Реферат: Билеты по физике
Билет №1
В основе МКТ строениялежат три утверждения: вещество состоит из частиц; эти частицы беспорядочнодвижутся; частицы взаимодействуют друг с другом.
Основные положения
1.Вещество состоит из атомов (молекул). Размеры атомов(молекул) очень малы. Число атомов содержащихся в одном моле – число Авагадро NА=6,022·1023.Моль – количество вещества, в котором содержится столько же атомов и молекул,сколько атомов содержится в углероде массой 0,012 кг.
/>Оценка размеров молекул: этоможно сделать при наблюдении за расплывание капельки масла (оливкового) поповерхности воды. Масло никогда не займет всю поверхность, если сосуд велик.Можно предположить, что при растекании масла по максимальной площади онообразует слой толщиной всего лишь в одну молекулу. Толщину этого слоя нетрудноопределить и тем самым оценить размеры молекулы оливкового масла. Массу можноузнать по формуле: m=m0N. Кол-во ве-ва
2.Атомы (молекулы) вещества находятся в непрерывномхаотическом тепловом движении. Наиболее яркое доказательство – броуновскоедвижение (Р. Броун, 1827 г.) мелких частиц,
взвешенных в жидкости, происходящее из-за непрерывныхбеспорядочных соударений этих частиц с молекулами жидкости. Другой простойэкспериментальный факт, доказывающий тепловое движение атомов вещества, этодиффузия.
3.Между атомами (молекулами) вещества действуют силыпритяжения и отталкивания, зависящие от расстояния между частицами. На далекихрасстояниях (превышающих несколько
радиусов молекулы) взаимодействие слабо и носит характерпритяжения. С уменьшением расстояния это притяжение сначала несколько возрастает,а затем стремится к нулю. В момент соприкосновения электронных оболочек молекулвозникают быстро растущие с уменьшением расстояния силы электростатическогоотталкивания.
4. строение газов, жидкостей и твердых тел.
Газ: Расстояние между отдельными молекулами(атомами) в газах очень велико по сравнению с размерами самих молекул. Поэтомусилы притяжения между молекулами в газе пренебрежимо малы. Следовательно, газымогут неограниченно расширяться, занимая любой предоставленный им объем, азначит и легко сжимается.
Жидкость: Молекулы в жидкости расположены достаточноблизко друг к другу, так что при попытке сжатия жидкости возникают большие силыотталкивания. Отсюда малая сжимаемость жидкостей. Молекулы ведут оседлую жизнь,всреднем она равна 10-11с. Жидкости текучи, т.е. не сохраняют своюформу.
Твердые тела: В твердом теле атомы или молекулы могутлишь колебаться вокруг определенных положений равновесия. Поэтому твердые теласохраняют и форму, и объем. У кристаллических твердых тел центры атомов(молекул) образуют пространственную решетку, в узлах которой находятся атомывещества. Аморфные твердые тела не обладают жесткой структурой и скореенапоминают застывшие жидкости.
Билет №2
Модель идеального газа
У разреженного газа расстояние между молекулами во много разпревышает их размеры. В этом случае взаимодействие между молекуламипренебрежимо мало и кинетическая энергия молекул много больше потенциальнойэнергии взаимодействия. Молекулы газа можно рассматривать как очень маленькиетвердые шарики. Вместо реального газа, между молекулами которого действуютсложные силы взаимодействия. Идеальный газ – это газ, взаимодействиемежду молекулами которого пренебрежимо мало. Принимается, что при соударенияхмежду собой и со стенками сосуда молекулы такого газа ведут себя как абсолютноупругие шарики конечных, но весьма малых размеров. Эти соударения происходятпо законам, справедливым для абсолютно упругого удара. Существующие вдействительности газы при не слишком низких температурах и достаточно малыхдавлениях – разреженные газы – по своим свойствам близки к идеальномугазу.
/> Средний квадрат скоростимолекул. От этой величины зависит средняя кинетическая энергия молекул. Средняя кинетическая энергия молекул имеет очень большое значение во всеймолекулярно- кинетической теории. Среднее значение квадрата скоростиопределяется следующей формулой:
/>
Ур-е МКТ газа:
F-вектор силы, S-площадь, n-концентрациямолекул,
v-векторсреднего квадрата скорости, m0–масса одноймолекулы
Билет № 3
/>/>/>
Между тремя основными параметрами состояния тела существует связь, называемая –уравнением состояния идеального газа. Концентрация газа (1) NA-постоянная Авогадро, m-масса газа, M- молекулярная масса.
Если подставить (1) в произведениепостоянной Больцмана на постоянную Авогадро – универсальная газовая постоянная R=8,31Дж/моль К
Оно записывается в форме зависимости p,V, T. /> - уравнение состоянияидеального газа
R- универсальная газовая постоянная
Изопроцессы – Термодинамические процессы, протекающиев системе с неизменной массой при постоянном значении одного из параметровсистемы.
Изотермический процесс – Процесс изменения состояниятермодинамической системы при постоянной температуре.Для поддержаниятемпературы газа постоянно необходимо, чтобыон мог обмениватьсятеплотой с большой системой – термостатом.
/>Иначе при сжатии илирасширении температура газа будет менятся. Термостатом может служитьатмосферный воздух, если температура его заметно не меняется на протяжениивсего процесса. Для газа данной массы произведение давления газа на егообъем постоянно, если температура газа не меняется. PV=const при T=const – закон Бойля-Мариотта. В термодинамическойдиаграмме p-V – кривая линия (Изотерма).
Изобарный процесс — Процесс изменения состояния
термодинамической системы при постоянном давлении.
/>Для газа данной массыотношение объема к температуре
/> постоянно, если давлениегаза не меняется. при p=const, V=const·T –закон Гей-Люссака. Изображается на графике прямой (Изобара).Различным
давлениям соответствует разные изобары.
С ростом давления объем газа при постоянной температуре
согласно закону Бойля-Мариотта уменьшается. В области низких
температур все изобары идеального газа сходятся в точке Т=0.
Но это не означает, что объем реального газа действительнообращается в нуль. Все газы при сильном охлаждении превращаются в жидкости, а кжидкостям уравнение состояния идеального газа неприменимо. Изобарным можносчитать расширение газа при нагревании его в цилиндре с подвижным поршнем.Постоянство давления в цилиндре обеспечивается атмосферным давлением на внешнююповерхность поршня.
/>Изохронный процесс – процессизменения состояния термодинамической системы при постоянном объеме. при V=const p=const·T– закон Шарля
/>Для газа данноймассы отношение давления к температуре постоянно, если объем не меняется. В соответствии с уравнением p=const·T всеизохоры начинаются в точке Т=0. Значит, давление идеального газа при абсолютномнуле равно нулю. Увеличение давления газа в любой емкости или в электрическойлампочке при нагревании является изохорным процессом. Изохорный процессиспользуется в газовых термометрах постоянного объема. Изображается на графикепрямой (Изохора).
Билет № 4
Пусть жидкость занимает часть объема замкнутого сосуда. Прилюбой температуре существует некоторое количество достаточно энергичных молекулвнутри жидкости, которые способны разорвать связи с соседними молекулами ивылететь из жидкости. Чем больше температура и при наличии ветра тем быстреепроисходит испарение. В то же время в паре, занимающем остальной объем внутрисосуда, всегда найдутся молекулы, которые влетают обратно в жидкость и не могутвылететь обратно. Таким образом, в этом сосуде все время происходят дваконкурирующих процесса – испарение и обратная конденсация. Когда числомолекул, покидающих жидкость, становится равным числу молекул, возвращающихсяобратно, то наступает динамическое равновесие между жидкой и газообразнойфазой, говорят, что пар достиг насыщения.
Пар называется ненасыщенным, если его давлениеменьше давления насыщенного при данной температуре.
Давление насыщенного пара существенно зависит оттемпературы: чем она выше, тем
больше молекул имеют достаточную энергию, чтобы покинутьжидкость, следовательно, должна возрасти и плотность насыщенного пара.
/>р0=nkT. Давление пара р0, при которомжидкость находится в равновесии со своим паром, называется давлениемнасыщенного пара. Давление насыщеного пара растет не только вследствиеповышения температуры жидкости, но и вследствие увеличения концентрации молекулпара.
AB-от увеличение температуры давление возрастает
ВС-при испарении всей жидкости давление при постоянномобъеме
возрастает прямо пропорционально абсолютной температуре
Кипение. По мере увеличения температуры жидкостиинтенсивность испарения увеличивается, жидкость начинает кипеть. При кипениипо всему объему жидкости образуются быстро растущие пузырьки пара, которыевсплывают на поверхность. Температура кипения жидкости остается постоянной.Это происходит потому, что вся подводимая к жидкости энергия расходуется напревращение ее в пар.
В жидкости всегда присутствуют растворенные газы, которыевыделяются на дне и стенках сосуда, а также на взвешенных в жидкости пылинках.Пары жидкости, которые находятся внутри пузырьков, являются насыщенными. Сувеличением температуры давление насыщенных паров возрастает и пузырькиувеличиваются в размерах. Под действием выталкивающей силы они всплывают вверх.Если верхние слои жидкости имеют более низкую температуру, то в этих слояхпроисходит конденсация пара в пузырьках. Давление стремительно падает, и пузырькизахлопываются. Захлопывание происходит настолько быстро, что стенки пузырька,сталкиваясь, производят нечто вроде взрыва. Множество таких микровзрывов создает характерный шум. Когда жидкость достаточно прогреется, пузырькиперестанут захлопываться и всплывут на поверхность. Жидкость закипит. Передзакипанием чайник почти перестает шуметь.
Зависимость давления насыщенного пара от температурыобъясняет, почему температура кипения жидкости зависит от давления на ееповерхность. Пузырек пара может расти, когда давления насыщенного пара внутриего немного превосходит давление в жидкости, которое складывается из давлениявоздуха на поверхность жидкости (внешнее давление) и гидростатического давлениястолба жидкости. Кипение начинается при температуре, при которой давлениенасыщенного пара в пузырьках сравнивается с давлением в жидкости. Чем большевнешнее давление, тем выше температура кипения, и наоборот, уменьшая внешнеедавление- понижается температура кипения.
У каждой жидкости своя температура кипения, которая зависитот давления насыщенного пара. Чем выше давление насыщенного пара, тем нижетемпература кипения соответствующей жидкости, т.к.. при меньшихтемпературах давление насыщенного пара становится равным атмосферному.
Критическая температура- это температура, при которойисчезают различия в физических свойствах между жидкостью и ее насыщенным паром.Представление о критической температуре ввел Д. И. Менделеев. Прикритической температуре плотность и давление насыщенного пара становятсямаксимальными, а плотность жидкости, находящейся в равновесии с паром, — минимальной. Особое значение критической температуры состоит в том, что притемпературе выше критической ни при каких давлениях газ нельзя обратить вжидкость. Газ, имеющий температуру ниже критической, представляет собойненасыщенный пар.
Влажность воздуха
Содержание водяного пара в воздухе, т.е. его влажность, можнохарактеризовать несколькими величинами.
Парциальное давление водяного пара. Атмосферныйвоздух представляет собой смесь различных газов и водяного пара. Каждый изгазов вносит свой вклад в суммарное давление, производимое воздухом нанаходящиеся в нем тела. Давление, которое производил бы водяной пар, если бывсе остальные газы отсутствовали, называют парциальным давлением водяного пара.Парциальное давление водяного пара принимают за один из показателейвлажности воздуха. Его выражают в единицах давления – паскалях или вмиллиметрах ртутного столба.
Относительная влажность. По парциальному давлениюводяного пара еще нельзя судить о том, насколько водяной пар в данных условияхблизок к насыщению. Относительная влажность – величина, показывающая,насколько водяной пар при данной температуре близок к насыщению.
/>/>Относительной влажностьювоздуха называют отношение парциального давления pводяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению p0 насыщенного пара при той же температуре,выраженной в процентах:
Психрометр – прибор, с помощью которого измеряютвлажность воздуха. Он состоит из двух термометров.
Билет№5
Кристаллы – это твердые тела,атомы или молекулы которых занимают определенные, упорядоченные положения впространстве. Кристаллы по — разному проводят теплоту и ток в различныхнаправлениях. От направления зависят и оптические свойства кристаллов. Анизотропия– зависимость физических свойств от направления внутри кристалла.Различаются четыре типа кристаллической решетки: 1). Ионные кристаллы –большинство неорганических соединений, например соли, окиси металлов; 2). Атомныекристаллы – кристаллические решетки полупроводников, многие органическиетвердые тела; 3). Молекулярные кристаллы – бром, метан, нафталин,парафин, многие твердые органические соединения; 4). Металлические кристаллы– металлы. Твердое тело, состоящее из большого числа маленьких кристаллов,называют поликристаллическими. Одиночные кристаллы называют монокристаллами.Аморфные тела не имеют определенной формы в своей структуре строения атома илимолекулы, не имеют кристаллической решетки, обладают свойством изотропии. Изотропия– это свойство одинаково передавать тепло, электрический ток по всемнаправлениям одинаково. Определенной температуры плавления у аморфных телнет.
Деформацией – наз. изменениеформы или объема тела.
Растяните резиновый шнур за концы. Очевидно, участки шнура сместятся друготносительно друга; шнур окажется деформированным — станет длиннее и тоньше.Деформация возникает всегда, когда различные части тела под действием силперемещаются неодинаково.
Шнур после прекращениядействия на него сил возвращается в исходное состояние. Деформации, которыеполностью исчезают после прекращения действия внешних сил, называются упругими.Кроме резинового шнура, упругие деформации испытывают пружина, стальные шарикипри столкновении и т. д.
Теперь сожмите кусочекпластилина. В ваших руках он легко примет любую форму. Первоначальная формапластилина не восстановится сама собой. Деформации, которые не исчезаютпосле прекращения действия внешних сил, называются пластическими.
/> Деформация растяжения (сжатия). Если к однородному стержню, закрепленному одним концом, приложить силу F вдоль оси стержня в направлении от этого конца, то стержень подвергнетсядеформации растяжения. Деформацию растяжения характеризуют абсолютнымудлинением ∆l=l-l0 и относительнымудлинением
где l0—начальная длина, аl— конечная длина стержня.
Деформацию растяженияиспытывают тросы, канаты, цепи в подъемных устройствах, стяжки между вагонамии т.д.
Если на стерженьподействовать силой F, направленной к закрепленному концу, то стерженьподвергнется деформации сжатия. В этом случае относительная деформацияотрицательна: ε<0.
Деформацию сжатияиспытывают столбы, колонны и др.
При растяжении или сжатии изменяется площадь поперечного сечения тела.
Деформация сдвига.
Деформацию, прикоторой происходит смещение слоев тела друг относительно друга, называютдеформацией сдвига.
Если силу F увеличить в 2 раза, то и угол увеличится в 2раза. Опыты показывают, что при упругих деформациях угол сдвига прямопропорционален модулю F приложенной силы.
Деформациям сдвига подвержены все балки в местах опор, заклепки и болты,скрепляющие детали, и т.д
Изгиб и кручение. Болеесложными видами деформаций являются изгиб и кручение. Деформацию изгибаиспытывает, например, нагруженная балка. Кручение происходит при завертыванииболтов, вращении валов машин, сверл и т. д. Эти деформации сводятся кнеоднородному растяжению или сжатию и неоднородному сдвигу.
Билет 6.
Внутренняя энергия — это энергия движения ивзаимодействия частиц, из которых состоит тело.Внутренняя энергия зависит от температурытела, его агрегатного состояния, от химических, атомных и ядерныхреакций. Она не зависит ни от механического движения тела, ни от положенияэтого тела относительно других тел. Внутреннюю энергию можно изменить путемсовершения работы и теплопередачи. Если над телом совершается работа, товнутренняя энергия тела увеличивается, если же это тело совершает работу, тоего внутренняя энергия уменьшается. Виды теплопередачи: теплопроводность,конвекция и излучение.
Первый законтермодинамики.
Закон сохранения ипревращения энергии, распространенный на тепловые явления, носит названиепервого закона термодинамики.
Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состоянияв другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданногосистеме:
∆U=А+Q
Если системаизолирована, то над ней не совершается работа (A==0)и она не обменивается теплотой с окружающими телами (Q==0).В этом случае согласно первому закону термодинамики ∆U=U2—U1или U2=U1. Внутренняя энергияизолированной системы остается неизменной (сохраняется) .
Часто вместо работы А внешних тел над системой рассматриваютработу A' системы над внешними телами. Учитывая, что A'= -A первый закон термодинамики в форме можнозаписать так:Q=∆U+A’
Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутреннейэнергии и на совершение системной работы над внешними телами.
Изохорный процесс. При изохор-ном процессе объем газа не меняется и поэтому работа газа равна нулю.Изменение внутренней энергии согласно уравнению Q=∆U+A’ равно количеству переданной теплоты:
∆U=Q. Если газ нагревается,то Q>0 и ∆U >0, его внутренняяэнергия увеличивается. При охлаждении газа Q<0и ∆U=U2—U1<0,изменение внутренней энергии отрицательно и внутренняя энергия газауменьшается.
Изотермический процесс.При изотермическом процессе (T==const)внутренняя энергия идеального газа не меняется. Все переданное газу количествотеплоты идет на совершение работы: Q==A'. Если газ получает теплоту (Q>0), то он совершает положительную работу(А'>0). Если, напротив, газ отдает теплоту окружающей среде (термостату), тоQ<0 и А'<0. Работа же внешних сил над газомв последнем случае положительна.
Изобарный процесс. Приизобарном процессе передаваемое газу количество теплоты идет на изменение еговнутренней энергии и на совершение им работы при постоянном давлении.
Адиабатный процесс.
Процесс втеплоизолированной системе называют адиабатным. При адиабатном процессе Q=0 исогласно уравнению ∆U=А+Q изменение внутренней энергиипроисходит только за счет совершения работы: ∆U=А
Нельзя окружить систему оболочкой, абсолютно не допускающейтеплопередачу. Но в ряде случаев можно считать реальные процессы очень близкимик адиабатным. Для этого они должны протекать достаточно быстро, так, чтобы завремя процесса не произошло заметного теплообмена между системой и окружающимителами.
Билет№7
Принципы действиятепловых двигателей.
Для того чтобы двигательсовершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателяили лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давленийдостигается за счет повышения температуры рабочего тела на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышениетемпературы происходит при сгорании топлива
Рабочим телом у всехтепловыхдвигателей является газ, который совершает работу прирасширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через t1.
В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышениетемпературы происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. ТемпературуТ1 называют температурой нагревателя.
Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя. Невозможность полного превращения внутреннейэнергии газа в работу тепловых двигателей обусловлена необратимостью процессовв природе. Если бы теплота могла самопроизвольно возвращаться от холодильника кнагревателю, то внутренняя энергия могла бы быть полностью превращена вполезную работу с помощью любого теплового двигателя.
Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем,равна:
A'=|Ql|-|Q2|
гдеQ1— количество теплоты, полученное от нагревателя, a Q2—количество теплоты, отданное холодильнику.
/>
Коэффициентом полезного действиятеплового двигателя называют отношение работы А', совершаемой двигателем, кколичеству теплоты, полученному от нагревателя:
КПД теплового двигателяменьше единицы. При Т1—Т2=0 двигатель не можетработать.
Максимальное значение КПД тепловых двигателей. Законы термодинамики позволяют вычислитьмаксимально возможный КПД теплового двигателя, работающего с нагревателем,имеющим температуру Т1, и холодильником с температурой Т2.Впервые это сделал французский инженер и ученый Сади Карно .
/>Карно придумал идеальную тепловую машину сидеальным газом в качестве рабочего тела. Он получил для КПД этой машиныследующее значение:
Как и следовало ожидать, КПД машины Карно прямо
пропорционален разности абсолютных температур нагревателя и холодильника.
Главное значение этой формулы состоит в том, как доказал Карно, что любаяреальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т1,и холодильником с температурой Т2 не может иметь КПД, превышающийКПД идеальной тепловой машины.
При температурехолодильника, равной абсолютному нулю, η=1
Тепловые двигатели и охрана природы. Повсеместное применение тепловых двигателей с целью получения удобнойдля использования энергии связано с воздействием на
окружающую среду.Согласно законам термодинамики производство электрической и механическойэнергии в принципе не может быть осуществлено без отвода в окружающую средузначительного количества теплоты, что должно привести к постепенному повышениюсредней температуры на Земле. Сейчас мощность двигателей в целом составляетоколо 1010 кВт. Когда эта мощность достигнет 3*1012 кВт,то средняя температура повысится примерно на один градус. Дальнейшее повышениетемпературы может создать угрозу таяния ледников и катастрофического повышенияуровня Мирового океана. Кроме того, на Земле может возникнуть “паровой эффект”.
Применение паровых турбин на электростанциях требует больших площадей подпруды для охлаждения отработанного пара.
Охрана: Необходимоповышать эффективность сооружений, препятствующих выбросу в атмосферу вредныхвеществ, добиваться более полного сгорания топлива в автомобильных двигателях.Уже сейчас не допускаются к эксплуатации автомобили с повышенным содержанием СОв отработанных газах. Создают электромобили, способние конкурировать с обычными,и возможность применения горючего без вредных веществ в отработанных газах,например в двигателях, работающих на смеси водорода с кислородом.
Билет№8
Электризация тел и ее применение в технике.Значительная электризация происходит при трении синтетических тканей. Снимаянейлоновую рубашку в сухом воздухе, можно слышать характерное потрескивание.Между заряженными участками трущихся поверхностей проскакивают маленькиеискорки. С подобными явлениями приходится считаться на производстве. Так, нитипряжи на текстильных фабриках электризуются за счет трения, притягиваются кверетенам и роликам и рвутся. Электризация тел при тесном контакте используетсяв электрокопировальных установках типа «Ксерокс» и др.<
Опыт с электризацией пластин доказывает, что при электризации трениемпроисходит перераспределение имеющихся зарядов между телами, нейтральными впервый момент. Небольшая часть электронов переходит с одного тела на другое.При этом новые частицы не возникают, а существовавшие ранее не исчезают. При электризациител выполняется закон сохранения электрического заряда. Этот закон для замкнутойсистемы.В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов всех частицостается неизменной. Если заряды частиц обозначить через q1 , q2 и т.д., то
q1 , +q2+q3 +…+qn =const
Справедливость закона сохранения заряда подтверждают наблюдения надогромным числом превращений элементарных частиц. Этот закон выражает одно изсамых фундаментальных свойств электрического заряда. Причина сохранения зарядадо сих пор неизвестна.
Закон Кулона. Опыты Кулонапривели к установлению закона поразительно напоминающего закон всемирноготяготения.Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел ввакууме прямо пропорциональна произведению модулей заряда и обратнопропорциональна квадрату расстояние между ними. Эту силу называют кулоновской.
/>Если обозначить модули зарядов через |q1| и |q2|, а расстояние между ними через r, то закон Кулона можно записать в следующей форме:
где k —коэффициент пропорциональности, численно равный силе взаимодействия единичныхзарядов на расстоянии, равном единице длины. Его значение зависит от выборасистемы единиц.
Билет№9
Электрическое поле.
Электрическое полесуществует реально; его свойства можно исследовать опытным путем. Неизвестно изчего оно состоит.
Дом состоит из кирпичей, плит и других материалов, которые в свою очередьсостоят из молекул, молекулы — из атомов, атомы — из элементарных частиц. Болееже простых образований, чем элементарные частицы, мы не знаем. Так же обстоитдело и с электрическим полем, ничего более простого, чем поле, мы не знаем.Поэтому о природе электрического поля мы можем сказать лишь следующее:
во-первых, поле материально; оно существует независимо отнас, от наших знаний о нем;
во-вторых,поле обладает определенными свойствами.
Основные свойства электрического поля. Главное свойство электрического поля — действие его на электрическиезаряды с некоторой силой.
Электрическое поленеподвижных зарядов называют электростатическим. Оно не меняется со временем.Электростатическое поле создается только электрическими зарядами. Напряженность электрического поля. Электрическое поле обнаруживается по силам,действующим на заряд.
Если поочередно помещать в одну и ту же точку поля небольшие заряженныетела и измерять силы, то обнаружится, что сила, действующая на заряд со стороныполя, прямо
/>пропорциональная этому заряду. Действительно,пусть поле создается точечным зарядом q1.Согласно закону Кулона на заряд q2 действует сила, пропорциональная заряду q2. Поэтому отношение силы, действующей напомещаемый в данную точку поля заряд, к этому заряду для каждой точки поля независит от заряда и может рассматриваться как характеристика поля. Этухарактеристику называют напряженностью электрического поля. Подобносиле, напряженность поля—векторная величина; ее обозначают буквой Е.Если помещенный в поле заряд обозначить через qвместо q2 то напряженность будетравна:
/>Напряженность поля равна отношению силы, скоторой поле действует на точечный заряд, к этому заряду.
Отсюдасила, действующая на заряд q со стороны электрического поля, равна:
Напряженность поля вединицах СИ можно выразить, в ньютонах на кулон (Н/Кл).
Принцип суперпозицииполей.
/>Если на тело действует несколько сил, то согласно законам механикирезультирующая сила равна геометрической сумме сил:
На электрические заряды действуют силы со стороныэлектрического поля. Если при наложении полей от нескольких зарядов эти поля неоказывают никакого влияния друг на друга, то результирующая сила со сторонывсех полей должна быть равна геометрической сумме сил со стороны каждого поля.Опыт показывает, что именно так и происходит на самом деле. Это означает, чтонапряженности полей складываются геометрически.
/>/>В этом состоит принцип суперпозиции полейкоторый формулируется так:если в данной точке пространства различныезаряженные частицы создают электрические поля, напряженностикоторых и т. д., то результирующая напряженность поля в этойточке равна:
Билет № 10
/>Работа при перемещении заряда в однородном электростатическом поле. Однородное поле создают, например, большие металлические пластины, имеющие заряды противоположного знака. Это поледействует на заряд с постоянной силой F=qE.
Пусть пластинырасположены вертикально левая пластина В заряжена отрицательно,
а правая D — положительно. Вычислимработу, совершаемую полем при
перемещенииположительного заряда q из точки 1, находящейся на расстоянии d1<sub/>
от пластины В, вточку 2, расположенную на расстоянии d2<d1<sub/>оттой же пластины.
Точки 1 и 2лежат на одной силовой линии. На участке пути ∆d=d1—d2электрическое
поле совершитположительную работу: A=qE(d1—d2). Этаработа не зависит от формы
траектории.
/> Потенциалом электростатического поля называютотношение
потенциальнойэнергии заряда в поле к этому заряду.
Согласно данному определению потенциал равен:
/>(Разность потенциалов.Подобно потенциальной энергии, значение потенциала в данной
точке зависит от выборанулевого уровня для отсчета потенциала. Практическое значение
имеет не сам потенциалв точке, а изменение потенциала, которое не зависит от выбора
нулевого уровняотсчета потенциала.
Так как потенциальная энергия Wp=qφ то работа равна:
/>Разность потенциалов равен:
Разность потенциалов (напряжение) между двумя точкамиравна отношению работы поля при перемещении заряда из начальной точки вконечную к этому заряду. Pазность потенциалов междудвумя точками равна единице, если при перемещении заряда в 1 Кл из однойточки в другую электрическое поле совершает работу в 1 Дж. Эту единицуназывают вольтом (В).
Билет №11
Электроемкость. Электроемкостьфизическая величина, характеризующая способность двух проводниковнакапливать электрический заряд. Эту величину называют.
Напряжение между двумя проводниками пропорционально электрическимзарядам, которые находятся на проводниках. Если заряды удвоить, то напряженность электрического поля станет в 2раза больше, следовательно, в 2 раза увеличится и работа, совершаемая полем приперемещении заряда, т. е. в 2 раза увеличится напряжение. Поэтому отношениезаряда одного из проводников к разности потенциалов между этимпроводником и соседним не зависит от заряда. Оно определяется геометрическимиразмерами проводников, их формой и взаимным расположением, а такжеэлектрическими свойствами окружающей среды (диэлектрической проницаемостьюε). Это позволяет ввести понятие электроемкости двух проводников.
/>Электроемкостью двух проводников называютотношение заряда одного из проводников к разности потенциалов между этимпроводником и соседним:
Иногда говорят обэлектроемкости одного проводника. Это имеет
смысл, если проводник являетсяуединенным, т. е. расположен на большом по сравнению с его размерами расстоянииот других проводников. Так говорят, например, о емкости проводящего шара. Приэтом подразумевается, что роль другого проводника играют удаленные предметы,расположенные вокруг шара.
Электроемкость двух проводников равна единице, если при сообщении имзарядов ±1 Кл между ними возникает разностьпотенциалов 1 В. Эту единицу называют фарад (Ф);
1 Ф=1 Кл/В.
Конденсатор. Большойэлектроемкостью обладают системы из двух проводников, называемые конденсаторами.Конденсатор представляет собой два проводника, разделенные слоем диэлектрика,толщина которого мала по сравнению с размерами проводников. Проводники вэтом случае называются обкладками конденсатора.
Простейший плоскийконденсатор состоит из двух одинаковых параллельных пластин, находящихся намалом расстоянии друг от друга. Если заряды пластин одинаковы по модулю ипротивоположны по знаку, то силовые линии электрического поля начинаются наположительно заряженной обкладке конденсатора и оканчиваются на отрицательнозаряженной.
Поэтому почти всеэлектрическое поле сосредоточено внутри конденсатора.
/>У сферического конденсатора, состоящего из двух концентрических сфер, всеполе сосредоточено между ними. Электроемкость конденсатора определяется формулой
Энергия заряженного конденсатора. Для того чтобы зарядить конденсатор, нужно совершить работу поразделению положительных и отрицательных зарядов. Согласно закону
сохранения энергии эта работа равна энергии конденсатора. Энергияконденсатора превращается в другие формы: тепловую, />световую.
Формула энергии плоского конденсатора.
Применение конденсаторов.Энергия конденсатора обычно не очень велика — не более сотен джоулей. К тому жеона не сохраняется долго из-за неизбежной утечки заряда. Поэтому заряженныеконденсаторы не могут заменить, например, аккумуляторы в качестве источниковэлектрической энергии.
Они имеют одно и свойство: конденсаторы могут накапливать энергию болееили менее длительное время, а при pазрядке через цепь малого coпpoтивления они отдают энергию почти мгновенно Именноэто свойство используются широко на практике.
Лампа-вспышка,применяемая в фотографии, питается электрическим током разряда конденсатор.
Билет №12
При движении заряженных частиц в проводнике происходит переносэлектрического заряда с одного места в другое. Однако если заряженные частицысовершают беспорядочное тепловое движение, как, например, свободныеэлектроны в металле, то переноса заряда не происходит. Электрический зарядперемещается через поперечное сечение проводника лишь в том случае, если нарядус беспорядочным движением электроны участвуют в упорядоченном движении.
Электрическим токомназывают упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц.
Электрический ток возникает при упорядоченномперемещении свободных электронов или ионов. Если перемещать нейтральное в целомтело, то, несмотря на упорядоченное движение огромного числа электронов иатомных ядер, электрический ток не возникнет. Полный заряд, переносимый черезлюбое сечение проводника, будет при этом равным нулю, так как заряды разныхзнаков перемещаются с одинаковой средней скоростью.
Электрический ток имеетопределенное направление. За направление тока принимают направление движенияположительно заряженных частиц. Если ток образован движением отрицательнозаряженных частиц, то направление тока считают противоположным направлениюдвижения частиц.
/>Сила тока — физическая величина, определяющая величину электрического заряда,перемещаемого в единицу времени через поперечное сечение повода
Если сила тока со временем неменяется, то ток называют постоянным.
Сила тока, подобно заряду,— величина скалярная. Она может быть как положительной, так и отрицательной.Знак силы тока зависит от того, какое из направлений вдоль проводника принятьза положительное. Cила тока I>0,если направление тока совпадает с условно выбранным положительным направлениемвдоль проводника. В противном случае I<0.
Сила тока зависит от заряда, переносимого каждой частицей, концентрациичастиц, скорости их направленного движения и площади поперечного сеченияпроводника. Измеряется в (А).
Для возникновения исуществования постоянного электрического тока в веществе необходимо, во-первых,наличие свободных заряженыхчастиц. Если положительные и отрицательные заряды связаны друг с другом ватомах или молекулах, то их перемещение не приведет к появлению электрическоготока.
Для создания иподдержания упорядоченного движения заряженных частиц необходима, во-вторых,сила, действующая на них в определенном направлении. Если эта сила перестанет действовать, тоупорядоченное движение заряженных частиц прекратится из-за сопротивления,оказываемого их движению ионами кристаллической решетки металлов илинейтральными молекулами электролитов.
На заряженные частицы, как мы знаем, действует электрическое поле с силойF=qE.Обычно именно электрическое поле внутрипроводника служит причиной, вызывающей и поддерживающей упорядоченное движениезаряженных частиц. Только встатическом случае, когда заряды покоятся, электрическое поле внутри проводникаравно нулю.
Если внутри проводника имеется электрическое поле, то между концамипроводника существует разность потенциалов. Когда разность потенциалов неменяется во времени, то в проводнике устанавливается постоянный электрическийток
Закон Ома. Наиболее простой вид имеет вольт-ампернаяхарактеристика металлических проводников и растворов электролитов. Впервые (дляметаллов) ее установил немецкий ученый Георг Ом, поэтому зависимость силы токаот напряжения носит название закона Ома.
/>Закон Ома для участка цепи: сила тока прямопропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению:
Доказать экспериментально справедливость закона Ома трудно.
/>Сопротивление. Основная электрическая характеристика проводника — сопротивление.От этой величины зависит сила тока в проводнике при заданном напряжении.Сопротивление проводника представляет собой как бы меру противодействияпроводника установлению в нем электрического тока. С помощью закона Ома можноопределить сопротивление проводника:
Для этого нужно измерить напряжение и силу тока.
/>Сопротивление зависит от материала проводника иего геометрических размеров.Сопротивление проводника длиной l с постоянной площадьюпоперечного сечения S равно:
где р — величина, зависящая от рода вещества и его состояния (оттемпературы в первую очередь). Величину р называют удельным сопротивлениемпроводника. Удельное сопротивление численно равно сопротивлениюпроводника, имеющего форму куба с ребром 1 м, если ток направлен вдольнормали к двум противоположным граням куба.
Проводник имеет сопротивление 1 Ом, если при разности потенциалов 1 В сила тока в нем 1А.
Единицей удельного сопротивления является 1 Ом-м.
Последовательное соединение проводников. При последовательном соединении электрическаяцепь не имеет разветвлений. Все проводники включают в цепь поочередно друг задругом.
Сила тока в обоих проводниках одинакова, т.е. I1=I2=I так как в проводниках электрический заряд вслучае постоянного тока не накапливается и через любое поперечное сечениепроводника за определенное время проходит один итот же заряд.
Напряжение на концах рассматриваемого участка цепи складывается изнапряжений на первом и втором проводниках: U=U1+U2
Полное сопротивлениевсего участка цепи при последовательном соединении равно: R=R1+ R1
Работа тока.
эта работа равна: A=IU∆t
Работа тока научастке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течениекоторого совершалась работа.
Нагревание происходит, если сопротивление провода высокое
/>Мощность тока. Любойэлектрический прибор (лампа, электродвигатель) рассчитан на потреблениеопределенной энергии в единицу времени. Мощность тока равна отношению работытока за время ∆tк этому интервалу времени. Согласно этому определению
Билет №13
Электродвижущая сила
/> Электродвижущая сила в замкнутом контуре представляет собой отношениеработы сторонних сил при перемещении заряда вдоль контура к заряду:
Электродвижущую силувыражают в вольтах.
Электродвижущая силагальванического элемента естьработа сторонних
сил при перемещенииединичного положительного заряда внутри элемента от одного полюса к другому.
Сопротивлениеисточника часто называют внутренним сопротивлением в отличие от внешнегосопротивления R цепи. В генераторе r—это сопротивление обмоток, а в гальваническом элементе — сопротивление раствораэлектролита и электродов. Закон Ома для замкнутой цепи связывает силу тока вцепи, ЭДС и полное сопротивление R+r цепи.
/> Произведение силы тока и сопротивления участкацепи часто называют падением напряжения на этом участке. Таким образом,ЭДС равна сумме падений напряжений на внутреннем и внешнем участках замкнутойцепи.
Обычно закон Ома для замкнутой цепи записывают в форме
Сила тока в полной цепи равна отношению ЭДС цепик ее полному сопротивлению.
Сила тока зависит от трех величин: ЭДС ε, сопротивлений R и r внешнегои внутреннего участков цепи. Внутреннее сопротивление источника тока неоказывает заметного влияния на силу тока, если оно мало по сравнению ссопротивлением внешней части цепи (R>>r). При этом напряжение на зажимах источника приблизительно равно ЭДС:
U=IR≈ε.
При коротком замыкании, когда R→0, сила тока в цепиопределяется именно внутренним сопротивлением источника и при электродвижущейсиле в несколько вольт может оказаться очень большой, если r мало (например, у аккумулятора r≈0,1—0,001 Ом). Провода могут расплавиться, а самисточник выйти из строя.
Если цепь содержит несколько
последовательносоединенных элементов с ЭДС ε1<sub/>,ε2,ε3и т.д., то полная ЭДС цепи равна алгебраической сумме ЭДС отдельныхэлементов.
Если при обходе цепи переходят от отрицательного полюса источника кположительному, то ЭДС >0.
Билет № 13
Взаимодействия между проводниками с током, т. е. взаимодействия междудвижущимися электрическими зарядами, называют магнитными. Силы, с которымипроводники с током действуют друг на друга, называют магнитными силами.
Магнитное поле. Согласнотеории близкодействия ток в одном из проводников не может непосредственно действоватьна ток в другом проводнике.
В пространстве, окружающем неподвижные электрические заряды, возникаетэлектрическое поле, в пространстве, окружающем токи, возникает поле,называемое магнитным.
Электрический ток в одном из проводников создает вокруг себя магнитноеполе, которое действует на ток во втором проводнике. А поле, созданноеэлектрическим током второго проводника, действует на первый.
Магнитное поле представляет собой особую форму материи, посредствомкоторой осуществляется взаимодействие между движущимися электрическизаряженными частицами.
Свойства магнитногополя:
1. Магнитное поле порождается электрическим током (движущимисязарядами).
2. Магнитное поле обнаруживается по действию на электрический ток(движущиеся заряды).
Подобно электрическому полю, магнитное поле существует реально,независимо от нас, от наших знаний о нем.
Магнитная индукция – способность магнитного поля оказывать силовоедействие на проводник с током (векторная величина). Измеряется в Тл.
За направление вектора магнитной индукции принимаетсянаправление от южного полюса S к северному N магнитнойстрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле. Это направление совпадаетс направлением положительной нормали к замкнутому контуру с током.
Направление вектора магнитной индукцииустанавливают с помощью правиле буравчика:
если направление поступательного движения буравчикасовпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручкибуравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции.
Линии магнитной индукции.
Линия, в любойточке которой вектор магнитной индукции направлен по касательной – линии магнитной индукции. Однородное поле – параллельные линии,неоднородное поле – кривыми линиями. Чем больше линий, тем больше сила этогополя. Поля с замкнутыми силовыми линиями называют вихревыми. Магнитноеполе — вихревое поле.
/>Магнитный поток. –величина равная произведению модуля векторамагнитной индукции на площадь и на косинус угла между вектором и нормалью кповерхности.
/>Сила Ампера равнапроизведения вектора магнитной индукции на силу тока, длину участка проводникаи на синус угла между магнитной индукцией и участком проводника.
Силу, действующую на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитногополя, называю силой Лоренца. Этусилу можно найти с помощью закона Ампера.
/>Модуль силы Лоренца равен отношению модуля силы F,действующей на участок проводника длиной êl, к числу N заряженныхчастиц, упорядочение движущихся на этом участке проводника:
Направление с помощью правила левой руки:Если левую руку расположитьтак, чтобы составляющая магнитной индукции В, перпендикулярная скоростизаряда, входила в ладонь, а четыре пальца были направлены по движениюположительного заряда (против движения отрицательного), то отогнутый на 90°большой палец покажет направление действующей на заряд силы Лоренца.
Так как сила Лоренца перпендикулярна скорости частицы, то. она несовершает работу.
Силу Ампера применяют в громкоговарителях, динамиках.
Принцип работы: Покатушке протекает переменный электрический ток с частотой, равной звуковойчастоте от микрофона или с выхода радиоприемника. Под действием силы Амперакатушка колеблется вдоль оси громкоговорителя в такт с колебаниями тока. Этиколебания передаются диафрагме, и поверхность диафрагмы излучает звуковыеволны.
Силу Лоренца применяютв телевизорах, масс-спектограф.
Принцип работы: Вакуумная камера прибора помещена в магнитное поле.Ускоренные электрическим полем заряженные частицы (электроны или ионы), описавдугу, попадают на фотопластинку, где оставляют след, позволяющий с большойточностью измерить радиус траектории. По этому радиусу определяетсяудельный заряд иона. Зная же заряд иона, легко определить его массу.
Билет № 15
Экспериментальное доказательство существования свободных электронов вметаллах. Экспериментальноедоказательство того, что проводимость металлов обусловлена движением свободныхэлектронов, было дано в опытах Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси .
На катушку наматывают проволоку, концы которой припаивают к двум металлическимдискам, изолированным друг от друга. К концам дисков при помощи скользящихконтактов присоединяют гальванометр.
Катушку приводят в быстрое движение, а затем резко останавливают. Послерезкой остановки катушки свободные заряженные частицы некоторое время движутсяотносительно проводника по инерции, и, следовательно, в катушке возникнетэлектрический ток. Ток существует незначительное время, так как из-засопротивления проводника заряженные частицы тормозятся и упорядоченное движениечастиц, образующее ток, прекращается.
Направление тока говорит о том, что он создается движением отрицательнозаряженных частиц.
Если пропустить ток от аккумулятора через стальную спираль, а затемначать нагревать ее в пламени горелки, то амперметр покажет уменьшение силытока. Это означает, что с изменением температуры сопротивление проводникаменяется.
/>Если при температуре, равной 0° С, сопротивлениепроводника равно Ro,а при температуре t оно равно R, тоотносительное изменение сопротивления, как показывает опыт, прямопропорционально изменению температуры t:
/>Коэффициент пропорциональности α называют температурным коэффициентомсопротивления. Он характеризует зависимость сопротивления вещества оттемпературы. Температурный коэффициент сопротивления численно равенотносительному изменению сопротивления проводника при нагревании на 1 К. Длявсех металлических проводников α>0 инезначительно меняется с изменением температуры. У чистых металлов .
/>У растворов электролитов сопротивление с ростомтемпературы не увеличивается, а уменьшается. Зависимость удельного сопротивления от от температуры:
В 1911 г. голландскийфизик Камерлинг-Оннес открыл замечательное явление — сверхпроводимость. Онобнаружил, что при охлаждении ртути в жидком гелии ее сопротивление сначаламеняется постепенно, а затем при температуре 4,1 К очень резко падает до нуля. Это явление было названо сверхпроводимостью.
Сверхпроводимостьнаблюдается при очень низких температурах — около 25 К.
Если в кольцевом проводнике, находящемся в сверхпроводящем состоянии,создать ток, а затем устранить источник электрического тока, то сила этого токане меняется сколь угодно долго. В обычном же несверхпроводящем проводникеэлектрический ток в этом случае прекращается.
Сверхпроводники находят широкое применение. Так, сооружают мощныеэлектромагниты со сверхпроводящей обмоткой, которые создают магнитное поле напротяжении длительных интервалов времени без затрат энергии. Ведь выделениятеплоты в сверхпроводящей обмотке не происходит.
Однако получить скольугодно сильное магнитное поле с помощью сверхпроводящего магнита нельзя. Оченьсильное магнитное поле разрушает сверхпроводящее состояние. Такое полеможет быть создано током в самом сверхпроводнике. Поэтому для каждогопроводника в сверхпроводящем состоянии существует критическое значение силытока, превзойти которое, не нарушая сверхпроводящего состояния, нельзя.
Билет №16
Жидкости, как и твердые тела, могут быть диэлектриками, проводниками иполупроводниками. К числу диэлектриков относится дистиллированная вода, кпроводникам — растворы и расплавы электролитов: кислот, щелочей и солей. Жидкимиполупроводниками являются расплавленный селен, расплавы сульфидов и др.
Электролитическая диссоциация.
При растворенииэлектролитов под влиянием электрического поля полярных молекул воды происходитраспад молекул электролитов на ионы. Этот процесс называетсяэлектролитической диссоциацией.
Степень диссоциации, т. е.доля молекул в растворенном веществе, распавшихся на ионы, зависит оттемпературы, концентрации раствора и диэлектрической проницаемости ерастворителя. С увеличением температуры степень диссоциации возрастает и,следовательно, увеличивается концентрация положительно и отрицательнозаряженных ионов.
Ионы разных знаков привстрече могут снова объединиться в нейтральные молекулы — рекомбинировать.При неизменных условиях в растворе устанавливается динамическое равновесие, прикотором число молекул, распадающихся за секунду на ионы, равно числу пар ионов,которые за то же время вновь объединяются в нейтральные молекулы.
Ионная проводимость.Носителями заряда в водных растворах или расплавах электролитов являютсяположительно и отрицательно заряженные ионы.
Если сосуд с раствором электролита включить в электрическую цепь, тоотрицательные ионы начнут двигаться к положительному электроду — аноду, аположительные — к отрицательному — катоду. В результате установитсяэлектрический ток. Поскольку перенос заряда в водных растворах или расплавахэлектролитов осуществляется ионами, такую проводимость называют ионной.
Электролиз. При ионной проводимости прохождение тока связанос переносом вещества. На электродах происходит выделение веществ, входящих всостав электролитов. На аноде отрицательно заряженные ионы отдают свои лишниеэлектроны, а на катоде положительные ионы получают недостающие электроны. Процессвыделения на электроде вещества, связанный с окислительно-восстановительнымиреакциями, называют электролизом.
/>Очевидно, что масса выделившегося вещества равнапроизведению массы одного иона m0j начисло ионов Nj, достигших электрода за время Δt: m= m0j Nj. Массаиона
/>где М — молярная (или атомная) масса вещества, а
Число ионов, достигших электрода, равно:
/>Закона электролиза Фарадея. масса вещества выделившегося на электроде за.время Δt при прохождении электрического тока, пропорциональна силе тока ивремени.
Применения электролиза.
Электролитическим путем покрывают поверхность одного металла тонкимслоем другого {никелирование, хромирование, омеднение и т. п.). Этопрочное покрытие защищает поверхность от коррозии.
В полиграфическойпромышленности такие копии (стереотипы) получают с матриц (оттиск набора напластичном материале), для чего осаждают на матрицах толстый слои железа илидругого материала. Это позволяет воспроизвести набор в нужном количествеэкземпляров.
При помощи электролиза осуществляют очистку металлов от примесей. Так, полученную из руды неочищенную медь отливаютв форме толстых листов, которые затем помещают в ванну в качестве анодов. Приэлектролизе медь анода растворяется, примеси, содержащие ценные и редкиеметаллы, выпадают на дно, а на катоде оседает чистая медь.
Билет№17
Наиболее отчетливополупроводники отличаются от проводников характером зависимостиэлектропроводимости от температуры. Измерения показывают, что у ряда элементов(кремний, германий, селен и др.) удельное сопротивление с увеличениемтемпературы не растет, как у металлов, а наоборот, чрезвычайно резкоуменьшается. Такие вещества и называют полупроводниками.
Дырочная проводимость. Приразрыве связи образуется вакантное место с недостающим электроном. Его называютдыркой. В дырке имеется избыточный положительный заряд по сравнению состальными. Один из электронов, обеспечивающих связь
атомов, перескакивает наместо образовавшейся дырки и восстанавливает здесь парноэлектронную связь, атам, откуда перескочил этот электрон, образуется новая дырка. Таким образом,дырка может перемещаться по всему кристаллу.
Полупроводники обладаютне только электронной, но и дырочной проводимостью-
собственнойпроводимостью полупроводников.
Собственная проводимость полупроводников обычно невелика, так как малочисло свободных электронов. Число свободных электронов составляет примерно о удесятимиллиардную часть от общего числа атомов.
Существенная особенность полупроводников состоит в том, что в них приналичии примесей наряду с собственной проводимостью возникает дополнительная — примеснаяпроводимость. Изменяя концентрацию примеси, можно значительно изменятьчисло носителей заряда того или иного знака. Благодаря этому можно создаватьполупроводники с преимущественной концентрацией либо отрицательно, либоположительно заряженных носителей.
Применение:
Полупроводниковыйдиод – применяется длявыпрямления электрического тока в радиосхемах. В p-nпереходе носители заряда образуются при введении в кристалл акцепторной илидонорской примеси. Здесь отпадает необходимость использования источника энергиидля получения свободных носителей заряда. Экономия энергии получаетсязначительной. Полупроводниковые выпрямители более миниатюрны, чем электронныелампы. Радиоустройства на полупроводниках намного компактнее. Полупроводниковыеэлементы используются на искусственных спутниках Земли, космических кораблях,электронно-вычислительных машинах. Полупроводниковые диоды изготовляют изгермания, кремния, селена и др. веществ. Они обладают высокой надежностью иимеют большой срок службы, но ограничены интервалом температур от –70 до 125градусов С.
Транзисторы. Заменяют электронные лампы во многихэлектрических цепях научной, промышленной и бытовой аппаратуры. Портативныерадиоприемники, использующие такие приборы, в обиходе называют транзисторами.Преимущество: отсутствие накаленного катода, потребляющего значительнуюмощность и требующего времени для его разогрева. Транзисторы в десятки и сотнираз меньше по размерам и массе, чем электронные лампы. Работают при болеенизких напряжениях. Недостатки те же, что и у полупроводниковых диодов.
Термисторы. Один из самых простых полупроводниковых приборов.Выпускаются в виде стержней, трубок, дисков, шайб и бусинок размером отмикрометров до нескольких сантиметров. Термисторы применяются длядистанционного измерения температуры, противопожарной сигнализации и т.д.Диапазон измеряемых температур большинства термисторов лежит от 170 до 570 К.Существуют термисторы для измерения очень высоких до1300 и очень низких 4-80 Ктемператур.
Фоторезисторы(фотосопротивления). Электрическаяпроводимость полупроводников повышается не только при нагревании, но и приосвещении. Данный эффект наблюдается и при неизменной температуре.Фоторезисторы — приборы, в которых используют фотоэлектрический эффект вполупроводниках. Миниатюрность и высокая чувствительность фоторезисторовпозволяют использовать их в самых различных областях науки и техники длярегистрации и измерения слабых световых потоков. С помощью фоторезисторовопределяют качество поверхностей, контролируют размеры изделий и т.д.
Билет№18
Откачивая газ из сосуда,можно дойти до такой его концентрации, при которой молекулы успевают пролететьот одной стенки сосуда к другой, ни разу не испытав соударении друг с другом.Такое состояние газа в трубке называют вакуумом.
Проводимость межэлектронного промежутка в вакууме можно обеспечить толькос помощью введения в трубку источника заряженных частиц.
Термоэлектронная эмиссия.Чаще всего действие такого источника заряженных частиц основано на свойстветел, нагретых до высокой температуры, испускать электроны. Этот процессназывается термоэлектронной эмиссией. Его можно рассматривать как испарениеэлектронов с поверхности металла. У многих твердых веществ термоэлектроннаяэмиссия начинается при температурах, при которых испарение самого вещества еще непроисходит. Такие вещества и используются для изготовления катодов.
Односторонняя проводимость.Явление термоэлектронной эмиссии приводит к тому, что нагретый металлическийэлектрод в отличие от холодного непрерывно испускает электроны. Электроныобразуют вокруг электрода электронное облако. Электрод при этомзаряжается положительно, и под влиянием электрического поля заряженного облакаэлектроны из облака частично возвращаются на электрод.
В равновесном состоянии число электронов, покинувших электрод в секунду,равно числу электронов, возвратившихся на электрод за это время. Чем вышетемпература металла, тем выше плотность электронного облака.
Различие между горячим и холодным электродами, впаянными в сосуд, изкоторого откачан воздух, приводит к односторонней проводимости электрическоготока между ними.
При подключении электродов к источнику тока между ними возникаетэлектрическое поле. Если положительный полюс источника тока соединен с холоднымэлектродом (анодом), а отрицательный — с нагретым (катодом), то напряженностьэлектрического поля направлена к нагретому электроду. Под действием этого поляэлектроны частично покидают электронное облако и движутся к холодномуэлектроду. Электрическая цепь замыкается, и в ней устанавливается электрическийток. При противоположном включении источника напряженность поля направлена отнагретого электрода к холодному. Электрическое поле отталкивает электроныоблака назад к нагретому электроду. Цепь оказывается разомкнутой.
Диод. Односторонняяпроводимость используется в электронных приборах с двумя электродами — вакуумныхдиодах.
Устройство современного вакуумного диода (электронной лампы) таково.Внутри баллона из стекла или металлокерамики, из которого откачан воздух додавления 10~6— 10~7 мм рт. ст., размещены два электрода(рис. 173, а). Один из них— катод — имеет вид вертикальногометаллического цилиндра, покрываемого обычно слоем оксидов щелочноземельныхметаллов, например бария, стронция, кальция. Такой катод называют оксидным.
При нагреванииповерхность ок-сидного катода выделяет гораздо больше электронов, чемповерхность катода из чистого металла. Внутри катода расположен изолированныйпроводник, нагреваемый переменным током. Нагретый катод испускает электроны,достигающие анода, если анод имеет более высокий потенциал, чем катод.
Свойства электронныхпучков и их применение.
При торможениибыстрых электронов, попадающих на вещество, возникает рентгеновское излучение.Некоторые вещества (стекло, суль фиды цинка и кадмия), бомбардируемые*электронами, светятся. В настоящее. время среди материалов этого типа(люминофоров') применяются такие, у которых в световую энергию превращается до25% энергии электронного пучка.
Электронные пучки отклоняются электрическим полем. Например, проходя между пластинами конденсатора,электроны отклоняются от отрицательно заряженной пластины к положительнозаряженной (рис. 177).
Электронный пучок отклоняется также в магнитном поле. Пролетая над северным полюсом магнита, электроныотклоняются влево, а пролетая над южным, отклоняются вправо (рис. 178).Отклонение электронных потоков, идущих от Солнца, в магнитном поле Землиприводит к тому, что свечение газов верхних слоев атмосферы (полярные сияния)наблюдается только у полюсов.
Возможность управления электронным пучком с помощью электрического илимагнитного полей и свечение покрытого люминофором экрана под действием пучкаприменяют в электронно-лучевой трубке.
Электронно-лучевая трубка.Электронно-лучевая трубка — основной элемент телевизора и осциллографа*—прибора для исследования быстропеременных процессов в электрических цепях(рис. 179).
Устройство электронно-лучевой трубки показано на рисунке 180 Трубкапредставляет собой вакуумный баллон, одна из стенок которого служит экраном. Вузком конце трубки помещен источник быстрых электронов — электронная пушка(рис. 181). Она состоит из катода, управляющего электрода и анода (чащенесколько анодов располагаются друг за» другом). Электроны испускаются нагретымоксидным слоем с торца цилиндрического катода С, окруженного теплозащитнымэкраном //. Далее они проходят через отверстие в цилиндрическом управляющемэлектроде В (он регулирует число электронов в пучке). Каждый анод ai и Л 2 состоит из дисков с небольшими отверстиями.Эти диски вставлены в металлические цилиндры. Между первым анодом и катодомсоздается разность потенциалов в сотни и даже тысячи вольт. Сильноеэлектрическое поле ускоряет электроны, и они приобретают большую скорость.Форма, расположение и потенциалы анодов выбраны так, чтобы наряду с ускорениемэлектронов осуществлялась и фокусировка электронного пучка, т. е. уменьшениеплощади поперечного сечения пучка на экране почти до точки.
На пути к экрану пучокпоследовательно проходит между двумя парами управляющих пластин, подобныхпластинам плоского конденсатора (см. рис. 180). Если электрического поля междупластинами нет, то пучок не отклоняется и светящаяся точка располагается вцентре экрана. При сообщении разности потенциалов вертикально расположеннымпластинам пучок смещается в горизонтальном направлении, а при сообщении разностипотенциалов горизонтальным пластинам он смещается в вертикальном направлении.
Одновременное использование двух пар пластин позволяет перемещатьсветящуюся точку по экрану в любом направлении. Так как масса электронов оченьмала, то они почти мгновенно реагируют на изменение разности потенциаловуправляющих пластин.
В электронно-лучевой трубке, применяемой в телевизоре (так называемомкинескопе), управление пучком, созданным электронной пушкой, осуществляется спомощью магнитного поля. Это поле создают катушки, надетые на горловину трубки(рис. 182).
Билет №19
Электрический разрядв газе.
Возьмем электрометр сприсоединенными, к нему дисками плоского конденсатора и зарядим его. Прикомнатной температуре, если воздух достаточно сухой, конденсатор заметно неразряжается. Это показывает, что электрический ток, вызываемый разностьюпотенциалов в воздухе между дисками, очень мал. Следовательно, электрическаяпроводимость воздуха при комнатной температуре мала и его можно считатьдиэлектриком.
Теперь нагреем воздух между дисками горящей спичкой. Заметим, что стрелкаэлектрометра быстро приближается к нулю, значит, конденсатор разряжается.Следовательно, нагретый газ является проводником и в нем устанавливаетсяэлектрический ток.
Процесс протекания электрического тока через газ называют газовымразрядом.
Ионизация газов. Мывидели, что при комнатной температуре воздух очень плохой проводник. При
нагревании проводимостьвоздуха возрастает. Увеличение проводимости воздуха можно вызвать.и инымиспособами, например действием излучений: ультрафиолетового, рентгеновского,радиоактивного и др.
При обычных условиях газы почти полностью состоят из нейтральных атомовили молекул и, следовательно, являютсядиэлектриками. Вследствие нагревания или воздействия излучением частьатомов ионизуется — распадается на положительно заряженные ионы иэлектроны. В газе могут образовываться и отрицательные ионы, которые появляютсяблагодаря присоединению электронов к нейтральным атомам.
Ионизация газов при нагревании объясняется тем, что по мере нагреваниямолекулы движутся быстрее. При этом некоторые молекулы начинают двигаться такбыстро, что часть из них при столкновениях распадается, превращаясь в ионы. Чемвыше температура, тем больше образуется ионов.
Проводимость газов. Механизм проводимости газов похож на механизмпроводимости растворов и расплавов электролитов. Разница состоит в том, что отрицательныйзаряд переносится в основном не отрицательными ионами, как в водныхрастворах или расплавах электролитов, а электронами.
Несамостоятельный разряд.Для исследования разряда в газе при различных давлениях удобно использоватьстеклянную трубку с двумя электродами.
Пусть с помощью какого-либо ионизатора в газе образуется в секундуопределенное число пар заряженных частиц: положительных ионов и электронов.
При небольшой разностипотенциалов между электродами трубки положительно заряженные ионы перемещаютсяк отрицательному электроду, а электроны и отрицательно заряженные ионы — кположительному электроду. В результате в трубке возникает электрический ток,т. е. происходит газовый разряд.
Не все образующиеся ионы достигают электродов; часть их воссоединяется сэлектронами, образуя нейтральные молекулы газа. По мере увеличения разностипотенциалов между электродами трубки доля заряженных частиц, достигающихэлектродов, увеличивается. Возрастает и сила тока в цепи. Наконец, наступаетмомент, при котором все заряженные частицы, образующиеся в газе за секунду,достигают за это время электродов. При этом дальнейшего роста тока не происходит.Ток, как говорят, достигает насыщения. Если действие ионизатора прекратить,то прекратится и разряд, так как других источников ионов нет. По этойпричине разряд называют несамостоятельным разрядом.
Самостоятельный разряд.
Опыт показывает, что вгазах при увеличении разности потенциалов между электродами, начиная снекоторого значения, сила тока снова возрастает. Это означает, что в газепоявляются дополнительные ионы сверх тех, которые образуются за счет действияионизатора. Сила тока может возрасти в сотни и тысячи
раз, а число ионов,возникающих в процессе разряда, может стать таким большим, что внешнийионизатор будет уже не нужен для- поддержания разряда. Если убрать внешнийионизатор, то разряд не прекратится. Так как разряд не нуждается для своегоподдержания во внешнем ионизаторе, его называют самостоятельным разрядом.
Тлеющий разряд. При низкихв трубке наблюдается тлеющий разряд. Для возбуждения тлеющего разрядадостаточно напряжения между электродами в несколько сотен вольт. При тлеющемразряде почти вся трубка, за исключением небольшого участка возле катода,заполнена однородным свечением, называемым положительным столбом.
Тлеющий разряд используют в трубках для реклам. Положительный столб варгоне имеет синевато-зеленоватый цвет.
Электрическая дуга. При соприкосновении двух угольных стержней
в месте их контактаиз-за большого сопротивления выделяется большое количество теплоты. Температураповышается настолько, что начинается термоэлектронная эмиссия. Вследствиеэтого при раздвижении угольных электродов между ними начинается разряд. Междууглями возникает столб ярко светящегося газа—электрическая дуга (рис.193). Проводимость газа в этом случае значительна и при атмосферном давлении,так как число электронов, испускаемых отрицательным электродом, очень велико.
Если увеличивать силу тока при тлеющем разряде, то температура катода засчет бомбардировки ионами увеличится настолько, что начнется дуговой разряд.Таким образом, для возникновения дугового разряда не обязательнопредварительное сближение электродов.
Дуговой разряд — мощный источник света, его используют в прожекторах.
Другие типысамостоятельного разряда. Приатмосферном давлении вблизи заостренных участков проводника, несущего большойэлектрический заряд, наблюдается газовый разряд, светящаяся область которогонапоминает корону. Этот разряд, называемый коронным, вызывается высокой(около 3*106 В/м) напряженностью электрического поля вблизизаряженного острия.
При очень низких температурах все вещества находятся в твердом состоянии.Нагревание вызывает переход вещества из твердого состояния в жидкое. Дальнейшееповышение температуры приводит к превращению жидкости в газ.
При достаточно больших температурах начинается ионизация газа за счетстолкновений быстро движущихся атомов или молекул. Вещество переходит в новоесостояние,
называемое плазмой. Плазма—это частично или полностью ионизованныйгаз, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практическисовпадают.
Свойства плазмы.
1. Из-за большой подвижностизаряженные частицы плазмы легко перемещаются под действием электрических имагнитных полей.
2. Между частицами плазмыдействуют кулоновские силы, сравнительно медленно убывающие с расстоянием.
3. Каждая частицавзаимодействует сразу с большим количеством окружающих частиц. Частицы плазмымогут участвовать в упорядоченных движениях.
4. Проводимость плазмыувеличивается по мере роста степени ионизации. При высокой температурепроводимость плазмы приближается к сверхпроводникам.
Билет №20
1 Магнитнаяпроницаемость. Постоянныемагниты могут быть изготовлены лишь из немногих веществ, но все вещества,помещенные в магнитное поле, намагничиваются, т. е. сами создают магнитноеполе. Благодаря этому вектор магнитной индукции Вв однородной средеотличается от вектора Во в той же точке пространства в вакууме.
/>Отношение характеризующеемагнитные свойства среды, получило название магнитной
/> проницаемости среды.
В однородной среде магнитная индукция равна: где m—магнитная проницаемость данной среды.
Магнитные свойства любого тела определяются замкнутыми электрическимитоками внутри него.
Парамагнетикаминазываются вещества, которые создают слабое магнитное поле, по направлениюсовпадающее с внешним полем. Магнитная проницаемость наиболее сильныхпарамагнетиков мало отличается от единицы: 1,00036- у платины и 1,00034- ужидкого кислорода. Диамагнетиками называются вещества, которые создают поле,ослабляющее внешнее магнитное поле. Диамагнитными свойствами обладают серебро,свинец, кварц. Магнитная проницаемость диамагнетиков отличается от единицы неболее чем на десятитысячные доли.
Ферромагнетики и их применение. Вставляя железный или стальной сердечник в катушку, можно во много разусилить создаваемое ею магнитное поле, не увеличивая силу тока в катушке. Этоэкономит электроэнергию. Сердечники трансформаторов, генераторов,электродвигателей и т. д. изготовляют из ферромагнетиков.
При выключении внешнего магнитного поля ферромагнетик остаетсянамагниченным, т. е. создает магнитное поле в окружающем пространстве.Упорядоченная ориентация элементарных токов не исчезает при выключении внешнегомагнитного поля. Благодаря этому существуют постоянные магниты.
Постоянные магниты находят широкое применение в электроизмерительныхприборах, громкоговорителях и телефонах, звукозаписывающих аппаратах, магнитныхкомпасах и т. д.
Большое применениеполучили ферриты — ферромагнитные материалы, не проводящие электрического тока.Они представляют собой химические соединения оксидов железа с оксидами другихвеществ. Первый из известных людям ферромагнитных материалов—магнитный железняк— является ферритом.
I Температура Кюри. Притемпературе, большей некоторой определенной для данного ферромагнетика,ферромагнитные свойства его исчезают. Эту температуру называют температуройКюри. Если сильно нагреть намагниченный гвоздь, то он потеряет способностьпритягивать к себе железные предметы. Температура Кюри для железа 753 °С, дляникеля 365 °С, а для кобальта 1000°С. Существуют ферромагнитные сплавы, укоторых температура Кюри меньше 100°С.