Экзаменационные вопросы по физике за курс 10 класса

1) Основные положения молекулярно кинетической теории и их опытные обоснования. Диффузия и броуновское движение. Взаимодействие атомов и молекул вещества

Основные положения молекулярно кинетической теории:

- все вещества состоят из мельчайших частиц - атомов и молекул;

- молекулы (атомы) непрерывно, хаотически движутся;

- молекулы взаимодействуют между собой, притягиваются и отталкиваются.

Экзаменационные вопросы по физике за курс 10 класса

1) Основные положения молекулярно кинетической теории и их опытные обоснования. Диффузия и броуновское движение. Взаимодействие атомов и молекул вещества

Основные положения молекулярно кинетической теории:

- все вещества состоят из мельчайших частиц - атомов и молекул;

- молекулы (атомы) непрерывно, хаотически движутся;

- молекулы взаимодействуют между собой, притягиваются и отталкиваются.

Объяснение:

1) Дальтон объяснил закон кратных отношений: при образовании любых химических связей массы реагирующих веществ находятся в строго определенных отношениях. Это можно объяснить только в том случае если в процессе реакции некоторое определенное количество атомов одного вещества соединяется с некоторым количеством атомов другого. Поверхность тела была изучена с помощью туннельных микроскопов.

2) Броуновское движение. Диффузия.

Броун наблюдал движение макрочастиц: они двигались постоянно и беспорядочно. При увеличении температуры, движение становилось быстрей. Это происходило в результате многочисленных ударов молекул о частицу.

 Диффузия - переход частиц одного вещества в межмолекулярное пространство другого. Происходит равномерное заполнение всего предоставленного объема вследствие хаотического движения. На стенки сосуда действует одно постоянное давление, вследствие ударения частиц о стенки.

3) Упругие свойства тела: при сжатии какого-либо тела оно стремится к первоначальному положению, вследствие того, что система стремится к равновесию, из которого мы её вывели, то есть одни силы будут преобладать над другими (силы отталкивания над силами притяжения)

2) Масса и размеры молекул. Количество вещества. Постоянная Авогадро. Распределение молекул по скоростям. Опыт Штерна

Молекула - мельчайшая частица вещества, определяющая все химические свойства.

Размеры и масса

Узнать размеры молекул можно, например, с помощью туннельных микроскопов обеспечивающих увеличение в 100 млн раз. Так диаметр атома углерода оказался равным см. Такой же порядок имеют и размеры других атомов. Так, например, размер молекулы водорода равен см.

Атомная единица массы (аем): 1 аем = кг, где 12с - изотоп углерода 12

Относительная атомная (молекулярная масса):

Количеством вещества  называют отношение числа молекул N в данном теле к числу атомом   в 12 гр углерода.

 = 1 моль

Моль - это количество вещества, содержащего столько же молекул, сколько атомов содержится в углероде массой 12 гр.

Постоянная Авогадро

Число молекул, содержащихся в одном моле вещества, называется числом Авогадро. Оно одинаково для всех веществ. Для выяснения постоянной Авогадро надо найти массу одного атома какого-либо вещества, например, углерода:

Масса равна , тогда:

Молярная масса - масса всех молекул, содержащихся в одном моле вещества, равная отношение массы вещества к его количеству.

Можно заметить следующий факт:

.

Или, молярная масса численно равна относительной атомной массе в граммах на моль.

Опыт Штерна

В качестве используемого газа Штерн брал пары серебра, которое испарялось с поверхности платиновой пластинки в вакууме, нагреваемой электрическим током. На пути атомов ставили цилиндрический экран радиусом r с узкой щелью. Атомы серебра пролетевшего сквозь щель осаждались на другом цилиндре радиусом R, образуя узкую полоску. При вращении прибора вокруг оси совпадающей с платиновой проволокой, атомы серебра попадали на стенки цилиндра в новое место. По смещению полоски и известной угловой скорости вращения прибора можно было вычислить скорость движения атомов серебра.

R >> r

t =

Результаты опыта Штерна:

- измерена скорость теплового движения атомов серебра (порядка сотен метров в секунду);

- установлено, что при данной температуре атомы движутся с различными скоростями (ширина следа).

- установлено, что распределение молекул по скоростям неравномерно (толщина следа).

 Распределение молекул по скоростям

При увеличении температуры наиболее вероятная скорость увеличивается.

Эргодическая гипотеза: поведения частицы в разные моменты времени повторяют состояние системы из большого числа частиц в определенный момент времени.

Доля времени, в течение которого частицы движутся с определенной скоростью, соответствует доле от общего числа частиц, имеющих такую скорость в данный момент времени.

 - средняя скорость равна сумме скоростей молекул в данный момент времени на их количество или средней сумме скоростей в каждый момент времени для одной молекулы.

3) Идеальный газ. Вывод основного уравнения кинетической теории идеального газа

Идеальный газ - такой газ, взаимодействием молекул которого на расстоянии можно пренебречь.

Под это определение подходят все газы при не слишком низком давлении и при не слишком высоком давлении (приближает газ к жидкому состоянию).

Вывод основного уравнения кинетической теории идеального газа

 -  для одной молекулы

 - импульс силы (по 3-ему закону Ньютона), действующей на стенку.

За время  (достаточно большое) произойдет  столкновений молекул, имеющих начальную проекцию скорости  со стенкой

 - концентрация

[n] = 1 м-3

Суммарный импульс, переданный стенке каждый молекулой:

С учетом распределения по скоростям:

 (, потому что квадрат не учитывает знак, а отрицательные проекции встречаются также часто, как и положительные - импульс сообщается только положительной скоростью).

=>

Среднее давление:

Т. к. движение хаотично, то

- основное уравнение кинетической теории идеального газа

, где k - коэффициент - постоянная Больцмана.

4) Температура и её измерение. Термометры жидкостные и газовые. Температурные шкалы. Абсолютная температура. Температура как мера средней кинетической энергии движения молекул

Температура тела характеризует энергию, с которой движутся его молекулы. Т. к. многие физические величины зависят от температуры (объем, сопротивление (у металлов), электрическое сопротивление термоэлемента, скорость звука), то изменение этих величин можно использовать в измерении температуры тел. Рассмотрим два вида термометров:

Жидкостные термометры

Длина столбика жидкости, ртути, спирта, толуола и т. д. служит мерой температуры. Интервал измерения ограничен температурами кипения и замерзания данной жидкости.

Газовые термометры

Действие газовых термометров основано на температурном расширении газов. Расширяющийся столбик газа может выталкивать (или опускать) какой-либо поршень, например, капелька ртути в стеклянной колбе. Преимущество газов перед жидкостью заключается в том, что газы расширяются сильнее, что позволяет более точно измерить температуру, также увеличивается амплитуда измеряемых температур.

Необходимо помнить, что термометры показывают собственною температуру, которая становится равной температуре окружающей среды только через некоторое время. Им свойственна инертность.

Температурные шкалы

Единица СИ температуры:

[T] = К (Кельвин)

Наряду с этим температура измеряется по международной 100 градусной шкале в градусах Цельсия (°С). Нулевая точка по шкале Кельвина - абсолютный ноль, наинизшая теоретически возможная температура. По шкале Цельсия это температура замерзания воды (0°С = 273,15 К). Один кельвин по своей величине равен одному градусу по Цельсию. 

Температура как мера средней кинетической энергии движения молекул

Итак, температура - параметр, имеющий одно значение для всех частей системы, находящейся в тепловом равновесии. Таким образом, температура является мерой средней кинетической энергии поступательного движения молекул.

V(t) при р = const (закон Гей-Люссака)

 - средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул в джоулях соответствует абсолютной температуре в кельвинах.

k =

++

 - средняя квадратичная скорость.

5) Уравнение состояния идеального газа. Изопроцессы. Газовые законы

Уравнение состояния идеального газа

 =>

 => , где

 - универсальная газовая постоянная.

Набор величин P, V, T - является макроскопическими параметрами, характеризующими систему из большого числа частиц в целом, если эта система находится в состоянии равновесия.

Таким образом, уравнение состояния идеального газа устанавливает связь между макропараметрами.

Изопроцессы. Газовые законы

Равновесным называется такой процесс изменения состояния макроскопической системы, в котором эти изменения происходят достаточно медленно, т. е. система успевает переходить в состояние равновесия, и в процессе изменения переходит от одного равновесного состояния в другое.

Отметим, что такая система в состоянии равновесия характеризуется одним набором параметров P, V, T, которые связаны между собой через уравнение состояния.

Изопроцессы - процессы, в которых один из макропараметров системы остается неизменным.

, при  = const (уравнение Клайперона)

1) V = const - изохорный процесс

= const

, где P = P0 при t = 0°C (закон Шарля)



2) P = const - изобарный процесс

= const

, где V = V0 при t = 0°C (закон Гей-Люссака)



3) T = const - изотермический процесс

PV = const (закон Бойля-Мариотта)

6) Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Изотермы реального газа

Реальные газы

Газовые законы точно выполняются только для идеальных газов - газов, которые не конденсируются вплоть до абсолютного нуля температуры.

Свойства большинства газов близки к свойствам идеального при температурах далеких от точки конденсации, когда объем газа намного больше объема молекул.

Вблизи точки конденсации свойства газов значительно отличаются от свойств идеального газа. В этих случаях говорят о реальных газах.

Уравнение Ван-дер-Ваальса

При столкновении с реальными газами необходимо учитывать два случая:

- учитывается объем молекул (1);

- учитывается притяжение между молекулами газа (2).

(1):

(2): при выводе уравнения реального газа мы не учитывали взаимодействие между молекулами, в реальности же, молекула, двигающаяся к стенке сосуда, взаимодействует с другими молекулами, которые <тянут> движущуюся молекулу внутрь сосуда, т. к. притяжение со стороны других молекул у стенки неравномерно со всех сторон.

, где  - постоянные Ван-дер-Ваальса (коэффициенты пропорциональности).

Изотермы реального газа

Модель идеального газа верна при высоких температурах в большей степени.

7) Испарение и конденсация. Динамическое равновесие в системе жидкость-пар. Насыщенные и ненасыщенные пары. Зависимость давления и плотности насыщенного пара от температуры. Влажность воздуха. Точка росы. Измерение влажности

Испарение и конденсация

Испарение - переход жидкости в газообразное состояние при температуре ниже температуры кипения.

Конденсация - переход вещества из газообразного состояния в жидкое или твердое. Конденсация возможна только при температурах ниже критической температуры.

Когда количество молекул, покидающих жидкость в единицу времени, становится равным количеству молекул, возвращающихся в жидкость, то в системе устанавливается динамическое равновесие.
Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью называется насыщенным.

Концентрация, плотность и давление насыщенного пара увеличивается с ростом температуры системы. Заметим, что все эти величины никак не зависят от объема занимаемого паром.

 при T = const

Давление растет быстрее, чем температура, т. к. растет еще и концентрация ()

Точка росы - температура, при которой пар с данным парциальным давлением становится насыщенным.

Влажность - отношение парциального давления водяных паров к давлению насыщенных паров при данной температуре.

Измерение влажности

1) гигрометр

    а) волосяной (длина волоска меняется в зависимости от влажности)

    б) точка росы

2) психрометр (состоит из двух термометров: один во влажной тряпке (показывает более низкую температуру за счет испарения воды), а второй - сухой; разница температур служит мерой относительной влажности).

8) Кипение жидкости. Зависимость температуры кипения от давления. Критическая температура. Критическое состояние вещества. Сжижение газов

Кипение - процесс парообразования, происходящий во всем объеме жидкости.

Условия кипения жидкости:

- наличие центра парообразования;

- достижение температуры кипения, при которой

В процессе кипения внутренняя энергия вещества возрастает, поэтому для поддержания кипения жидкости нужно непрерывно подводить тепло.

Важно помнить, что часть тепла идет на совершение работы по расширению.

 - удельная теплота парообразования; показывает, какое количество теплоты необходимо на испарение 1 кг жидкости.

Критическая температура - температура, при которой исчезает отличие между жидкостью и её паром.

При температуре выше критической газ невозможно заставить конденсироваться.

Изотермы, характеризующие двухфазную систему <жидкость-газ>

Сжижение газов

Любой газ можно превратить в жидкость простым сжатием, если только его температура ниже критической. Поэтому деление веществ на жидкости и газы достаточно условно, просто не все газы могут находиться при комнатной температуре в жидком состоянии. Значит, перевести вещество из газообразного состояния в жидкое можно путем его одновременного охлаждения и сжатия или просто охлаждения до низких температур.

В современных промышленных установках охлаждение достигается путем расширения газа в условиях теплоизоляции (адиабатный процесс). Такие машины называют детандерами (расширяющийся газ перемещает поршень, тем самым, совершая работу, охлаждается).

9) Свойства поверхности жидкости. Поверхностная энергия. Поверхностное натяжение. Смачивание. Капиллярные явления

Избыточная энергия поверхности:

Молекулы поверхностного слоя обладают избытком энергии по сравнению с молекулами находящимися в глубине объема.

 - коэффициент поверхностного натяжения.

Коэффициент зависит от:

- рода вещества;

- температуры;

- наличия примесей.

Каждая жидкость стремится сократить площадь своей поверхности и принять шарообразную форму, этому препятствуют взаимодействия с опорой и притяжение к земле.

Форма жидкости на твердой поверхности зависит от того, что больше: силы взаимодействия между молекулами жидкости или твердого тела с жидкостью.

Смачивание - поверхностное явление, возникающее при соприкосновении жидкости с твердым телом. Проявляется в растекании жидкости по твердой поверхности, пропитывании пористых тел и порошков, образовании мениска.

Сила поверхностного натяжения

Сила поверхностного натяжения действует вдоль свободной поверхности жидкости  и стремится сократить её в направлении перпендикулярном реальной границы поверхности (или воображаемой).

Рассмотрим пленку жидкости:

(пленка двусторонняя)

, где L - периметр свободной поверхности жидкости

Важная особенность сил поверхностного натяжения - их независимость от величины деформации.

Капиллярные явления - явления поднятия жидкостей в узких трубках выше основного уровня окружающей жидкости.

Примеры: ручка, дерево, спиртовка, почва.

Условия равновесия:

, при , т. е. при полном идеальном смачивании (мениска, на самом деле, при таком угле нет, иначе бы сила поверхностного натяжения не была направлена строго вверх).

10) Строение и свойства кристаллов. Плотная упаковка частиц в кристаллах. Пространственная решетка. Виды решеток. Полиморфизм. Анизотропия кристаллов. Моно и поликристаллы. Кристаллы в природе и техники

Кристаллические тела - тела, характеризующиеся упорядоченной периодической структурой, в которой проявляются определенные виды симметрии.

Как следствие, основным свойством кристаллов, является анизотропия - зависимость физических свойств от направления (физических, тепловых, электрических).

Например, кусок слюды можно с легкостью расслоить в одном направлении, что гораздо легче, чем в направлении перпендикулярном пластинкам. Или если из кварца изготовить шар, а потом нагреть, то он уже не будет шаром.

Кристаллические тела делятся на:

- монокристаллы (форма тела повторяет форму кристаллической структуры);

- поликристаллы (в большом объеме множество кристаллов расположены хаотично).

Типы связей:

- металлическая;

- ионная;

- молекулярная;

- ковалентная.

Типы кристаллических решеток

Основа кристаллической решетки - элементарная ячейка - элемент структуры, при повторении которого во всех направлениях и возникает кристаллическая решетка.

1) Кубическая решетка

   а) простая (Mg, O2)

  б) объемно-центрированная (Na, K, Fe).

  в) гранецентрированная (Al, Ca, Cu)

2) Гексагональная (Ti, Se, Zn)

Плотность упаковки - отношение объема, занимаемого молекулами к объему ячейки.

Полиморфизм - способность веществ одинакового химического состава, при разных условиях существовать в двух ил более разновидностях (модификациях).

Например, полиморфизм углерода - графит и алмаз; чтобы алмаз превратить в графит, необходимо его нагреть в вакууме до температуры 150 градусов по Цельсию, или обратно, необходимо нагреть графит до температуры 2000 градусов при давлении , чтобы получить алмаз. Искусственные алмазы широко используются в режущих инструментах.

В природе можно встретить множество кристаллов: каменная соль, лед, мрамор и т. д.

Наиплотнейшая упаковка частиц

Возможно два случая:

Третий слой может продолжать сдвигаться или быть как третий

11) Механические свойства твердых тел. Виды деформации. Механическое напряжение. Диаграмма растяжения. Закон Гука. Модуль Юнга. Тепловое расширение твердых тел

Свойства твердых тел:

- пластичность;

- упругость;

- твердость;

- текучесть;

- прочность.

Виды деформации:

- растяжение, сжатие → изгиб;

- сдвиг  → кручение.

При деформации твердых тел может возникать значительное механическое напряжение.

Механическое напряжение - отношение силы действующей в определенном сечении образца к площади этого сечения.

 = 1 Па

При деформации тела оно может не вернуться в прежнее состояние. Тогда говорят об относительной деформации.

Относительная деформация - отношение абсолютной деформации образца к его размеру в недеформированном состоянии.

Диаграмма растяжения

 - предел пропорциональности (область механических напряжений, для которых выполняется закон Гука)

 - предел упругости (деформация остается упругой; тело может вернуться к прежней форме)

 - предел текучести (наблюдается текучесть образца)

 - предел прочности (происходит разрушение образца)

Закон Гука

Механическое напряжение при малых относительных деформациях пропорционально этим деформациям.

 (т. е. механическое напряжение не зависит от формы тела) - выполняется при относительно малых деформациях (в пределе пропорциональности), тогда  Е - модуль Юнга (упругости) равен:

,  также можно выразить силу упругости:

Тепловое расширение твердых тел и жидкостей

При незначительных изменениях температуры удлинение образца можно считать пропорциональным изменению температуры.

 , где  - линейный коэффициент теплового расширения

Если свойства вещества не зависят от направления - это явление называют изотропией, - то при равномерном нагревании относительное изменение размеров будет одинаково.

Коэффициент объемного расширения

=

 и  можно пренебречь, т. к.  - малая величина

 где  - объемный коэффициент теплового расширения

При нагревании вещества увеличивается среднее расстояние между молекулами, это обусловлено тем, что силы отталкивания меняются с расстоянием быстрее, чем силы притяжения.

12) Агрегатные состояния вещества и фазовые переходы. Диаграмма состояния вещества. Аномальные свойства воды. Тройная точка

Агрегатные состояния вещества

Фаза - однородная часть системы, отделенная границей от других её частей.

Существует три агрегатных состояния вещества: жидкое, газообразное, твердое.

Пример:

2 фазы: жидкая и газообразная.

Фазовым переходом является не только изменение агрегатного состояния вещества, но и резкие изменения его электрических или магнитных свойств.

Диаграмма состояния вещества. Тройная точка

Температуры точки плавления и кипения данного вещества зависят от давления. Эти функциональные зависимости можно представить в виде графика. Поскольку твердые тела также обладают способностью испаряться, а давление образующегося пара зависит от температуры, на диаграмме P(t) данного вещества получаются три кривые:

1) Кривая давления пара (зависимость температуры кипения от давления) - BC

2) Кривая зависимости температуры плавления от давления - BD

3) Кривая зависимости давления пара от температуры твердой фазы - AB

Все три кривые сходятся в одной точке, называемой тройной точкой.

Координаты тройной точки для воды: T = 273,16 К (~ 0,01°C), P = 610,6 Па (~ 4,58 мм рт ст). Эти значения используются для определения основной единицы измерения температуры по Кельвину.

Аномальные свойства воды

Вода имеет наибольшую теплоемкость среди жидкостей. Температура кипения воды 100°C, замерзания 0°C. Плотность воды максимальна при +4°C и равна 1 г/мл, при понижении температуры уменьшается. При кристаллизации плотность резко уменьшается, для льда она равна 0,91 г/см3. Также лед имеет очень высокую теплоту плавления.

Все эти аномальные свойства воды объясняются особенностями ее строения. Молекула воды не линейна, угол между связями H-О-H составляет 104°27'. Связи H-О ковалентные полярные, электронная плотность смещена к атому кислорода.

13) Внутренняя энергия и способы её изменения. Первый закон термодинамики. Работа при изменении объема тела. Количество теплоты

Первое начало термодинамики

Полная энергия изолированной системы при любых превращениях внутри неё остается неизменной (механическая и тепловая изоляция).

<Невозможно построить вечный двигатель первого рода, т. е. такую тепловую машину, которая бы совершала работу, не обмениваясь теплом с окружающей средой и не изменяя собственную внутреннюю энергию>.

Работа, количество теплоты, и изменение внутренней энергии тела

Внутренняя энергия - энергия движения и взаимодействия:

- молекул вещества;

- атомов, образующих эти молекулы;

- ядер и электронов, образующих этот атом.

Внутренняя энергия идеального газа на молекулярном уровне связана только с движением его молекул.

 (по трем свободным направлениям)

, где i - число степеней свободы

1) если газ одноатомный, то i = 3

2) если газ двухатомный то 3 ≤ i ≤ 7, что зависит от температуры газа.

Внутренняя энергия является функцией состояния вещества, это значит, что энергия однозначно определяется состоянием вещества, независимо от того, какими путями оно было достигнуто.

Для идеального газа: U = ƒ(T)

В общем случае: U = ƒ(P, T) = ƒ(P, V) = ƒ(V, T)

Способы изменения внутренней энергии:

- совершение работы;

- теплопередача (количество теплоты в каждом отдельном случае рассчитывается по значению изменения внутренней энергии и совершения работы).

Работа по расширению и сжатию газа

Работа газа равна работе внешних сил со знаком минус, тогда работа газа при сжатии равна:

При расширении газ совершает положительную работу, т. к. перемещение совпадает с действием силы ().

Полученное выражение определяет работу внешних сил и самого газа в зависимости от изменения его объема и в отличие от энергии, работа является функцией процесса, т. е. зависит не только от начального и конечного значения, но и от того, как это значение было достигнуто.

14) Применение первого закона термодинамики к изопроцессам в газах. Теплоемкость газов при постоянном давлении и постоянном объеме. Адиабатный процесс

1) Изотермический процесс (T = const)

Если , то

Q > 0, если подводится

Q < 0, если отводится

2) Изохорный процесс (V = const)

Удельная теплоемкость:

 =>

Молярная теплоемкость:

 =>

3) Изобарный процесс (P = const)

Из уравнения состояния:

Молярная теплоемкость:

 (закон Майера)

4) Адиабатный процесс (Q = 0)

Адиабатный процесс - процесс, происходящий без теплообмена с окружающей средой.

15) Тепловые машины. Принцип действия тепловых двигателей. КПД теплового двигателя. Цикл Карно. Второй закон термодинамики. Обратный цикл. Холодильная машина. Тепловой насос

Второе начало термодинамики

<Невозможно создать циклически действующую тепловую машину, единственным результатом действия которой было бы превращение всей внутренней энергии полученной от нагревателя в механическую работу (вечный двигатель второго рода)>.

Принципиальное устройство любого теплового двигателя

КПД:

Другая формулировка:

Невозможно осуществить процесс, единственным результатом которого была бы передача энергии путем теплообмена от менее нагретого тела к более нагретому.

Обобщенная формулировка:

В любых процессах, происходящих в замкнутой системе, её энтропия не уменьшается.

Энтропия - функция состояния, мера беспорядка. Чем более неупорядочена система, тем больше энтропия.

, где

Пусть существует вечный двигатель второго рода тогда:

,  

 при  => такая машина невозможна

Цикл Карно

Идеальная тепловая машина - машина, КПД которой достигает максимального возможного значения при работе в заданном диапазоне температур.

Чтобы КПД было максимально, машина должна работать по циклу Карно.

В идеальной машине

 => =

 

Обратный цикл. Холодильная машина. Тепловой насос

Т. к. () А < 0, то

Холодильная машина - отвод тепла от холодильной камеры.

 - холодильный коэффициент

Для идеальной тепловой машины:

Тепловой насос - обогревание нагревателя за счет энергии, отбираемой у холодильника.

>1 - отопительный коэффициент

16) Электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона. Электрическое поле точечного заряда. Принцип суперпозиции.

Электрический заряд - скалярная физическая величина, мера способности тел участвовать в электромагнитных взаимодействиях.

В природе имеются частицы с зарядами противоположных знаков. Заряд протона - положительный, заряд электрона - отрицательный. При одинаковых знаках заряда частицы отталкиваются, при разных - притягиваются.  Электрический заряд всех элементарных частиц строго одинаков по модулю. Существует минимальный заряд, называемый элементарным, которым обладают все заряженные элементарные частицы.

Электрический заряд сохраняется для замкнутой системы, в которую не входят извне и не выходят наружу заряженные частицы. По закону сохранения электрического заряда: в замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остается неизменной.

Электростатика изучает взаимодействие неподвижных электрических зарядов и поля, создаваемые такими зарядами.

Закон Кулона

Два точечных неподвижных электрических заряда взаимодействуют между собой в вакууме с силой пропорциональной величинам зарядов, обратно пропорциональной квадрату расстояний между ними и направленной вдоль линии, соединяющей эти заряды.

Точечных заряженных тел в природе нет, но если расстояние между телами во много раз больше их размеров, то ни форма, ни размеры не влияют на взаимодействие между ними.

[q] = 1 Кл (Кулон)

k = 9*109

Электрическое поле точечного заряда, оно материально и обладает определенными свойствами. Главное свойство электрического поля - действие его на электрические заряды с некоторой силой. Электрическое поле неподвижных зарядов называют электростатическим. Электростатическое поле возникает вокруг неподвижных заряженных тел и обнаруживается по действию на неподвижные же заряженные тела. Электростатическое поле создается только электрическими зарядами. Оно существует в пространстве, окружающем эти заряды, и неразрывно связано с ними.

Если электрический заряд поместить в электростатическое поле, то на него будет действовать сила  со стороны поля. А при наложении в пространстве нескольких полей, не оказывающих друг на друга влияния, результирующая сила, действующая на заряд, будет определяться по принципу суперпозиции:

, т. е. все силы складываются геометрически.

17) Электрическое поле. Напряженность. Линии напряженности. Поток напряженности электрического поля. Теорема Гаусса и ее применение для расчета электрических полей.

Электрическое поле точечного заряда, оно материально и обладает определенными свойствами. Главное свойство электрического поля - действие его на электрические заряды с некоторой силой. Электрическое поле неподвижных зарядов называют электростатическим. Электростатическое поле возникает вокруг неподвижных заряженных тел и обнаруживается по действию на неподвижные же заряженные тела. Электростатическое поле создается только электрическими зарядами. Оно существует в пространстве, окружающем эти заряды, и неразрывно связано с ними.

В каждой точке поля на точечный электрический заряд действует некоторая сила. Напряженностью электрического поля называется векторная величина, численно равная силе, действующей на единичный точечный положительный заряд в данной точке поля и сонаправленная с этой силой.

Т. к. отношение силы, действующей на заряд, к самому заряду в любой точке поля не зависит от заряда, то напряженность может рассматриваться, как силовая характеристика электрического поля.

, т. е.

Рассмотрим положительный заряд q2, помещенный в поле, создаваемое другим положительным зарядом q1.

, тогда напряженность в точке А:

Таким образом, модуль напряженности поля точечного заряда в данной точке пропорционален величине источника поля, обратно пропорционален квадрату расстояния от заряда до точки наблюдения. При этом напряженность поля направлена к заряду, если заряд отрицательный, от заряда - если положительный.

Силовые линий - линии, в каждой точке которых напряженность направлена по касательной.

Густота линий на рисунке передает величину напряженности в разных точках.

Силовые линии электрического поля всегда имеют начало (исток) и конец (сток).

Если электростатическое поле создается не одним зарядом, а системой, то напряженность поля в произвольной точке определяется по принципу суперпозиции:

, где  - поля, создаваемые каждым зарядом в данной точке.

Телесный угол - часть пространства, ограниченная некоторой конической поверхностью.

Окружим заряд замкнутой воображаемой поверхностью произвольной формы.

Назовем потоком вектора напряженности электрического поля через некоторый участок величину, определяющуюся следующим выражением:

, где  - вектор нормали ()

С учетом, что , получаем:

Тогда определим весь поток через всю замкнутую поверхность:

Теорема Гаусса

Поток вектора напряженности через произвольно замкнутую поверхность определяется суммарной величиной заряда, окруженного этой поверхностью.

Проиллюстрируем применение теоремы Гаусса на примерах:

1) Заряд q равномерно распределен по поверхности сферы радиусом r и с центром в точке O. Опередить напряженность поля  внутри и снаружи сферы.

Пусть точка 1 лежит внутри сферы (O; r) и определяется радиус-вектором  относительно точки O, а точка 2 - снаружи, так что  - её радиус-вектор.

а) Выбираем в качестве замкнутой поверхности сферу с центром в точке O и радиусом r1 ,тогда в каждой точке этой поверхности вектор напряженности будет направлен по нормали к ней.


Прямой вывод:


По теореме Гаусса:

, т. к. q = 0


=> т. к. Sпов ≠ 0, то E1 = 0

б) Для нахождения напряженности в точке 2 рассмотрим поток этого вектора через сферу с центром в точке O и радиусом r2. Также в каждой точке этой поверхности вектор напряженности будет направлен по нормали к ней.


Прямой вывод:

По теореме Гаусса:


Следовательно:

Таким образом, если заряд распределен равномерно по поверхности сферы, то внутри этой сферы поле отсутствует, а снаружи - поле, аналогичное полю, создаваемому точечным зарядом.

2) Аналогичным образом можно найти напряженность поля, созданного равномерно заряженным по объему (q) шаром радиусом r, внутри и снаружи:

  

3) Для равномерно заряженной плоскости:

, где  - поверхностная плотность заряда

Такое выражение будет справедливым, если поле, создаваемое этой плоскостью, будет однородным.

Однородное поле - электростатическое поле, напряженность которого во всех точках одинакова (например, равномерно заряженная плоскость).

Однородным поле будет, создаваемое пластиной конечных размеров в точках, удаленных от краев пластины и расположенных на небольших расстояниях от её поверхности.

18) Работа электрического поля при перемещении заряда. Потенциал. Связь между напряженностью и потенциалом.

Работа электрических сил

Рассмотрим перемещение заряда в однородном электрическом поле:

по определению работы:

 при = const

 = const (в однородном поле)

Из приведенного примера видно: работа по перемещению заряда в электростатическом поле не зависит от формы траектории, а определяется только начальным и конечным положением заряда.

Приведем другой пример (перемещение из точки 1 в точку 2):

, где , т. к.

В случае произвольной траектории движения  заряда этот путь мы можем разбить на бесконечное количество малых участков, каждый из которых можно пройти аналогичным способом (по силовым линиям и по дуге), при этом работа при перемещении по дуге будет нулевой. Поэтому сумма вкладов работ всех таких участков равна работе перемещения вдоль силовых линий.

Таким образом, можно сделать вывод, что электрическое поле является потенциальным. Это позволяет каждому положению заряда в этом поле однозначно сопоставить некоторое значение потенциальной энергии ().

Рассмотрим энергию взаимодействия двух точечных зарядов:

Аналогично выражению для энергии взаимодействия двух точечных тел из курса механики, можно получить выражение для потенциальной энергии взаимодействия двух зарядов (с учетом их знаков):

Потенциалом электростатического поля в данной точке называется энергия взаимодействия единичного положительного заряда, помещенного в эту точку, с полем.

 (потенциал)

1 Вольт

 =>

Тогда , где  - разность потенциалов в начальной и конечной точке.

Геометрическое место точек, обладающих равным потенциалом, называется эквипотенциальной поверхностью (пунктиром).

Т. к. , то  =>

т. к. q > 0, то  =>

В данном случае потенциал функция от x:

Пример с круговыми силовыми линиями:

Т. к. , то  =>

т. к. q > 0, то  =>

В данном случае потенциал функция от r:

Связь между характеристиками электростатического поля: напряженностью и потенциалом:

- потенциал убывает в направлении силовых линий поля;

- скорость изменения потенциала в данной области поля определяется величиной напряженности в этой области;

- эта скорость максимальна в направлении силовых линий.

Для точечного заряда:

 

Если поле создается системой зарядов, то потенциал каждой точки поля определяется методом суперпозиции:

19) Электрическая емкость уединенного проводника. Электрическая емкость конденсатора. Плоский конденсатор. Энергия электрического поля конденсатора. Соединения конденсаторов.

Рассмотрим сферический уединенный проводник радиусом r. Ему сообщили заряд q, вследствие чего возникает электрическое поле, и у проводника появляется потенциал . Для любого уединенного проводника произвольной формы верно, что потенциал прямо пропорционален его заряду => их отношение не зависит ни от заряда, ни от потенциала.

Электрическая емкость уединенного проводника равна отношению его заряда к его потенциалу. Электрической емкостью характеризуется способность каких-либо тел вмещать в себя электрические заряды.

1 Ф (Фарада)

1 мФ = 10-3 Ф;   1 мкФ = 10-6 Ф;   1 нФ = 10-9 Ф;   1 пФ = 10-12 Ф

Оценим емкость земного шара:

При соединении проводящих тел с Землей (заземление) их потенциал обращается в <0> благодаря большой емкости земного шара.

Конденсатор представляет собой два проводника (называемые обкладками), разделенные слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников.

Под зарядом конденсатора понимают абсолютное значение заряда одной из обкладок.

Электроемкостью конденсатора называют отношение заряда одного из проводников к разности потенциалом между этим проводником и соседним.

Плоский конденсатор - конденсатор, состоящий из двух параллельных проводящих пластин, разделенных слоем диэлектрика.

Рассмотрим  плоский конденсатор с пластинами площадью по S каждая, расстояние между которыми d. Напряженность поля, созданного одной из пластин, равна по модулю и направлена в ту же сторону, что и напряженность поля, созданного другой пластиной => модуль результирующей напряженности равен:

Т. е. , получаем:  =>

Учитывая еще, диэлектрическую проницаемость среды:

Энергия электрического поля конденсатора

Будем постепенно малыми порциями переносить отрицательный заряд с одной пластины на другую. При этом конденсатор будет заряжаться, а электрическое поле внутри него совершать работу. Порция мала => напряжение  между пластинами во время переноса заряда не меняется => элементарная работа равна:

Тогда изменение энергии конденсатора равно:

Из графика зависимости  от q приращение энергии  численно равно площади прямоугольника abcd => полное изменение энергии равно площади под графиком =>

Поле совершает отрицательную работу => его энергия будет возрастать вместе с энергией конденсатора => энергия конденсатора будет равна энергии электрического поля.

Выразим энергию электрического поля через ее основную характеристику - напряженность:

Конденсатор в цепи постоянного тока

, где  - ЭДС источника

Параллельное соединение

Последовательное соединение

20) Проводники и диэлектрики в электрическом поле. Диэлектрическая проницаемость. Механизмы поляризации диэлектриков. Электреты и сегнетоэлектрики. Пьезоэлектрический эффект.

Проводники в электрическом поле

Проводниками электрического тока являются вещества с большой концентрацией свободных носителей зарядов.

Оценим концентрацию свободных электронов в хорошем проводнике (алюминиевом):

Под влиянием внешнего электрического поля в проводнике происходит поляризация зарядов, пока суммарное электрическое поле не обращается в <0>.

Оценить максимальную величину напряженности внешнего поля, при внесении в которое металлической пластинки поле внутри пластинки остается нулевым.

Пусть d = 1 см

Полученный результат говорит о том, что при напряженности полей, которые можно создать реально, внутрь проводника электрическое поле проникать не будет.

Покажем, что в проводнике преобладание заряда того или иного знака возникает только на поверхности. Рассмотрим участок внутри шара, ограниченный воображаемой поверхностью:

Мы знаем, что напряженность внутри проводника равна: , т. к. поле не проникает внутрь. Тогда поток вектора напряженности равен <0>: => весь заряд сосредоточен на поверхности проводника.

Диэлектрики в электрическом поле

Диэлектрик - вещество, с крайне низкой проводимостью вследствие ничтожно малой концентрации свободных носителей зарядов.

Молекулы в диэлектрике ориентируются таким образом, что создают поле, более слабое, чем внешнее, т. к. молекулы, участвующие в создании поля, - граничные.

Поляризация диэлектриков

Существует три способа механизма поляризации диэлектриков:

1) Электронная поляризация

Под действием электрического поля молекула ориентируется так, что на большом расстоянии её можно рассматривать как совокупность двух точечных зарядов, равных по модулю, противоположных по значению, находящихся на расстоянии l друг от друга. Такую нейтральную в целом систему зарядов называют электрическим диполем.

Электрические свойства диполя характеризуются дипольным моментом - электрическим моментом, равным произведению модуля одного из электрических зарядов на вектор  (от отрицательного к положительному заряду): . Дипольный момент характеризует способность нейтральных тел учувствовать в электромагнитном взаимодействии.

2) Поляризационная

Такая поляризация характерна для полярных молекул. Под действием электрического поля происходит выстраивание молекул по направлению к полю. Такому выстраиванию мешает тепловое движение.

3) Ионная

Рассмотрим поваренную соль в электрическом поле (NaCl):

Фактически NaCl состоит из двух кристаллических решеток: решетки атомов Na+ и решетки атомов Cl-. При попадании в электрическое поле каждая структура движется в соответствии с силовыми линиями: одна - в одну сторону, другая - в другую. Так происходит смещение одной относительно другой. В таком случае на границах одна решетка будет выдвинута дальше => будет больше преобладать какой-то из зарядов => возникает поляризация.

Диэлектрической проницаемостью среды называется отношение напряженности поля, создаваемого внешним источником в вакууме, к напряженности поля этого же источника в среде.

Электреты - диэлектрики, способные длительное время находиться в наэлектризованном состоянии после снятия внешнего воздействия, вызвавшего электризацию (электрические аналоги постоянных магнитов). Получают из восков и смол, полимеров, неорганических диэлектриков (термоэлектреты) или из фотопроводящих диэлектриков (фотоэлектреты). Применяются в качестве источников постоянного электрического поля в технике связи (микрофоны и телефоны), как чувствительные датчики в дозиметрии и так далее.

Сегнетоэлектрики - диэлектрики, обладающие в определенном интервале температур самопроизвольной (в отсутствие электрического поля) электрической поляризацией, сильно зависящей от внешних условий. Обладают большой диэлектрической проницаемостью. Применяются главным образом как пьезоэлектрические преобразователи в детекторах электромагнитных излучений, а также в различных конденсаторах.

Пьезоэлектрический эффект - возникновение электрической поляризации в веществе в отсутствие электрического поля при упругих деформациях (прямой пьезоэлектрический эффект) и появление механических деформаций под действием электрического поля (обратный пьезоэлектрический эффект). Пьезоэлектрический эффект наблюдается у всех сегнетоэлектриков.

21) Электрический ток в металлах. Основные положения электронной теории проводимости металлов. Скорость упорядоченного движения электронов в проводнике. Зависимость сопротивления металлов от температуры.

Металлы характеризуются большим числом свободных электронов (~ 1 электрон на 1 атом). Движение каждого электрона является сложным: тепловое движение и направленное движение.

Оценим скорость теплового движения электрона:

Оценим среднюю скорость направленного движения:

Пусть проводник - алюминиевый, ток - 1 А, площадь сечения - 1 мм2 , тогда:

Рассмотрим механизм проводимости металлов, изучая движение каждого электрона как комбинацию теплового и направленного движений:

За время скорость, приобретаемая в направлении поля, равна:

, где  - время свободного пробега электронов.

Стоит отметить, что столкновения происходят через разные промежутки времени, но по теории больших чисел мы можем взять среднее значение.

Оценим среднее время свободного пробега электронов:

, где l - среднее расстояние между электронами в кристаллической решетке (как видно, результаты получились одинаковых порядков).

Таким образом, электрон постоянно разгоняется в металле до тех пор, пока не столкнется с другим электроном или узлом кристаллической решетки, которые играют роль сопротивления при прохождении тока по металлу. И чем больше температура, тем быстрее движутся электроны в металле, тем больше интервал колебания узлов решетки, и тем соответственно чаще электроны встречают на свом пути препятствия (сталкиваются и набирают скорость) => с увеличением температуры увеличивается и сопротивление металла и наоборот.

22) Электрический ток в растворах и расплавах электролитов. Законы электролиза. Измерение заряда электрона. Применения электролиза в технике.

Электролиты - вещества, способные в растворенном или расплавленном состоянии проводить электрический ток, сопровождающийся переносом самого вещества.

Опустим в водный раствор CuSO4  два медных электрода (пластинки), подключенных к источнику тока.

Молекулу CuSO4 можно представить в виде диполя, т. к. атом меди слабо держит два своих валентных электрона и при образовании молекулы они переходят к кислотному остатку.

Заряженные частицы, обеспечивающие электрический ток в растворе, образуется в результате электролитической диссоциации. В результате взаимодействия с полярными молекулами воды связи рвутся и молекула распадается на ион () и кислотный остаток (). Степень диссоциации зависит от температуры (прямо), концентрации раствора (прямо) и диэлектрической проницаемости растворителя (прямо). Также с процессом диссоциации происходит и обратный процесс - рекомбинация (восстановление) - соединение ионов разных знаков в нейтральную молекулу.

Диссоциация - это первичная реакция: .

Отрицательные ионы отдают свои лишние электроны аноду и соответственно положительному полюсу источника, положительные ионы наоборот получают недостающие им электроны из избытка их на катоде. Так во внешней цепи осуществляется перемещение электронов от отрицательного полюса источника к положительному. При этом заряд переносится вместе частицами вещества (ионами).

На электродах происходят вторичные реакции:

- на аноде (окисление):

- на катоде (восстановление):

Вторичные реакции зависят от вещества электродов.

Таким образом, на электродах при прохождении через раствор электрического тока происходит выделение веществ, входящих в состав электролитов.

Электролиз - процесс выделения на электродах вещества, связанный с окислительно-восстановительными реакциями.

Законы электролиза

Масса вещества, выделившегося на каждом из электродов, прямо пропорциональна силе тока и времени прохождения через раствор электролита.

 - электрохимический эквивалент

( - т. к. на каждый атом меди приходится два электрона - )

, где Z - валентность,

F - постоянная Фарадея, полученная экспериментально, равная .

Измерение заряда электрона

Применение электролиза в технике

1) Гальваностегия - нанесение металлических покрытий на поверхность металлических и других изделий методом электролитического осаждения.

2) Гальванопластика - получение точных металлических копий методом электролитического осаждения металла на металлическом или неметаллическом оригинале.

3) Рафинирование металлов (Cu) - массивные куски неочищенной руды являются анодом в процессе электролиза, которые растворяются: примеси выпадают на дно, а чистый металл остается на катоде.

4) Получение металлов (Al, Na, K, Mg, Ca) - электролизу подвергаются расплавленные оксиды (для алюминия) или растворы солей. Расплавленный металл, выделившийся при электролизе, опускается на дно катода.

23) Электрический ток в газах. Несамостоятельный и самостоятельный разряды в газах. Виды самостоятельного разряда (тлеющий, искровой, коронный, дуговой) и их техническое использование.

Все газы в естественном состоянии не проводят электрического тока, являясь изоляторами. Такое свойство объясняется отсутствием в них свободных электрических зарядов. Но, воздействуя на газ каким-либо путем (например, нагреванием), мы можем добиться того, чтобы он стал проводником.

При нагревании газа или его облучении молекулы начинают двигаться быстрее. Часть из них при столкновении распадается на положительные ионы и электроны. Такой распад молекул газа на электроны и положительные ионы называется ионизацией газа. Таким образом, в газе появляются свободные носители заряда. Но вместе с ионизации идет и процесс рекомбинации - восстановления нейтральных молекул за счет электрического притяжение электронов и ионов.

Электрический ток в газах представляет собой направленное движение  положительных ионов к катоду, и отрицательных ионы и электронов - к аноду.

Процесс протекания тока через газы называют электрическим разрядом в газах.

Несамостоятельный газовый разряд - разряд, возникающий при переходе газа в проводящее состояние под воздействием внешних факторов.

Самостоятельный разряд - разряд, возникающий как следствие ударной ионизации.

В результате столкновения электрона с атомом образуется еще один электрон и положительный ион. Новые электроны, в свою очередь, ионизируют новые атомы. Вследствие чего число заряженных частиц быстро возрастает. Описанный процесс имеет сходство со снежной лавиной, поэтому получил название электронной лавины или ударной ионизации.

Виды самостоятельных разрядов

1) Искровой разряд

При большой напряженности поля (~ 3*106 В/м) между электродами в воздухе при атмосферном давлении возникает электрическая искра, имеющая вид ярко святящегося извилистого канала ионизированного газа (стриммера), соединяющего оба электрода. Вследствие нагревания давление газа в стримерах повышается, а, расширяясь, газ излучает звуковые волны, из-за чего мы и слышим характерный треск. После пробоя разрядного промежутка напряжение на электродах сильно падает, т. к. в этот момент сильно возрастает проводимость газа вследствие его ионизации. Затем напряжение снова повышается. Описанная форма газового разряда носит название искрового разряда или искрового пробоя.

В технике используется для зажигания горючих смесей в двигателях внутреннего сгорания.

2) Коронный разряд

Коронный разряд, электрический разряд в газе, возникающий обычно при давлении не ниже атмосферного, если электрическое поле между электродами (в виде острей, тонких проводов) неоднородно. Плотность заряда не поверхности тем больше, чем больше его кривизна. На острие плотность заряда максимальна. Поэтому возле острия возникает сильное электрическое поле (~ 3*106 В/м). По мере удаления от поверхности проводника напряженность быстро убывает, поэтому ионизация и свечение газа в коронном разряде происходят только в ограниченной области вблизи электродов (коронирующий слой).

Учитывать коронный разряд следует на линиях высокого напряжения, где он может образовываться между проводниками электропередач, что приводит к значительным потерям энергии.

3) Электрическая дуга

Электрический разряд в газе в виде яркосветящегося плазменного шнура. Один из электродов дуги является анодом, другой - катодом. Между электродами находится столб раскаленного газа, хорошо проводящего электричество. На положительном электроде дуги под влиянием бомбардировки электронами образуется - положительный кратер. Он нагревается до высокой температуры (40000 С). Таким образом, температура повышается настолько, что начинается термоэлектронная эмиссия (термическая ионизация газа, вследствие соударений молекул с ионами и электронами, укоряемым полем). Вследствие этого между электродами образуется самостоятельный разряд. Ток при этом равен нескольким амперам, а разность потенциалов ~ 50 В.

Применяется для плавки и сварки металлов, для освещения (прожекторы, проекционные киноаппараты, маяки) или в качестве источника теплоты в металлургических электропечах.

4) Тлеющий разряд

Электроны могут приобрести энергию, необходимую для ионизации, ещё и за счёт увеличения длины пробега, что можно достигнуть путём разжижения газа. Если уменьшить давление (100 мм рт. ст.), то между электродами появляется разряд в виде светящейся змейки. При дальнейшей откачке воздуха светящаяся змейка будет расширяться, и свечение постепенно заполнит всю трубку. Положительные ионы, образующиеся в результате ионизации электронными ударами, движутся к катоду. Ударяясь о катод, быстрые положительные ионы выбивают из него электроны. Именно за счёт этого процесса (вторичной электронной эмиссии на катоде) будет поддерживаться постоянный разряд.

Используется в лампах дневного света, газовых лазерах.

24) Электрический ток в вакууме. Электронная эмиссия. Двухэлектродная лампа - диод. Вольт-амперная характеристика вакуумного диода. Вакуумный триод. Электронно-лучевая трубка.

Когда говорят об электрическом токе в вакууме, то имеют в виду такую степень разжижения газа, при которой можно пренебречь соударениями между молекулами. Такой разреженный газ является изолятором, т. к. в нем почти нет заряженных частиц. Ток в вакууме будет существовать, если ввести в сосуд свободные носители заряда.

Рассмотрим механизм получения электрического тока в вакууме:

Обеспечить проводимость межэлектродного промежутка в вакууме возможно при помощи термоэлектронной эмиссии.

Термоэлектронная эмиссия - испускание электронов с поверхности достаточно нагретого металла. Она возникает, когда часть электронов металла (электрода) приобретает в результате внешних воздействий энергию, достаточную для преодоления связи с металлом.

Электрический ток в вакууме представляет собой направленный поток электронов.

Хотя электроны движутся в вакууме, почти ни с чем не сталкиваясь, на них действует сила сопротивления со стороны поля, созданного самим электрическим газом.

Если изменить полярность источника тока, то тока в цепи не будет, несмотря на то, что один из электродов будет посылать в вакуум заряженные частицы. Рассмотренный пример является примером односторонней проводимости.

Диод - двухэлектродное вакуумное устройство, в котором используется односторонняя проводимость. К примеру, устройство, применяемое для выпрямления токов промышленной частоты, - кенотрон - также является диодом.

Вольт-амперная характеристика диода

При вылете электронов из разогретого катода он заряжается положительно => электроны группируются возле него в виде электронного облака. В равновесном состоянии число электронов, покинувших катод за некоторое время, равно числу электронов, возвратившихся на него за то же время. Чем температура металла выше, тем больше плотность электронного облака.

Если к электродам диода приложить напряжение, называемое анодным напряжением. При этом будет создано электрическое поле между электродами => электроны начнут перемещаться от катода к аноду, образуя анодный ток. Электронное облако начнет рассасываться. Из-за наличия электронного облака сила анодного тока I не пропорциональна анодному напряжению U.

При достаточно большом анодном напряжении все электроны, покинувшие катод, достигают анода, и при дальнейшем увеличении напряжения сила тока не изменится. Такой ток называется током насыщения. При повышении температуры ток насыщения возрастает.

Внесение дополнительной электрической сетки превращает диод в триод, что позволяет управлять анодным током, изменяя напряжение между сеткой и катодом. В случае, если сетке сообщен положительный относительно катода заряд, то она создает такое электрическое поле, линии напряженности которого сонаправлены с линями напряженности основного поля. Это дополнительное поле способствует рассасыванию электронного облака и увеличивает силу анодного тока. Можно сетке сообщить отрицательный заряд, и тогда результат будет противоположным. При определенном значении отрицательного потенциала сетки анодный ток может обратиться в <0>. В таком случае говорят <лампа заперта>.

Электронно-лучевая трубка - прибор для преобразования электрических сигналов, например, в видимые изображения, оптических изображений в электрические сигналы.

Электроны испускаются нагретым цилиндрическим катодом и проходят через отверстие в цилиндрическом управляющем электроде (аноде), который своим полем сжимает электронный пучок. После сфокусированный электронный пучок на пути к экрану проходит последовательно между двумя парами управляющих пластин (вертикально и горизонтально отклоняющих пар пластин). Одновременное использование двух пар пластин позволяет перемещать светящуюся точку по экрану в любом направлении.

Широкое применение электронно-лучевые трубки получили в дисплеях.

25) Электрический ток в полупроводниках. Собственная и примесная проводимости. Зависимость проводимости полупроводников от температуры и освещенности. Свойства p-n-перехода. Полупроводниковые элементы (диод, транзистор, терморезистор, фоторезистор и другие) и их применение.

Полупроводники - вещества, электропроводность которых при комнатной температуре имеет промежуточное значение между электропроводностью проводников и диэлектриков.

Чтобы понять механизм возникновения проводимости в полупроводниках, необходимо знать их строение. Рассмотрим кристалл кремния (Si):

Каждый атом кремния имеет четыре валентных электрона, которые связаны с такими же электронами другого атома. Следует отметить, что общая пара электронов не принадлежит двум атомам: каждый электрон может двигаться от атома к атому. Все электрону принадлежат всему кристаллу.

При нагревании (освещении) кремния энергия валентных электронов увеличивается (за счет тепловых колебаний атомов решетки) настолько, что связи рвутся и электроны становятся свободными.

Образование свободного электрона влечет за собой появление свободного места - электронной дырки, в которой имеется положительный заряд. Перескакивая на место образовавшейся дырки, электрон, таким образом, создает вакантное место - новую дырку, которую может занять другой. Итак, благодаря перемещению электронов происходит и перемещение <дырок> по всему кристаллу.

Под действием внешнего электрического поля сводные носители зарядов двух типов: отрицательных электронов и положительных <дырок> - перемещаются упорядоченно между узлами решетки, образуя электрический ток в полупроводнике.

Такая проводимость называется собственной проводимостью.

Повысить проводимость полупроводников можно несколькими способами:

- нагревание;

- освещение;

- внесение примеси.

Остановимся подробнее на последнем: при наличии примесей наряду с собственной проводимостью возникает дополнительная - примесная проводимость. Примесная проводимость бывает двух видов: донорная (5-валентная) и акцепторная (3-валентная).

Если в кремниевый кристалл добавить мышьяка или сурьмы (5 электронов на внешнем уровне), то добавленные атомы, вытеснив некоторые атомы кремния, образуют связи с ближайшими атомами кремния, использовав при этом только 4 из 5 электронов. Вследствие теплового движения все лишние электроны станут свободными. Такая примесь называется донорной. Таким образом, при наличии поля все электроны приходят в упорядоченное движение в кристалле полупроводника, и в нем возникает электронная примесная проводимость. Электроны для такого типа проводимости являются основными носителями заряда.

Если же в кремниевый кристалл добавить каких-либо трехвалентных атомов, то для образования связей с добавленными атомами будет не хватать электронов, и одна связь останется незаполненной => в решетке образуется <дырка>. Примесь такого рода называется акцепторной. В данном случае основные носители заряда - <дырки>.

Отличительной особенностью примесной проводимости является преобладание свободных носителей зарядов определенного типа (электронов или <дырок>). В зависимости от этого различают полупроводники n-типа (<->) и p-типа (<+>).

Рассмотрим границу раздела между полупроводниками n-типа и p-типа, подключенных к одному источнику последовательно, или так называемый p-n-переход:

Вследствие диффузии свободных зарядов через границу областей с разным типов проводимости, на этой границе возникает <запирающая> разность потенциалов: переход оказывается закрыт для основных носителей зарядов.

Если поменять полюса источника, то переход окажется открытым.

На использовании свойств p-n-перехода (односторонней проводимости) основана работа полупроводникового диода - устройства, применяемого в электро- и радиоаппаратуре для выпрямления переменного тока.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода:

Как видно из графика, полупроводниковый диод характеризуется малой проводимостью также и в обратном направлении за счет небольшой концентрации неосновных носителей зарядов в каждой из областей.

Транзистор - полупроводниковый прибор для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний.

Рассмотрим транзистор p-n-p-типа:

, где ток рекомбинации () можно не учитывать, т. к. из-за небольшой толщины базы в ней находится мало основных носителей зарядов - электронов - для рекомбинации с <дырками> эмиттера.

<Дырки> эмиттера свободно могут проходить на базу, где второй p-n-переход закрыт только для <дырок> коллектора и электронов базы. Но путь для <дырок>, попавших на базу из эмиттера остается открытым, благодаря чему почти все <дырки> эмиттера достигают коллектора. К тому же  => .

Незначительные  колебания входного напряжения Uвх вызывает значительные колебания тока, а, следовательно, и выходного напряжения (т. к. сопротивление R велико)

Коэффициент усиления:

Терморезистор - полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление которого существенно убывает или возрастает с ростом температуры. Используется в измерителях мощности, устройствах для измерения и регулирования температуры.

Фоторезистор - полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от его освещенности. Применяется в устройствах для воспроизведения звука, в следящих системах.

26) Постоянный электрический ток и условия его существования. Источники постоянного тока. Электродвижущая сила.

Электрический ток - упорядоченное движение заряженных частиц

Постоянный ток - ток, величина и направление которого не изменяется во времени.

За направление электрического тока принимают движение положительно заряженных частиц. О наличии электрического тока можно судить по различным явлениям, которые вызывает ток, называемые действиями электрического тока:

- тепловое действие: проводник, по которому течет ток, нагревается;

- химическое действие: электрический ток может изменять химический состав проводника;

- магнитное действие: к примеру, магнитная стрелка, расположенная вдоль проводника с током, поворачивается перпендикулярно ему.

Магнитное действие является основным, т. к. оно всегда сопровождает ток, когда химическое присутствует только в расплавах и электролитах, а нагревание не характерно для сверхпроводников.

Условия возникновения и поддержания электрического тока:

- наличие свободных заряженных частиц;

- наличие силы, действующей на частицы в определенном направлении.

 Обычно именно электрическое поле внутри проводника служит причиной, вызывающей и поддерживающей упорядоченное движение заряженных частиц.

Если внутри проводника имеется электрическое поле, то между концами проводника существует разность потенциалов. Если разность потенциалов не меняется во времени, то в проводнике устанавливается постоянный ток. Устройства, создающие и поддерживающие разность потенциалов на концах проводника, называются источниками тока или генераторами.

Источники тока разделяют заряды за счет их перемещения в направлении, противоположном движению зарядов во внешней цепи.

Сторонние силы - силы, заставляющие перемещаться от <минуса> к <плюсу>.

Электродвижущей силой называется отношение работы, совершаемой сторонними силами при перемещении заряда по цепи, к величине этого заряда.

 - ЭДС

 = 1 В

Классификация источников:

- химические (внутренняя энергия → электрическую энергию);

- механические (механическая энергия → электрическую энергию);

- тепловые (тепловая энергия → электрическую энергию).

27) Закон Ома для неоднородного участка цепи и для полной цепи. Правила Кирхгофа. Расчет разветвленных электрических цепей.

Неоднородный участок цепи - участок, содержащий источник тока.

Каждый источник характеризуется не только ЭДС, но и  внутренним сопротивлением (r)

 - падение напряжения на r

 - закон Ома для неоднородного участка цепи

Разность потенциалов между началом и концом участка цепи равна падению напряжения на участке минус ЭДС этого участка.

При разомкнутой цепи (I = 0):

 - закон Ома для полной цепи

Соединения источников тока:

 - последовательное

 - параллельное

Правила Кирхгофа

1) Узел цепи - точка, к которой подсоединено не менее трех участков цепи

следует из закона сохранения заряда

Алгебраическая сумма сил токов, сходящихся в оном узле, равна нулю.

2) Выделим в цепи отдельный контур:

Алгебраическая сумма падений напряжения в ветвях замкнутого контура равна алгебраической сумме ЭДС, действующих в этом контуре.

Расчет разветвленных электрических цепей (применение правил Кирхгофа)

1) Предположим направление тока I

2) По первому правилу Кирхгофа (для двух узлов):

 (1)

Для n узлов - (n-1) независимых уравнений

3) Выделим два контура I и II, в каждом укажем направление обхода

4) По второму правилу Кирхгофа (для двух контуров):

(1), (2), (3) - решаемая система уравнений

28) Расчет сопротивления при последовательном и параллельном соединении проводников. Шунты и добавочные сопротивления. Эквивалентные схемы. Точки равных потенциалов.

Однородный участок цепи - участок, не содержащий источников тока

Закон Ома подразумевает прямо пропорциональную зависимость силы тока на участке цепи от напряжения, приложенному к этому участку.

Эта зависимость наблюдается при R = const (не зависящим от силы тока)

В случае 1 I не всегда пропорционален U, т. к., например, при Rconst, а формулой 2 можно пользоваться всегда, т. к. силу тока мы подсчитываем для сопротивления в данный момент времени.

Соединение:

1) последовательное

(1)  - следствие из закона сохранения заряда

(2)  - следствие из свойства аддитивности работы

(3)

2) параллельное

(1)  - следствие из закона сохранения заряда

(2)  - следствие из потенциальности электрического поля

(3)

Шунтирование

Для измерения силы тока, превышающей силу тока Iа, на которую рассчитан амперметр, можно воспользоваться этим же амперметром. Для этого нужно подключить параллельно резистор, называемый шунтом, так, чтобы сила тока через амперметр была не больше величины Iа.

, где n - во сколько расширяется предел измерения силы тока на амперметре.

Добавочное сопротивление

Для измерения напряжения, превышающего номинального напряжение, имеющегося вольтметра, тем же вольтметром используют дополнительное сопротивление, подключенное последовательно.

, где n - во сколько раз следует расширить предел измерения напряжения на вольтметре.

Не каждую электрическую схему можно представить в виде нескольких последовательных и параллельных соединений (схема 1). В этом случае исходную схему заменяет другой (схема 2) - эквивалентной ей, - представимой в виде последовательных и параллельных соединений.

Схеме 1 можно найти еще одну эквивалентную схему. Т. к. точки A и B - точки равных потенциалов (при одинаковом сопротивлении на всех резисторах), то ток по участку AB не пойдет => схема 1 эквивалентна схеме 3.

29) Магнитное поле тока. Опыты Эрстеда и Ампера. Силовые линии магнитного поля. Вектор магнитной индукции. Закон Био-Савара-Лапласа. Принцип суперпозиции.

Согласно теории близкодействия: подобно тому, как в пространстве, окружающем электрические заряды, возникает электрическое поле, в пространстве, окружающем токи, возникает поле, называемое магнитным.

Магнитное поле представляет собой особую форму материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами. Это поле материально и обладает некоторыми свойствами, главное из которых - магнитное поле порождается током и обнаруживается по действию на ток.


Опыты Эрстеда

Магнитная стрелка вокруг проводника с током располагалась перпендикулярно к нему.


Опыты Ампера

Два проводника, направление тока в которых сонаправлены, притягиваются, в которых противонаправлены - отталкиваются.


Если по двум параллельным, бесконечно длинным проводникам пропустить токи в один ампер (1 А) при расстоянии между ними в 1 м, то на каждый метр длины проводников будет действовать сила F = 2*10-7 Н.

Силовые линии магнитного поля - линии, касательные к которым в каждой точке поля совпадают с направлением соответствующего магнитного поля.

Силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции. Этот вектор направлен по касательной в каждой точке силовых линий. Линии магнитной индукции не имеют ни начала, ни конца, они всегда замкнуты.

Магнитное поле обнаруживается по ориентирующему действию на магнитную стрелку или рамку с током, а также по взаимодействию с движущимися зарядами и проводниками с током.

Закон Био-Савара-Лапласа

, где

 - модуль

Направление можно определить по правилу буравчика: если от  к  по часовой, тот <от нас> и наоборот.

 = 1 Тл (Тесла)

Магнитные индукции полей, создаваемыми в данной точке пространства несколькими токами, складываются геометрически, по принципу суперпозиции:

30) Сила Ампера. Вращающий момент, действующий на рамку с током в магнитном поле. Принцип действия электроизмерительных приборов и электродвигателей.

Сила Ампера - сила, действующая на проводник с током со стороны магнитного поля.

 - модуль силы

Направление силы Ампера  - перпендикулярно плоскости, содержащей  и , а направление в третьей оси определяется по правилу левой руки или правилу буравчика.

Покажем, что в опыте Ампера проводники, по которым идут токи в одном направлении, должны притягиваться.

Выделим на проводнике 1 участок . Вектор  определяет положение произвольной точки на втором проводнике. По закону Био-Савара-Лапласа определим и по правилу буравчика направление вектора магнитной индукции <от нас>. Выделим на проводнике 2 участок  (как показано на рисунке). По правилу левой руки сила Ампера, действующая на проводник с током, направлена, перпендикулярно к проводнику 2 в сторону проводника 1. Т. к. в любой точке проводника вектор магнитной индукции  всегда имеет одинаковое направление, то сила Ампера всегда будет действовать так, чтобы проводник 2 притягивался к первому. Аналогичным образом, первый проводник будет притягиваться ко второму.

Момент сил, действующих в магнитном поле на рамку с током

Для каждого из участков рамки найдем силу Ампера, действующую на него. Как видно из рисунка, магнитное поле ориентирует рамку с током таким образом, чтобы направление положительной нормали к плоскости рамки совпало с направлением вектора магнитной индукции.

Силы, действующие на рамку, стремятся её растянуть, но поскольку рамка упругая, то силы Ампера создают вращательный момент.

Если первоначально плоскость рамки перпендикулярна линиям магнитной индукции, то никакого вращения не будет, т. к. все силы скомпенсируют друг друга.

По закону Ампера: (две другие силы не создают вращающего момента)

Плечо каждой из этих сил равно: , где  - угол между положительной нормалью и вектором магнитной индукции.

Тогда суммарный момент сил равен:

Действие всех электродвигателей основано на использовании силы Ампера. По обмотке вращающейся части двигателя - якоря - протекает ток. Мощные электромагниты создают магнитное поле, которое действует на проводники с током в обмотке якоря и заставляет их двигаться. Специальные устройства - коллектор и щетки - обеспечивают такое направление тока в обмотках, чтобы магнитное взаимодействие создавало момент, приводящий к непрерывному движению якоря.

Действие магнитного поля на контур с током используется в электроизмерительных приборах для измерения силы тока и напряжения. На легкой рамке прямоугольной формы с прикрепленной к ней стрелкой намотана катушка. В положении равновесия её удерживает две спиральные тонкие пружины. Момент сил упругости, действующий со стороны пружины и возвращающий катушку в положение равновесия, пропорционален углу отклонения стрелки. Катушку помещают между полюсами постоянного магнита. Катушка поворачивается до тех пор, пока момент сил упругости, действующий со стороны пружины, не уравновесит момент сил, действующий на рамку с током со стороны магнитного поля => измеряемая сила тока прямо пропорциональна углу отклонения стрелки. Прибор можно проградуировать так, чтобы положение стрелки характеризовала не только силу тока и напряжение на зажимах прибора.

31) Сила Лоренца. Движение электрических зарядов в электромагнитном поле. Ускорители заряженных частиц. Масс-спектрограф. Действие силы Лоренца на свободные заряды в движущихся в магнитном поле проводниках.

Сила Лоренца - сила, действующая на заряженные частицы, движущиеся в проводнике, находящиеся в магнитном поле.

Сила Лоренца определяется как отношение силы , действующей на участок проводника длинной , к числу N заряженных частиц в этом участке:

, где n - концентрация носителей заряда, v - скорость их движения, S - площадь сечения проводника

 (т. к.  и  сонаправлены)

 - модуль силы

Направление силы Лоренца  - перпендикулярно плоскости, содержащей  и , а направление в третьей оси определяется по правилу левой руки или правилу буравчика.

Т. к. сила Лоренца перпендикулярна скорости частицы, то она не совершает работы. Сила Лоренца не меняет кинетическую энергию частицы, под её действием меняется лишь направление движения частицы.

Движение зарядов в магнитном поле

1) Движение вдоль линий магнитной индукции

 => движение равномерное и прямолинейное

2) Движение перпендикулярно линиям магнитной индукции

 => движение равномерное и по окружности

Второй закон Ньютона:

Период вращения не зависит от скорости

3) Движение под углом к линиям магнитной индукции

Движение под углом можно представить в виде суммы движений вдоль и перпендикулярно линиям магнитной индукции (сумма поступательного и движения по окружности)

h - шаг винта

Ускорители заряженных частиц

Как видно, время прохождения данной частицей полуокружности не зависит ни от радиуса, ни от скорости частицы. Этот факт используется в циклотроне - приборе для ускорения заряженных частиц.

Два электрода специальной формы - дуанты (находящиеся в вакуумной камере), - которые помещают между полюсами сильного магнита, к ним подводится переменная разность потенциалов. Ускоренные частицы влетают во внутреннюю часть дуанта, где электрическое поле практически отсутствует. Двигаясь под действием силы Лоренца по окружности, заряженные частицы снова появляются в щели между дуантами. Те из частиц, которые двигались с подходящей скоростью, пройдут через щель именно в тот момент, когда электрическое поле поменяет свое направление. Такие частицы снова описывают окружность большего радиуса, но время остается прежним => частица ускоряется. Остальные частицы плохо или совсем не ускоряются.

Масс-спектрограф - прибор, с помощью которого можно разделять заряженные частицы по их удельным зарядам и точно определять их массы.

Вакуумная камера прибора помещена в магнитное поле. Ускоренные частицы, описав дугу, попадают на фотопластинку, где оставляют след, позволяющий с большой точностью измерить радиус траектории. По радиусу определяется удельный заряд, а, зная заряд, легко определить и массу.

Действие силы Лоренца на свободные заряды в движущихся в магнитном поле проводниках

При движении проводника в магнитном поле свободные заряды разных знаков смещаются в противоположных направлениях под действием силы Лоренца. В результате на концах проводника возникает разность потенциалов, при которой заряды внутри проводника оказываются в равновесии.

Условие равновесия: обобщенная сила Лоренца обращается в ноль

 или

32) Явление электромагнитной индукции. Магнитный поток. ЭДС индукции. Индукционное электрическое поле. Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца. Токи Фуко.

Электромагнитная индукция (ЭМИ) - возникновение электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур.

Магнитный поток:

 = 1 Вб (Вебер)

При изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, в нем появляются сторонние силы, действие которых характеризуется ЭДС, называемой ЭДС индукции.

Правило Ленца (правило для определения направления индуктивного тока):

Индуктивный ток протекает в таком направлении, чтобы создаваемое им самим магнитное поле препятствовало изменению магнитного потока, породившего этот индукционный ток.

Закон ЭМИ

ЭДС индукции прямо пропорциональна изменению магнитного потока через замкнутый контур.

Индукционный ток Ii направлен против положительного направления обхода => ЭДС индукции отрицательна.

Переменное магнитное поле создает в окружающем пространстве электрическое поле. Но оно имеет совсем другую структуру, чем электростатическое, т. к. линии напряженности представляют собой замкнутые линии. Такое поле называют вихревым электрическим полем. Работа этого поля по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого неподвижного проводника численно равна ЭДС индукции в этом проводнике.

Именно вихревое поле объясняет появление токов Фуко - индукционных токов, возникающих в сложных проводниках.

Индукционные токи в массивных проводниках используют для нагревания проводящих тел в индукционных печах. С другой стороны, во многих электротехнических устройствах эти токи приводят к бесполезным потерям энергии на выделение тепла.

33) Самоиндукция и взаимоиндукция. Индуктивность. Энергия магнитного поля катушки с током.

Явление самоиндукции - возникновение индукционного тока в проводнике, обусловленное изменением тока в этой цепи.

Проводник с током является источником магнитного поля. Постоянный электрический ток создает постоянное магнитное поле, а изменяющийся - переменное магнитное поле.

Если увеличивать ток в проводнике, то вокруг него возникает возрастающее магнитное поле. По закону ЭМИ это приведет к появлению вихревого электрического поля, которое станет действовать на электрические заряды, тормозя их => при включении источника постоянного тока в цепь установление постоянного тока в ней будет происходить постепенно, а при выключении - ток не исчезнет мгновенно.

Индукционный ток направлен против тока цепи, если последний возрастает и сонаправлен - если убывает. Или, ЭДС самоиндукции направлена против ЭДС цепи, если ток цепи возрастает и направлена по ЭДС цепи - если убывает.

Магнитный поток Ф пропорционален модулю B вектора магнитной индукции, который пропорционален силе тока I => Ф ~ B ~ I => Ф = LI, где L - индуктивность контура или коэффициент самоиндукции.

Индуктивность - величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока.

Индуктивность зависит от размеров и формы проводника (прямо) и от магнитных свойств среды, в которой находится проводник, но не зависит от силы тока проводнике.

= 1 Гн (Генри)

Чем меньше индуктивность проводника, тем быстрее ток в нем достигает своего стационарного значения.

Взаимоиндукция - частный случай ЭМИ, явление возникновения тока в замкнутом контуре при изменении силы тока в соседнем контуре.

Поток магнитной индукции Ф12 , созданный током в первом контуре и пронизывающий поверхность второго, пропорционален силе тока I1:

L12 - коэффициент взаимной индукции (аналог индуктивности L); зависит от геометрии обоих контуров, расстояния между ними, их взаимного расположения и магнитных свойств окружающей среды.

Если же сила тока меняется во втором контуре, то:

Энергия магнитного поля катушки с током

Работа, совершаемая источником (катушкой) с ЭДС за малое время , равна:

Эта работа равна сумме приращения энергии тока  и количества выделяемой теплоты :

, где  - ЭДС самоиндукции

Из графика зависимости LI от I приращение энергии  численно равно площади прямоугольника abcd => полное изменение энергии равно площади под графиком =>

Магнитное поле, созданное электрическим током, обладает энергией, равной .

34) Магнитные свойства вещества. Диа-, пара- и ферромагнетики. Магнитная проницаемость. Ферромагнетики. Кривая намагниченности. Гистерезис. Точка Кюри. Применение ферромагнитных материалов

Магнитная проницаемость - одна из характеристик магнитных свойств вещества. Подобно как электрические свойства характеризуются диэлектрической проницаемостью, магнитные свойства характеризуются магнитной проницаемостью.

- магнитная проницаемость среды.

Таким образом, вещества в магнитном поле делятся на три типа:

- диамагнетики (, );

- парамагнетики (,);

- ферромагнетики (,).

Диамагнитный эффект заключается в выталкивании магнитного поля из вещества. Идеальным диамагнетиком являются сверхпроводники, их .

В атомах и молекулах диамагнитных веществ, токи создаваемые движением электронов имеют такую конфигурацию, что созданное ими магнитное поле взаимно компенсирует друг друга. В результате в обычном состоянии атомы не создают поля. При включении магнитного поля в атомах и молекулах создаются индукционные токи, которые по правилу Ленца ослабляют внешнее магнитное поле.

Парамагнитный эффект возникает вследствие наличия у атомов ненулевых магнитных моментов, которые в момент включения магнитного поля, ориентируются вдоль магнитных линий, таким образом усиливая магнитное поле.

Основные свойства ферромагнитных материалов

 1) В слабых полях ферромагнетики характеризуются большой величиной магнитной проницаемости. В сильных полях  стремится к единице.

 2) Поле в веществе складывается по принципу суперпозиции.

, т. к. собственная намагниченность вещества сонаправлена с внешним полем, то .

3) Внешнее магнитное поле неоднозначно определяет поле в веществе.

Гистерезис

В действительности зависимость собственной намагниченности от внешнего поля сложнее, чем просто отрезок 0a. Намагниченность зависит не только от значения индукции в данный момент времени, но и от того, какой она была в предыдущий момент времени. Этот отрезок верен только в том случае, если тело не было намагничено. При уменьшении индукции намагничивающегося поля после достижения насыщения намагниченность уменьшается медленней, чем происходил её рост. Это явление называется магнитным гистерезисом.

Точка Кюри

При определенной высокой температуре ферромагнетик теряет свои свойства, становясь парамагнетиком. Температура, при которой вещество теряет эти свойства, называется точкой Кюри.

Точка Кюри - фазовый переход второго рода (переход идущий без поглощения или выделения энергии).

Магнитные материалы

Различают магнито-мягкие и магнито-жесткие материалы. У магнито-мягких площадь петли гистерезиса мала, у магнито-жестких, соответственно, - наоборот.

Постоянные магниты находят своё применение в электроизмерительных приборах, громкоговорителях, телефонах, звукозаписывающих аппаратах, магнитных компасах.

35. Сверхпроводимость. Диамагнетизм сверхпроводников. Теорема о сохранении магнитного потока

Проводник при низких температурах (близких к абсолютному нулю) является сверхпроводником (в настоящее время известны материалы, переходящие в сверхпроводящее состояние при более высоких температурах, около -170°С; такую температуру можно достигнуть при помощи жидкого азота, который, в свою очередь, получают, в отличие от жидкого гелия, не в лабораторных условиях, а в промышленных масштабах).

Абсолютный ноль может быть достигнут при переходе жидкого гелия в газообразное состояние.

Особые свойства сверхпроводников:

1) R = 0

2) Нулевая магнитная проницаемость - идеальный диамагнетик

3) Существование точки Кюри - критической температуры для перехода в сверхпроводящее состояние

Сверхпроводимое состояние является фазовым состоянием и переход в него является фазовым переходом второго рода, при котором меняются не только электрические и магнитные свойства, но и теплоемкость, теплопроводность и другие свойства.

Диамагнетизм сверхпроводников

Т. к. сопротивление сверхпроводника равно нулю, то поток магнитной индукции индукционного тока равен потоку индукции внешнего поля и противоположен ему по знаку. Индукционный ток не просто стремиться уменьшить изменение магнитного потока, но он полностью его компенсирует => магнитная проницаемость сверхпроводника равна нулю, а это идеальный диамагнетик.

Теорема о сохранении магнитного потока

Пусть вектор магнитной индукции изменяется, тогда в контуре возникает ЭДС индукции:

 =>

=>

 => магнитный поток остается неизменным

 
Адрес страницы на сайте :
http://redpencil.ru/obschie-voprosi-po-fizike/ekzamenatsionnie-voprosi-po-fizike-za-kurs-10-klassa.html

© RedPencil, 2018