать энергию в виде электромагнитных волн. В результате этого электроны будут двигаться по спиральным траектори­ям, приближаясь к ядру, и, наконец, упасть на него. После этого атом пре­кращает своё существование. В действительности же атомы являются устойчивыми образованиями.

2. Известно, что заряженные частицы, двигаясь по окружности, излучают электромагнитные волны с частотой, равной частоте вращения час­тицы. Электроны в атоме, двигаясь по спиральной траектории, меняют частоту вращения. Поэтому частота излучаемых электромагнитных волн плавно изменяется, и атом должен бы излучать электромагнитные волны в некотором частотном интервале, т.е. спектр атома будет сплошным. В действительности же он линейчатый. Для устранения указанных недостат­ков Бор пришёл к выводу, что необходимо отказаться от классических представлений. Он постулировал ряда принципов, которые получили на­звание постулатов Бора.

3. Постулаты Бора. Первый постулат. Существуют стационарные состояния атома, находясь в которых, он не излучает энергии. Постулат утверждает, что, несмотря на наличие ускорения у электрона, излучения электромагнитных волн нет. Этим постулатом устранён первый недоста­ток ядерной модели атома.

Второй постулат. В стационарных состояниях атом обладает опреде­лёнными энергиями. Испускание света атомом происходит, когда электрон переходит из одного стационарного состояния с энергией Wm в другое с меньшей энергией W n . При этом испускается одни световой фотон, энер­гия которого определяется соотношением Если происходит переход из состояния с меньшей энергией в состояние с большей энерги­ей, то наблюдается поглощение энергии (света). Из последней формулы следует, что частота излученного фотона равна . Поскольку энергии, которые принимает атом имеют дискретные (прерывные) значения, то и частоты электромагнитных волн, испускаемых атомом будут дискретными, т.е. атом излучает линейчатый спектр. Этим постулатом устранён второй недостаток ядерной модели атома.

Линейчатый спектр. Если свет, испускаемый нагретым газом (например, баллоном с водородом, через который пропускается электрический ток), разложить с помощью дифракционной решётки (или призмы) в спектр, то выяснится, что этот спектр состоит из ряда линий. Поэтому такой спектр называется линейчатым. Линейчатость означает, что в спектре содержатся только вполне определенные длины волн и т.д., а не все, как это имеет место в случае света электрической лампочки.

Спектральный анализ. Линейчатые спектры играют особо важную роль, потому что их характер прямо связан со строением атома. Ведь эти спектры создаются атомами, не испытывающими внешних воздействий. Поэтому, знакомясь с линейчатыми спектрами, мы тем самым делаем первый шаг к изучению строения атомов. Наблюдая эти спектры, ученые получили возможность «заглянуть» внутрь атома. Здесь оптика вплотную соприкасается с атомной физикой.

Главное свойство линейчатых спектров состоит в том, что длины волн (или частоты) линейчатого спектра какого-либо ве­щества зависят только от свойств атомов этого вещества, но со­вершенно не зависят от способа возбуждения свечения атомов. Атомы любого химического элемента дают спектр, не похожий на спектры всех других элементов: они способны излучать строго определенный набор длин волн.

На этом основан спектральный анализ метод определения химического состава вещества по его спектру. Подобно отпечат­кам пальцев у людей, линейчатые спектры имеют неповторимую индивидуальность. Неповторимость узоров на коже пальца помо­гает часто найти преступника. Точно так же благодаря инди­видуальности спектров имеется возможность определить хими­ческий состав тела. С помощью спектрального анализа можно обнаружить данный элемент в составе сложного вещества, если даже его масса не превышает 10-¹⁰ г. Это очень чувствительный метод.

Количественный анализ состава вещества по его спектру за­труднен, так как яркость спектральных линий зависит не только от массы вещества, но и от способа возбуждения свечения. Так, при не очень высоких температурах многие спектральные линии вообще не появляются. Однако при соблюдении стандарт­ных условий возбуждения свечения можно проводить и количест­венный спектральный анализ.

В настоящее время определены спектры всех атомов и составлены таблицы спектров. С помощью спектрального анализа были открыты многие новые элементы: рубидий, цезий и др. Элементам часто давали названия в соответствии с цветом наиболее интен­сивных линий спектра. Рубидий дает темно-красные, рубиновые линии. Слово цезий означает «небесно-голубой». Это цвет основ­ных линий спектра цезия.

Именно с помощью спектрального анализа узнали химический состав Солнца и звезд. другие методы анализа здесь вообще невозможны. Оказалось, что звезды состоят из тех же самых хими­ческих элементов, которые имеются и на Земле. Любопытно что гелии первоначально открыли на Солнце и лишь затем нашли в атмосфере Земли. Название этого элемента напоминает об исто­рии его открытия: слово гелий означает в переводе «солнечный».

Благодаря сравнительной простоте и универсальности спект­ральный анализ является основным методом контроля состава вещества в металлургии, машиностроении, атомной индустрии. С помощью спектрального анализа определяют химический состав руд и минералов.

Состав сложных, главным образом органических, смесей ана­лизируется по их молекулярным спектрам.

Спектральный анализ можно производить не только по спектрам испускания, но и по спектрам поглощения. Именно линии поглощения в спектре Солнца и звезд позволяют исследовать химический состав этих небесных тел. Ярко светящаяся поверх­ность Солнца — фотосфера дает непрерывный спектр. Солнеч­ная атмосфера поглощает избирательно свет от фотосферы, что приводит к появлению линий поглощения на фоне непрерывного спектра фотосферы.

Но и сама атмосфера Солнца излучает свет. Во время солнеч­ных затмений, когда солнечный диск закрыт Луной, происходит «обращение» линий спектра. На месте линий поглощения в солнечном спектре вспыхивает линии излучения.

В астрофизике под спектральным анализом понимают не только определение химического состава звезд, газовых облаков и т.д., но и нахождение по спектрам многих других физических характеристик этих объектов: температуры, давления, скорости движения, магнитной индукции.

Билет № 23 такой же как и Билет № 22.

Билет № 24

1.Фотоэлектрический эффект. Явление вырывания электронов из вещества под действием электро­магнитных излучений (в том числе и света) называют фотоэффектом. Различают два вида фотоэффекта: внешний и внутренний. При внешнем фотоэффекте вырванные электроны покидают тело, а при внутреннем —остаются внутри него. Необходимо отметить, что внутренний фотоэффект наблюдается только в полупроводниках и диэлектриках. Остановимся только на внешнем фотоэффекте. для изучения внешнего фотоэффекта используется схема, при­ведённая на рис. 87.1. Анод А и катод К помеща­ются в в сосуд, в котором создаётся высокий ва­куум. Такой прибор называется фотоэлементом. Если на фотоэлемент свет не падает, то ток в цепи отсутствует, и амперметр показывает ноль. При освещении его светом достаточно высокой часто­ты амперметр показывает, что в цепи течёт ток. Опытным путём установлены законы фотоэффекта:

1. Число электронов, вырываемых из вещества, пропорционально интенсивности света.

2. Наибольшая кинетическая энергия вылетаю щах электронов пропорциональна частоте света и не зависит ом его интенсивности.

З. Для каждого вещества существует красная граница фотоэф­фекта, т.е.. наименьшая частота света, при которой ещё возмо­жен фотоэффект.

Волновая теория света не в состоянии объяснить законы фотоэффекта. Трудности в объяснении этих законов привели Эйнштейна к созданию квантовой теории света. Он пришёл к выводу, что свет представляет собой поток особых частиц, называемых фотонами или квантами. Энергия фотонов e равна e=hn , где n — частота cвeтa, h - постоянная Планка.

Известно, что для вырывания электрона ему надо сообщить минималь­ную энергию, называемую работой выхода А электрона. Если энергия фотона больше или равна работе выхода, то электрон вырывается из вещества, т.е. происходит фотоэффект. Вылетающие электроны имеют различ­ные кинетические энергии. Наибольшей энергией обладают электроны, вырываемые с поверхности вещества. Электроны же, вырванные из глуби­ны прежде, чем выйти на поверхность теряют часть своей энергии при соударениях с атомами вещества. Наибольшую кинетическую энергию Wк, которую приобретает электрон, найдём, используя закон сохранения энер­гии,

или

где m и Vm – масса и наибольшая скорость электрона. Это соотношение можно записать иначе:

или

Это уравнение называют уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Оно формулируется: энергия поглощённого фотона расходуется на работу выхода электрона и приобретение им кинетической энергии.

Уравнение Эйнштейна объясняет все законы внешнего фотоэффекта. Пусть на вещество падает монохроматический свет. Согласно квантовой теории, интенсивность света пропорциональна энергии, которая перено­сится фотонами, т.е. пропорциональна числу фотонов. Поэтому с увеличе­нием интенсивности света увеличивается число фотонов, падающих на вещество, а следовательно, и число вырываемых электронов. Это есть пер­вый закон внешнего фотоэффекта. Из формулы (87.1) следует, что наи­большая кинетическая энергия фотоэлектрона зависят от частоты v света и от работы выхода А, но не зависит от интенсивности света. Это второй за­кон фотоэффекта. И, наконец, из выражения (87.2) вытекает вывод, что внешний фотоэффект возможен, если hv ³ А. Энергии фотона должно по крайней мере, хватить хотя бы на вырывание электрона без сообщения ему кинетической энергии. Тогда красную границу v₀ фотоэффекта находим из условия hv₀ = А или v₀ =А/h. Таким образом объясняется третий закон фо­тоэффекта.

2.Применение фотоэффекта. Открытие фотоэффекта имело очень большое значение для более глубокого понимания природы света. Но ценность науки состоит не только в том, что она выясняет сложное и многообразное строение окружающего нас мира, но и в том, что она даёт нам в руки средства, используя которые можно совершенствовать производство, улучшать условия материальной и культурной жизни общества.

С помощью фотоэффекта «заговорило» кино и стала возможной передача движущихся изображений (телевидение). Применение фотоэлектронных приборов позволило создать станки, которые без всякого участия человека изготовляют детали по заданным чертежам. Основанные на фотоэффекте приборы контролируют размеры изделий лучше любого человека, вовремя включают и выклю­чают маяки и уличное освещение и т. п.

Все это оказалось возможным благодаря изобретению особых устройств — фотоэлемен­тов, в которых энергия света управляет энер­гией электрического тока или преобразуется в нее.

Современный фотоэлемент представляет собой стеклянную колбу, часть внутренней поверхности которой покрыта тонким слоем металла с малой работой выхода (рис. 208). Это катод. Через прозрачное «окош­ко» свет проникает внутрь колбы. В ее центре расположена проволочная петля или диск — анод, который служит для улав­ливания фотоэлектронов. Анод присоединяют к положительному полюсу батареи. Применяемые фотоэлементы реагируют на ви­димый свет и даже на инфракрасные лучи.

При попадании света на катод фотоэлемента в цепи возникает электрический ток, который включает или выключает то или иное реле. Комбинация фотоэлемента с реле позволяет конструировать множество различных видящих автоматов. Одним из них явля­ется автомат в метро. Он срабатывает (выдвигает перегородку) при пересечении светового пучка, если предварительно не опу­щена пятикопеечная монета.

Подобного рода автоматы могут предотвращать аварии. На заводе фотоэлемент почти мгновенно останавливает мощный пресс, если рука человека оказывается в опасной зоне.

При попадании света на фотоэлемент в цепи батареи G1 через резистор R идет слабый ток. К концам резистора присоединены база и эмиттер транзистора. Потенциал базы выше потенциала эмиттера, и ток в коллекторной цепи транзистора отсутствует. Когда рука чело­века попадает в опасную зону, она перекрывает световой поток, падающий на фотоэлемент. Переход эмиттер база открывает­ся для основных носителей, и через обмотку реле, включенного в цепь коллектора, пойдет ток. Реле сработает, и контакты реле замкнут цепь питания механизма, который остановит пресс.

С помощью фотоэлементов осуществляется воспроизведение звука, записанного на кинопленке.

Кроме рассмотренного в этой главе фотоэффекта, называемого внешним фо­тоэффектом, разнообразные применения находит внутренний фотоэффект в по­лупроводниках. Это явление использу­ется в фоторезисторах — приборах, сопро­тивление которых зависит от освещеннос­ти. Кроме того, сконструированы полупроводниковые фотоэлементы, непосредственно преобразующие световую энергию в энергию электрического тока. Эти приборы сами могут служить источниками тока. Их можно использовать для измерения освещенности, например в фотоэкспонометрах. На том же принципе основано действие солнечных батарей, устанавливаемых на всех космических кораблях.

Билет № 25

Состав атомного ядра. Эксперименты Резерфорда показали, что атомы имеют очень малое ядро, вокруг которого вращаются электроны. По сравнению с размерами ядра, размеры атомов огромны и, поскольку практически вся масса атома заключена в его ядре, большая часть объёма атома фактически является пустым пространством. Атомное ядро состоит из нейтронов и протонов. Элементарные частицы, образующие ядра (нейтроны и протоны) — назы­ваются нуклонами. Протон (ядро атома водорода) обладает положитель­ным зарядом +е, равным заряду электрона и имеет массу в 1836 раз боль­ше массы электрона. Нейтрон — злектрически нейтральная частица с мас­сой примерно равной 1839 масс электрона.

Количество протонов Z в ядре нейтрального атома равно числу элек­тронов в его электронной оболочке и определяет его заряд, равный +Ze. Число Z называется зарядовым числом и определяет порядковый номер химического элемента периодической системы Менделеева. N — число нейтронов в ядре, А — массовое число, равное суммарному количеству протонов Z и нейтронов N в ядре. Ядро атома обозначается тем же симво­лом, что и химический элемент, снабжаясь двумя индексами (например, ), из которых верхний обозначает массовое, а нижний зарядовое число.

Изотопами называются ядра с одним и тем же зарядовым числом и различными массовыми числами. Большинство химических элементов имеет несколько изотопов. Они обладают одинаковыми химическими свойствами и занимают одно место в таблице Менделеева. Например, водород имеет три изотопа: протий ( ), дейтерий ( ) и тритий ( ). У кислорода встречаются изотопы с массовыми числами А = 16, 17, 18. В подавляющем большинстве случаев изотопы одного и того же химическо­го элемента обладают почти одинаковыми физическими свойствами (исключение составляют, например, изотопы водорода)

Приближённо размеры ядра были определены в опытах Резерфорда по рассеянию a-частиц. Наиболее точные результаты получаются при изуче­нии рассеяния быстрых электронов на ядрах. Оказалось, что ядра имеют примерно сферическую форму и её радиус зависит от массового числа А по формуле м.

Энергия связи ядра. Атомные ядра, состоящие из положительно заряженных протонов и нейтронов, представляют собой устойчивые образования несмотря на то, что между протонами существует сильное отталкивание. Устойчивость ядер свидетельствует, что между нуклонами в ядре действуют силы при­тяжения, превосходящие силы электростатического отталкивания прото­нов. Их назвали ядерными силами. Эти силы обладают рядом особенностей:

1) Они являются только силами притяжения и значительно сильнее электростатического отталкивания протонов.

2) Эти силы короткодействующие. Расстояние, на котором ещё дейст­вуют ядерные силы, называют радиусом действия этих сил. Он равен примерно м.

3) Ядерные силы являются зарядово независимыми. Это означает, что взаимодействие двух нуклонов совсем не зависит от того, обладают или не обладают они зарядом. Ядерные силы между двумя протонами, или двумя нейтронами, или протоном и нейтроном одинаковы

4) для ядерных сил характерно насыщение, подобно насыщению сил химической связи валентных электронов атомов в молекуле. Насыщение проявляется в том, что нуклон взаимодействует не со всеми остальными нуклонами ядра, а лишь с некоторыми ближайшими соседями.

Для изучения ядерных сил, казалось бы, надо знать их зависимость от расстояния между нуклонами. Однако изучение связи между нуклонами может быть проведено и энергетическими методами.

О прочности того или иного образования судят по тому, насколько легко или трудно его разрушить: чем труднее его разрушить, тем оно прочнее. Но разрушить ядро — это значит разорвать связи между его ну­клонами. для разрыва этих связей, т.е. для расщепления ядра на состав­ляющие его нуклоны, необходимо затратить определённую энергию, на­зываемую энергией связи ядра.

Оценим энергию связи атомных ядер. Пусть масса покоя нуклонов, из которых образуется ядро, равна , Согласно специальной теории относительности, ей соответствует энергия , рассчитываемая по формуле , где с — скорость света в вакууме. После образования ядро об­ладает энергией . Здесь М— масса ядра. Измерения показывают, что масса покоя ядра всегда меньше, чем масса покоя частиц в свободном состоянии, составляющих данное ядро. Разность этих масс называют де­фектом массы. Поэтому при образовании ядра происходит выделение энергии . Из закона сохранения энергии можно заключить, что такая же энергия должна быть затрачена на расще­пление ядра на протоны и нейтроны. Поэтому энергия связи равна . Если ядро с массой М образовано из Z протонов с массой И из N = А - Z нейтронов с массой , то дефект массы равен

C учетом этого энергия связи находится по формуле:

Об устойчивости ядер судят по средней энергии связи, приходя­щейся на один нуклон ядра, которая называется удельной энергией связи. Она равна

На рис.91.1 показана зависимость удельной энергии связи от массово­го числа А. Видно, что самое большое значение удельной энергии связи имеют нуклоны химических элементов, занимающих середину таблицы

Менделеева (30 <А <140). В них удельная энергия связи близка к 8,7 МэВ (1 МэВ 1,6*1О^-13 Дж). В то же время ну­клоны самых лёгких и самых тяжёлых эле­ментов таблицы имеют меньшее значение удельной энергии связи. для ядер, распо­ложенных в конце таблицы Менделеева(например, для ypана), приблизительно составляет 7,6 МэВ.

Ход зависимости удельной энергии связи, приведённый на рис. 91.1, позволяет
понять механизм выделения ядерной энер­гии. Из общих соображений ясно, что энергия будет выделяться при таких ядерных реакциях, при которых удельная энергия связи продуктов реак­ции будет превышать удельную энергию исходных ядер. Это условие мо­жет быть выполнено двумя способами: или делением тяжёлых ядер на бо­лее лёгкие, лежащие в средней части таблицы Менделеева, или синтезом лёгких ядер, находящихся в начале таблицы, в более тяжёлое ядро. На­пример, если ядро изотопа урана-235 (у которого удельная энергия связи7,6 МэВ) разделить на два ядра, близких по массовому числу к железу и никелю (у которых удельная энергия связи около 8,75 МэВ), то выделится избыток ядерной энергии, равный 8,75 — 7,6 =1,15 МэВ на каждый нуклон или свыше 200 МэВ на каждое разделившееся ядро урана. При синтезе(соединении) же двух изотопов водорода — дейтерия , имеющих удельные энергии связи 1,11 МЭВ, в ядро гелия, у которого = 7,05 МэВ, выделяется энергия 7,05-1,11=6,94 Мэв.

Цепная реакция. Установлено, что при бомбардировке ядер урана нейтронами происхо­дит распад ядра на две примерно равные части. Отметим три важные осо­бенности таких реакций:

1. Легко делятся ядра одного из изотопов урана

2. В результате реакции деления высвобождается огромное количество энергии. Это связано с тем, что масса ядра урана больше суммарной массы осколков деления. Образующийся дефект массы и приводит к выделению энергии в соответствии с формулой Эйнштейна .

Важной особенностью рассматриваемой ядерной реакции является то, что при делении ядра урана выделяется 2 или З нейтрона. Физики по­няли, что нейтроны, испускаемые в каждом акте деления, можно исполь­зовать для осуществления цепной реакции: один нейтрон делит одно ядро урана, два или три образовавшихся нейтрона вызовут дополнительные де­ления и таким образом процесс лавинообразно нарастает, как показано на рис. 95.1. для трёх нейтронов.

При практическом осуществлении цепной ядерной реакции приходит­ся решать ряд сложных проблем, из которых рассмотрим три:

а) Легко делятся ядра изотопа урана-235, а его содержится в природ­ном уране лишь 0,7%, остальное — изотоп урана-238. Поэтому приходится решать проблему увеличения процентного содержания (“обогащения”) урана изотопом-235. Это и составляло основную проблему в процессе соз­дания атомной бомбы и реакторов.

б) Оказалось, что ядра урана де­лятся медленными нейтронами, а при делении выделяются быстрые ней­троны. Появляется задача уменьшить кинетическую энергию нейтронов(замедлить нейтроны), т.е. создать замедлитель. Такими замедлителями являются тяжёлая вода 1)20 и графит.

в) Третья проблема состоит в том, что часть нейтронов вылетает из мас­сы урана, не успев вызвать дальней­шее деление. Поэтому для того, что­бы цепная реакция проходила, масса Рис. 95.1 урана должна превышать некоторое значение называемое критической массой, которая составляет несколько килограмм.

Ядерная цепная реакция осуществляется в атомной бомбе и в атомных реакторах. для осуществления взрыва атомной бомбы необходимо сбли­зить две массы с суммарной массой равной критической. При взрыве атомной бомбы выделяется огромное количество энергии и возникает ин­тенсивная радиация вследствие того, что образовавшиеся осколки ядер являются радиоактивными. После взрыва образуется радиоактивное обла­ко, которое после выпадения на землю загрязняет окружающую среду. Ядерную реакцию, происходящую в атомной бомбе, называют неуправ­ляемой. Управляемая реакция осуществляется в ядерных реакторах, ис­пользуемых на атомных электростанциях (АЭС).

Атомные электростанции. Если в атомной бомбе происходит не­управляемая цепная реакция, то в созданных ядерных реакторах она носит управляемый характер. Суть управляемой реакции заключается в том, что создаются условия, когда на каж­дый процесс деления ядра урана-235 или плутония приходится в среднем о—,. только один нейтрон, вызывающий новый акт деления, другие же обра­зовавшиеся нейтроны вылетают из системы или поглощаются атомными ядрами других веществ (рис. 95.2). Таким образом, скорость выделения энергии будет поддерживаться одинаковой. Сердцем атомной электро­станции является ядерный реактор 1 (рис. 95.3). В качестве горючего ис­пользуются ураи-235 и плутоюiй-239. Для управления потоком нейтронов в атомных реакторах применяются управляющие стержни 3, содержащие кадмий или бор, которые хорошо поглощают нейтроны. Эти стержни вво­дят в активную зону реактора 2 (топливо — замедлитель). Когда стержни полностью погружены в реактор, они поглощают столько нейтронов, что цепная реакция в реакторе не идёт. При выведении стержней увеличивает­ся число нейтронов в реакторе и начинается реакция. В качестве замедлителя нейтронов (а именно такие нейтроны вызывают деление ядер урана-235) используют графит или тяжелую воду. для обеспечения безопасности работающего персонала от радиоактивных излучений реактор помещают в защитную оболочку 4. Необходимо отметить, что для получения самопод­держивающейся цепной реакции, как и в атомной бомбе, масса топлива должна быть не меньше критической. Критическая масса зависит от вида горючего и составляет несколько килограмм. Энергия, выделяемая реакто­ром (1) в виде тепла, снимается теплоносителем (вода, жидкий натрий), циркулирующим в замкнутом контуре (5). Циркуляция обеспечивается на­сосом (б). В теплообменнике (7) теплоноситель отдаёт тепло воде, пре­вращая её в пар, который вращает паровую турбину (8). Турбина соедине­на с электрогенератором (9), вырабатывающим электроэнергию. Из паро­вой турбины пар поступает в конденсатор 10. Происходит его конденсация в воду, которая поступает в теплообменник. Охлаждение пара в конденса­торе осуществляется водой из искусственно созданного водоёма (11)..

5. Условия термоядерной реакции . Ядерные реакции, в которых из лёгких ядер образуются более тяжёлые ядра, называются реакциями термоядерного синтеза (термоядерными реакциями). При синтезе суммарная масса исходных ядер, превышает массу образовавшегося ядра, в результате выделяется энергия. Например, ядра дейтерия в () при слиянии образуют ядро гелия . Расчёты по­казывают, что два грамма дейтерия выделяют 1013 Дж энергии. Особенно благоприятными по ряду причин оказались условия синтеза ядер тяжёлых изотопов водорода — дейтерия и трития: Для того чтобы произошла термоядерная реакция надо положительно- заряженные ядра сблизить настоль малые расстояния, чтобы между ними возникли ядерные силы, для преодоления кулоновского отталкивания ядер, нужно сообщить им огромную энергию, нагреть вещество до температуры 10⁷ К. В водородной бомбе, в которой осуществляется написанная выше реакция, высокая температура достигается за счёт взрыва атомной бомбы, при ко тором получается температура 10 млн, град. Взрыв водородной бомбы представляет собой не управляемую термоядерную реакцию: энергия вы­деляется в огромном количестве в одно мгновение и е~ можно использо­вать только для разрушения. Однако человечеству необходима управляе­мая термоядерная реакция, т.е. реакция, в ходе которой энергию можно было бы отбирать в нужном количестве в нужное время. Такая реакция очень выгодна, поскольку запасов дейтерия и трития хватит практически на неограниченное время, тогда как запасы источников энергии, которыми пользуемся в настоящее время (нефть, газ, уголь) ограничены.

Условие, необходимое для протекании термоядерной реакции, было сформулировано физиком Лоусоном (критерий Лоусона). Оно записывает­ся какдля реакции для реакции , где n — концентрация частиц, т.е. число частиц в од­ном см³ ,i— время их удержания вместе в секундах. Эти соотношения от­ражают необходимость сохранения высокой плотности частиц при упомя­нутой высокой температуре (порядка нескольких десятков миллионов гра­дусов) в течение определённого времени. Из этого соотношения, кстати, видно, что реакция синтеза ядра гелия из дейтерия и трития более выгод­на, чем из двух ядер дейтерия, поскольку накладываемые требования в первом случае менее жесткие.

Реакция термоядерного синтеза не взрывного характера осуществлена природой на Солнце и звёздах, где достигается температура в миллионы градусов. При таких высоких температурах возникает особое состояние вещества — плазма. Высокотемпературная плазма представ­ляет собой сильно ионизированный газ, в котором ядра и электроны суще­ствуют независимо друг от друга. Степень ионизации плазмы очень вели­ка, благодаря чему плазма является хорошим проводником.

Таким образом, для осуществлены управляемой термоядерной реак­ции нужно создать высокотемпературную плазму, которую надо ещё удержать? Частицы, обладая колоссальной кинетической энергией, стре­мятся сразу же разлететься, а в природе нет такого материала, который бы выдерживал миллионы градусов. Для удержания плазмы физики предпо­ложили два пути решения этой задачи. Первый путь заключается в удер­жании плазмы с помощью магнитного поля. Если на газо-разрядную трубку наложить магнитное поле, совпадающее по направлению с электрическим полем, то в такой трубке возникает плазменный шнур. Заряженные части­цы плазмы под действием силы Лоренца будут описывать спиральные тра­ектории вокруг магнитных силовых линий. Чем сильнее магнитное поле, тем меньше радиус плазменного шара. Сила, которая действует на ток заряженных частиц, со стороны магнитного поля и есть причина образо­вания шнура, не соприкасающегося со стенами газоразрядной трубки; плазма, как бы висит в вакууме. Наибольший успех достигнут на установ­ках, получивших название токамак, разработанных в СССР. В этих уста­новках удалось разогреть плазму до 60 миллионов градусов и добиться слияния ядер дейтерия и трития. Пока не удаётся удержать плазму дли­тельное время, но исследования в этом направлении продолжаются. Вто­рое направление — это создание управляемого термоядерного синтеза с помощью лазерного излучения. Самые мощные лазеры могут разогреть вещество с помощью короткого импульса до температуры 50 млн, град. Поэтому появилась возможность осуществить термоядерную реакцию в виде микровзрыва, даже без использования удерживающего плазму маг­нитного поля, так как реакция протекает быстро и дейтерий с тритием не успевают разлететься. В этом случае технически реакция осуществляется воздействием мощного лазерного импульса на твёрдую замороженную таблетку из дейтерия и трития. Такие эксперименты уже осуществлены и термоядерная реакция проходила. Однако число прореагировавших ядер мало и технически воплотить эту идею пока не удаётся.