Словник

Карбівничий А.М

Словник фізичних термінів

( Міні конспект лекцій з фізики )

Загальні зауваження.

 

         Не потрібно бути великим аналітиком, щоб не бачити очевидних вад сучасної української освіти. А основною з цих вад є тотальна безсистемність навчального процесу.

Загально державна безсистемність освіти, особливо боляче відчутна в тій її надважливій частині, яка називається фізикою. Адже фізика, це та наука і та навчальна дисципліна, яку в принципі не можливо вивчити інакше як тільки у вигляді цілісної системи знань. Натепер же, у повній відповідності з Міністерствами, Академіями та Інститутами затвердженими інноваційними програмами, та за написаними  під ці програми підручниками, ми вивчаємо сурогатну суміш розрізнених експериментальних фактів, формул та визначень, які не мають нічого спільного ні з цілісною системою знань, ні з тією прекрасною та цікавою наукою, яка називається фізикою – наукою про Природу.

Важливою складовою процесу вивчення фізики є термінологія цієї наука.

Адже, якщо ви не знаєте суті того, що називається Природою, матерією, речовиною, полем, силою, масою, густиною, температурою, термоелектронною емісією, законом Гука, принципом відносності, ідеальним газом, матеріальною точкою, напруженістю  електричного поля, гравітаційною сталою, силою Ампера, амперметром, ампером та ще великою кількістю сотень інших фізичних термінів,  – то ви не знаєте і не можете знати того, що називається фізикою.

А як же ви можете знати і розуміти суть того що називається “силою”, якщо в наявних підручниках написано.

1.Сила – це векторна фізична величина, що характеризує дію, яка спричиняє зміну стану руху тіла (”Фізика”, Є.В.Коршак).

2. Величину, що чисельно дорівнює добутку маси даного тіла m і його  прискорення  а , називають силою яка діє на дане тіло :  F = ma.  (“Фізика”, С.У.Гончаренко).

3. Сила – векторна величина, що э мірою дії одного тіла на інше.

(“Фізика”, А.Е. Генденштейн).

4. Зміну стану руху матеріальних тіл, тобто прискорення, викликається силами   (“Курс загальної фізики”, Г.А.Зісман)

5. Сила  F – це   векторна фізична величина   що є мірою механічного діяння на  тіло з боку інших тіл або полів. (“ Фізика”, В.Ф.Дмітрієва).

6. Сила – це фізична величина яка кількісно характеризує взаємодію

( “Фізика” Т.М.Засекіна).

7. Функція координати і швидкості матеріальної точки, яка визначається як похідна від її імпульсу за часом , називається силою : F =dp/dt .(“Загальний курс фізики”, Д.В. Сивухін).

8. Сила , величина яка є мірою механічної дії на дане матеріальне тіло з боку інших тіл. Ця дія викликає зміну швидкості точок тіла або його деформацію і може передаватись як через безпосередній контакт так і через створені тілами поля. (“Велика радянська енциклопедія”).

9. Вважаючи тіло матеріальною точкою, логічно за кількісну міру взаємодії матеріальної точки з навколишніми тілами прийняти зміну її імпульсу за одиницю часу, точніше похідну від вектора імпульсу за часом. Цю похідну називають силою, яка діє на дану матеріальну точку (“Загальна фізика”, І.М.Кучерук).

10. Сила – це величина яка характеризує зовнішню дію на тіло. (”Курс фізики”, П.А.Римкевич).

11. Будь-яку дію одного тіла на інше, що є причиною прискореного руху тіл, називають силою. (“Курс фізики”, Л.С. Жданов).

12. В фізиці для кількісної оцінки дії одного тіла на інше вводять поняття “сила”   (“Фізика” О.Ф. Кабардін).

13. Сила (у фізиці) є мірою взаємодії тіл, частинок, або поля. Сила ( в механіці) є причина прискорення тіл або частинок тіла (“Фізика”, Ю.А. Соколович).

Потрібно зауважити, що говорячи про системність та уніфікованість визначень, я маю на увазі не те, що в різних підручниках один і той же термін повинен визначатись абсолютно однаковими словами. Мова йде лише про те, що визначення будь-якого фізичного терміну має підпорядковуватись певній, загально прийнятій та логічно обґрунтованій схемі. А ця схема передбачає виконання двох пунктів :

         І. Визначаючи той чи інший термін потрібно чітко вказати до якої термінологічної групи він належить. Найчисельнішими з цих груп є :

– фізичні явища (процеси, події , рухи, ефекти, тощо);

– фізичні величини;

– одиниці вимірювання фізичних величин;

– фізичні закони;

– фізичні прилади.

Ясно, що все різноманіття фізичних термінів не можливо втиснути в рамки вище згаданих термінологічних груп. Скажімо, механіка – це розділ фізики; ідеальний газ – це спрощена (ідеалізована) модель реального газу; гравітаційна стала – це фізична стала;   електрон – це елементарна частина; пружність – це властивість тіла і т.д.

Крім цього,  в фізиці  деякі терміни мають декілька значень. Наприклад, терміном “робота” позначають як певну фізичну  величину так і певну подію. Терміном “час” позначають як певну фізичну величину так і певне фундаментальне поняття. Термін “електричний заряд” позначають як певну фізичну сутність так і ту  фізичну величину яка цю сутність характеризує Зустрічаються і такі терміни класифікаційну приналежність яких важко визначити. Скажімо “інерцію” можна назвати як певне поняття так і певну властивість фізичного об’єкту.

Та якби там не було,  а визначаючи той чи інший термін, перш за все потрібно вказати до якої класифікаційної групи він належить. Ця приналежність не лише певним чином класифікує даний термін, а й визначає подальший обсяг інформації про нього. Власне про це і стверджується в другому пункті тієї схеми яка призвана певним чином систематизувати все різноманіття фізичних термінів та уніфікувати їх визначення.

        Ⅱ.  Визначаючи  той  чи інший термін, потрібно дотримуватись певного плану відповіді, який визначається приналежністю даного терміну до тієї чи іншої термінологічної групи. Наприклад :

– Про фізичну величину потрібно сказати :

1)  що характеризує ця величина ;

2)  якою буквою вона позначається;

3)  яке визначальне рівняння величини;

4)  в яких одиницях вона вимірюється.

–  Про одиницю вимірювання фізичної величини потрібно сказати :

1) одиницею вимірювання якої величини вона є;

2) чому дорівнює ця одиниця вимірювання.

 –   Про явище потрібно сказати :

1)  пояснити   фізичну суть явища;

2)  вказати  прояви та застосування даного явища (за необхідності).

– Про прилад потрібно сказати :

1)  Призначення приладу;

2)  Будова приладу;

3) Принцип дії приладу.

– Про фізичний закон потрібно сказати :

1)  сформулювати закон словами;

2)  записати відповідну формулу.

Відразу ж зауважу, що даний словник фізичних термінів (міні конспект лекцій з фізики) не претендує на роль бездоганного та повного навчального посібника. Адже він розрахований на студентів конкретного навчального закладу (Новомосковського металургійного технікуму, ба навіть коледжу) і написаний у відповідності з навчальною програмою цього закладу.

 

 

РОЗДІЛ 0 . Введення в фізику. 

Фізика – це наука, яка представляє собою об’єктивне і точне відображення Природи в свідомості людини, викладене у вигляді певної системи достовірних знань, які описують, пояснюють і прогнозують природні явища.
Природа – це безкінечний в своєму різноманітті та проявах Всесвіт, який представляє собою діалектичне поєднання матерії, руху, часу та простору, матеріального та духовного, минулого, теперішнього та майбутнього.

Фізика вивчає   загальні властивості фізичних об’єктів і фізичних явищ, закони які визначають ці властивості та ті теорії які ці властивості пояснюють.
Фізичний об’єкт – це реально існуючий об’єкт, який є предметом наукових спостережень, досліджень і експериментів.
Фізичним явищем – називають будь-яку подію, що відбувається з фізичним об’єктом.
Фізичний закон (закон) –це стисле кількісне відображення тих зв’язків які реально існують між об’єктами і явищами Природи.
Фізична теорія (теорія) – це система достовірних знань, яка описує, пояснює і прогнозує певну, достатньо широку групу явищ.
Фізична гіпотеза (гіпотеза) – це система науково обгрунтованих, але експериментально не перевірених знань, яка претендує на роль фізичної теорії.
Фізична величина – це кількісна характеристика того чи іншого параметру об’єкту або явища, яка має числове вираження отримане шляхом вимірювання.
Визначаючи будь-яку фізичну величину, необхідно сказати наступне:
1) Вказати , який параметр об’єкту або явища вона характеризує.
2) Вказати, якою буквою вона позначається.
3)Записати визначальне рівняння величини
4) Вказати одиницю вимірювання даної величини.

 

РОЗДІЛ 1. МЕХАНІКА.

Механіка (ньютонівська механіка) – це розділ фізики, в якому вивчають параметри, закономірності та причини механічного руху тіл в усіх його проявах , за умови, що швидкість цього руху значно менша за швидкість світла (300 000 км/с). Теоретичною основою механіки є принцип відносності, три закони Ньютона та закон Всесвітнього тяжіння.
Механіку умовно можна розділити на три базові розділи:
– кінематика
– статика
– динаміка

ТЕМА 1.1. Кінематика

Кінематика – це розділ механіки, в якому вивчають параметри та закономірності механічного руху тіл, без врахування їх мас і діючих на них сил. Іншими словами, в кінематиці вивчають параметри та закономірності механічного руху тіл і не вивчають причини цього руху.

Основні поняття кінематики.

Механічний рух – це такий процес (рух) , при якому тіло як єдине ціле ( або певні цілісні фрагменти тіла) переміщується відносно інших тіл. Однією з різновидностей механічного руху є механічний спокій, тобто такий рух , швидкість якого дорівнює нулю. По суті однією з різновидностей механічного руху тіла є його механічна деформація.

Поступальний рух – це такий рух, при якому будь-яка приналежна тілу пряма залишається паралельною сама собі.

Обертальний рух – це такий рух, при якому всі точки тіла описують кола, центри яких знаходяться на одній прямій, яка називається віссю обертання.

Матеріальна точка , це така умовна точка якою теоретично замінюють певне реальне тіло, в ситуаціях коли розмірами, формою та внутрішнім устроєм цього тіла можна знехтувати. Матеріальна точка зберігає лише одну динамічну характеристику реального тіла – його масу.

Відносність руху полягає в тому ,що різні спостерігачі спостерігаючи за рухом одного і того ж об’єкту можуть бачити суттєво різні рухи.

Система відліку – це взаємопов’язавна сукупність системи координат та вимірювача часу, яка застосовується для того щоб кількісно описати механічний рух матеріальної точки( тіла) в цій системі.

Система координат – це взаємопов’язана сукупність точки відліку та осей системи координат, яка застосовується для того щоб кількісно описати положення ( розташування, місцезнаходження) матеріальної точки в цій системі.

Траєкторія – це умовна лінія яку описує матеріальна точка в процесі свого руху в вибраній системі координат.

 

Основні фізичні величини кінематики.

 Час  – це фізична величина  яка характеризує  тривалість подій ( явищ, процесів, рухів, тощо) і яка дорівнює цій тривалості.

    Позначається :  t

Визначальне рівняння :  нема

Одиниця вимірювання :   [t] = с , (секунда)

 Довжина – це фізична величина яка характеризує відстань між двома   точками виміряну вздовж певної лінії і яка дорівнює цій відстані.

      Позначається :  Ɩ

Визначальне рівняння : нема

Одиниця вимірювання : [Ɩ] = м

Координата – це фізична величина яка характеризує положення (місцезнаходження) матеріальної точки в заданій системі координат і яка дорівнює відстані від  точки відліку цієї системи до проекції даної точки на відповідну вісь координат.

 Позначається: х

Визначальне рівняння : х = Ɩх

Одиниця вимірювання : [х] = м ,   (метр)

  Пройдений  шлях – це фізична величина яка характеризує пройдений матеріальною точкою (тілом) шлях і яка дорівнює довжині тієї траєкторії яку описує ця точка в процесі відповідного руху.

 Позначається: s

Визначальне  рівняння:  s = Ɩтр     або   s =∆х

Одиниця вимірювання : [s]  = м .

 Радіус-вектор   – це фізична величина, яка характеризує положення (місцезнаходження) матеріальної точки в заданій системі координат і яка дорівнює вектору довжини проведеному від точки відліку цієї  системи до даної точки.

Позначається : r

Визначальне рівняння  : rƖr

Одиниця вимірювання :  [r] =  м.

 Переміщення – це фізична величина, яка характеризує переміщення матеріальної точки в заданій системі відліку і яка дорівнює вектору довжини що з’єднує початкове та кінцеве положення цієї точки.

Позначається:  s

Визначальне рівняння : s = ∆r 

Одиниця вимірювання : [s] =  м.

Швидкість –  це  фізична величина, яка характеризує швидкість  руху тіла (матеріальної точки) в заданій системі відліку і яка показує на скільки переміщується тіло в цій системі за одиницю часу.

Позначається:  v

Визначальне рівняння : vx/Δt

Одиниця вимірювання :[v] =м/с ,    метр за секунду

Середня швидкість (середня шляхова швидкість), це та усереднена швидкість  з якою тіло долає певну ділянку шляху і яка дорівнює відношенню пройденого тілом шляху s, до  того проміжку часу t, за який цей шлях було пройдено.

Позначається : vсер

Визначальне рівняння : vсер= s/t

Одиниця вимірювання : [vсер]= м/с,    метр за секунду

 Прискорення – це  фізична величина , яка характеризує  зміну швидкості руху  тіла,  і яка  показує на скільки змінюється ця швидкість за одиницю часу

Позначається: а

Визначальне рівняння :  а = Δv/Δt

Одиниця вимірювання:  [a]  = м/с2,   метр за секунду в квадраті.

 Тангенціальне прискорення – це таке прискорення , яке характеризує зміну    швидкості за величиною

Позначається: aτ

Визначальне рівняння:  aτ = Δv/Δt

Одиниця вимірювання : [aτ] = м/с2

 Доцентрове прискорення – це таке прискорення, яке характеризує зміну     швидкості за напрямком.

Позначається:  ад

Визначальне рівняння: ад = v2/R

Одиниця вимірювання:  [ад] = м/с2 .

 Повне прискорення – це таке прискорення, яке дорівнює векторній сумі  тангенціального і доцентрового прискорень тіла.

Позначається: а

Визначальне рівняння : а = аτ + ад

Одиниця вимірювання:  [а]  = м/с2          

                      Основний  закон кінематики.

Рівняння руху  –  це закон в  якому  стверджується : прямолінійний рух матеріальної точки можна описати рівнянням     x = x0 + v0t + (a/2)t2 ,

де   х  – координата точки в момент часу t

x0 – початкова координата точки

v0 – початкова швидкість точки

а   – прискорення точки.

 

ТЕМА 1.2. Статика.

Статика – це розділ механіки в якому вивчаються параметри закономірності та причини стану механічної рівноваги тіла.

Основні поняття статики:

Механічна рівновага тіла: – це такий механічний стан тіла , при якому воно знаходиться в стані механічного спокою (v=0), або стані прямолінійного рівномірного руху (v =const ).

Механічна взаємодія – це такий процес, при якому дія одного фізичного об’єкту ( тіла) на інший фізичний об’єкт призводить до зміни швидкості їх відносного руху, або їх механічної деформації. Кількісною мірою взаємодії фізичних об’єктів є сила.

Система сил – це сукупність тих зовнішніх сил, що діють на дане тіло в даний момент часу.

Збіжна система сил – це система таких сил, лінії дії яких перетинаються в одній точці.

Рівнодіючою силою називають таку силу , що чинить на тіло таку ж механічну дію як і вся система реально діючих на нього сил.

                                 Основні фізичні величини статики :

 Сила – це фізична величина , яка є мірою дії одного тіла на інше (мірою взаємодії  фізичних  об’єктів)  і яка дорівнює добутку маси тіла на величину того прискорення яке воно отримує під дією даної сили.

Позначається : F

Визначальне рівняння :  F = ma

Одиниця  вимірювання : [ F] = кгм/с2 = Н ,   (ньютон)

Ньютон – це одиниця вимірювання сили, що дорівнює такій силі яка тілу масою 1 кг надає прискорення 1 м/с2.

Сила інерції – це сила , поява якої  обумовлена прискореним рухом тіла і яка завжди протидіє появі та зростанню цього прискорення.

Позначається : F

Визначальне рівняння:   Fi = – ma

Одиниця вимірювання :   [Fі] = H .

Сила гравітаційної взаємодії – це сила з якою взаємодіють тіла згідно з законом всесвітнього тяжіння.

Позначається : Fгр

Визначальне рівняння:  Fгр = Gm1m2/r2 ,

де G = 6,67 ∙ 10-11 Нм2/кг2  –  гравітаційна стала

Одиниця вимірювання :  [Fгр] = Н

Сила тяжіння  – це сила з якою тіла притягуються до  Землі і яка дорівнює векторній сумі діючої на них гравітаційної сили та обумовленої обертальним рухом Землі сили інерції.

Позначається : Fт

Визначальне рівняння : Fт = mg , де  g = 9,8 м/c²

 Одиниця вимірювання : [Fт] = H      

 Реакція опори  – це сила з якою опора діє на тіло.

Позначається :  N

Визначальне рівняння: реакція опори визначається із умов конкретної задачі

Одиниця вимірювання :      [N] = H

Вага –  це сила з якою  тіло діє на опору.

Позначається : Р

Визначальне рівняння : Р = N  якщо система тіло-опора знаходиться в стані                            механічної рівноваги, то в цьому випадку Р = mg.

Одиниця вимірювання :    [P]  = H ,   ньютон

Сила пружності  –   це сила, поява якої обумовлена пружною деформацією тіла і яка завжди протидіє появі та зростанню цієї деформації.

Позначається :Fпр

Визначальне рівняння : Fпр = – kΔƖ

де  k   –    жорсткість тіла

ΔƖ –  абсолютна деформація тіла

Одиниця вимірювання :    [Fпр] = H .

 Сила тертя– це сила , з якою поверхні взаємодіючих тіл протидіють їх взаємному переміщенню , або можливості такого переміщення.

Позначається : Fтер

Визначальне рівняння : Fтер = μN ,    де μ – коефіцієнт тертя

Одиниця вимірювання :  [Fтер] = H    

 Сила Архімеда – це сила , з якою занурені в рідину або газ   тіла   виштовхуються із них і яка дорівнює вазі виштовхнутої тілом рідини (газу).

Позначається : Fa

Визначальне рівняння : Fa= ρVg

де  ρ  – густина рідини (газу)

V  – об’єм зануреної в рідину(газ) частини тіла

g = 9,8  м/с²

Одиниця вимірювання : [Fa] = H

       

          Основний закон статики .

Умова  механічної рівноваги тіла – це закон  в якому стверджується : тіло

( матеріальна точка) буде знаходиться в стані механічної рівноваги  (v = 0 , або  v = const), тоді і тільки тоді , коли векторна сума діючих на нього зовнішніх сил дорівнює нулю . Іншими словами : якщо  v = 0 , або v = const то  ΣF =0.   

 

Тема 1.3. Механіка пружно деформованого тіла.

Одним з результатів дії на тіло тієї чи іншої сили F , є механічна деформація цього тіла. Механічною деформацією тіла називають будь-яку зміну форми або розмірів тіла, що відбувається під дією тієї чи іншої сили (деформуючої сили) . За характером поведінки деформованого тіла, після припинення дії деформуючої сили, деформації поділяються на пружні, пластичні та пружно-пластичні
Пружною називають таку деформацію, яка після припинення дії деформуючої сили повністю зникає (тіло відновлює свою форму).
Пластичною називають таку деформацію, яка після припинення дії деформуючої сили не зникає ( тіло не відновлює свою форму).
В межах програми загальноосвітньої школи вивчають лише ті деформації, які називаються пружними. При цьому розрізняють чотири простих різновидності пружних деформацій:
–  деформація розтягнення-стискання.
–  деформація згибу
–  деформація кручення.
–  деформація зсуву.
Деформованість тіла та його внутрішній механічний стан характеризують наступні величини :

 Абсолютна деформація – це фізична величина, яка характеризує абсолютну деформацію тіла і яка показує на скільки змінились розміри тіла в процесі його деформації.

Позначається : ΔƖ

Визначальне рівняння : ΔƖ = Ɩk – Ɩ0

Одиниця вимірювання: [ΔƖ] = м

Відносна деформація – це фізична величина, яка характеризує відносну деформацію тіла і яка дорівнює відношенню абсолютної деформації ΔƖ тіла до його початкової  довжини Ɩ0 .

Позначається : ε

Визначальне рівняння :  ε = ΔƖ/Ɩ0

Одиниця вимірювання : [ε] =  – ( безрозмірна величина)

Сила пружності– це сила яка, виникає в тілі в процесі його пружної деформації і яка протидіє появі та зростанню цієї деформації.

Позначається  Fпр

 Визначальне рівняння : Fпр = – kΔƖ

де  k –жорсткість тіла – величина яка характеризує пружні властивості тіла .

 Жорсткість тіла – це фізична величина, яка характеризує пружні властивості даного тіла і яка дорівнює відношенню тієї сили , що деформує тіло, до величини отриманої при цьому абсолютної деформації тіла.

Позначається : k

Визначальне рівняння :  k = F/ΔƖ

Одиниця  вимірювання:   [k] = Н/м

Жорсткість тіла залежить від геометричних параметрів тіла, зокрема від його довжини Ɩ0 та площі поперечного перерізу  S, а також, від пружних властивостей того матеріалу, з якого виготовлено дане тіло. Цю залежність можна записати у вигляді :  k =ES/Ɩ0 ,

де Е – модель пружності ( фізика величина , яка характеризує пружні властивості того матеріалу, з якого виготовлено дане тіло і  значення якої визначається експериментально)

Механічна напруга – це фізична величина , яка дорівнює відношенню сили пружності , що викає в процесі деформації тіла , до величини площі його поперечного перерізу :

Позначається: σ

Визначальне рівняння: σ = Fпр/S

Одиниця вимірювання: [σ] = H/м2 = Па

 

Основним законом,  механіки пружно деформованого тіла є закон Гука.

 Закон Гука (перше формулювання).– це закон, в якому стверджується : при пружній деформації тіла, величина його абсолютної деформації (ΔƖ) пропорційна величині деформуючої сили (F) Іншими словами:  ΔƖ = F/k  ,  де   k- жорсткість тіла

Закон Гука (друге  формулювання) – це закон, в якому стверджується : при пружній деформації тіла, величина виникаючої в ньому механічної напруги (ϭ) пропорційна величині його відносної деформації ε . Іншими словами  ϭ =Еε  ,

де  Е – модуль пружності тіла

ТЕМА 1.3. Динаміка

Динаміка – це розділ механіки , в якому вивчаються параметри , закономірності та причини стану динамічної рівноваги тіла, а також імпульсно-енергетичні параметри механічного руху тіл . Динаміка, це узагальнюючий розділ механіки . в якому ті знання, які були отриманні в процесі вивчення кінематики та статики, доповнюються новими знаннями і узагальнюються.

Основні поняття динаміки.

Динамічна рівновага тіла – це такий механічний стан тіла, при якому воно під дією зовнішніх сил та сили інерції знаходиться в стані рівноприскореного руху (а ≠ 0).

Гравітація – це універсальна властивість тіла, яка полягає в його здатності створювати певну гравітаційну дію (певне гравітаційне поле). Або, в більш вузькому сенсі – в здатності тіла притягуватись до Землі. Кількісною мірою гравітації є маса.

Інерція – це універсальна властивість тіла (речовинного об’єкту), яка полягає в тому, що воно протидіє будь-якій зміні його швидкості. Кількісною мірою інерції є маса.

Інерціальна система відліку – це така система відліку в якій виконується перший закон Ньютона (закон інерції).

 

Основні фізичні величини динаміки :

Маса – це фізична величина яка являється мірою:
а) інерціальних властивостей тіла;
б) гравітаційних властивостей тіла;
в) енергетичних властивостей тіла;
г) кількості речовини в тілі , виміряної в кілограмах.
Позначається : m
Визначальне рівняння : нема
Одиниця вимірювання : кілограм [m] = кг
В механіці маса є кількісною мірою інерціальних властивостей тіла .

Імпульс – це фізична величина , яка є мірою кількості руху тіла і яка дорівнює добутку маси тіла на його швидкість .

Позначається : р

Визначальне рівняння : р = mv

Одиниця вимірювання : [p] = кгм/с ,    (кілограм – метр на секунду)

 Енергія –  це фізична величина , яка характеризує здатність тіла , частинки або поля виконувати роботу.

Позначається : Е

Визначальне рівняння : різні в залежності від виду енергії

Одиниця вимірювання : [E] =Дж = Н∙м = кгм22

Кінетична енергія (енергія руху) – це та енергія , яку мають фізичні об’єкти (тіла, частинка, поля)    за рахунок того  що вони рухаються

Позначається: Ек

Визначальне рівняння: Ек = mv2/2

Одиниця вимірювання:  [Ек] = Дж

Потенціальна енергія (енергія взаємодії) – це енергія, яку мають фізичні об’єкти за рахунок того , що вони так чи інакше взаємодіють з іншими об’єктами, або за рахунок тих взаємодій які відбуваються всередині цих об’єктів.

Позначається: Еп

Визначальне рівняння:  Еп = ?    ( єдиної формули, яка б дозволяла визначити

величину Еп  будь-якої різновидності , нема).

Одиниця вимірювання:  [Еп] = Дж

Потенціальна енергія сили тяжіння – це така енергія, поява якої обумовлена гравітаційною взаємодією даного тіла з Землею.

Позначається : Еп

Визначальне рівняння:  Еп = mgh

Одиниця вимірювання : [Еп] = Дж.

 Потенціальна енергія сили  пружності – це така енергія, поява якої обумовлена міжмолекулярними взаємодіями пружно деформованого тіла.

Позначається: Еп

Визначальне рівняння:  Еп = kΔƖ2/2

Одиниця вимірювання : [Еп] = Дж

Роботаце фізична величина , яка характеризує  енергетичні затрати на виконання роботи , тобто на здійснення енерго затратного переміщення тіла (фізичного об’єкту).

Позначається: А

Визначальне рівняння :  А = ΔЕ ,  або  А = F∙Ɩ∙cosα

Одиниця вимірювання : [А] = Дж

Потужність – це фізична величина , яка характеризує роботу виконану за одиницю часу і яка чисельно дорівнює цій роботі.

Позначається: P

Визначальне рівняння:P = A/t

Одиниця вимірювання :  [P] = Дж/с = Вт,   (ват)

Коефіцієнт корисної  дії (к.к.д.) – це фізична величина , яка характеризує  ефективність використання енергії в тому чи іншому приладі  і яка дорівнює відношенню тієї роботи що є корисною  до величини загальних енергетичних затрат.

Позначається :  η

Визначальне рівняння:  η = (Акорзаг)100%

Одиниця вимірювання:  [η] = %

 

                     Основні закони динаміки і механіки загалом :

Принцип відносності (перше формулювання)  – це закон, в якому стверджується : Ніякими експериментами, які проводяться в середині закритої ізольованої кабіни , не можливо встановити стоїть ця кабіна (v = 0 ) чи рівномірно рухається  (v = const). Не можливо тому, що всі  фізичні процеси які відбуваються в кабіні що стоїть і в кабіні що рівномірно рухається, відбуваються абсолютно однаково.

Принцип відносності (друге формулювання)  – це закон, в якому стверджується: У всіх інерціальних системах відліку, тобто таких системах де виконується перший закон Ньютона (закон інерції), всі фізичні процеси відбуваються абсолютно однаково

Перший закон Ньютона – це  закон , в якому стверджується: Будь-яке тіло буде знаходитись в стані механічного спокою (v = 0 ), або стані прямолінійного рівномірного руху (v = const) до тих пір, поки на нього не подіє зовнішня сила, яка і змусить тіло змінити цей стан.

 Другий закон Ньютона – це  закон , в якому стверджується: Під дією зовнішньої сили F, тіло масою  m  отримує прискорення  а, величина якого прямо пропорційна  діючій на тіло силі і обернено пропорційна його масі, тобто

                                        FaF/m      

 Третій закон Ньютона – це  закон, в якому стверджується: Діюча на тіло сила  F завжди породжує рівну їй за величиною і протилежну за напрямком протидіючу силу  F’ , тобто

                                        F→ F’ = – F      

 Закон всесвітнього тяжіння – це закон, в якому стверджується: Два тіла маси яких  m   і   m    взаємно притягуються з гравітаційною силою  (Fгр)   величина якої прямо пропорційна добутку їх мас (m1m2)  і обернено пропорційна квадрату відстані між центрами цих мас (r2) ,  тобто  Fгр = Gm1m2/r2 ,

де   G = 6,6710-112/кг2 – гравітаційна стала.

Умова  динамічної рівноваги тіла – це закон, в якому стверджується: Тіло (матеріальна точка) буде знаходитись в стані динамічної рівноваги (а = const ≠0) тоді і тільки тоді, коли векторна сума діючих на нього зовнішніх сил та сили інерції дорівнює нулю. Іншими словами: якщо  а =const ≠ 0,  то  Σ F + Fі = 0

 Закон збереження імпульсу  – це закон ,в якому стверджується:  При будь-яких процесах , які відбуваються в замкнутій (енерго ізольованій) системі, загальна кількість  імпульсу цієї системи залишається незміною , тобто зберігається . Іншими словами:

pдо = ∑pпісля  або   ∑p = const .                    

 Закон збереження енергії – це закон ,в якому стверджується:  При будь-яких процесах, які відбуваються в замкнутій (енерго ізольованій) системі, загальна кількість енергії цієї системи залишається незміною, тобто зберігається . Іншими словами:

∑Едо = ∑Епісля   або    ∑Е = const .

 Гравітаційна стала (G = 6,6710-112/кг2)– це постійна величина, значення якої визначається експериментально і яка чисельно дорівнює тій гравітаційній силі з якою взаємодіють дві матеріальні точки, масою по одному кілограму кожна, будучи розташованими на відстані один метр. Іншими словами :

якщо m1 = m2 = 1 кг;  r = 1 м , то   Fгр =6,67 ∙ 10-11  Н  .

 

                                                  РОЗДІЛ 2. МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА.

 

 Молекулярна фізика – це розділ фізики в якому вивчають загальні властивості твердих, рідких та  газоподібних  речовин, і ті теплові процеси, які відбуваються з ними. Основним поняттям і основним об’єктом досліджень молекулярної фізики є речовина.

  Речовинами називають такі  матеріальні об’єкти, які складаються з тих чи інших частинок (атомів, молекул, іонів, тощо) і мають масу спокою.

Теоретичну основу молекулярної фізики складають три твердження , які називаються основними положеннями молекулярно-кінетичної теорії (м.к.т.):

1.  Всі речовини  складаються з молекул(молекул, атомів, іонів).

2.  Молекули в речовині безперервно і безладно рухаються.

3.  На невеликих відстанях( ~10-9м) , молекули взаємодіють між собою, ( в залежності від міжмолекулярної відстані – притягуються або відштовхуються).

Методологічною основою молекулярної фізики є статистичний метод досліджень, суть якого  полягає в тому, що поведінку і властивості складних систем молекул (твердих, рідких та газоподібних тіл) описують на основі законів ньютонівської механіки  та статистично усереднених характеристик цих молекул.

 

Величини , які характеризують кількість речовини в тілі.

Маса – (в молекулярній фізиці) – це фізична величина , яка є    мірою кількості речовини в тілі,  виміряної в кілограмах.

Позначається  :  m

Визначальне рівняння : нема

Одиниця вимірювання : [m] = кг (кілограм)

Кількість структурних одиниць – це фізична величина , яка  є мірою кількості речовини  в тілі виміряної в структурних одиницях

( молекулах , атомах, іонах чи інших структурних одиницях).

Позначається : N

Визначальне рівняння : N= m/m0 ,  де m – маса однієї структурної одиниці (молекули)              відповідної речовини, m  –  загальна маса речовини

Одиниця вимірювання : [N] = структурні одиниці ( атоми, молекули.)

Кількість речовини – це фізична величина , яка  є мірою кількості речовини в тілі виміряної в молях.

Позначається :

 Визначальне рівняння : ν = m/M     де   М – молярна маса речовини

Одиниця вимірювання :[ν] = моль

Моль –  це одиниця вимірювання кількості речовини , яка дорівнює такій порції (кучці) цієї речовини, в якій знаходиться 6,02 ∙ 10(23)   її структурних одиниць.

Стала Авогадро (NА = 6,02∙1023(1/моль)) –  це постійна величина , яка показує скільки структурних одиниць знаходиться   в одному молі речовини

Маса молекули – це  фізична величина, яка характеризує масу однієї молекули (структурної одиниці) речовини і яка дорівнює цій масі

Позначається : m0

Визначальне рівняння : m0 = Mr ∙1,66∙10-27 (кг)  або  m0 = Mr (а.о.м.)

де Mr  – масове число (визначається експериментально і записується у  відповідну                  клітинку періодичної системи хімічних елементів)

Одиниця вимірювання : [m0] = кг   або [m0]  = а.о.м.

Атомна одиниця маси – це позасистемна одиниця вимірювання маси, яка дорівнює 1/12 маси атома карбону :     а.о.м. = m0(C612) =1,66∙10-27кг

Молярна маса – це фізична величина . яка характеризує масу одного моля даної  речовини і яка дорівнює цій  масі.

Позначається : М

Визначальне рівняння : М = NAm0   або  М = Mr (г/моль)

Одиниця вимірювання :   [M] = кг/моль    або  [M] = г/моль

Густина   – це фізична величина , яка характеризує кількість речовини

(виміряну в кілограмах) в одиниці її об’єму і яка дорівнює відношенню маси даної речовини до її об’єму.

Позначається :  ρ

Визначальне рівняння: ρ = m/V

Одиниця вимірювання: [ρ] = кг/м3

Концентрація  структурних одиниць – це фізична величина , яка характеризує кількість речовини ( виміряну числом її структурних  одиниць) в одиниці об’єму і яка показує скільки молекул (структурних одиниць) даної речовини міститься в одиниці її об’єму

Позначається   :  n0

Визначальне рівняння: n0 = N/V

Одиниця вимірювання: [n0] = 1/м3

 

Величини , які характеризують енергетичні параметри молекул речовини.

Середня кінетична енергія молекул – це фізична величина, яка характеризує середню кінетичну енергію однієї молекули речовини і яка дорівнює цій енергії.

Позначається   :  Ек

Визначальне рівняння :  Ек = mv2/2

де  v –  середня квадратична швидкість молекул речовини

Одиниця вимірювання : [Ек] = Дж

 Середня потенціальна  енергія молекул – це фізична величина, яка характеризує середню  потенціальну енергію однієї молекули речовини і яка дорівнює цій енергії.

Позначається   :  Еп

Визначальне рівняння :  Ек  =  ?

Одиниця вимірювання : [Еп] = Дж

 Температура (перше формулювання)  – це фізична величина , яка характеризує  ступінь  нагрітості  тіла, виміряну термометром за температурною шкалою Цельсія

Позначається : t

Визначальне рівняння :  нема

Одиниця вимірювання :  [ t ] = 0C (градус Цельсія)

 Температура ( друге формулювання)  – це фізична величина , яка характеризує середню кінетичну енергію  теплового  руху молекул речовини виміряну не в джоулях ,

а в кельвінах.

Позначається : T

Визначальне рівняння :  T = Ek/(3/2)k

де   k = 1,38 ∙10-23Дж/К   стала Больцмана

Одиниця вимірювання : [ T ] = K,     (кельвін)

 Кельвін (  градус Цельсія) – це одиниця вимірювання температури , яка дорівнює 1/100 інтервалу температур між точкою плавлення і точкою кипіння  чистої води, виміряними при  нормальному атмосферному тиску.

    Відмінність  між температурою виміряною в градусах Цельсія (  та температурою виміряною в Кельвінах (Т) полягає в тому, що в першому випадку за початок відліку температури (за  прийнято температуру плавлення води, а в другому випадку,  за початок відліку температури (за Т = 0 К) прийнято температуру абсолютного нуля.

 Абсолютний нуль – це температура при якій припиняється тепловий рух молекул.  За шкалою Цельсія температура абсолютного нуля дорівнює – 273 0С (точніше -273, 15  0С).

 Стала Больцмана   (k = 1,38·10-23Дж/К це постійна величина , яка показує на скільки джоулів зміниться середня кінетична енергія однієї молекули речовини  при зміні     температури цієї речовини на 1,5 кельвіна (на 1,50С).

По суті стала Больцмана відображає співвідношення між двома одиницями вимірювання енергії :   1,5 К = 1,38 ∙10-23 Дж

 

ТЕМА 2.2. Газоподібні речовини та їх властивості.

 

Газоподібними називають такі  речовинні макрооб’єкти (тіла)  середня потенціальна енергія яких значно менша за   їх середню кінетичну енергію

п< Ек) і визначальними зовнішніми ознаками яких є відсутність як певного сталого об’єму так і певної сталої форми (V≠const , Ф≠const ) .

Газоподібні речовини можна розділити на дві групи : гази та пари.

Газами – називають  такі газоподібні речовини (V≠const , Ф≠const, Еп< Ек)   які знаходяться  при за критичних температурах (t > t¹ ). Це  означає, що в газах середня кінетична енергія молекул набагато більша за їх середню потенціальну енергію (Ек >> Еп)

і  що газ не можливо перетворити на відповідну рідину шляхом його ізотермічного стиснення.

Факт того, що в газах енергія взаємодії молекул набагато менша за енергію руху цих молекул (Еп << Ек) по суті означає, що фізичні властивості газів практично не залежать від величини потенціальної енергії їх молекул і що тому :

–  фізичні властивості хімічно різних газів є однаковими;

–  фізичні властивості всього різноманіття газів можна описати цілісною науковою теорією.

Фізичний стан певної маси газу (m = const) характеризують трьома величинами, які називають основними термодинамічними параметрами газу: 

–  об’єм V ;               [V] =  м3

–  температура Т;  [Т] = К

–  тиск p ;                 [p] =  Па

Тиск – це фізична величина , яка характеризує усереднену силову дію, що припадає на одиницю площі поверхні і яка дорівнює відношенню тієї сили що діє на дану поверхню до площі цієї поверхні

Позначається : р

Визначальне рівняння :  р =F/S

Одиниця вимірювання :  [р] =H/ = Па (паскаль)

Ізопроцес  –  це такий термодинамічний процес , при якому маса газу і один із його термодинамічних параметрів ( р , V або Т) залишаються незмінними. Розрізняють три ізопроцеси :

Ізотермічний процес   m = const;  T = const

Ізобаричний процес     m = const;  р = const

Ізохоричний процес    m = const;  V = const

 

                             Газові закони :

  Закон Бойля – Маріотта – при ізотермічному процесі добуток об’єму газу на його тиск залишається незмінним. Іншими словами:

якщо  m = const   і    T= const  то     рV = const

 Закон Гей-Люсака – при ізобаричному процесі відношення об’єму газу до його абсолютної температури залишається незмінним. Іншими словами:

якщо  m = const ; р =const ,    то  V/T = const,  або   V/(t+273) =const

  Закон Шарля –  при  ізохоричному процесі, відношення тиску газу до його абсолютної температури залишається незмінним. Іншими словами:

якщо  m = const; V = const   то   p/T = const,  або     p/(t+273) = const

Об’єднаний газовий закон  – при будь-яких термодинамічних процесах об’єм, тиск і температура певної маси (m=const) будь якого газу зв’язані співвідношенням:

pV/T = const;   або     pV/(t+273) = const  

 Закон Клапейрона – для  одного моля будь-якого газу, виконується співвідношення:  pVмоль/T = R    або   pVмоль/(t+273) = R                         

де  R = 8,31Дж/Кмоль – постійна величина  яка називається молярною  газовою сталою.

 Молярна газова стала (R = 8,31Дж/Кмоль) – це постійна величина яка показує на скільки джоулів зміниться середня кінетична енергія одного моля газу (тобто 6,02 ∙1023 молекул газу) при зміні його температури на 1,5 К  (на 1,5 0С).

 Закон Менделєєва-Клапейрона  – для  довільної кількості молей будь-якого газу виконується співвідношення:  pV/T = (m/M)R                                         

де  m –  загальна маса газу

М –   молярна маса газу

R – молярна газова стала

 Закон  Авогадро – за нормальних умовах ( р = 1∙105 Па,  Тн = 273К)

один моль будь-якого газу займає об’єм 22,4 літра ( 22,4 ∙10-3м3

 Закон Дальтона – тиск суміші хімічно не взаємодіючих газів, дорівнює сумі тих парціальних тисків, які створюють окремі складові цієї суміші, тобто

р = р1 + р2 +…+ рн 

 

                        Теорія газів.

      Ідеальний газ – це спрощена (ідеалізована) модель реального газу в якій :

1.  молекули – ідеально круглі пружні кульки ;

2.  енергією взаємодії молекул можна знехтувати і вважати , що  Еп=0

3.  в сторону будь-якої стінки куба в будь-який момент часу рухається  1/6 частина молекул газу.

Представляючи реальний газ у вигляді його спрощеної моделі (ідеального газу) та знаючи фізичну суть того , що називається тиском, температурою, об’ємом, концентрацією молекул, силою, прискоренням, тощо, можна записати : 

p = F/S = NудF0/S = Nудm0a/S = Nудm0Δv/SΔt = Nудm02v/SΔt = (1/6)Nm02v/SΔt =

= (1/3)n0Vm0v/SΔt = (1/3)n0SƖm0v/SΔt = (1/3)n0m0v2 = (2/3)n0Ek  –

основне рівняння м.к.т. газів. На основі аналізу основного рівняння м.к.т. газів не важко “відкрити” все різноманіття газових законів. Дійсно:

 

мал.  Таблиця газових законів.

 

                          Пари та їх властивості.

 Парами – називають  такі газоподібні  речовини (V≠ const ,Ф≠ const , Епк ) , які знаходяться  при  до критичних температурах (t< t¹)   Це означає, що в парах,  середня кінетична енергія молекул не набагато більша за їх  середню потенціальну енергію

кп ) і що пар можна перетворити на відповідну рідину шляхом його ізотермічного стиснення.

Пароутворення – це такий тепловий процес, який відбувається з поглинанням енергії і супроводжується переходом речовини з рідкого стану в газоподібний. Розрізняють дві різновидності пароутворення : випаровування та кипіння.

 Випаровування  – це  таке пароутворення , яке відбувається тільки з вільної поверхні рідини. Випаровування відбувається при будь-якій температурі рідини. При цьому інтенсивність випаровування залежить від температур: з  підвищенням температури ця інтенсивність зростає і навпаки.

 Кипіння – це  таке пароутворення , яке відбувається в усьому об’ємі рідини . Кипіння відбувається при певній температурі (температурі кипіння), величина якої залежить від сорту рідини і зовнішнього тиску:  з підвищенням зовнішнього тиску,  температура кипіння підвищується і навпаки.

Конденсація    це такий тепловий процес, який відбувається з виділенням енергії і супроводжується переходом речовини з газоподібного стану в рідкий.

 Насиченим паром називають такий пар що  знаходиться в стані динамічної рівноваги зі  своєю рідиною і який має гранично велику для даної температури густину (ρн) – густину насиченого пару. Величина цієї густини залежить від температури:   з підвищенням температури , густина насиченого пару зростає   і  навпаки.

 Не насиченим паром називають такий пар, густина якого менша за густину відповідного за температурою насиченого пару ( ρ < ρн ).

Критична температура (t¹) – це температура при якій густина рідини ρр густина її насиченого пару однакові (ρр = ρн) При критичній температурі відмінності між рідиною і її насиченим паром зникають.

При до критичній температурі (t < tкр)  речовина може бути твердою , рідкою або газоподібною. При за критичній (t > tкр) –  лише газоподібною.

Абсолютна вологість повітря – це фізична величина яка характеризує фактичну густину того водяного пару, що міститься в повітрі і яка дорівнює цій густині.

Позначається :  ρа

Визначальне рівняння:  ρа = m(H2O)/V

Одиниця вимірювання: [ρa] = кг/м3

Відносна вологість повітря – це фізична величина , яка характеризує  ступінь насиченості повітря водяними парами  і яка  дорівнює відношенню фактичної густини того пару, що міститься в повітрі до його максимально можливої при даній температурі густини.

Позначається  :  В

Визначальне рівняння : В = (ρан)100%

Одиниця вимірювання : [B]=%

Точка роси (tp)це температура при якій  повітря, в процесі охолодження стає насиченим водяними парами   ( при t = tρ     ρа =  ρн;    В = 100%)

 

ТЕМА 2.3. Рідини та їх властивості.

 

Рідинами називають такі речовинні макрооб’єкти  (тіла), середня потенціальна енергія молекул яких мінімально більша за їх середню кінетичну енергію

( Еп ≈Ек ) і визначальними зовнішніми ознаками яких є наявність певного сталого об’єму і відсутність певної сталої форми  (V = const;  Ф ≠ const) .

Факт того, що енергією взаємодії молекул рідини мінімально більша за їх енергію руху

п  ≥  Ек), по суті означає :

1.  різні рідини мають суттєво різні фізичні властивості;

2.  загальної теорії рідин, подібної до теорії газів не існує.

Дослідження показують, що поверхневий шар будь-якої рідини має певні пружні властивості. Цей факт пояснюється тим, що молекули поверхневого шару рідини і молекули її внутрішніх шарів знаходяться в суттєво різних умовах.

Сила поверхневого натягу – це сила , поява якої обумовлена тим , що на кожну молекулу поверхневого шару рідини  діє нескомпенсована частина сил міжмолекулярної взаємодії , яка намагається втягнути цю молекулу в середину рідини.

Позначається : Fпн

Визначальне рівняння : Fпн = σƖ

де  Ɩ – довжина тієї лінії поверхні рідини  на якій виникає сила       поверхневого натягу;  σ – коефіцієнт поверхневого натягу рідини.

Одиниця вимірювання  : [ Fпн ] =  Н

Коефіцієнт поверхневого натягу – це  фізична величина , яка характеризує пружні властивості поверхневого шару рідини і яка дорівнює відношенню сили поверхневого натягу до довжини тієї лінії поверхні на якій ця сила діє.

Позначається : σ

Визначальне рівняння : σ = Fпн

Одиниця вимірювання :   [σ] = Н/м

Коефіцієнт поверхневого натягу визначається експериментально і записується у відповідну таблицю. Наприклад , для води σ(вода)  = 0,072 Н/м.

Відомо, що крапля рідини на одних твердих поверхнях розтікається, а на інших – не розтікається. При цьому говорять, що в першому випадку рідина змочує тверду поверхню, а в другому – не змочує її. Наприклад, вода змочує скло і не змочує парафін. Пояснюючи даний     факт можна сказати наступне. В точках контакту рідини і твердого тіла, на будь-яку молекулу рідини діють дві сили: сила взаємодії цієї молекули з іншими молекулами рідини (по суті сила поверхневого натягу Fпн) і сила взаємодії цієї молекули з молекулами твердого тіла (Fтв) . При  цьому поведінка рідини буде визначатись рівнодіючою цих сил:

1) якщо Fпн > Fтв   , то рідина не змочує тверду поверхню;

2) якщо Fпн < Fтв   , то рідина змочує тверду поверхню.

Явище змочування та не змочування наочно проявляється в так званих капілярах, тобто в тонких порах, щілинах, трубках, тощо ( від лат.  “капрілярус” – волосина). При цьому, ті рідини , які змочують внутрішню поверхню капіляру, піднімаються в ньому на певну висоту. А рідини, які не змочують цю поверхню – опускаються на відповідну висоту.

 

                                         ТЕМА 2.4.  Тверді тіла та їх властивості.

 

  Твердими  – називають  такі речовинні макрооб’єкти  , (тіла)  середня потенціальна енергія молекул яких набагато більша за їх середню кінетичну енергію (Еп>>Ек ) і визначальними зовнішніми ознаками яких є наявність певного сталого об’єму і певної сталої форми (V = const ; Ф =сonst).

Факт того , що енергією взаємодії молекул твердого тіла не можна знехтувати по суті означає :

1)  різні тверді речовини мають різні фізичні властивості;

2)  загальної теорії твердих речовин, подібної до теорії газів не існує.

Все різноманіття хімічно простих твердих речовин можна розділити на дві групи : кристалічні та аморфні.

     Кристалічними- називають такі  тверді тіла ,  атоми і молекули яких розташовані в певному порядку , який називається  кристалічною структурою речовини. Подавляючи більшість природних кристалічних тіл  є полікристалами , – тобто такими , що складаються із великої кількості дуже маленьких , окремих , міцно з’єднаних монокристалів ( від лат. “моно” – один; “полі” – багато).

 Прямим результатом характерного для кристалів внутрішнього порядку , є наступні їх зовнішні властивості :

1.  Монокристали мають певну, характерну для даної речовини правильну геометричну форму , яка відображає порядок в розташуванні її атомів і молекул.

2.  Монокристали – анізотропні , тобто такі, фізичні властивості яких в різних напрямках суттєво різні.

3.  Полі – і моно- кристали мають певну температуру плавлення.

Оскільки в полікристалічних тілах окремі монокристали орієнтовані хаотично , то для них перші дві властивості  не характерні, тому по суті визначальною ознакою кристалічності тіла є наявність температури плавлення(температури сублімації, хімічної руйнації, тощо).

Плавлення – це такий тепловий процес , який відбувається  з поглинанням енергії і супроводжується  переходом речовини  з кристалічного стану в рідкий.  Плавлення відбувається при певній  постійній температурі (температурі плавлення)  величина якої   залежить від сорту речовини.

  Кристалізація – це такий тепловий процес, який відбувається з виділенням енергії  і супроводжується переходом речовини із рідкого стану в кристалічний. Кристалізація даної речовини відбувається при тій же температурі , що і її плавлення.

      За характером тих сил, що діють між частинками кристалу та за назвою цих частинок, розрізняють чотири основні види кристалічних структур.

      1.Іонна структура –  це така кристалічна структура, в  вузлах якої розташовані     позитивні і негативні іони , між якими діють сили іонного зв’язку. Таку структуру мають всі солі (NaCƖ , CuSO4, AgNO3…) та всі луги ( NaOH,

Cu (OH)2,  AgOH…).  Іонний зв’язок  – це такий електромагнітний зв’язок, який існує між позитивними та негативними іонами і основною складовою якого є сили електростатичної взаємодії.

  2.  Атомна структура – це така кристалічна структура,  в вузлах якої розташовані атоми відповідної речовини, між якими діють сили  ковалентного зв’язку. Таку структуру мають алмаз, корунд, граніт, пісок, дорогоцінне каміння, тощо. Ковалентний зв’язок – це такий електромагнітний зв’язок, який існує між електронейтральними атомами і суть якого полягає в тому, що ці атоми інтенсивно обмінюються валентними електронами. При цьому, кожний атом обмінюється електронами лише з певною обмеженою групою сусідніх атомів.

  3.  Молекулярна структура– це така кристалічна структура, в вузлах якої розташовані молекули  відповідної речовини, між якими діють  сили дипольного ,рідше водневого , зв’язку. Таку структуру  має  лід та ті речовини , які за звичайних умов є рідкими або газоподібними. Діпольний зв’язк – це такий електромагнітний зв’язок, з яким молекули-діполі взаємодіють між собою як відповідні електричні системи. Водневий зв’язок – це такий електромагнітний зв’язок, з яким позитивно іонізовані атоми водню взаємодіють з негативно іонізованими атомами сусідніх молекул.  Молекула-діполь   ( “ді” – два ,” поль” – плюс ) це така молекула (атом)  в якій , в результаті нерівномірності просторового розподілу зарядів, існує два рівних за величиною і протилежних за знаком    електричних полюси.

  4.  Металічна структура – це така кристалічна структура,  в вузлах  якої розташовані атоми металів , між якими діють сили металічного зв’язку. Таку структуру  мають всі метали. Металічний зв’язок – це такий електромагнітний зв’зок, який існує між атомами металів і суть якого полягає в тому, що ці атоми постійно обмінюються валентними електронами. При цьому кожен атом обмінюється електронами з всією сукупністю сусідні атомів.

 

Потрібно зауважити , що поділ кристалічних структур на іонні, атомні,

металічні та молекулярні є досить умовним. . Адже в реальних кристалах часто поєднуються різні види зв’язків. Наприклад ,  в кристалі графіту, атом вуглецю трьома валентними електронами утворює ковалентні зв’язки, а четвертим – металічний. Крім цього, досить умовним є і сам поділ зв’язків на іонні, ковалентні, металічні, водневі та дипольні. Адже усі ці зв’язки по суті є проявами одних і тих же електромагнітних взаємодій.

Доречно сказати і про те , що  одні і ті ж атоми можуть бути  упаковані по різному. При  цьому хімічно однакові речовини можуть мати суттєво різні, а іноді діаметрально протилежні властивості. Наприклад, надтвердий, міцний, крихкий, прозорий, струмо непровідний та над коштовний алмаз і м’який, не міцний, пластичний, непрозорий, струмопровідний та дешевий графіт, виготовлені з одних і тих же атомів –  атомів вуглецю (карбону).

   Аморфними – називають  такі умовно тверді тіла, атоми і молекули яких розташовані без певного порядку. Результатом відсутності такого внутрішнього порядку  є наступні властивості аморфних тіл:

1.  Для будь-яких фрагментів аморфного тіла не притаманна певна геометрична форма.

2.  Аморфні тіла ізотропні – тобто такі, фізичні властивості яких однакові в усіх напрямах;

3.  Аморфні тіла не мають певної температури плавлення, вони не плавляться , а розм’ягчуються ; не кристалізуються , – а   тверднуть.

На практиці аморфні та кристалічні тіла розрізняють за наявністю чи відсутністю температури плавлення : кристалічні тіла плавляться , а аморфні – розм’ягчуються.

Дослідження показують, що одна і таж речовина може бути як в кристалічному так і в аморфному стані. Наприклад,  кристалічний цукор і цукор льодяник – це кристалічна та аморфна різновидності однієї і тієї ж речовини – цукру  С12Н22О11.    Звичайний пісок і звичайне скло – це кристалічна та аморфна різновидності однієї і тієї ж речовини – оксиду кремнію (SiO2).

 

         Основні механічні властивості твердих тіл.

      Пружність – це механічна властивість твердого тіла, яка полягає в тому, що відповідне тіло після припинення дії деформуючої сили повністю відновлює свою попередню форму і розміри.

Пластичність – це механічна властивість твердого тіла,  яка полягає в тому, що відповідне тіло після припинення дії деформуючої сили зберігає отриману в процесі деформації форму та розміри.

Міцність – це механічна властивість твердого тіла,  яка полягає в тому, що відповідне тіло  протидіє деформуючій силі , без руйнації цього тіла та  без небезпечних змін його форми і розмірів.

Крихкість – це механічна властивість твердого тіла,  яка полягає в тому, що руйнація  відповідного тіла відбувається при його незначних деформаціях.

Твердість – це механічна властивість твердого тіла,  яка полягає в тому, що відповідне тіло має здатність протидіяти появі на його поверхні подряпин ,надрізів , вм’ятин , тощо.

 

                        РОЗДІЛ 3. ТЕРМОДИНАМІКА

 

Термодинаміка – це розділ фізики , в якому вивчаються  загальні властивості твердих , рідких та газоподібних речовин і ті  теплові процеси , які відбуваються з ними.

Із визначень ясно, що молекулярна фізика і термодинаміка, це дві науки про одне і те ж: загальні властивості речовин і ті теплові процеси, які відбуваються з ними. При  цьому ці науки є абсолютно різними. Різними бодай тому, що пояснюють відповідні властивості та явища по-різному. Молекулярна фізика виходить з того, що всі речовини складається з молекул які безперервно рухаються і взаємодіють між собою.  Термодинаміка ж виходить з того, що при будь-яких процесах які відбуваються в замкнутій системі, загальна кількість енергії цієї системи залишається незмінною (закон збереження енергії) і що теплова енергія сама по собі не може переходити від холодного тіла до гарячого (друге начало термодинаміки).

В межах програми загальноосвітньої школи, переважна більшість тих явищ , що є предметом вивчення термодинаміки, вивчається в молекулярній фізиці. Головна перевага молекулярної фізики в її наочності, а отже зрозумілості. Адже, в ній кожен об’єкт, кожна фізична величина і кожне явище можна представити у вигляді певного наглядного образу. Якщо ж  говорити про термодинаміку, то ця наука є менш наглядною і тому менш зрозумілою. В термодинаміці не важливо на скільки добре ви розумієте суть того, що називається речовиною, теплотою , температурою, тиском, внутрішньою енергією чи ентропією. В термодинаміці важливо знати її базові аксіоми ( начала термодинаміки) та вміти  застосовувати їх на практиці. Такий підхід дозволяє одержувати точні та достовірні результати, що є безумовним плюсом термодинаміки. В той же час, подібний формалізм позбавляє термодинаміку наочності та зрозумілості, що є безумовним недоліком цієї науки. Зважаючи на ці обставини , в загальноосвітній школі термодинаміку вивчають як певне продовження та доповнення молекулярної фізики. По суті, той розділ, який ми називаємо “Термодинамікою”  є ще однією темою молекулярної фізики. Темою , яка називається “Теплові процеси”.

 

Основні теплові процеси.

 Теплообмін – це такий самовільний незворотній процес, при якому теплова енергія переходить від нагрітого тіла до холодного (або від більш нагрітої частини тіла до менш нагрітої) і який не супроводжується виконанням механічної роботі. Розрізняють три основні різновидності теплообміну :  теплопровідність , конвекція, променевий теплообмін.

Теплопровідність – це такий теплообмін, при  якому обмін тепловою енергією відбувається в процесі взаємодії мікрочастинок речовини і який не супроводжується переносом самої речовини.

Конвекція – це такий теплообмін , при якому обмін тепловою енергією відбувається в процесі перемішування різнонагрітих частин рідини або газу.

Променевий теплообмін – це такий теплообмін, при  якому обмін тепловою енергією відбувається шляхом випромінювання  та поглинання електромагнітних хвиль.

Нагрівання– це такий тепловий процес , який відбувається з поглинанням енергії, супроводжується підвищенням температури речовини і не супроводжується зміною її агрегатного стану. При нагріванні, надана тілу теплота  Q йде на збільшення кінетичної енергії його молекул. При цьому середня потенціальна енергія цих молекул залишається практично не змінною   Q →  Ek ↑ ; Еп = const

   Охолодження –  це такий тепловий процес , який відбувається з  виділенням  енергії, супроводжується зниженням температури речовини і не супроводжується зміною її агрегатного стану.  При охолодженні виділення енергії відбувається за рахунок зменшення середньої кінетичної енергії молекул відповідного тіла. При цьому потенціальна енергія цих молекул залишається практично не змінною

Q ←  Ек ↓; Еп = const

   Плавлення– це такий тепловий процес , який відбувається з поглинанням енергії  і супроводжується переходом речовини  з  кристалічного стану в рідкий. При плавленні :

Q →  Ек = const; Еп

Кристалізація-  це такий тепловий процес , який відбувається з виділенням енергії і супроводжується  переходом речовини  із рідкого стану в  кристалічний.  При кристалізації   Q ←  Ек = const ; Еп

Пароутворення  – це такий тепловий процес , який відбувається з поглинанням  енергії і супроводжується  переходом речовини  з  газоподібного стану в рідкий. При  пароутворенні :      Q → Ек = const;  Еп

Конденсація – це такий тепловий процес , який відбувається з виділенням   енергії і  який супроводжується  переходом речовини  з газоподібного  стану в рідкий. При конденсації  :

Горіння – це  складний фізико – хімічний процес, який супроводжується  певними хімічними перетвореннями та інтенсивним виділенням великої кількості теплової і певної кількості світлової енергії.  При горінні потенціальна енергія молекул тіла перетворюється в енергію їх хаотичного руху, тобто в теплоту :     Еп → Ек = Q

        Потрібно зауважити , що зворотнім до процесу горіння є складний фізико-біологічний процес який називається фотосинтезом і який  не є предметом вивчення термодинаміки (  у всякому разі тієї термодинаміки, яка вивчається в загальноосвітній школі).

 

              Основні фізичні величини термодинаміки.

 Енергія – це фізична величина , яка характеризує здатність тіла , частини або поля виконати роботу.

Позначається  Е

Визначальне рівняння :  різні

Одиниця вимірювання :  [E]  =  Дж

 Робота – це фізична величина , яка характеризує затрати енергії на виконання роботи , тобто на здійснення  енергозатратного переміщення фізичного об’єкту.

Позначається  А

Визначальне рівняння :  А = ∆Е

Одиниця вимірювання  [А]  =  Дж

Температура – це фізична величина , яка характеризує середню кінетичну енергію  теплового  руху молекул    речовини, виміряну не в джоулях , а в кельвінах.

Позначається : Т

Визначальне рівняння:   Т = Ек/(3/2)k

де k = 1,3810-23Дж/К  стала Больцмана

Одиниця вимірювання :[ T] = К (кельвін)

Внутрішні енергія – це та енергія яка  зосереджена всередині даного тіла і яка дорівнює сумі кінетичних і потенціальних  енергій всіх  молекул  цього тіла.

Позначається :U

Визначальне рівняння :    U = ∑Ек + ∑Еп

Одиниця вимірювання :  [U] =Дж

В загальному випадку  розраховувати величину внутрішньої енергії твердих і рідких тіл , ми не вміємо (оскільки   Еп = ?  тому   U  = ?)

Кількість теплоти –  це  фізична величина , яка показує на скільки зміниться внутрішні енергія тіла в результаті того чи іншого теплового процесу.

Позначається :  Q

Визначальне рівняння :   Q =   U

Одиниця вимірювання :  [Q] =  Дж

На практиці  кількість  теплоти  яка  виділяється  або  поглинається при тому чи іншому тепловому процесі визначається за однією з наступних формул:

–  при нагріванні (охолодженні)  Q = сm Т

–  при плавленні (кристалізації)  Q =  λm

–  при пароутворенні ( конденсації) Q = rm

–  при горінні                                          Q =   q m

де  c, λ , r , q – постійні для кожної речовини величини  , значення   яких визначаються експериментально і записуються у відповідну таблицю.

Питома теплоємкість речовини – це фізична  величина , яка характеризує теплові властивості даної речовини і яка показує скільки  енергії  потрібно витратити для того  , щоб 1 кг цієї  речовини нагріти на один кельвін (на 1 0С)

Позначається :  c

Визначальне рівняння: с = Q/mΔT

Одиниця вимірювання :   [c] = Дж/кгК

Питома теплота плавлення –  це фізична величина , яка характеризує теплові властивості даної речовини і яка показує скільки  енергії  потрібно витратити для того  , щоб  розплавити 1 кг  даної  речовини за умови, що початкова температура цієї речовини дорівнює її температурі плавлення

Позначається :  λ

Визначальне рівняння:   λ = Q/m

Одиниця вимірювання : [λ] = Дж/кг

Питома теплота пароутворення – це фізична величина , яка  характеризує теплові властивості даної речовини і яка показує скільки енергії потрібно витратити для того, щоб при певній температурі (зазвичай температурі кипіння) випаровувати один кілограм даної  речовини .

Позначається :  r

Визначальне рівняння   r = Q/m

Одиниця вимірювання :   [r ] = Дж/кг.

Питома теплота згорання – це фізична величина , яка  характеризує теплові властивості даного виду палива і яка показує скільки енергії виділяється в процесі повного згорання одного кілограму цього палива.

Позначається :  q

Визначальне рівняння:    q = Q/m

Одиниця вимірювання:  [q ] = Дж/кг.

 

                                Основні закони термодинаміки.

Перше начало термодинаміки –   це закон, в якому стверджується  : Надане робочому тілу тепло Q частково іде на зміну його внутрішньої енергії ( на нагрівання , плавлення  , пароутворення, тощо) , а частково на виконання цим тілом механічної роботи Амех, ,

тобто:   Q = U + Aмех  .              Для теплообміну  (А мех.= 0)    перше начало термодинаміки набуває вигляду :    Q = ∆U ,  де   ∆U   = Qн  +Qпл +  Qпар    .  По суті це означає , що для теплообміну перше начало термодинаміки набуває вигляду рівняння теплового балансу.

 Рівняння теплового балансу –   це  закон  , в якому стверджується : При теплообміні, що відбувається в замкнутій системі, загальна кількість теплоти втраченої одними  тілами  системами, дорівнює загальній кількості теплоти отриманої іншими тілами цієї системи , тобто                ∑Qвтр = ∑Qотр .

 Друге начало термодинаміки – це  закон  , в якому стверджується: Не можливо здійснити такий тепловий процес , при якому все  надане  робочому тілу тепло  Q повністю перетворилось би в механічну роботу Амех.  Не можливо тому , що в Природі енергія порядку( механічна  робота Амех ) легко і повністю перетворюється в енергію безпорядку (теплоту Q) , а от енергія  безпорядку перетворюється в енергію порядку лише за певних умов (примусово) і не повністю.

Примусове перетворення енергії хаотичного руху молекул (теплоти) в механічну роботу здійснюють теплові двигуни.

Тепловий двигун – це прилад , який перетворює внутрішню енергію палива  (теплоту) в механічну роботу.       Q  →  Амех

Сучасні теплові двигуни поділяються на :

1)  поршневі двигуни (двигуни внутрішнього згорання):  а) дизельні ,  б) карбюраторні

2)  роторні двигуни (турбінні двигуни)

3)  реактивні двигуни.

Робота будь-якого теплового двигуна не можлива без трьох основних елементів :

–  джерела теплової енергії (нагрівник)

–  речовини , яка в процесі розширення виконує механічну роботи (робоче тіло)

–  резервуара , в який викидають продукти згорання і в ролі якого практично завжди виступає атмосфера (цей резервуар називають холодильником).

 Принцип дії теплового двигуна : нагрівник надає робочому тілу певну кількість теплоти Qн  Робоче тіло розширяючись виконує певну механічну роботу Амех, а залишки теплової енергії Qх (відходи ) викидає в холодильник (атмосферу).

 

                                             РОЗДІЛ   4.  ЕЛЕКТРОДИНАМІКА.

 

      Електродинаміка – це розділ фізики в якому вивчається та пояснюється все різноманіття електричних , магнітних та електромагнітних явищ.

Пояснюючи різноманіття електричних, магнітних та електромагнітних явищ, ми будемо виходити з наступних тверджень (положень) :

 Основні положення електронної теорії будови речовини.

1.  Речовини складаються з молекул.

2.  Молекули складаються з атомів.

3.  Атом складається з позитивно зарядженого ядра і негативно заряджених електронів, які обертаються навколо ядра.

4.  Атом – частинка незаряджена, тобто така , в якій кількість позитивних і негативних зарядів однакова

5.  Складові заряджені частинки  атома (протони та електрони ) є носіями елементарного ( тобто найменшого, неподільного)  електричного заряду, величина якого  е=1,6∙10-19Кл.

                                                            ТЕМА 4.1.  Електростатика..

 

     Електростатика –  це розділ електродинаміки, в якому вивчають параметри, властивості та прояви відносно нерухомих електричних зарядів і тих електричних полів , які ці заряди створюють.

Основним поняттям та основною фізичною величиною електростатики є електричний заряд.

Електричний заряд (як поняття) – це та матеріальна сутність, яка нерозривно  пов’язана з певними елементарними частинками, зокрема з протонами та електронами і  яка полягає в здатності цих частинок певним чином діяти на інші електричні заряди.

Електричний заряд (як фізична величина) – це фізична величина , яка характеризує здатність тіла ,  або частинки до електромагнітних взаємодій і яка дорівнює добутку елементарного заряду (е = 1,6∙10 Кл)  на загальну кількість (N)  тих нескомпенсованих  елементарних зарядів, які містяться в даному тілі.

Позначається : q

Визначальне рівняння :  q =  N e  де   е = 1,6∙ 10-19Кл

Одиниця вимірювання : [q] = Кл , (кулон)

До числа основних законів електростатики відносяться :  закон збереження заряду та закон Кулона.

Закон збереження заряду –  це  закон, в якому стверджується : при будь-яких процесах, що відбуваються в замкнутій системі, загальна кількість електричного заряду цієї системи залишається незмінною, тобто зберігається. Іншими словами :

Σ qдо  =   Σ qпісля     або    Σ q=const

Закон Кулона – це закон , в якому стверджується : два відносно нерухомих точкових заряди  (q1 , q2)  взаємодіють між собою (різнойменні заряди притягуються, однойменні – відштовхуються) з силою, величина якої прямо пропорційна добутку взаємодіючих зарядів і обернено пропорційна квадрату відстані між ними (r2 ). Іншими словами :

Fел = kq1q2/r2 ,

де  k – постійна величина (коефіцієнт) значення якої залежить від діелектричних властивостей того середовища яке оточує взаємодіючі заряди. Наприклад   для вакууму k = k0= 9∙1092/Кл2    Це означає, що в вакуумі два точкових заряди по одному кулону кожний (q1 = q2 = 1Кл)   будучи розташованими на відстані один метр (r = 1 м)  взаємодіють з силою    Fел  = 9∙109 = 9000 000 000 Н.

Висновок : сили електричної взаємодії – це надзвичайно потужні сили.

Залежність коефіцієнту k від діелектричних властивостей середовища, можна записати у вигляді    k = k0/ε = 1/4πε0ε ,  де  ε –  діелектрична проникливість середовища ;  ε0 = 1/4πk0 = 8,85∙10-12 Кл2/Нм2  постійна величина яка називається      електричною  сталою .

Діелектрична проникливість середовища – це фізична величина, яка характеризує діелектричні властивості середовища і яка показує у скільки разів сила електростатичної взаємодії зарядів в даному середовищі (F)  менша за силу їх взаємодії в вакуумі(F0).

Позначається : ε

Визначальне рівняння :  ε = F0/F

Одиниця вимірювання : [ε] = – ,   (рази)

      Провідниками називають такі матеріали , які проводять електричний струм. Проводять тому, що в них є достатньо велика кількість вільних заряджених частинок.

      Діелектриками  називають такі матеріали, які  не проводять електричний струм. Не  проводять тому, що в них нема вільних заряджених частинок.

        До числа основних явищ електростатики відносяться: електризація, електростатична індукція, індукційна поляризація, п’єзоефект.

Електризація тіла –  це явище суть якого полягає в тому, що при контакті даного тіла з іншими тілами, зокрема в процесі натирання, це тіло наелектризовується, тобто набуває певного електричного заряду. Наелектризовується тому, що в процесі контакту тіл, певна кількість заряджених частинок (електронів) переходить від одного тіла до іншого.

Електростатична індукція – це явище, суть якого полягає в тому, що під дією зовнішнього електричного поля, заряджені частинки струмопровідного тіла перерозподіляються таким чином, що одна його частина набуває певного позитивного зарядку, а інша –  відповідного негативного заряду.

     Індукційна поляризація діелектрика – це явище, суть якого полягає в тому, що під дією зовнішнього електричного поля, молекули діелектрика, по-перше набувають певних дипольних властивостей або посилюють їх, а по – друге, ці дипольні (поляризовані) молекули орієнтуються таким чином, що одна частина поверхні діелектрика набуває позитивного заряду, а інша – негативного. (При цьому мається на увазі, що загальний заряд тіла залишається нулевим).

     Поле –  це такий матеріальний об’єкт, який представляє собою певне силове збурення простору, яке характеризується здатністю певним чином діяти на інші матеріальні об’єкти. Зокрема : гравітаційне поле – діє на маси, електричне поле – діє на електричні заряди; магнітне поле – діє на електричні струми (заряди що рухаються) .

     Електричне поле –  це таке поле, тобто таке силове збурення простору,  яке створюється електричними зарядами і діє на електричні заряди.

До числа тих фізичних величин, які так чи інакше характеризують параметри електричного поля відносяться : напруженість електричного поля, потенціал електричного поля, різниця потенціалів (електрична напруга) .

Напруженість електричного поля –  це фізична величина , яка є  силовою характеристикою електричного поля і  яка дорівнює відношенню сили , що діє на пробний заряд в даній точці поля , до величини цього заряду.

Позначається : Е

Визначальне рівняння :  Е = Fел/qп

Одиниця вимірювання : [E] = Н/Кл .

Потенціал електричного поля – це фізична величина , яка  є енергетичною характеристикою електричного поля , і яка дорівнює відношенню тієї  роботи , яку  виконує поле  при переміщенні пробного заряду з даної точки  в безкінечність до величини цього пробного заряду

Позначається : φ

Визначальне рівняння : φ = А1→∞/qп

Одиниця вимірювання : [φ] = Дж/Кл = В ,  вольт.

Електрична напруга  (різниця потенціалів) – це фізична величина,    яка характеризує різницю потенціалів між двома точками електричного поля і яка дорівнює відношенню тієї роботи , що виконує поле при переміщенні пробного заряду з точки 1 в точку 2, до величини цього пробного заряду

Позначають :  U

Визначальне рівняння :  U = А1→2/qп

Одиниця вимірювання : [U] = Дж/Кл = В

      Принцип суперпозиції  електричних полів – це закон  в якому стверджується :  електричні поля діють незалежно одне від одного, тобто не заважаючи одне одному.  При цьому напруженість результуючого електричного поля  системи багатьох зарядів, дорівнює векторній сумі напруженості кожного окремого поля  цієї системи. Тобто :

                                             Ерез = ∑Еі

     Електричні поля зображають за допомогою спеціальних умовних ліній, які називаються лініями напруженості електричного поля.

Лінії  напруженості електричного поля- це такі умовні    лінії  , за допомогою яких зображають електричні поля. Лінія напруженості проводиться  таким чином, що дотична до неї в будь-якій точці поля співпадає з напрямком  результуючого вектора напруженості поля в цій точці.   Лінії напруженості  електричного поля  мають наступні властивості :

1.  Ці лінії ніде не перетинаються.

2.  Ці лінії починаються на заряді “плюс” і закінчуються на заряді “мінус”

3.  Густина ліній в околицях будь-якої точки поля пропорційна величині вектора напруженості поля у відповідній точці.

На основі тих законів і явищ що є предметом вивчення електростатики, працює велика кількість приладів, зокрема : громовідвід,  електростатичний генератор, електрофорна машина, електрометр, тощо. Однак, основним електростатичним приладом є конденсатор.

     Конденсатор – це прилад, який дозволяє накопичувати та зберігати електричні заряди (електричну енергію). Конденсатор представляє собою систему двох близько розташованих струмопровідних поверхонь (обкладинок конденсатора) розділених тонким шаром діелектрика. На електричних схемах позначається   .    Основними паспортними характеристиками конденсатора є його електроємність (С) та номінальна (робоча) напруга (U).

     Електрична ємність –  це фізична величина, яка характеризує здатність провідника (приладу) накопичувати електричні заряди і яка дорівнює відношенню величини накопиченого на провіднику заряду (q) , до величини тієї напруги (U) що призвела до цього накопичення.

Позначається: С

Визначальне рівняння :     С = q/U

Одиниця вимірювання :  [C] = Кл/В = Ф,   (фарада).

Можна довести, що ємність конденсатора (С) та кількість накопиченої в ньому електричної енергії (Wел) визначаються за формулами :

С = εε0S/d  ;  Wел = CU2/2

Узагальнюючу інформацію про основні поняття, величини, закони та      прилади електростатики можна представити у вигляді наступної таблиці.

 

Основні поняття Основні величини Основні закони Основні прилади
Основа:

1) молекула

2) атом

3) ядро + електрони

4)  q = 0Кл

5) е = -1,6∙10-19Кл

р = +1,610-19Кл

Електричний заряд

 

Електричне поле

 

електричний заряд

q = ∓  Ne  (Кл)

Напруженість електричного поля 

Е = Fел/qп  (Н/Кл)

Потенціал електричного поля

φ = А1→∞/qп   (В)

Електрична напруга

U = А1→2/qп    (В)

Електрична  ємність

С = q/U      (Ф)

 Закон збереження заряду

 

Σ q=const

 

Закон Кулона

 

Fел = kq1q2/r2

 

Принцип суперпозиції

Ерез  = Σ Еі

 

      Конденсатор (С)

◦ ║ ◦

С = q/U

С  ⇓ ⇑

С = εε0S/d  

 

Wел = CU2/2

 

 

ТЕМА 4.2.  Електродинаміка постійних струмів.   

 

Електродинаміка постійних струмів –  це розділ електродинаміки, в якому вивчають параметри, прояви та закономірності постійних електричних струмів.  До числа основних понять електродинаміки постійних струмів відносяться :

–  електричний струм ,

–  провідник електричного струму,

– електричне коло .

      Електричний струм –   це процес упорядкованого руху заряджених частинок. Основною кількісною мірою електричного струму є фізична величина яка називається силою струму  

     Провідник електричного струму (провідник)  –  це матеріал який проводить електричний струм. Проводить тому, що має достатньо велику кількість вільних заряджених частинок . Наприклад, в металах такими вільними частинками є валентні електрони (електрони провідності).

Електричне коло – це сукупність електричних приладів, які певним чином з’єднані між собою за допомогою провідників і які створюють, споживають та перетворюють електричний струм.

      До  числа основних фізичних величин електродинаміки постійних струмів відносяться :

– сила струму,

–  електрична напруга,

–  електричний опір,

– е.р.с. джерела струму.

Сила струму – це фізична величина, яка характеризує інтенсивність електричного струму і яка чисельно дорівнює тому загальному електричному заряду, що проходить через поперечний переріз провідника за одиницю часу.

Позначається : І

Визначальне рівняння :  І = q/t

Одиниця вимірювання :  [I] = Кл/с = А ,   (ампер).

Електрична напруга – це фізична величина, яка є  енергетичною характеристикою певної ділянки електричного кола і яка показує, яку роботу виконують електричні сили на відповідній ділянці кола, переміщуючи по ній заряд в один кулон.

Позначається :U

Визначальне рівняння :  U = Аел/q

Одиниця вимірювання : [U] = Дж/Кл = В , (вольт)

Е.р.с. джерела струму – це фізична величина, яка є енергетичною характеристикою джерела струму і яка показує, яку роботу виконують сторонні (тобто не електричні)  сили в середині джерела струму, переміщуючи між  його полюсами заряд в один кулон.

Позначається : Ɛ

Визначальне рівняння:  Ɛ = Аст/q

Одиниця вимірювання:  [Ɛ] = Дж/Кл = В , (вольт)

Е.р.с. джерела струму по суті дорівнює тій максимальній напрузі, яку здатне створити дане джерело :  ε= Umax 

      Електричний опір  – це фізична величина, яка характеризує здатність провідника чинити опір  проходженню струму по ньому і яка чисельно дорівнює відношенню тієї напруги що існує між краями провідника до сили струму в ньому.

Позначається : R

Визначальне рівняння :    R = U/I

Одиниця вимірювання   :[R] = В/А = Ом ,     (Ом)

Опір провідника залежить від електропровідних властивостей матеріалу провідника, довжини провідника(Ɩ) , площі його поперечного перерізу (S)  та температури (t). Цю залежність можна записати у виглядів :   R = ρƖ/S

де   ρ  – питомий опір провідника .

Питомий опір – це фізична  величина, яка характеризує електропровідні властивості матеріалу провідника і яка  чисельно дорівнює  тому електричному опору, який має виготовлений з даного матеріалу провідник, за умови  його одиничної довжини та одиничної площі поперечного перерізу .

   Позначається :  ρ

Визначальне рівняння :  ρ = RS/Ɩ

Одиниця вимірювання : [ ρ] = Ом∙м

Потрібно зауважити, що питомий опір провідника залежить не лише від електропровідних властивостей матеріалу провідника, а й від його температури. Цю залежність можна записати у вигляді :  ρ = ρ0(1+αt) ,

де  ρ0  – питомий опір провідника при температурі  0 0С

ρ –  питомий опір провідника при температурі  t

α – температурний коефіцієнт опору

Температурний коефіцієнт опору – це фізична величина, яка характеризує залежність опору провідника від його температури  і яка визначається за формулою   α = ΔR/R0Δt ,

де   R   –  початковий опір провідника

∆R – зміна опору провідника в інтервалі температур  ∆t

Із визначальних рівнянь електричної напруги, сили струму та потужності :

U = Aел/q;  I = q/t;  P = A/t  ,  ясно, що величину електричної роботи та електричної потужності можна визначити за формулами :

Аел   = U I  t ;         Рел   = U І,

Таким чином, в загальному випадку :

Амех = F Ɩ cosα,     [A] = Дж = Н∙ м

А = ∆Е ⇑⇓

Аел = U I  t;            [A] = Дж =  В ∙А ∙с

 

Рмех = F v cosα;      [Р] =  Вт = Н

Р = A/t ⇑⇓

Pел = U∙ I ;               [Р] =  Вт = В∙ А

 

До числа основних законів електродинаміки постійних струмів відносяться :

– закон Ома,

– два закони Кірхгофа,

– закон Джоуля-Лєнца.

Основним законом електродинаміки постійних струмів є закон Ома. При цьому      існує два формулювання цього закону :

–  закон Ома для ділянки кола,

–  закон Ома для повного кола .

Закон Ома для ділянки кола (закон Ома) – це закон , в якому стверджується : сила струму на ділянці електричного кола      прямо пропорційна величині напруги на краях цієї ділянки і обернено пропорційна її електричному опору, тобто :      I = U/R

Закон Ома для повного кола – це закон в якому стверджується : сила струму в повному електричному колі, прямо пропорційна   е.р.с. того джерела струму що включене в це коло і обернено пропорційна загальному опору кола, тобто :     І = Ɛ/(R + r)

Перший закон Кірхгофа (правило вузлів) – це закон, в якому стверджується: загальна сума тих струмів які входять в електричний вузол, дорівнює загальній сумі струмів які виходять з цього вузла, тобто :      Σ Івх  = Σ Івих .

Другий закон Кірхгофа (правило контурів) – це закон, в якому   стверджується: сума падінь напруг на всіх послідовних ділянках замкнутого електричного кола (контура) дорівнює е.р.с. того джерела струму, що включено в це коло, тобто :      ε= ΣUi

По суті перший та другий закони Кірхгофа є прямими наслідками відповідно закону збереження заряду та закону збереження енергії.    

             Закон Джоуля-Лєнца – це  закон, в сякому стверджується: при проходженні електричного струму виділяється теплота, кількість якої  (Q) пропорційна квадрату сили струму в провіднику, опору провідника та часу проходження струму , тобто :      Q = I2 R t

До числа основних приладів електродинаміки постійних струмів відносяться :

–  резистор,

–  джерело струму

Резистор – це прилад , який представляє собою провідник з певним, наперед визначеним опором, величина якого може бути як постійною так і змінною. Резистор дозволяє певним чином регулювати силу струму на заданій ділянці електричного кола та розподіляти ці струми по розгалуженням кола. На електричних схемах резистор позначають символом.

По суті будь-який споживач електроенергії представляє собою певний резистор. Розрізняють два базові способи з’єднання резисторів (споживачів струму): послідовне з’єднання та паралельне з’єднання. Ці два з’єднання можна охарактеризувати системою наступних формул :

Послідовне з’єднання                           Паралельне зєднання         

Ізаг = І1  = І2  =…= Іn                               Ізаг = І1 + І2 + … + Іn

Uзаг= U1 + U2 +…+ Un                           Uзаг = U1 = U2 = … = Un

Rзаг= R1 + R2 +…+ Rn                           1/Rзаг= 1/R1 + 1/R2 + …+1/Rn

Для системи двох паралельно з’єднаних резисторів, остання формула набуває вигляду   R12 = R1R2/(R1+R2) .

Джерело струму  – це прилад, який перетворює той чи інший вид не електричної енергії в енергію електричного струму, тобто:      Ене ел     Еел

Існує велике різноманіття джерел струму , зокрема :

–  хімічні джерела струму (гальванічні елементи, акумулятори):  Ехім      Еел

–  електромеханічні джерела струму (індукційні генератори) : Амех  Еел

–  теплові джерела струму (термопари) : Q → Еел

–  фотоелектричні джерела струму (сонячні батареї) :  Е → Е

Основною характеристикою джерела струму є його е.р.с. (ε) . Крім цього, джерело струму характеризується його внутрішнім опором (r) ,  коефіцієнтом корисної дії (η) та іншими величинами

Узагальнюючу інформацію про основні поняття, величини, закони та прилади електродинаміки постійних струмів можна представити у вигляді наступної таблиці.

 

Основні поняття Основні величини Основні закони Основні прилади

 

         ТЕМА 4.3. Електричний струм в різних середовищах.

 

Говорячи про електричний струм в тому чи іншому середовищі, потрібно відповісти на чотири базові запитання :

1.  Які заряджені частинки є носіями струму в даному середовищі?

2.  Який механізм появи цих частинок ?

3.  Як змінюється сила струму в процесі зміни електричної напруги (графічне зображення цієї залежності називають вольт-амперною характеристикою)?

4.  Як дане середовище застосовується в електротехніці ?

Крім цього, кожне струмопровідне середовище має свої  характерні особливості, які також є предметом вивчення даної теми..

 

                             Електричний струм в металах.

     Електричний струм в металах  (узагальнююча інформація).

  1.  1. Носіями струму в металах є  електрони (електрони провідності).
  2. Їх поява обумовлена особливостями кристалічної структури металу , які полягають в тому , що атоми металів постійно обмінюються валентними електронами. При цьому , за відсутності зовнішнього електричного поля, рух цих електронів є хаотичним, а за наявності такого поля, цей рух стає упорядкованим.
  3. В металах, залежність сили струму від напруги описується законом Ома  (І = U/R) . При цьому вольт-амперною характеристикою є відповідна пряма.
  4. Метали , це найкращі провідники електричного струму і тому їх основне електротехнічне застосування – бути струмопровідними елементами електричних кіл.

Однією з характерних особливостей металів є факт того, що  в зоні  контакту двох різних металів, в результаті сукупності дифузійних, електричних та квантово-механічних процесів виникає певна контактна різниця потенціалів.

Вольт-амперна характеристика, це формульне або графічне відображення динаміки того , як змінюється сила струму в провіднику

( приладів) в процесі зміни тієї напруги яка створює цей струм.

     Робота виходу електрона ,  це  така мінімальна кількість енергії , яку необхідно витратити на те , щоб відірвати електрон від поверхні даного тіла (позначається Ав).

Електрон-вольт , це позасистемна одиниця вимірювання енергії, яка дорівнює тій роботі, яку виконують електричні сили, переміщуючи елементарний заряд (електрон) між двома точками електричного поля, різниця потенціалів між якими один вольт.

                                        1 еВ = 1,6 ∙ 10-19 Дж

Контактна різниця потенціалів –  це та електрична напруга, яка виникає між контактуючими металами в умовах їх термодинамічної рівноваги і поява якої не пов’язана з перетворенням того чи іншого виду енергії в енергію електричного струму ( позначається ∆φ) .

Ефект Зеєбека,  це явище суть якого полягає в тому, що за наявності перепаду температур між місцем з’єднання двох різних металів та їх краями, виникає певна термо-ерс, яка в замкнутому електричному колі створює відповідний електричний струм.

      Ефект Пельтьє , це явище, суть якого полягає в тому, що при проходженні струму через зону контакту двох різних металів, в цій зоні, в залежності від напрямку струму виділяється або поглинається певна кількість додаткової теплоти.

 

Електричний струм в електролітах.

Електролітами називають такі рідини, які проводять електричний струм , і в яких носіями цього струму є  позитивні  та негативні іони.

До числа  електролітів відносяться розчини та  розплави солей і основ ( лугів),  тобто тих речовин, які в твердому стані мають яскраво виражену іонну структуру.

 

  Електричний струм в електролітах (узагальнююча інформація).

  1. Носіями струму в електролітах є позитивні і негативні іони.
  2. Їх поява обумовлена : а) розпадом молекул та кристалічних структур на іони під дією розчинника (електролітична дисоціація);   б) тепловою  руйнацією   іонної кристалічної структури, що відбувається в процесі плавлення солей та основ (лугів).
  3. Якщо в процесі проходження електричного струму параметри електроліту (температура, концентрація іонів, тощо) залишаються незмінними, то його вольт-амперна характеристика представляє собою певну пряму, параметри якої визначаються законом Ома :
  4. Електротехнічні застосування електролітів :   а)  хімічні джерела струму                                б) рафінування металів;  в) гальваностегія ;   г) гальванопластика

Характерною особливістю електричного струму в електролітах є те , що цей процес супроводжується як переносом речовини так і певною сукупністю електрохімічних реакцій (електролізом)

Електролітична дисоціація , це процес розпаду молекул  або кристалічних структур на іони під дією розчинника.

Електроліз – це  сукупність електрохімічних процесів, які відбуваються при проходження електричного струму через електроліт

   Перший закон Фарадея – це закон в якому стверджується : маса тієї речовини  що  виділяється на електроді при електролізі прямо пропорціональна кількості електричного заряду, що пройшов через електроліт , тобто :

    ∆ m = kq    або   ∆m = kIt ,      де k   – електрохімічний еквівалент речовини

  Електрохімічний еквівалент речовини – це фізична величина , яка характеризує електрохімічні  властивості даної речовини  і яка дорівнює відношенню тієї кількості речовини  (m ) , що виділяється на електроді при електролізі,  до величини пройденого при цьому електричного

заряду (  q= It)

Позначається : k

Визначальне рівняння :  k =Δm/q   або   k = Δm/It

Одиниця вимірювання : [k] = кг/Кл

Другий закон Фарадея –  це  закон в якому стверджується : електрохімічний еквівалент речовини прямо пропорційний молярній масі цієї речовини і обернено пропорційний  валентності її іонів, тобто   k = M/Fn

де   F =96484,5    Кл/моль – стала Фарадея

Можна довести , що  стала Фарадея дорівнює добутку сталої Авогадро на величину елементарного електричного заряду :

F = NAe = 6,02∙1023(1/моль)∙1,6∙10-19Кл = 96484,5Кл/моль.

Власне через величину експериментально встановленої сталої Фарадея було визначено величину елементарного електричного заряду.

Хімічне джерело  струму –  це прилад, який перетворює енергію хімічних взаємодій в енергію електричного струму. Такі джерела поділяються на акумулятори та гальванічні елементи.

 Гальванічний елемент – це хімічне джерело струму, в якому енергія тих хімічних взаємодій ,що відбуваються на межі метал – електроліт, незворотньо перетворюється в енергію постійного електричного струму.

 Електричний акумулятор – це хімічне джерело струму багаторазового використання, яке в режимі зарядки перетворює енергію постійного електричного струму в енергію хімічних взаємодій, а в режимі розрядки, навпаки – енергію хімічних взаємодій, в енергію постійного електричного струму.

 Рафінування металів – це технологічний процес електролітичної очистки металів від домішок.

      Гальваностегія – це технологічний процес, який забезпечує електролізне покриття  виробів тонким шаром  потрібного металу (нікелювання , хромування , золочення , цинкування , тощо).

     Гальванопластика – це технологічний процес отримання рельєфних копій виробів шляхом електролізного  нанесення на матрицю цих виробів тонкого шару металу. 

 

               Електричний струм в газах.

За нормальних  умов практично всі гази не проводять електричний струм. Для того, щоб газ став струмопровідним, його потрібно іонізувати. Іонізацією газу називають такий процес, при якому від обособленої молекули (атома)   газу відривається один або декілька електронів.  При цьому , замість однієї незарядженої частинки (молекули газу) з’являються дві заряджених частинки : позитивний іон та вільний електрон. Розрізняють чотири основні види іонізації :

–  теплова іонізація,

–  фотоіонізація,

–  радіаційна іонізація,

–  ударна іонізація.

 Теплова іонізація – це така іонізація газу , яка відбувається в процесі інтенсивного теплового (хаотичного)  руху молекул газу. Така іонізація стає масовою при температурах понад 1000 0С.

 Фотоіонізація – це така іонізація , яка відбувається  під дією жорсткого електромагнітного (зокрема жорсткого ультрафіолетового та рентгенівського) випромінювання.  (Видиме світло молекули повітря не іонізує).

 Радіаційна іонізація – це така іонізація, яка відбувається під дією так званого іонізуючого випромінювання або радіації :

α-випромінювання , β- випромінювання, γ-випромінювання, тощо. (Джерелом такого випромінювання є  ті ядерні , термоядерні та інші процеси, що відбуваються на Землі,  на Сонці та в космічному просторі).

 Ударна іонізація – це іонізація , яка відбувається  під  дією  потужних  зовнішніх електричних полів , які розганяють наявні в газі  заряджені частинки до енергій , при яких  ті ,  в процесі удару об молекулу газу іонізують її.

   Процес  проходження електричного струму через газове середовище прийнято називати газовим розрядом. До числа найбільш розповсюджених газових розрядів відносяться : іскровий розряд, тліючий розряд та дуговий розряд.

         Іскровий розряд – це такий  короткотривалий самостійний газовий розряд, який відбувається при нормальному атмосферному тиску та надвисоких  напруженостях електричного поля (р =1∙105Па; Е≈30000В/см).

       Іскровий розряд характеризується високою густиною струму, сильним та швидким нагріванням струмопровідного газового каналу, яке спричиняє його швидке розширення та відповідний звуковий сигнал (тріск, грім). При іскровому розряді струмопровідність газу забезпечується його ударною іонізацією.

  Тліючий розряд – це такий  самостійний газовий розряд , який відбувається     при низькому тиску газу та помірних  напруженостях електричного поля. (р≈400Па; Е≈300В/см) Тліючий розряд характеризується низькою густиною струму , не супроводжується значним нагріванням газу і не призводить до суттєвих звукових ефектів. При тліючому розряді струмопровідність розрідженого газу забезпечується його ударною іонізацією.

 Дуговий розряд – це такий  самостійний газовий розряд , який відбувається при нормальному атмосферному тиску та низькій напруженості електричного поля. (р=1105Па; Е≈30В/см). Дуговий розряд характеризується високою густиною струму та сильним нагріванням як струмопровідного газового каналу так і відповідних електродів. При дуговому розряді  струмопровідність газу забезпечується його тепловою іонізацією  та інтенсивним випаровуванням (емісією) заряджених частинок з розжарених електродів.

Електричний струм в газах (узагальнююча інформація) .

1.  Носіями струму в газах  є  електрони   і позитивні іони.

2.  Їх поява обумовлена іонізацією газу , яка буває : a)-  теплова іонізація,                               б) –  фотоіонізація, в) – радіаційна іонізація.- г) ударна іонізація

3.  Вольт-амперна характеристика :

 

а) за відсутності стороннього          б) за наявності  стороннього

іонізатора                                          іонізатора

4.  Застосування :   а)  іскровий розряд : свічки запалювання,  електро запальнички;            б) тліючий розряд :    лампи денного світла, газорозрядні трубки;    в) дуговий розряд : електрозварювання.

Електричний струм в вакуумі.

 Вакуум ( безповітряний простір, пустота) не проводить і не може проводити електричний струм. Тому , говорячи про електричний струм в вакуумі, мають на увазі певну умовну пустоту, в якій нема атомів, молекул чи  іонів речовини, але є достатньо велика кількість надзвичайно дрібненьких частинок  –  електронів.

Оскільки в природних умовах Землі вакууму не існує, то говорячи про електричний струм в вакуумі, мають на увазі певні прилади, в яких цей вакуум штучно створюється. Ці прилади називаються електронно-вакуумними лампами.  Одним з основних елементів  будь-якої електронно-вакуумної лампи є  спеціальний електрод (зазвичай катод) , який називають електронним  емітером, що в буквальному перекладі означає, “випромінювач електронів”. Зазвичай, випромінювання (випаровування) електронів з емітера обумовлена термоелектронною або  фотоелектронною емісією.

Термоелектронна емісія – випромінювання електронів обумовлене нагріванням речовини.

Фотоелектронна емісія випромінювання електронів обумовлене  дією на речовину світла.

     До числа базових електронно-вакуумних ламп відносяться : ламповий діод, ламповий тріод, вакуумний фотоелемент, електронно-променева трубка.

Ламповий діод  – електронно-вакуумна лампа з двома електродами: анод та термокатод.  Характерною властивістю цієї лампи є  її одностороння провідність.

Ламповий тріод – електронно-вакуумна лампа з трьома  електродами: анод, катод та керуюча сітка.  Характерною властивістю цієї лампи є  здатність підсилювати електричні сигнали.

Вакуумний фотоелемент – електронно-вакуумна лампа з двома електродами : анод та фотокатод. Характерною властивістю цієї лампи є здатність проводити чи не проводити електричний струм в залежності наявності чи відсутності освітлення.

Електронно-променева трубка – електронно-вакуумна лампа, яка дозволяє перетворювати електричні сигнали  у відповідне зображення.

              

        Електричний струм в вакуумі  (узагальнююча інформація).

1.  Носіями електричного струму в вакуумі є електрони.

2.  Їх поява обумовлена : а) термоелектронною емісією,  б) фотоелектронною емісією.

3.  Вольт-амперна характеристика (для діода)

4.  Застосування :

а) випрямні прилади (діод)

б) підсилювачі  електричних сигналів (тріод)

в) елементи системи управління (фотоелемент)

г) кінескопи телевізорів (електронно-променева трубка).

 

Електричний струм в напівпровідниках.

      Напівпровідниками  називають такі речовини,  питомий опір яких займає проміжне місце між металами та діелектриками і які мають наступні властивості :

1.  Електропровідність  напівпровідників не пов’язана з переносом речовини (є результатом упорядкування руху електронів).

2.  В процесі нагрівання питомий опір напівпровідників швидко зменшується.

3.  Наявні домішки впливають не лише на величину питомого опору напівпровідника, а й на характер його електропровідності

4.  Носіями електричного струму в напівпровідниках є електрони і дірки. Їх поява обумовлена особливостями кристалічної структури напівпровідника та впливом температури, освітлення, зовнішніх електричних полів і домішок.

Діркою – називають те місце в кристалічній структурі напівпровідника де відсутній повноцінний ковалентний зв’язок (не вистачає валентного електрона). Дірка – це віртуальна частинка , електричні властивості якої еквівалентні властивостям реальної , вільної , позитивно зарядженої частинки.

Якщо основними  носіями струму в напівпровіднику  є  електрони

( негативно заряджені частинки)  , то говорять , що він має електропровідність n-типу

(від слова   “негативний”).

Якщо основними носіями струму в напівпровіднику є дірки, (позитивно  заряджені частинки) то говорять, що  він має електропровідність   р – типу (  від слова “позитивний” ).

Дослідження показують, що в результаті дифузійних та електричних процесів, на межі  р – n  областей, утворюється так званий  р-n перехід   Електричні властивості   р – n переходу еквівалентні певному  додатковому електричному опору. Характерною та надзвичайно важливою властивістю   р – n  переходу є те, що величина його опору залежить від способу включення  р – n  переходу в електричне коло. При цьому :

1) при прямому включенні  опір р-n переходу зменшується  і напівпровідник стає провідником;

2) при зворотному  включені опір р-n переходу зростає  і напівпровідник стає  непровідником.

По суті це означає, що  р-n перехід має односторонню провідність.

Базовими напівпровідниковими приладами є діод, транзистор, інтегральні мікросхеми, терморезистор,  фотоелемент.

   Діод (напівпровідниковий діод) – це напівпровідниковий прилад з одним  р-n переходом та односторонньою провідністю.

   Транзистор  (напівпровідниковий тріод) –  це напівпровідниковий прилад з двома р-n переходами , який застосовується для підсилення, генерації та трансформації електричних коливань.

Інтегральна мікросхема – – це складний напівпровідниковий прилад , який представляє собою сукупність великої кількості р-n переходів та інших допоміжних елементів розташованих в певному порядку та виготовлених на базі цілісного напівпровідникового  кристалу.

Терморезистор (термоопір) – це   напівпровідниковий прилад , електричний опір якого визначеним чином залежить від температури.

     Фоторезистор – це   напівпровідниковий прилад , електричний опір якого визначеним чином залежить від величини того світлового потоку, що потрапляє на нього.

Фотоелемент ( сонячна батарея) –  це   напівпровідниковий прилад , який перетворює енергію світла в енергію електричного струму.

 

   Електричний струм в напівпровідниках( узагальнююча інформація)

1.  Носіями електричного струму в напівпровідниках є електрони і дірки.

2.  Їх поява обумовлена особливостями кристалічної структури напівпровідника, а також впливом :

– температури,

– освітлення,

– зовнішніх електричних полів,

– домішок.

3.  Вольт-амперна характеристика (для діода)

4.  Застосування :

а) випрямні пристрої (діод)

б) підсилювачі  електричних струмів (транзистори)

в) джерела струму (фотоелементи)

г) вся сучасна електроніка.

Узагальнюючу інформацію про електричний струм в різних середовищах можна представити у вигляді наступної таблиці

 

Середовище

 

Носії струму

 

Механізм появи носіїв струму

 

Вольт-амперна характеристика

 

Застосування

ТЕМА 4.4. Електродинаміка магнітних явищ.

 

Електродинаміка магнітних явищ – це  розділ електродинаміки , в якому вивчається все різноманіття магнітних явищ, тобто тих явищ які обумовлені взаємодією електричних струмів та тих магнітних полів, які цими  струмами створюються.

До 1820 року вчені вважали, що електричні та магнітні явища, це абсолютно різні, не пов’язані між собою явища. В 1820 році данський фізик Ерстед експериментально з’ясував , що магнітна стрілка реагує не тільки на присутність постійного магніту , а й на присутність провідника з струмом. А  це означало , що між магнітними та електричними явищами існує певний  зв’язок.

До 1820 року про магнітні явища було відомо  наступне :

1.  Подавляючи більшість матеріалів суттєвих магнітних властивостей не  проявляють.

2.  Потужні магнітні властивості мають лише  феромагнетики  ( залізо , кобальт, нікель та деякі їх сплави).

3.  Магнітні властивості феромагнетиків можуть бути як активними (постійні магніти ), так і пасивними(не намагнічене залізо ).

4.  Постійні магніти мають два полюси (північний і південний), які взаємодіють між собою: однойменні полюси відштовхуються , різнойменні – притягуються.

5.  Розділити магнітні полюси неможливо.

На основі аналізу цих  фактів та результатів дослідів Ерстеда ,  французький фізик Ампер в 1820 році створив теорію магнетизму.  В основі цієї теорії лежать два твердження.

Основні положення (твердження) теорії  Ампера :

1.  Джерелом магнетизму (магнітних взаємодій, магнітного поля) є електричний струм.

2.  В кожному тілі існують внутрішні “молекулярні струми”, які і надають цьому тілу відповідних магнітних властивостей.

Ампер не лише створив теорію магнетизму, а й відкрив основний закон магнетизму – закон Ампера.

 Закон Ампера  це закон в якому стверджується: два провідники з струмом

( )взаємодіють між собою (співнаправлені струми – притягуються , проти направлені  – відштовхуються) з силою F , величина якої визначається за формулою:  Fм = kI1I2ΔƖsinα/r

де  I1, I2 –  сили взаємодіючих струмів;

ΔƖ – довжина ділянки взаємодії струмів;

r – відстань між струмами

α – кут, який характеризує взаємну орієнтацію струмів ( для паралельних струмів   α = 900 ; sinα = 1)

k-  коефіцієнт   пропорційності, величина якого залежить від магнітних властивостей того середовища яке оточує взаємодіючі струми.  Наприклад, для вакууму  k = k0 = 2∙10-7H/A2 . Це означає ,що в вакуумі два паралельних (sinα=1) провідники , з струмом по одному амперу кожний  (I1 = I2 = 1A),  будучи розташованим на відстані 1м ( r =1м) , на ділянці взаємодії 1м (∆ℓ = 1м)  взаємодіють з силою  Fм = 2∙10-7Н .

Залежність коефіцієнту k  від магнітних властивостей середовища, можна записати у вигляді: k = μk0 = μμ0/2π ,

де  μ  магнітна проникливість середовища

μ0 = 2πk0 = 12,56∙10-7 Н/А2  постійна величина,  яка називається магнітною сталою.

Магнітна проникливість середовища –  це фізична величина, яка характеризує магнітні властивості  середовища і яка показує у скільки разів сила магнітної взаємодії струмів в даному середовищі  (F), більша за силу їх взаємодії в вакуумі ( F0)

Позначається : μ

Визначальне рівняння : μ = F/F0

Одиниця вимірювання : [μ] = – ,   (рази)

Для подавляючої більшості матеріалів   μ ≈1. Це означає, що магнітні властивості таких матеріалів мало відрізняються від магнітних властивостей вакууму.  Для феромагнетиків   μ >>1  :   (μ (Со , Nі ) ≈100 ;     μ(Fе) ≈ 10 000) .  Це означає, що залізо в десятки (а іноді і сотні) тисяч разів підсилює магнітну дію струмів. Власне тому, відносно не потужні магнітні сили, мають надзвичайно широке практичне застосування.

Подібно до взаємодій гравітаційних та електричних, магнітні взаємодії  здійснюються через особливий матеріальний посередник, який називається магнітним полем. Магнітне поле – це таке поле, тобто таке силове  збудження простору , яке створюється електричними струмами (зарядами що рухаються) і діє на електричні струми.  Магнітні  поля характеризуються двома величинами: магнітна індукція (В) та магнітний потік (Ф).

Магнітна індукція – це фізична величина , яка  є силовою характеристикою магнітного поля і яка дорівнює відношенню магнітної сили , що діє на пробний струм в даній точці поля до параметрів цього пробного струму (його величини  Iп,  довжини  ΔƖ і просторової  орієнтації   sinα).

Позначається :  В

Визначальне рівняння : В = Fм/IΔƖsinα

Одиниці вимірювання : [B] = Н/Ам = Тл ,  тесла .

Вектор магнітної індукції перпендикулярний як до напрямку тієї магнітної сили, що діє на пробний струм, так і до напрямку того струму, який створює магнітне поле :  В ┴   Fм  ┴  І. Напрям вектора В  визначають за правилом зігнутої кісті правої руки (правилом буравчика, свердлика, тощо).

Магнітні поля, як і поля електричні та гравітаційні, підпорядковуються дії принципу суперпозиції.  Принцип  суперпозиції магнітних полів – це закон,  в якому стверджується : магнітні поля діють незалежно одне від одного і тому при їх накладанні магнітна індукція результуючого поля дорівнює векторній сумі індукцій кожного окремого поля системи :       Врез= ∑ Ві

Застосування принципу суперпозиції дозволяє представити будь-яку складну систему магнітних полів у вигляді єдиного результуючого поля, та зобразити це поле у вигляді відповідного графічного малюнку. Лінії , за допомогою яких виконується таке зображення називаються лініями магнітної індукції.

Лінії магнітної індукції – це  така умовна лінія , яка проводиться таким чином , що дотична до неї в будь-якій точці поля співпадає з напрямком результуючого вектора магнітної індукції в цій точці . Лінії магнітної   індукції  мають наступні властивості :

1.  Ці лінії ніде не перетинаються.

2.  Ці лінії завжди замкнуті ( вихрові)

3.  Густина ліній в околицях будь-якої точки,  пропорційна величині вектора  В  в цій точці.

4.  За межами постійного магніту, лінії магнітної індукції йдуть в напрямку від північного полюсу магніту до його південного полюсу.

Враховуючи факт існування магнітного поля, закон Ампера можна сформулювати наступним чином : На будь-який фрагмент струму ІΔƖ , що знаходиться в магнітному полі з індукцією В, діє магнітна сила Fм, величина якої  визначається за формулою :  Fм = BIΔƖsinα

де α – кут між напрямком вектора В та напрямком струму в провіднику.

На практиці розрізняють дві різновидності магнітної сили: сила Ампера та сила Лоренца .

Сила Ампера –  це та сила,   з  якою магнітне поле діє на провідник з струмом, що знаходиться в цьому полі.

Позначається :  Fa

Визначальне рівняння :   Fa = BIΔƖsinα

Одиниця вимірювання : [Fa] = Н

Сила Лоренца – це та сила,   з  якою магнітне поле діє на окремо заряджену частинку , що рухається в  цьому полі .                                               

Позначається :  Fл

Визначальне рівняння :   Fл = Bq0vsinα

Одиниця вимірювання : [Fл] = Н

Напрям як сили Ампера  так і сили Лоренца визначається за правилом лівої руки: якщо розкриту долоню лівої руки розташувати так , щоб лінії індукції  магнітного поля  входили в долоню , а чотири  пальці вказували напрям струму в провіднику , то відігнутий великий палець,   вкаже напрям сили Ампера ( сили Лоренца).

Сила Ампера та сила  Лоренца широко застосовуються в сучасній науці та техніці. Зокрема дію сили Ампера застосовують в електродвигунах постійного струму, електровимірювальних приладах, гучномовцях , тощо.

Амперметр – це прилад, який вимірює силу струму в електричному колі. Будова : – постійний магніт, струмопровідна  котушка , механічна  пружина, стрілка приладу. Принцип дії : При появі  в котушці приладу електричного струму , на її бічні сторони починають діяти дві рівні за величиною і протилежні за напрямком сили Ампера .  При цьому котушка, а разом з нею і стрілка приладу відхиляються на певний кут, величина якого пропорційна силі струму

 Електродвигун  постійного струму – це прилад який перетворює енергію електричного струму в механічну роботу.  Б у д о в а : індуктор

(магніт або електромагніт);   якір ( струмопровідні котушки намотані на феромагнітне осердя);  колектор. П р и н ц и п    д і ї : індуктор   створює

(індуцирує) постійне магнітне поле. Електричний  струм через колектор подається  на відповідну обмотку якоря. При цьому на бічні сторони  цієї обмотки починають діяти дві , рівні за величиною і протилежні за напрямком сили Ампера , які і надають якорю обертального руху.

Гучномовець  – це прилад , який перетворює енергію змінного струму ( струму, в якому міститься звукова інформація) у відповідний звук, тобто механічні коливання пружного середовища. Б у д о в а :   –  постійний циліндричний магніт; струмопровідна котушка, дифузор.  Принцип дії : При проходженні змінного струму через котушку, на неї починає діяти відповідна сила Ампера,  величина  і напрям якої залежить від напрямку струму. При цьому котушка, а разом з нею і дифузор гучномовця , починають здійснювати механічні коливання, які  і створюють відповідну звукову хвилю.

Система управління електронним променем кінескопу – це складова частина кінескопу, тобто приладу, який перетворює енергію змінного електричного струму ( струму,  в якому зашифрована візуальна інформація) у відповідне зображення.   Б у д о в а : котушка магнітного управління. Принцип дії : Електричний струм , параметри якого являються функцією зображення , проходячи через котушку  управління, створюють  відповідне змінне магнітне поле. Електрони, пролітаючи через це поле, під дією сили Лоренца відхиляються у відповідному напрямку і “ малюють” на екрані відповідне зображення.

Ще однією базовою характеристикою  магнітного поля є магнітний потік. Магнітний потік – це фізична величина, яка характеризує загальний потік індукції магнітного поля через задану поверхню площею S

Позначається :  Ф

Визначальне рівняння:  Ф = ВScosβ ,   де β  кут між напрямком вектора В  та напрямком перпендикуляру (нормалі) до  площини S

Одиниця вимірювання:   [Ф ] = Тл ∙ м2 = Дж /А =Вб  (вебер)

Базовим приладом електродинаміки магнітних явищ є котушка індуктивності. Котушка індуктивності – це  прилад,  який дозволяє створювати та корисно застосовувати потужні магнітні потоки (накопичувати та використовувати енергію магнітного поля) Основною характеристикою котушки індуктивності є фізична величина, яка називається індуктивністю котушки.

Індуктивність – це фізична величина, яка характеризує здатність струмопровідного контура  (котушки) створювати магнітні потоки і яка дорівнює відношенню того магнітного потоку, який створюється даним контуром до величини сили струму в цьому контурі.

Позначається :  L

Визначальне рівняння :   L = Ф/І

Одиниця вимірювання:   [L ] = Вб/А = Гн ,    генрі

Потрібно зауважити, що індуктивність котушки залежить від параметрів   самої котушки, зокрема : числа витків в ній (N), площі поперечного перерізу

(S) та довжини    (Ɩ) котушки,  магнітних властивостей (μ μ0) того осердя, яке знаходиться в котушці. Цю залежність можна записати у вигляді

L =μμ0N2S/Ɩ

Можна довести , що величина тієї енергії, яка зосереджена в магнітному полі котушки з струмом, визначається за формулою   W = LI2/2

Узагальнюючу інформацію про основні поняття, величини, закони та прилади електродинаміки магнітних явищ можна представити у вигляді наступної таблиці.

Тема : Електродинаміка магнітних явищ.

 

Суть явища і основні поняття Основні величини Основні закони Основні прилади
Електричний струм

 

 

 

 

Магнітне поле

 

 

Сила струму

I= q/t

Магнітна індукція

В = Fм/IΔƖsinα

Магнітний потік

Ф = ВScosβ

Індуктивність

котушки

L = Ф/І

Закон Ампера

Fм =kI1I2ΔƖsinα/r

або

Fм = BIΔƖsinα

Принцип суперпозиції

    Врез = ∑ Ві

Котушка індуктивності

 

L= Ф/І

L ⇑⇓

L =μμ0N2S/Ɩ

Енергія котушки з струмом

Wмаг = LI2/2

 

Узагальнено-порівняльну інформацію про гравітаційні, електростатичні та магнітні взаємодії можна представити у вигляді наступної таблиці.

 

Тема 4.5   Електромагнітна індукція.

 

         Явище електромагнітної індукції має таке надважливе практичне застосування, що потребує окремого детального вивчення.

Електромагнітна індукція – це явище, суть якого полягає в тому, що про будь якій зміні того магнітного потоку, що пронизує замкнутий струмопровідний контур, в цьому контурі виникає індукційний струм, величина якого залежить від швидкості зміни магнітного потоку.

Явище електромагнітної індукції відкрив та дослідив видатний англійський фізик Майкл Фарадей. В 1831 році, узагальнюючи свої експериментальні дослідження Фарадей сформулював основний закон електромагнітної індукції.

Закон електромагнітної індукції (закон Фарадея) – це закон, в якому стверджується: При будь якій зміні того магнітного потоку що пронизує струмопровідний контур, в цьому контурі виникає (індуцирується) е.р.с. індукції (е.р.с. → напруга → струм), величина якої залежить від числа витків в контурі (N) та швидкості зміни магнітного потоку (dФ/dt). Іншими словами: якщо  Ф = ƒ(t)  то індуцирується  Ɛін = – N(dФ/dt) → Uін = Ɛін → Іін = Uін/Rін .

Знак “-“ вказує на те, що індукційний струм має такий напрям при якому його магнітна дія завжди протидіє причині появи цього струму, тобто протидіє зміні магнітного потоку. (правило Лєнца). По суті знак “-“ вказує на те, що індукційний струм не можливо отримати без відповідних енергетичних затрат. (закон збереження енергії).

До числа найважливіших електротехнічних приладів, принцип дії яких грунтується на застосуванні закону електромагнітної індукції відносяться: індукційні генератори, трансформатори та електро двигуни змінного струму.

Індукційний генератор – це прилад, в якому явище електромагнітної індукції застосовують  для перетворення механічної роботи в енергію електричного струму. Індукційний генератор представляє собою сукупність трьох базових деталей: індуктора (постійний магніт),  якоря (струмопровідна рамка з феромагнітним осердям) та системи механічного приводу. Принцип дії індукційного генератора полягає в наступному. Індуктор створює постійне магнітне поле, в якому знаходиться струмопровідна рамка якоря. В процесі примусового обертання рамки, магнітний потік що її пронизує, змінюється. При цьому, згідно з законом електромагнітної індукції, в рамці виникає індукційна е.р.с. , яка створює відповідну електричну напругу, яка в свою чергу (за умови замкнутості електричного кола) створює відповідний електричний струм.

Можна довести, що при рівномірному обертанні рамки, виникаючі в ній е.р.с. → напруга → струм змінюються за гармонічним законом, тобто за законом:

е = Ɛм sin2πνt ;

u = Uм sin2πνt ;

ί = Iм sin2πνt .

Трансформатор – це прилад, який трансформує, тобто змінює , напругу в колі змінного струму. Трансформатор представляє собою сукупність трьох взаємопов’язаних деталей: двох струмопровідних котушок (обмоток трансформатора) об’єднаних замкнутим феромагнітним осердям (магнітопроводом). При цьому, ту обмотку яку підключають до джерела вхідної напруги називають первинною, а ту, в якій отримують трансформовану напругу – вторинною. В загальних рисах принцип дії трансформатора полягає в наступному. Наявна змінна первинна напруга U1  , створює в первинній котушці трансформатора відповідний змінний струм І1,  який в свою чергу в сукупності з феромагнітним осердям, створює відповідний змінний магнітний потік Ф1. Цей потік пронизує витки вторинної котушки і згідно з законом електромагнітної індукції, створює в них індукційну напругу  U2, величина якої залежить від числа витків у вторинній котушці (N2):   U2 = -N(dФ/dt).

А це означає, що змінюючи число витків у вторинній котушці трансформатора, можна отримати будь-яку напругу.

Електродвигун змінного струму – це прилад, який перетворює енергію змінного електричного струму в механічну роботу. Електродвигун змінного струму складається з двох базових деталей: індуктора та якоря. При цьому, індуктор представляє собою сукупність пустотілого циліндричного феромагнітного осердя та системи струмопровідних обмоток. Якорем електродвигуна в найпростішому випадку є суцільний феромагнітний циліндр, що має вісь обертання і знаходиться в середині індуктора. Принцип дії цієї системи полягає в наступному. Змінний електричний струм, протікаючи обмотками індуктора створює обертальне магнітне поле. При цьому в тілі якоря, згідно з законом електромагнітної індукції виникає індукційний струм, який своєю магнітною дією змушує якір двигуна обертатись в напрямку обертання магнітного поля.

Індукційні струми виникають не лише в спеціально створених приладах, а й в будь яких ситуаціях де струмопровідні тіла знаходяться в змінних магнітних полях. Адже будь яке струмопровідне тіло, по суті представляє собою певну сукупність замкнутих струмопровідних контурів. І якщо ці контури знаходяться в змінному магнітному полі, то згідно з законом електромагнітної індукції в них неминуче виникають індукційні струми. Ці струми зазвичай називають струмами Фуко. Струми Фуко (вихрові індукційні струми) – це замкнуті (вихрові) індукційні струми, які виникають в масивних струмопровідних тілах що знаходяться в змінних магнітних полях.

Вихрові індукційні струми виникають не лише в тих струмопровідних тілах, що знаходяться в зовнішніх магнітних полях, а й в тих випадках, коли у відповідному тілі протікає змінний електричний струм. І це закономірно. Адже змінний струм створює навколо провідника змінне магнітне поле, яке в свою чергу, згідно з законом електромагнітної індукції, створює в тому ж провіднику відповідний індукційний струм – струм самоіндукції. Струм самоіндукції, це такий вихровий індукційний струм, який створюється основним змінним струмом і  який протікає в тому ж провіднику що і основний струм.

Можна довести, що вихрові струми самоіндукції завжди направлені таким чином, що на поверхні провідника їх напрям співпадає з напрямком основного струму, а в центрі провідника – ці напрямки взаємно протилежні. Це означає, що в тому провіднику по якому протікає змінний електричний струм, в результаті індукційних процесів відбувається певний перерозподіл струмового потоку. Результатом цього перерозподілу є факт того, що сила струму в поверхневих шарах провідника збільшується, а в його внутрішніх шарах – відповідно зменшується. Вище описане явище прийнято називати скін-ефектом.

Скін-ефект – це явище, суть якого полягає в тому, що в результаті індукційних процесів, в провіднику зі змінним струмом відбувається такий перерозподіл цього струму, при якому більша його частина протікає поверхневим шаром провідника.

Аналізуючи явище та закон електромагнітної індукції, не важко дійти висновку, що змінні магнітні поля створюють в навколишньому просторі певні електричні поля. Дійсно. електричними називають ті поля, які діють на відносно нерухомі електричні заряди та змушують ці заряди рухатись. Магнітні ж поля на нерухомі заряди не діють. Тому, коли ми фіксуємо факт того, що змінне магнітне поле створює в струмопровідному контурі певний електричний струм, то по суті це означає що це поле створює певне електричне поле, яке в свою чергу і створює відповідний струм.

Дотепер ми виходили з того, що електричне поле – це таке силове збурення простору, яке створюється електричними зарядами і діє на електричні заряди. Наразі ж з’ясувалося, що електричні поля створюються не лише електричними зарядами, а й змінними магнітними молями. Зважаючи на ці обставини розрізняють дві різновидності електричного поля: поле електростатичне та поле електродинамічне.

Електростатичне поле  – це таке силове збурення простору, яке створюється електричними зарядами і певним чином діє на електричні заряди. Електродинамічне поле (вихрове електричне поле) – це таке силове збурення простору, яке створюється змінними магнітними полями і певним чином діє на електричні заряди.

Електростатичні та електродинамічні поля є полями електричними, тобто такими які певним чином діють на нерухомі електричні заряди та змушують ці заряди рухатись. З іншого ж боку, ці поля є суттєво різними. Різними по-перше тому, що лінії напруженості електростатичного поля починаються на заряді  “ + “ і закінчуються на заряді “ – “, а лінії напруженості електродинамічного поля є вихровими, тобто такими які ніде не починаються і ніде не закінчуються. По-друге, електростатичне поле є потенціальним, а електродинамічне – непотенціальним.

Потенціальним – називають таке поле, робота якого на замкнутій траєкторії дорівнює нулю. Непотенціальним – називають таке поле, робота якого на замкнутій траєкторії не дорівнює нулю.

 

Тема 4.6. Електродинаміка змінних струмів.

 

Загальні  відомості.

     Коливаннями – називають такі процеси, які так чи інакше повторюються. За різними класифікаційними ознаками коливання поділяються на періодичні та неперіодичні, вільні та вимушені, згасаючі та незгасаючі, гармонічні та негармонічні. Крім цього коливання поділяються на механічні, електричні, електромагнітні та інші.

До числа фізичних величин, які так чи інакше характеризують періодичні коливання відносяться : період коливань (Т), частота коливань (ν) , кутова частота ( ω), амплітуда коливань (А) та фаза коливань (φ).

     Період коливань –  це фізична величина , яка  характеризує часову періодичність (повторюваність)  коливань і яка дорівнює тому проміжку часу, за який  система здійснює одне повне коливання і яка показує , за який час відбувається одне повне коливання системи ( період – час одного коливання).

Позначається : Т

Визначальне рівняння : Т = t/n

де   n – число коливань здійснених системою  за час t

Одиниця вимірювання : [T]= c ,  (секунда)

Частота  коливань – це фізична величина , яка характеризує частотну періодичність коливань і яка дорівнює тій кількості   коливань системи яку вона здійснює за одиницю часу.

Позначається :  ν

Визначальне рівняння : ν = n/t

Одиниця вимірювання : [ν] = 1/c =Гц  ,    (герц)

      Кутова частота –  це фізична величина , яка характеризує частотну періодичність коливального процесу і яка показує , на який виражений в радіанах кут,  повернеться система за одиницю часу.

              Позначається :  ω

Визначальне рівняння :   ω= α/t    або    ω  =2πν

Одиниця вимірювання :  [ω] = рад/с

  Амплітуда коливань –  це фізична величина, яка характеризує максимальне (амплітудне) значення змінної   величини і яка дорівнює цьому значенню.

              Позначається :   хм,   vм ,    Ім,   Uм , і т.д.

Визначальне рівняння: визначається як параметр конкретного   коливального процесу

Одиниця вимірювання :[ хм ] = м,   [ Ім ] = А,  [ Uм ] =B…

Фаза коливань – це  фізична величина , яка  характеризує стан коливальної системи в даний момент часу і яка однозначно визначає параметри цієї системи у відповідний момент часу.

             Позначається :   φ

Визначальне рівняння:  φ = 2πνt = ωt = 2πt/T = 2πn ,  зазвичай φ = 2πνt

Одиниця вимірювання :[ φ] =  рад

Найпоширенішими коливаннями є так звані вільні гармонічні коливання.

  Вільними називають такі коливання   які починаються після виведення системи з  стану рівноваги  і продовжується самостійно  , точніше під дією тієї чи іншої комбінації природних сил.

    Гармонічними називають такі коливання, які відбуваються за гармонічним законом , тобто  за законом який описуються синусоїдою чи косинусоїдою. Це означає, що будь-яке гармонічне коливання можна описати так званим рівнянням гармонічного коливання. В загальному випадку це рівняння має вигляд :   х = Хм sin (2πνt + φ0)

де     х – миттєве значення змінної величини , тобто її значення в момент часу t

Хм  –  амплітудне значення змінної величини;

ν   – частота коливань  змінної величини;

φ0   –  початкова фаза коливань.

В природі  практично будь-яка сукупність взаємопов’язаних об’єктів утворює певну коливальну систему. Наприклад, в системі, яка називається атомом, електрони з певною періодичністю обертаються (коливаються) навколо атомного ядра.  В Сонячній системі, планети обертаються навколо Сонця, а їх супутники – навколо самих планет. Система, яка називається пружним тілом, після виведення її з рівноваги, наприклад, шляхом удару, здійснює певні коливальні вібрації, які створюють відповідну звукову хвилю. І т.д.

В межах програми загальноосвітньої школи вивчають дві механічні коливальні системи : математичний (нитяний) маятник та пружинний маятник. Описуючи ці системи можна довести, що періоди їх коливань визначаються за формулами:

–  математичний маятник   Т = 2π(Ɩ/g)1/2

де  Ɩ -довжина маятника,  g – прискорення вільного падіння;

–  пружинний маятник        T = 2π(m/k)1/2

де  m – маса тіла,  k  – жорсткість пружини

 

Загальні   відомості про змінний електричний струм.

Практично важливою різновидністю фізичних коливань є змінний  електричний струм . Змінний струм –  це такий електричний струм, величина і напрям якого змінюються за гармонічним законом, тобто за законом

і = Ім sin2πνt

де  i  –  миттєве значення струму

Ім – амплітудне значення струму

ν  – частота  струму   ( в мережах наших ліній електро передач ν = 50Гц)

Зазвичай джерелом змінного електричного струму є відповідні індукційні генератори.

Оскільки, змінний струм створюється відповідною напругою, то ясно , що величина і напрям цієї напруги також змінюється за гармонічним законом.

u = Uм sin2πνt

Як і будь-який періодичний процеси, змінний струм (змінна напруга)  характеризується його миттєвим та амплітудним значенням, періодом, частотою та фазою коливань. Однак, в науковій, виробничій та побутовій практиці, говорячи про силу змінного струму, або величину змінної напруги, зазвичай називають певне постійне число. Наприклад, ми стверджуємо, що в системі ліній електро передач існує змінна напруга величиною 220 (В). Що в лампочці розжарювання протікає змінний струм величиною 0,5(А). Говорячи таким чином, мають на увазі так зване ефективне (діюче) значення відповідно напруги та струму.

Ефективним (діючим) значенням змінного струму називають таку умовну силу змінного струму, величина якої визначається за  наступним критерієм :  якщо теплова дія постійного і змінного струмів є однаковою, то величина постійного струму І та ефективне значення змінного струмів Іеф є однаковими.

Можна довести, що ефективні та амплітудні значення змінних струмів і напруг зв’язані співвідношеннями :  Іеф = Ім(2)1/2 = 1,41Uм   Uеф= Uм(2)1/2= 1,41Uм      Потрібно зауважити, що змінні та постійні струми (напруги) однакових величин ( Іеф = І ) є гарантовано однаковими лише за їх тепловою дією.  При цьому інші дії цих струмів (напруг) можуть бути абсолютно різними. Ілюструючи цю різність розглянемо поведінку резисторів, конденсаторів та котушок індуктивності в колі постійного та змінного струмів.

       Резистори, конденсатори та котушка індуктивності в колі постійного та змінного струмів.

Нагадаємо:

Прилад Основна характеристика Енергетичні параметри
Резистор R = U/I        R = ρƖ/S Q = I2Rt
Конденсатор С = q/U     C = εε0S/d Wел = CU2/2
Котушка

індуктивності

 L = Ф/І      L = μμ0N2S/Ɩ Wмаг = LI2/2

 

На основі аналізу результатів експериментальних досліджень можна зробити наступні висновки :

Висновок 1.  Резистор в колі постійного та змінного струмів веде себе однаково: проводить електричний струм. При цьому резистор має певний електричний опір, який прийнято називати активним опором.

Активний опір –  це такий електричний  опір , який має провідник як в колі постійного , так і в колі змінного струмів і величина якого залежить  від питомого опору провідника, його довжини та площі поперечного перерізу.

Позначається :   RA

Визначальне рівняння :  RA = ρƖ/S

Одиниця вимірювання :[RA] =  Oм

Висновок 2. Конденсатор в колі постійного та змінного струмів веде себе по різному. В колі постійного струму конденсатор має безкінечно великий опір і тому не проводить струм. (За винятком моменту включення електричного кола. Адже в цей момент конденсатор заряджається і тому у відповідному колі може виникати потужний струмовий імпульс). В колі змінного струму, конденсатор постійно перезаряджається і тому проводить електричний струм. При цьому конденсатор має певний електричний опір, який прийнято називати ємкісним.

   Ємкісний опір – це такий електричний опір, який має провідник (конденсатор)  в колі змінного струму і величина якого обернено пропорційна ємності  провідника (конденсатора)  та частоті змінного струму.

Позначається :   RC

Визначальне рівняння:  RC = 1/2πνC

Одиниця вимірювання :[ RC] = Oм

   Висновок 3.  Котушка  індуктивності в колі простійного та змінного струмів веде себе по різному. В колі постійного струму котушка має звичайний активний опір  RA = ρƖ/S  i

проводить  відповідний  електричний струм. В колі змінного струму в котушці у відповідності з законом електромагнітної індукції виникає певний  додатковий опір, який прийнято називати індуктивним..

Індуктивний опір – це такий електричний опір , який має провідник (котушка індуктивності) в колі змінного струму і величина якого прямо пропорційна індуктивності провідника (котушки) та частоті змінного струму.

Позначається :   RL

Визначальне рівняння :  RL = 2πνL

Одиниця вимірювання :[ RL] =  Oм

Таким чином, дослідження показують, що існує три різновидності електричного опору, тобто тієї величини, яка визначається за формулою R = U/I

і яка вимірюється в омах :

– активний опір      RA = ρƖ/S

– ємкісний опір        RC = 1/2πνC

– індуктивний опір  RL =2πνL.

Важливою особливістю цих опорів є те . що вони додаються як певні вектори. Вектори,  відносна орієнтація яких визначається за схемою

 

Коливальний контур. Резонанс.

   Коли мова йде про  електромагнітні коливання, а по суті  про високочастотні струми ( ν> 1000 Гц) то їх створюють за допомогою простої електричної схеми, яка називається коливальним контуром.

 Коливальним контуром  називають замкнуте електричне коло, яке складається з конденсатора та котушки індуктивності. Коливальний контур представляє собою певну коливальну систему в якій, після виведення її із стану електромагнітної   рівноваги (наприклад, шляхом зарядження конденсатора) виникають певні електромагнітні коливання (певний високочастотний струм). При цьому можна довести, що період та частота цих коливань визначаються за формулами :   T = 2π(LC)1/2 ;                  ν=1/2π(LC)1/2

Ясно, що ті вільні електромагнітні коливання які виникають в коливальному контурі є згасаючими, тобто такими, амплітуда та енергетичні параметри яких з плином часу зменшуються. Незгасаючі високочастотні електромагнітні коливання (високочастотні струми) створює прилад, який називається генератором високочастотних коливань (ГВЧ).

  Генератор  високочастотних коливань  – це прилад , який  представляє собою певну автоколивальну систему в якій енергія постійного джерела струму перетворюється в енергію високочастотних електромагнітних коливань (високочастотного струму). Основними елементами ГВЧ є: коливальний контур, джерело постійного струму, транзистор (ламповий тріод).

З коливальними процесами тісно пов’язане явище, яке прийнято називати резонансом.  Резонанс – це явище , суть якого полягає в тому , що при співпадінні частоти зовнішніх енергетичних поштовхів (νзовн) з власною частотою коливальної системи  (νк.с.) , відбувається розгойдування цієї системи (резонансне підсилення  коливань в ній). Іншими словами : якщо  νзовн= νк.с , то резонанс  (підсилення  коливань, розгойдування коливальної системи). Наприклад,  з раннього дитинства ви засвоїли факт того, що для розгойдування гойдалки не потрібно бігати за нею туди-сюди. Достатньо стояти на місці і в потрібні моменти підштовхувати її.

Порівняльна таблиця параметрів різних коливальних систем.

 

Математичний

маятник

Пружинний

маятник

Крутильний

маятник

Коливальний

контур

 

Т =2π(Ɩ/g)1/2

 

Еп  ↔  Ек

 

Т =2π(m/k)1/2

 

Еп  ↔  Ек

 

 

Т = 2π(J/D)1/2

 

Еп  ↔  Ек

 

 

Т =2π(CL)1/2

 

Еп  ↔  Ек

 

 

ТЕМА 4.7. Основи теорії  електромагнітного поля.

 

В 1863 році видатний англійський фізик Джеймс Максвел,   реалізуючи ідею Фарадея про існування електричних та магнітних полів, створив  цілісну систему знань (теорію), яка з єдиних позицій кількісно пояснила все різноманіття відомих електричних, магнітних та електромагнітних явищ. Цю теорію прийнято називати теорією Максвела  або теорією електромагнітного поля.  Математична складова цієї теорії є досить складною. Однак її фізична суть відносно проста. І цю суть можна сформулювати у вигляді наступних чотирьох тверджень.

Відразу ж зауважимо , що перші три з цих тверджень по суті є новим формулюванням відомих до Максвела базових законів електродинаміки: закону Кулона, закону Ампера та закону електромагнітної індукції. Фактично , Максвел лише записав ці відомі базові закони на мові параметрів електричних та магнітних полів. При цьому стало очевидним, що відповідна  система тверджень є не повною і що її потрібно доповнити ще одним базовим твердженням.

 

Основні твердження теорії Максвела.

1.  Відносно нерухомі електричні заряди створюють в навколишньому просторі потенціальні електростатичні поля, параметри яких залежать від величини того заряду, що створює поле:

q → E =ƒ(q)

2.  Заряди що рухається (електричні струми), створюють  в навколишньому просторі вихрові магнітні  поля ,  параметри яких   залежать як  від величини відповідного заряду так  і від  швидкості  його  руху :

q,vB = ƒ(q,v)

3.  Змінні магнітні поля створюють в навколишньому просторі вихрові не потенціальні електродинамічні поля, параметри яких залежать від швидкості зміни  первинного магнітного поля :

B = ƒ(t) → E = ƒ(dB/dt)

4.  Змінні електричні поля, створюють в навколишньому просторі вихрові магнітні поля, параметри яких залежать від швидкості зміни  первинного електричного поля:

E = ƒ(t) → B = ƒ(dE/dt)

Нагадаємо : теорія ( наукова теорія) – це система достовірних знань , яка на основі певних базових тверджень кількісно описує, пояснює та прогнозує достатньо широке коло споріднених явищ. . Із визначення ясно, що наукова теорія має не лише системно пояснювати відомі явища, а й робити точні кількісні передбачення. Важливість передбачувальних здібностей теорії важко переоцінити. Адже ці передбачення не лише розширюють наші уявлення про навколишній світ , а й фактично є єдиним способом з’ясування того, правильна дана теорія чи хибна. Адже достовірність наукової теорії визначається не тим на скільки  якісно вона пояснює відомі факти та явища, а тим – збуваються її передбачення чи не збуваються. І в цьому сенсі, максвелівська електродинаміка є неперевершеним зразком блискучої наукової теорії. Теорії, передбачення якої кардинально змінили обличчя сучасної науки та людської цивілізації.               

                   Основні передбачення теорії Максвела.

1.  В природі не існує окремих електричних та окремих магнітних полів. В природі існує єдине електромагнітне поле.

2.  Будь-яке збурення електромагнітного поля розповсюджується в просторі у вигляді відповідної електромагнітної хвилі.

3.  Електромагнітна хвиля представляє собою взаємопов’язані коливання векторів Е і В, які відбуваються в площині , що є перпендикулярною поперечною) до напрямку розповсюдження хвилі.

4.  Електромагнітні хвилі розповсюджуються з швидкістю, величина якої визначається за формулою  v = 1/(εε0μμ0)1/2 ,      де ε , μ – відповідно діелектрична та магнітна проникливість середовища  в якому розповсюджується хвиля.

ε 0 , μ– відповідно електрична та магнітна сталі

0 = 8,85 ∙10 -12Кл2/ Н∙м2;  μ0 = 12,56 ∙10-7 Н/А2).

5.В вакуумі (ε=1;μ=1)  , будь-яка  електромагнітна хвиля  розповсюджуються з швидкістю 3· 10 м/c При цьому, величина цієї швидкості за будь-яких обставинах залишається незмінною (абсолютною)  v0 = (ε0μ0)1/2 = cons

6.  На межі двох різних середовищ , електромагнітні хвилі можуть як відбиватись , так і заломлюватись  . При цьому закони відбивання і заломлення електромагнітних хвиль , аналогічні законам  відбивання та заломлення  світла.

7.  Світло  є  однією з різновидностей електромагнітних хвиль.

8.  Електромагнітні хвилі створюють певний механічний  тиск   на перешкоди.

9.  Багато інших передбачень.

В 1888 році , тобто через 25 років після створення теорії Максвела, німецький фізик Генріх Герц створив перше штучне джерело електромагнітних хвиль (перший радіопередавач) і  перший штучний       приймач  цих хвиль (перший радіоприймач), дослідив ці хвилі та безумовно довів, що теорія Максвела є правильною.

Найбільш очевидним прикладом застосування електромагнітних хвиль є система радіозв’язку.  Системою радіозв’язку  називають сукупність взаємопов’язаних  радіо передавальних та радіо приймальних  приладів, які забезпечують передачу інформації за допомогою електромагнітних хвиль.

Радіопередавач , це прилад, який генерує певний високочастотний струм, “зашифровує” в цьому струмі корисну інформацію та перетворює його в потік відповідних електромагнітних хвиль.

    Радіоприймач, це прилад, який із всього різноманіття електромагнітних хвиль обирає хвилі потрібної частоти,  перетворює

енергію цих хвиль у відповідний високочастотний струм, виділяє  “зашифровану”  в цьому струмі інформаційну складову та перетворює її у відповідну інформацію.

Певними різновидностями системи радіозв’язку є системи радіолокації та радіонавігації.

Системою радіолокації називають сукупність радіотехнічних приладів, які дозволяють визначати розташування та параметри руху стороннього віддаленого об’єкту, шляхом його опромінювання імпульсними високочастотними електромагнітними хвилями.

Системою радіонавігації називають сукупність радіотехнічних приладів, які дозволяють визначати координати та параметри руху даного тіла на основі обміну електромагнітними імпульсами з іншими тілами системи.

 

                             РОЗДІЛ 5. ОПТИКА.

 

      Оптика – це розділ фізики, в якому вивчається все різноманіття  тих явищ, які пов’язані з випромінюванням, розповсюдженням та різноманітними проявами світла. Іншими словами : оптика – це наука про світло.

    Ясно, що в оптиці, основним поняттям та основним об’єктом наукових досліджень є світло. Що ж таке світло ? Відповідаючи на це запитання можна сказати наступне. Природа влаштована таким чином, що її найпростіші об’єкти є найскладнішими. Найскладнішими в тому сенсі , що надзвичайно складно, а іноді просто не можливо пояснити на що схожі ці об’єкти. Одним з таких елементарно простих і в той же час надзвичайно складних об’єтів є світло. Достатньо сказати, що на запитання:  “що таке світло?” , відповідають чотири розділи  оптики, а по суті чотири науки : геометрична оптика, хвильова оптика, квантова оптика та фотометрія.

При цьому,  в геометричній оптиці обгрунтовано  стверджується  що  світло – це потік світлових променів. В хвильовій оптиці не менш обгрунтовано стверджується, що світло – це потік світлових хвиль. В квантовий оптиці безумовно доводиться, що світло  це потік світлових частинок. А в фотометрії говориться про те , що світло – це потік світлової енергії. Іншими словами:

·                                це  потік світлових  променів

·                                це  потік світлових хвиль

світло                    це  потік світлових частинок

·                                це  потік світлової  енергії

Уявити об’єкт, який в одних обставинах веде себе як потік прямолінійних променів, в інших обставинах – як потік хвиль, а в третіх – як потік частинок, практично не можливо. І тим не менше , світло є саме таким об’єктом. Вивченню цього парадоксального об’єкту і присвячена оптика – наука про світло.

 

Тема 5.1. Геометрична оптика.

 

    Геометрична оптика – це розділ оптики , в якому світло представляють як потік світлових променів та вивчають ті явища і ті прилади, які підтверджують цей факт.

    Світловий промінь –  це умовна  лінія , яка вказує на напрям розповсюдження тієї  світлової   енергії що випромінюється джерелом світла.

По суті, будь-який видимий об’єкт є джерелом світла.  Просто одні об’єкти це світло генерують, а інші – є джерелом відбитого світла.

     Теоретичною основою геометричної оптики є три твердження, які називаються законами геометричної оптики.

      Закон прямолінійності розповсюдження світла – це закон ,в якому стверджується : в оптично однорідному середовищі світлові промені розповсюджуються прямолінійно.

      Закон відбивання світла – це закон в якому стверджується :  На межі двох оптично різних середовищ світлові промені відбиваються. При цьому :

а) промінь падаючий , промінь  відбитий і перпендикуляр до поверхні в точці падіння променя, лежать в одній площині;

б) кут відбивання променя дорівнює куту його падіння :   α = ˂ і

Закон заломлення світла це закон в якому стверджується :   На межі двох оптично різних та оптично прозорих середовищ, світлові промені заломлюються, тобто, проникаючи в нове середовище змінюють напрям свого розповсюдження. При цьому:

а) промінь падаючий, промінь заломлений та перпендикуляр до поверхні в точці падіння променя лежать в одній площині;

б) відношення синуса кута падіння променя до синуса кута його заломлення для даної пари середовищ є постійною величиною: n = sinί/sinβ.

де n – показник заломлення світла .

Потрібно зауважити, що причиною заломлення світла є факт того, що в оптичне різних середовищах швидкість світла є різною. При цьому показник заломлення світла по суті показує у скільки разів швидкість світла в першому середовищі (v1) , більша за швидкість світла в другому середовищі  (v2) : Тобто: n = v1/v2  Наприклад, якщо для пари  повітря – скло   n = 1,5    то це означає , що швидкість світла в склі (v2) в 1,5 разів менша за швидкість світла  в повітрі   (v1). При цьому не важко збагнути, що при зворотному  переході :  n’ = v2/v1 = 1/n

Показник заломлення світла по відношенню до вакууму називають абсолютним показником заломлення.

Абсолютний показник заломлення  світла- це фізична величина, яка характеризує оптичні властивості даного оптично  прозорого середовища і яка показує у скільки разів швидкість світла в даному середовищі (v) менша за швидкість світла в вакуумі

(с = 3 ∙10м/с).

Позначається : n

Визначальне рівняння :  n == sinί/sinβ = c/v .

Одиниця вимірювання :[n] = –

Величина абсолютного показника заломлення світла визначається експериментально і записується у відповідну таблицю. Наприклад , для повітря   n = 1,0003 ; для води 1,33  ; для скла   n = 1,50;  для алмазу , n = 2,42.

  Оптично однорідним – називають таке оптично прозоре середовище,  оптичні властивості якого в усіх точках однакові.

Оптично більш густим  називають таке середовище, абсолютний показник заломлення якого є відносно більшим. Наприклад , вода оптично густіша за повітря, скло – оптично густіше за воду, а алмаз – оптично густіший за скло.

Дослідження показують, що при переході світла з оптично більш густого середовища в оптично менш густе, наприклад  із скла і повітря, при певних кутах падіння (і ≥ ігр)  спостерігається повне відбивання світла.   Повне відбивання світла, це явище, суть якого полягає в тому, що при певних кутах падіння

(і ≥ ігр)   те світло яке розповсюджується в оптично більш густому середовищі, повністю відбивається від тієї поверхні, що  є межею з іншим оптично прозорим, але оптично менш густим середовищем.

Той, найбільший кут падіння, при якому відбувається повне відбивання світла, називається граничним кутом повного відбивання (ігр). Наприклад, відносно повітря  граничний кут повного відбивання для скла  ігр = 410, для води  ігр = 490, для алмазу

ігр = 240 .

Поверхні твердих тіл, в залежності від величин мікронерівностей, поділяються на оптично рівні (дзеркальні) та оптично не рівні (дифузійні).

 Оптично рівною називають таку тверду поверхню, розміри мікронерівностей  якої  співрозмірні  з довжиною світлової хвилі ( ≤ 1∙10-6 м)   Оптично не рівною  називають таку тверду поверхню розміри  мікронерівностей якої суттєво більші за довжину світлової хвилі( >1∙10-6 м) .

Дослідження показують, що оптично рівні та оптично не рівні  поверхні відбивають і заломлюють світло суттєво по різному. По різному в тому сенсі, що початково паралельні промені, після відбивання (заломлення) від оптично рівної поверхні, залишаються паралельними. А після відбивання (заломлення) від оптично не рівної поверхні – стають безладно розсіяними. По суті це означає, що поведінка тих світлових променів, які відбиваються або заломлюються оптично рівними поверхнями,  є чітко визначеною та прогнозованою. Натомість , поведінка променів відбитих або заломлених оптично не рівною поверхнею, є безладно хаотичною, а отже не прогнозованою.

Відбивання світла від оптично рівної поверхні називають дзеркальним.  А  відбивання від оптично не рівної поверхні – дифузійними або розсіяними.

Потрібно зауважити, що терміни “оптично рівна поверхня” та  “геометрично рівня поверхня” є суттєво різними. Скажімо, поверхня стіни є геометрично рівною, а оптично не рівною. Натомість  поверхня опуклої оптичної лінзи є геометрично не рівною, а оптично рівною.

Факт того , що при взаємодії з оптично рівною поверхнею поведінка світлових променів є строго визначеною та прогнозованою, корисно застосовується в різноманітних оптичних приладах. До числа найпростіших і в той же час найважливіших приладів, принцип дії яких ґрунтується на застосуванні законів геометричної оптики , відносяться : дзеркала, призми та лінзи.

Дзеркало – це прилад, який представляє собою  оптично не прозоре тіло , робоча поверхня якого є оптично рівною та відбивною (дзеркальною) . За геометричною формою робочої поверхні, дзеркала поділяються на плоскі,  вгнуті (збиральні) та опуклі (розсіювальні).

Вгнутим (збиральним) називають таке дзеркало, відбивна поверхня якого є внутрішньою стороною певної плавно викривленої поверхні і яке відбиває початково паралельні промені таким чином, що вони збираються в околицях певної точки, яку називають фокусом дзеркала.

Опуклим (розсіювальним) називається таке дзеркало, відбивна поверхня якого є зовнішньою стороною плавно викривленої поверхні і яке відбиває початково паралельні промені таким чином, що вони розсіюються так , що їх уявні продовження перетинаються в околицях певної точки, яку називають уявним фокусом дзеркала.

Принцип дії будь-якого дзеркала базується на застосуванні закону відбивання світла. Це означає , що застосовуючи закон відбивання світла, можна передбачити параметри того зображення, яке створює відповідне дзеркало в тій чи іншій ситуації.

Найпростішою та найбільш розповсюдженою різновидністю дзеркал є дзеркала плоскі, тобто такі, відбивна поверхня яких є геометрично рівною (плоскою). Характеризуючи те зображення, яке створює плоске дзеркало  говорять  що воно є уявним, дзеркально  симетричним та геометрично рівним.

     Уявним , називають таке зображення яке утворюється в результаті уявного перетинання відбитих або заломлених променів.   Дійсним , називають таке зображення , яке утворюється в результаті дійсного перетинання відбитих або заломлених променів.

Оптична призма – це  прилад , який представляє собою , оптично прозоре тіло, всі робочі поверхні якого є оптично та геометрично  рівними. В залежності від геометричної форми та просторової орієнтації, призма може виконувати певний набір оптичних функцій. Наприклад, в залежності від просторової орієнтації одна і та ж рівнобедрена прямокутно-трикутна призма може виконувати функцію : а) певним чином розташованого плоского дзеркала; б) системи двох плоских дзеркал;  в) дзеркала та двох заломлюючих поверхонь. При цьому, в залежності від просторової орієнтації одна і та ж  робоча поверхня оптичної  призми може бути як дзеркально відбивною так і оптично прозорою. Практично важливою особливістю призматичних  дзеркал є те, що їх дзеркальний ефект забезпечується не шаром спеціального відбивного матеріалу, а явищем повного відбивання світла.

Лінза (оптична лінза) – це прилад, який представляє собою оптично прозоре тіло обмежене двома криволінійними (зазвичай сферичними), або криволінійною та плоскою оптично рівними поверхнями. Лінзи поділяються на збиральні та розсіювальні.

Збиральними (опуклими) називають такі лінзи, які будучи розташованими в оптично менш густому середовищі,  збирають початково паралельні промені в околицях певної точки, яку називають фокусом лінзи ( в збиральній лінзі цей фокус є дійсним.

Розсіювальними ( вгнутими)  називають такі лінзи , які будучи розташованими в оптично менш густому середовищі , розсіюють початково паралельні промені, причому розсіюють таким чином , що їх уявні продовження перетинаються в околицях певної точки  , яку називають уявним фокусом лінзи.

Основною характеристикою будь-якої лінзи є її фокусна відстань (позначається ƒ) , тобто відстань від оптичного центру лінзи до тієї точки, яку називають її фокусом. При цьому величину обернену до фокусної відстані називають оптичною силою лінзи :

Позначається  : D

Визначальне рівняння : D =  1/ƒ

Одиниця вимірювання: [D] = дпр,     (діоптрія)

Прийнято вважати, що фокусна відстань та оптична сила збиральної лінзи є додатною, а розсіювальної лінзи – від’ємною.

Принцип дії будь-якої лінзи можна пояснити на основі закону заломлення світла. Однак, практичне застосування цього закону є складним та громіздким. Тому на практиці, прогнозуючи параметри того зображення,  яке створює та чи інша лінза в тій чи іншій ситуації, застосовують декілька базових променів, поведінка яких є загально відомою. Основним з цих базових променів є:

1 – якщо падаючий промінь паралельний оптичній осі лінзи, то промінь заломлений дійсно чи уявно проходить через фокус лінзи;

2- якщо падаючий промінь проходить через оптичний центр лінзи, то промінь заломлений є прямим продовженням цього падаючого променя.

Дійсна чи уявна точка перетину цих заломлених променів і є зображенням відповідної точки (джерела падаючих променів).

Параметри того зображення, яке формує лінза, можна визначити не лише шляхом геометричних побудов, а й шляхом алгебраїчних розрахунків. Ці розрахунки здійснюють за допомогою рівнянь, які відображають ті кількісні співвідношення, що існують між фокусною відстанню лінзи (ƒ) , координатами заданої точки ( ℓ, h) та координатами її зображення (ℓ’, h’). Найбільш відомим з цих співвідношень є так звана формула лінзи 1/Ɩ + 1/Ɩ’ = 1/ƒ = D .  При цьому, реальний розрахунок параметрів зображення, здійснюють за співвідношеннями, які є похідними від формули лінзи:  Ɩ’ = Ɩƒ/(Ɩ – ƒ) ;  h’ = hƒ/(Ɩ – ƒ). Застосовуючи дані співвідношення потрібно враховувати наступні правила знаків:

1.  Фокусна відстань збиральної лінзи є додатною, а розсіювальної – від’ємною.

2.  Якщо ℓ’ > 0   то зображення – дійсне , а якщо ℓ'< 0 – уявне.

3.  Якщо  h  і h’   мають однакові знаки то зображення перевернуте, а якщо ці знаки різні – пряме.

Оптичні дзеркала, призми та лінзи є тими базовими елементами, певні комбінації яких утворюють телескопи, мікроскопи, біноклі, фотооб’єктиви та інші оптичні прилади

 

ТЕМА  5.2. ХВИЛЬОВА ОПТИКА.

 

      Хвильова оптика – це розділ оптики , в якому світло представляють як потік  світлових (електромагнітних) хвиль ,   та  вивчають ті  явища ,  які  підтверджують цей факт. . До числа таких явищ відносяться : інтерференція , дифракція , дисперсія та поляризація світла.

Нагадаємо. Хвилею називають процес розповсюдження енергетичного збурення матеріального середовища ( речовини або поля)  який супроводжується переносом енергії, але не супроводжується переносом самого середовища.

Довжина хвилі – це фізична величина, яка характеризує просторову періодичність ( повторюваність)хвилі і яка дорівнює тій відстані, на яку розповсюджується хвильове збурення  за той проміжок часу , що дорівнює періоду коливань частинок цієї хвилі.

Позначається  : λ

Визначальне рівняння : λ = v∙T

де   v – швидкість хвилі; Т-  період коливань окремих частинок хвилі

Одиниця вимірювання: [λ] = м

Дослідження показують, що видиме світло представляє собою суміш електромагнітних хвиль довжини яких знаходяться в межах від  3,8∙10-7м до  7,6∙10-7 м. При цьому кожній довжині хвилі відповідає певний колір зорових відчуттів людини. Суцільний спектр цих кольорів умовно розділяють на сім основних кольорів : червоний, оранжевий, жовтий, зелений, голубий, синій, фіолетовий. Це означає, що “розфасувавши”  видиме (біле) світло за довжинами його хвиль, ми отримаємо суцільну кольорову картинку, яка називається спектром видимого світла і в якій міститься сім основних кольорів

По суті, факт того, що навколишній світ ми бачимо різнобарвним є прямим наслідком того, що біле світло представляє собою суміш хвиль різних довжин (різних кольорів).

Інтерференція світла –  це  явище, суть якого полягає в  тому, що  хвилі , накладаючись одна на одну можуть як підсилюватись, так і послаблюватись.

Результатом інтерференції світлових хвиль ,  може бути  кольорова картинка, яку називають інтерференційною, або інтерференційним спектром. Але для того, щоб інтерференційна картинка була стійкою і такою, яка сприймається зоровими відчуттями людини, необхідно  щоб інтерферували (накладались)  так звані когерентні хвилі.

         Когерентними, називають такі хвилі, які узгоджені між собою таким чином, що мають однакові параметри періодичності (Т, ν, λ),  однакову площину коливань та незмінну різницю фаз .    Дослідження показують,  що  природні джерела світла, зокрема теплові,  практично  ніколи не дають когерентних хвиль. І це закономірно.  Адже в теплових джерелах, світло – це результат інтенсивного хаотичного (теплового)  руху заряджених частинок. А хаотичні рухи цих частинок не є і не можуть бути узгодженими.

По суті, для того  щоб отримати стійку інтерференційну картинку, необхідно щоб інтерферували ті світлові хвилі, які випромінюються одним і тим же джерелом. А це можна зробити за допомогою спеціальних дзеркал, лінз або призм. В природних умовах, кольорову інтерференційну картинку можна  спостерігати на тонких напівпрозорих плівках (мильні бульбашки, масляні та бензинові плями, тощо)  В цих плівках інтерференційна картинка є результатом накладання тих світлових хвиль, які відбиваються від зовнішньої та внутрішньої поверхонь плівки.

Інтерференція світла корисно застосовується в приладах, які називаються інтерферометрами.  Інтерферометр , це прилад за допомогою якого вимірюють лінійні розміри об’єктів і принцип дії якого базується на кількісному аналізі тієї інтерференційної картинки, яка певним чином пов’язана з предметом вимірювань. Спосіб вимірювання довжини за допомогою інтерферометра в певному сенсі схожий на спосіб вимірювання віку дерев, на основі підрахунку річних кілець на їх стовбурі.  Точність вимірювання інтерферометра в тисячі, а іноді і в мільйони разів перевищує точність найточніших механічних мікрометрів.

     Дифракція світла – це явище  суть якого полягає в тому , що хвилі  в процесі  свого розповсюдження , поступово заходять в область геометричної тіні перешкоди , або , як  говорять огинають перешкоди.  Дифракція хвиль відбувається тому, що частинки того середовища та параметри того електромагнітного поля в якому розповсюджується відповідна хвиля, є взаємопов’язаними. А це означає, що будь-яке збурення цього середовища розповсюджується в усіх можливих напрямках.

Оскільки довжина світлових хвиль є надзвичайно малою (λ ≈ 5,5∙10-7м), то за звичайних умов дифракція цих хвиль є малопомітною. Вона стає суттєвою та визначальною лише тоді, коли :

а) перешкода знаходиться на достатньо великій відстані від спостерігача;

б) діаметр перешкоди є достатньо малим. Скажімо, одним з проявів дифракції світла є факт того, що надтонкі темні волосини, діаметр яких не перевищує 0,01 мм ( діаметр людського волосся ≈ 0,1 мм), вже на відстані найкращого зору (25 : 30 см) є практично не видимими.

Дифракція світла корисно застосовується в приладі, який називається дифракційною решіткою.  Дифракційна решітка – це прилад, який представляє собою систему паралельних, надзвичайно вузьких, світло поглинаючих  або дзеркальних  перешкод,  розташованих на відповідно малих відстанях одна від одної. В світловому потоці, дифракційна решітка стає джерелом великої кількості когерентних світлових хвиль, які в процесі інтерференції створюють відповідну інтерференційну картинку. Аналіз цієї картинки дозволяє вирішувати багато практично важливих задач, зокрема визначати довжину світлової хвилі.

Явища  інтерференції та дифракції доводять, що світло  це потік хвиль. Однак ці явища жодним чином не вказують на те, які це хвилі – поздовжні чи поперечні. Одним з тих явищ, яке безумовно вказує на поперечність світлових хвиль є так звана поляризація світла.

Поляризація світла – це  явище, суть якого полягає в тому, що  при проходженні неполяризованого світла через деякі оптично прозорі кристали, зокрема кристали турмаліну, це світло стає поляризованим, тобто таким в якому коливання векторів  Е і В відбуваються в строго визначених площинах.

Неполяризованим (природнім) світлом називають таке світло, в якому коливання векторів Е і В  відбуваються у всіх можливих площинах.

Поляризованим світлом називають таке світло, в якому коливання векторів Е і В відбуваються в певній, строго визначеній площині.

        Площиною поляризації кристалу називають ту умовну площину, яка співпадає з площиною коливань вектора Е  того поляризованого світла, яке створює цей кристал.

Поляризаторами називають ті прилади, які неполяризоване світло перетворюють на світло поляризоване.

Дослідження показують, що на межі двох оптично різних та оптично прозорих середовищ, світлові хвилі різних довжин (різних кольорів) заломлюються суттєво по різному. Це означає, що показник заломлення світла залежить не лише від оптичних властивостей відповідного середовища, а й від довжини хвилі того світла, що заломлюється. Цю залежність та пов’язану з нею сукупність оптичних явищ називають дисперсією світла.

Дисперсією світла називають сукупність тих оптичних явищ, які обумовлені залежністю абсолютного показника  заломлення світла від довжини хвилі цього світла. Результатом дисперсії є факт того, що в процесі заломлення біле світло розкладається на його складові кольори. Ту картинку,  яку отримують в результаті прогнозованого розкладання світла на його  складові кольори називають спектром світла. Прилад, який дозволяє отримувати якісні спектри називають спектроскопом.

За способом отримання спектральної картинки, спектри поділяються на дисперсійні та дифракційні.   Дисперсійний спектр –  це такий спектр , який отримують за допомого дисперсійного (призматичного)  спектроскопу. Дифракційний спектр – це такий спектр який отримують за допомого дифракційного спектроскопу.

За енергетичними параметрами того світла, яке дає відповідний спектр, спектри поділяються на спектри випромінювання  та спектри поглинання. Спектром випромінювання називають такий спектр, який характеризує параметри того світла, що  випромінюється відповідним об’єктом. Спектром  поглинання називають такий спектр, який характеризує параметри того світла, що поглинається відповідним об’єктом.

За загальним виглядом спектральної картинки, а отже і за частотним складом тих електромагнітних хвиль, які утворюють цю картинку, спектри поділяються на суцільні, лінійчаті та смугасті.

    Суцільний спектр випромінювання – це такий спектр , який  представляє собою суцільну спектральну картинку , що складається з усіх спектральних кольорів видимого світла і якій відповідає повний набір електромагнітних хвиль з діапазону від 380нм до 760 нм. Суцільний спектр є результатом інтенсивного хаотичного руху заряджених частинок. Такий спектр дають розжарені тверді і рідкі тіла, а також розжарені гази (плазми) високої густини.

Лінійчатий спектр випромінювання – це такий спектр , який  представляє собою набір  тонких спектральних ліній, кожній з яких відповідає певний вузький діапазон електромагнітних хвиль. Лінійчатий спектр є результатом тих упорядкованих процесів, які відбуваються  в енергетично збуджених атомах речовини. При цьому, кожна різновидність атомів дає свій неповторний лінійчатий спектр.

Смугастий спектр випромінювання – це такий спектр , який  представляє собою набір відносно широких, спектральних смужок, які в свою чергу складаються з великої кількості тонких,  близько розташованих спектральних ліній. По суті смугастий спектр, це складна різновидність лінійчатого спектру. Смугастий спектр є результатом тих упорядкованих процесів, які відбуваються в енергетично збуджених молекулах речовини. При цьому кожна різновидність молекул дає свій неповторний смугастий спектр.

Дослідження показують, що спектри випромінювання та спектри поглинання однієї і тієї ж речовини є абсолютно симетричними. Це означає, що коли, будучи нагрітою,  речовина випромінює певний набір електромагнітних хвиль, то в холодному стані ця речовина поглинає точно такий же набір хвиль.

Факт того, що речовина має свій неповторний спектральний відбиток, лежить в основі так званого спектрального аналізу. Спектральний аналіз – це метод визначення хімічного складу речовини на основі аналізу її лінійчатих та  смугастих спектрів випромінювання або поглинання.

Важливим проявом та доказом хвильових властивостей світла є ефект Доплера.  Ефект Доплера – це явище, суть якого полягає в тому, що частотні параметри звукових, електромагнітних та інших хвиль певним чином залежать як від швидкості руху джерела цих хвиль так і від швидкості руху того спостерігача, який їх фіксує. Скажімо, той спостерігач,  який  рухається на зустріч світловому фотону, бачить цей фотон, як такий, що має більшу частоту (меншу довжину хвилі). Натомість, той спостерігач який “тікає” від фотона, сприймає його як такий, що має меншу частоту (більшу  довжину  хвилі). Умовно кажучи, якщо базовий фотон є “зеленим”, то перший спостерігач побачить його “синім”, а другий –  “червоний”.

Одним з  найвідоміших проявів ефекту Доплера  є так зване червоне зміщення в спектрі галактик.  В 1929 році американський астроном Хабл звернув увагу на те, що в спектрі того світла, яке випромінюють далекі галактики спектральні лінії відомих атомів зміщені в сторону червоного кольору. По суті це означало, що відповідні галактики з певною швидкістю віддаляються від нашої  Галактики і що  наш Всесвіт розширяється.

                                  

                                          ТЕМА 5.3. КВАНТОВА ОПТИКА.

   

  Квантова оптика – це розділ оптики , в якому світло представляють як потік світлових частинок ( фотонів) та вивчають ті  явища , які підтверджують цей факт. До числа  цих  явищ відносяться : фотоефект , фотохімічні реакції , ефект Компотна.

Фотон – це  неподільний квант  електромагнітного випромінювання (світла)  який по суті представляє собою  певну елементарну частинку  , що  має  наступні властивості:

1.  За будь-яких обставин і в будь-якому середовищі фотон рухається з швидкістю  (с = 3 ∙10м/с).

2.  Фотон має енергію, величина якої  визначається за формулою Е = hc/λ ,  де h = 6,63∙10  Дж·с  – стала Планка,  с = 3∙10  м/с – швидкість фотона,  λ –  довжина хвилі фотона

3.  Фотон має масу, величина якої визначається за формулою   m = E/c2 = hc/λ

4.  Електричний заряд фотона дорівнює нулю (q = 0).

Порівняльний аналіз властивостей фотонів та звичайних частинок

 

       Звичайна частинка               Фотон
має масу спокою      m0 >0 маса спокою дорівнює нулю  m0=0
 може рухатись з будь-якою

швидкістю з діапазону  с > v≥ 0

може рухатись лише з

швидкістю  v = c =3 ∙10  м/с.

енергія руху частинки   Е = mv2/2 енергія  фотона      Е = hc/λ
маса частинки вимірюється маса фотона визначається за формулою

m = E/c2  = hc/λ

основною характеристикою частинки є її маса         m Основною характеристикою фотона є його довжина хвилі     λ

 

        Фотоефект  (зовнішній фотоефект) – це явище, суть якого полягає в тому, що при взаємодії світла з речовиною ( зазвичай з металами)  енергія фотона дискретним чином передається електрону речовини. При цьому відповідний електрон вилітає за межі речовини. 

       Рівняння Ейнштейна для фотоефекту – це закон , в якому стверджується:   при зовнішньому фотоефекті енергія фотона частково йде на виконання роботи виходу електрона, а частково на надання цьому електрону певної кінетичної  енергії , тобто:

hc/λ = Aв + mev2/2 .

         Роботою виходу електрона (позн. Ав) називають ту мінімальну кількість енергії, яку необхідно витратити для того, щоб відірвати електрон від даного тіла.

Червоною межею фотосинтезу (позн. λгр) називають ту гранично велику довжину хвилі фотона, при якій ще відбувається зовнішній фотоефект, тобто при якій виконується співвідношення   hc/λгр = Ав

      Внутрішній фотоефект – це явище , суть якого полягає в тому , що при  взаємодії світла з  речовиною (зазвичай з напівпровідниками) , енергія фотона дискретним чином передається електрону речовини. При цьому цей електрон відривається  від  свого атома (групи атомів) , але не вилітає за межі речовини.

Фотоефект в газах (фотоіонізація газу) – це  явище, суть  якого полягає в тому, що при взаємодії  світла з молекулами (атомами) газу,  енергія фотона дискретним чином передається електронам цих молекул. При цьому відповідні молекули іонізуються.

        Фотохімічні реакції –  це  такі хімічні реакції , які відбуваються  за активної участі фотонів видимого та ультрафіолетового світла. Квантові властивості світла при фото хімічних  реакціях проявляються в тому , що поглинання одного фотона світла спричиняє  однин  акт відповідні реакції.

           Фотосинтез – це  сукупність складних фотохімічних реакцій , які відбуваються в клітинах рослин та фото синтезуючих бактерій.  Суть цих реакцій полягає в тому , що у відповідних  клітинах під дією енергії світлових фотонів із води та вуглекислого газу синтезуються енергоємні молекули вуглеводів ( глюкоза, цукор, крохмаль, тощо) . В загальному вигляді реакцію фотосинтезу можна представити у вигляді

 

де n – кількість  світлових фотонів, необхідних для здійснення повного циклу даної реакції ( в залежності від умов фотосинтезу ця кількість може становити від 48 до 72 фотонів).

Ефект Компотна –  це явище суть якого полягає в тому, що при взаємодії з вільними або слабко зв’язаними електронами речовини,  фотони рентгенівського та гамма випромінювання ведуть  себе як пружні кульки , які  при взаємодії з електронами втрачають частину своєї енергії, а відповідно змінюють довжину своєї хвилі.

Квантові властивості світла  певним чином проявляються не лише при фотоефекті, фотохімічних реакціях та ефекті Комптона, а й у інших явищах та приладах,  зокрема в різних видах люмінесценції, в оптичних квантових генераторах, тиску світла, тощо.

Люмінесценція (люмінесцентне випромінювання) – це таке випромінювання, яке відбувається за рахунок будь-якого виду енергії, окрім теплової і яке не є результатом відбивання, заломлення, чи розсіювання іншого світла. В залежності від виду тієї енергії, яка перетворюється в енергію люмінесцентного випромінювання (Елюм)  виділяють наступні різновидності люмінесценції :

–  фотолюмінесценція ( Есв   → Елюм)

–  радіолюмінесценція ( Ерад → Елюм)

–  електролюмінісценція ( Еел → Елюм)

–  хемілюмінесценція (Ехім  → Елюм)

–  біолюмінесценція      (Ебіо   → Елюм)

–  триболюмінесценція   (Е мех → Елюм)

         Оптичний квантовий генератор (лазер)  – це прилад, який представляє собою джерело монохроматичного, когерентного,  вузько направленого електромагнітного випромінювання (світла) з високою концентрацією енергії в ньому.

         Тиск світла – це явище, суть якого полягає в тому, що світловий потік створює певний механічний тиск та ті об’єкти, які зустрічаються на його шляху.

 

 

РОЗДІЛ 6. ФІЗИКА АТОМА ТА АТОМНОГО ЯДРА.

        

       ТЕМА 6.1. Фізика атома.

 

         Ще за 500 років до нашої ери давньогрецькі вчені обгрунтовано стверджували , що всі речовини складаються з  надзвичайно дрібненьких частинок, які були названі “атомами”, що в буквальному перекладі означає “неподільні”. Уявлення про атоми як найменші, неподільні частинки речовини які не мають певного внутрішнього устрою, панували в науці до 1897 року. В цьому році, англійський фізик Джозеф Томсон, на основі аналізу  багатьох експериментальних фактів, безумовно довів, що до складу будь-якої речовини, а отже до складу її атомів, входять над дрібненькі, негативно заряджені частинки, які отримали назву електрони.  Іншими словами, в 1897 році було відкрито першу елементарну частинку електрон  е-10 ,  (m = 0, 00055а.о.м;

q0 = -1е = -1,6 ∙10-19 Кл). При цьому стало очевидним, що атом має  певній внутрішній устрій.

Ясно, що з’ясовуючи внутрішній устрій атома, вчені мали враховувати ті факти, які були відомими про атоми. А ці факти є наступними:

1.  Атоми – частинки електро нейтральні, однак такі, що за певних умов можуть перетворюватись на позитивні та негативні іони.

2.  Атоми – частинки стабільні та довговічні.

3.  При енергетичному збуджені, атоми випромінюють світло, при  цьому, кожна різновидність атомів дає свій неповторний лінійчатий спектр.

4.  До складу атомів входять електрони.

Аналізуючи  дані  факти Томсон в 1903 році  запропонував першу науково обгрунтовану модель атома – модель Томсона. Згідно з цією моделлю, атом представляє собою кулю однорідної, масивної,  позитивно  зарядженої  речовини, в якій міститься певна кількість легких, негативно заряджених електронів.

Модель Томсона цілком прийнятно пояснила всі відомі на той час властивості атома і тому не безпідставно претендувала на загальне визнання. Однак, наука стоїть на тому, що в ній критерієм істини є експеримент. В 1906 -1911 роках англійський фізик Резерфорд, провів величезну кількість експериментальних досліджень, які безумовно довели:

1.  Модель Томсона є хибною.

2.  Атом має наступну будову: в центрі атома знаходиться масивне, позитивно заряджене ядро, навколо якого обертається певна кількість електронів (планетарна модель атома).

Експериментально  підтверджена і тому безумовно правильна планетарна модель атома, мала той недолік, що явно суперечила певним твердженням теорії Максвела. Дійсно. В планетарному атомі електрон не може знаходитись в стані спокою. Для того, щоб не впасти на ядро,  електрон  неодмінно повинен обертатись навколо  нього,  А обертаючись навколо ядра електрон, згідно з теорією Максвела має випромінювати енергію ( світло). А випромінюючи цю енергію, електрон повинен наближатись до ядра та неминуче падати на нього. При цьому, розрахунки показують, що час життя планетарного атома не може перевищувати тисячної долі секунди. Експериментальні ж факти безумовно доводили , що атоми – частинки стабільні та довговічні.

Таким чином, в 1911 році, в фізиці виникла певна кризова ситуація. Суть кризи полягала в тому, що експериментально підтверджена планетарна модель атома, явно суперечила експериментально підтвердженій теорії Максвела. Вихід з цієї кризової ситуації запропонував в 1913 році данський фізик Нільс Бор. В основі теорії Бора лежать два твердження, які прийнято називати постулатами Бора

1.  В планетарному атомі, електрони можуть знаходитись лише на певних енергетично дозволених рівнях. При цьому, перебуваючи на енергетично дозволеному рівні, електрон не випромінює світлову енергію.

2.  При поглинанні зовнішньої енергії, електрон переходить на відповідний більш високий енергетичний рівень, а при падінні з цього рівня – випромінює відповідний квант світлової енергії.

Потрібно зауважити, що вище сформульовані твердження по суті були певними постулатами, тобто твердженнями, які не випливали з жодної  на той час відомої наукової теорії. Лише через десятиліття, постульовані Бором твердження отримали своє теоретичне пояснення. І це пояснення полягає в тому, що всі елементарні частинки, в тому числі й електрони, мають певні корпускулярно-хвильові властивості.  Це означає, що в одних обставинах елементарна частинка веде себе як частинка , в інших – як певний хвильовий процес. Наприклад, в атомі речовини електрон при переході з одного енергетично дозволеного рівня на інший енергетично дозволений рівень веде себе як певна частинка, а перебуваючи на самому енергетичному рівні – як певний хвильовий процес. Власне тому, перебуваючи не енергетично дозволеному рівні електрон не випромінює і не має випромінювати світло.

 

ТЕМА 6.2   Фізика атомного ядра.

 

В 1896 році французький фізик Беккерель експериментально встановив, що уран , без явних енергетичних причин, постійно випромінює якесь невидиме проміння з великою енергією та проникливою здатністю. Це явище назвали радіоактивністю. Радіоактивність – це явище, суть якого полягає в тому ,що енергетично не стабільні атомні ядра, випромінюють певні мікрочастинки, перетворюючись при цьому на ядра інших елементів.

В 1898 році французький фізик П’єр Кюрі та його дружина Марія Складовська- Кюрі з’ясували, що радіоактивним є не лише уран ( U92)  а й торій (Тh90) . Більше того, в тому ж 1898 році вони відкрили два нових, до того часу не відомих радіоактивних елемента : полоній (Ро84) та радій Ra88).

В 1899 році, англійський фізик Резерфорд , експериментально з’ясував, що в процесі проходження через потужне магнітне поле “уранові промені” розділяються на три складові : α- промені; β- промені; γ- промені. Подальші дослідження показали, що альфа промені представляють собою потік швидких, масивних (m = 4 а.о.м.)  позитивно заряджених (q =+2е) α-частинок, а по суті ядер атома гелію. Бета-промені представляють собою потік надзвичайно швидких, надлегких (m = 0,00055 а.о.м.), негативно заряджених ( q = -1е) β – частинок, а по суті електрони. Гамма-промені , це потік надзвичайно коротких (λ< 10-11м)  та енергійних (Е >105еВ)  фотонів  невидимого світла.

Однією з основних кількісних характеристик радіоактивності речовини є період її напіврозпаду. Періодом напіврозпаду радіоактивної речовини називають той проміжок часу  на протязі якого, половина наявних атомів даної речовини розпадається , тобто перетворюється на атоми іншої речовини. Позначається Т. Наприклад:

для урану 238   –  Т = 4,5∙109 років

для урану 235   –  Т = 0,71∙109 років

для радію  236   –  Т = 1620 років

для  свинцю 210    –  Т = 4 роки

для  полонію 210   –  Т = 138 днів

для полонію  218   –  Т =  3 хв.

для  полонію 216   –  Т = 0,158 с

Після того, як в 1911 році Резерфорд з’ясував, що в центрі атома знаходиться маленьке за розміром, масивне, позитивно заряджене ядро, практично відразу ж стало зрозуміло, що це ядро має певний внутрішній устрій. Адже ті альфа та бета частинки, які випромінюються атомами радіоактивних речовин можуть вилітати  лише з їх атомних ядер.

Опромінюючи різні речовини альфа- частинками, Резерфорд в 1919 році здійснив першу реакцію розщеплення атомного ядра, в результаті якої була відкрита друга елементарна частинка – протон р+11  (m = 1а.о.м.; q =+1е).

Таким чином, в 1919 році в розпорядженні вчених було дві елементарні частинки : електрон та протон.  Виходячи з цього, в тому ж 1919 році Резерфорд запропонував протонно-електронну модель атомного ядра. Згідно з цією моделлю, атомні ядра складаються з протонів та електронів. При цьому, кількість протонів дорівнює масовому числу ядра (М), а кількість електронів – різниці між його масовим (М)  та зарядовим (Z) числом. Іншими словами :

NP = M;    Ne = M  –  Z

Наприклад, згідно з протонно-електронною моделлю , ядро атому урану  складається з 238 протонів та 238-92 = 146 електронів.

Протонно-електронна модель цілком задовільно пояснювала відомі властивості атомного ядра. Однак, після того, як в середині двадцятих років були сформульовані базові закони квантової механіки, з’ясувалося, що згідно з цими законами, такі надлегкі частинки як електрони , не можуть знаходитись в таких над малих об’ємах, як об’єм атомного ядра . Виходячи з цього, було теоретично передбачено, що в Природі , окрім протонів та електронів  має існувати ще одна елементарна частинка. Частинка дуже схожа на протон, але не заряджена (електро нейтральна). Цю частинку назвали нейтроном. Дане теоретичне передбачення було підтверджене в 1932 році англійським фізиком Чедвіком, який і відкрив нейтрон       (m = 1  а.о.м,    q =0).

В тому ж 1932 році було запропоновано протонно-нейтронну модель атомного ядра. Згідно з цією моделлю , атомні ядра складаються з протонів та нейтронів. При цьому,  кількість протонів дорівнює  зарядовому числу ядра, а кількість нейтронів – різниці між його масовим та зарядовим числом. Іншими словами          NP = Z ;    Nn = M  –  Z

Наприклад, ядро урану  складається з 92 протонів та 146 нейтронів.

Аналізуючи таблицю хімічних елементів, не важко бачити, що масові числа більшості з них, суттєво відрізняються від цілих чисел (В10,8, Ne20,2,  Mg23,3, Cℓ35,5, K39,1 і т.д) При цьому виникає питання. Якщо атоми складаються з протонів (m = 1), нейтронів (m = 1), та електронів (m = 0), то яким чином масове число атома виявляється суттєво не цілим? Відповідаючи на це запитання, можна сказати наступне. Хімічні властивості атома практично на 100% залежать від заряду його ядра, тобто від числа протонів в ньому. Скажімо, якщо в ядрі атома міститься 17 протонів, то цим атомом є хімічно активний неметал хлор. Збільшивши число протонів до 18, ми отримаємо абсолютно новий атом – хімічно нейтральний аргон. Додавши ще один протон, ми отримаємо ще один абсолютно новий атом, атом хімічно активного металу – калію.

Якщо ж говорити про число нейтронів в атомному ядрі, то воно практично не впливає на хімічні властивості атома. Наприклад, в атомах природного хлору може знаходитись як 18 так і 20 нейтронів. При цьому,  відповідні атоми (  i )   мають практично однакові властивості. Атоми , в ядрах яких міститься однакова кількість протонів , але різна кількість нейтронів називаються ізотопами.

Дослідження показують, що подавляюча більшість природних хімічно простих речовин представляють собою суміш різних ізотопів. Наприклад :

 

До тепер, пояснюючи все різноманіття механічних, хімічних, біологічних, теплових, оптичних, електромагнітних та інших явищ, ми по суті спирались на дві фундаментальні сили (взаємодії)  гравітаційну (Fгр) та електричну (Fел). Наразі ж, говорячи про будову атомного ядра, стало очевидним, що ці фундаментальні сили забезпечити цілісність атомного ядра не можуть. По суті це означає, що в Природі крім гравітаційних та електричних сил має існувати ще одна фундаментальна сила, яку прийнято називати ядерною силою.

Про ядерні сили можна сказати наступне. По-перше, із факту того, що атомне ядро представляє собою надзвичайно міцну структуру, з усією очевидністю випливає, що ядерні сили, це сили надзвичайно потужні :

Fя> Fел>>> Fгр. По- друге, із факту того, що ядерні сили об’єднують як заряджені так і не заряджені частинки, безумовно випливає, що ці сили є зарядово незалежними. По –третє, із факту того, що за межами атомного ядра, ядерні сили жодним чином не проявляють себе, безумовно випливає, що ці сили є короткодіючими, тобто такими, радіус дії яких (r) обмежений розмірами атомного ядра   ( r ≤  1,5∙10-15м).

В 1935 році, японський фізик Юкава, пояснюючи механізми внутріядерних взаємодій, висловив гіпотезу про те, що ці взаємодії забезпечуються певними елементарними частинками, які отримали назву мезони.  При цьому, спираючись на закони квантової механіки, Юкава теоретично передбачив основні параметри мезонів, зокрема їх масу :

m ≈250 mе. В 1947 році передбачені Юкавою частинки були експериментально відкриті. При цьому з’ясувалось, що існує три різновидності мезонів : π +,π¯ , π0 – мезони.

Спрощено описуючи механізм внутріядерних взаємодій, можна сказати наступне. Складові частинки атомного ядра (протони та  нейтрони) постійно обмінюються мезонами і за рахунок цього, об’єднуються в надміцну структуру – атомне ядро.

Потрібно зауважити, що в процесі обміну мезонами, протони і нейтрони постійно взаємо перетворюються. Тому ті протони та нейтрони, які входять до складу атомного ядра, часто  позначають єдиним терміном – нуклони.  Наприклад, говорять, що атомне ядро урану 238 складається з 238 нуклонів, з яких 92 є протонами, а 146 – нейтронами.

Вище описаний механізм внутріядерних взаємодій дозволив вирішити ще одну наукову проблему. Суть проблеми полягала в тому, що за межами атомного ядра, нейтрони розпадаються (розпадаються на протон та електрон) , а в ядрі – не розпадаються. Не розпадаються тому, що просто не встигають цього зробити. Адже в атомному ядрі будь-який нуклон мільярди разів за секунду є то протоном, то нейтроном.

Оскільки атомне ядро це надзвичайно міцна структура, то ясно, що для розщеплення цього ядра на окремі нуклони потрібно витратити певну кількість енергії.

Енергією зв’язку атомного ядра називають ту мінімальну кількість енергії, яку необхідно витратити на те , щоб повністю розщепити дане атомне ядро на його складові нуклони.

Позначається  : Е

Визначальне рівняння : Е =mc 2

де  – дефект маси атомного ядра , с = 3∙108 м/с = const

Одиниця вимірювання: Е] =  Дж     (або еВ)

 Дефектом маси атомного ядра називають ту різницю мас, що існує між загальною масою тих вільних нуклонів, які утворюють дане атомне ядро

(m2 ) та масою цього ядра(m1 )

Позначається  : m

Визначальне рівняння : m =  m2-m1

Одиниця вимірювання: m] =  кг      (або а.о.м.)

З факту того, що для розщеплення стабільного атомного ядра на дві, три чи більшу кількість частин,  потрібні певні енергетичні затрати, з усією очевидністю випливає, що при зворотному процесі відповідна кількість енергії має виділятись. Ядерні реакції,  при яких легкі атомні ядра об’єднуються в більш важкі ядра, називаються термоядерними реакціями або реакціями термоядерного синтезу. Вони називаються термоядерними тому, що відбуваються при надзвичайно високих температурах (понад 106К).

В природних умовах інтенсивні термоядерні реакції відбуваються в надрах зірок. Наприклад, в надрах Сонця, при температурі близькій до 15∙106 К  відбувається цикл термоядерних реакцій, в результаті якого чотири протона (чотири  ядра атома водню) об’єднуються в одне ядро атома гелію. При цьому виділяється 26,7 МеВ енергії:

 

При більш високих температурах, в надрах зірок можуть відбуватись й інші цикли термоядерних реакцій, зокрема :

 

 

Таким чином, в надрах зірок, в процесі певної послідовності  термоядерних реакцій , синтезуються все більш і більш важливі атомні ядра. Головним чином ті, що утворюють так званий   α- ланцюг :

→ → →…. Паралельно з цим, в процесі взаємодії з наявними ядрами  водню, дейтерію та інших елементів , синтезуються й інші проміжні атомні ядра. Однак,  загальна інтенсивність цього синтезу є відносно низькою.

Потрібно зауважити, що кожен новий цикл термоядерних реакцій відбувається при все більш і більш високій температурі, а енергетичний виграш від цих реакцій стає все меншим і меншим. Ясно, що в такій             ситуації, рано чи пізно настає момент, коли енергогенеруючий  потенціал реакцій вичерпується. Цей момент настає тоді, коли в надрах зірки при температурі  3,5∙109К  синтезуються ядра атома заліза (Fe). По суті, це означає, що залізо є останнім хімічним елементом, атомні ядра якого утворюються з виділенням енергії.  Ядра більш важких хімічних елементів синтезуються не з виділенням енергії, а з її поглинанням.

Таким чином, експериментальні та теоретичні дослідження показують, що в атомних ядрах тих хімічних елементів, які йдуть за залізом (Со, Ni, Си і т.д) , міститься певний надлишок енергії. І по мірі збільшення маси ядра, величина цього надлишку неухильно зростає. До певної межі (до ядер атома свинцю -208)   потужні ядерні сили стримують наявну в ядрі надлишкову енергії. І  забезпечують стабільність відповідного ядра. Однак,  в надмасивних атомних ядрах (ядрах важчих за  )  надлишок внутріядерної енергії стає таким великим, що навіть потужні ядерні сили не можуть утримати відповідне ядро від розпаду .І , якщо на Землі надважкі хімічні елементи все ж зустрічаються, то це тільки тому, що деякі з них, зокрема   ; ;   мають надзвичайно великий період напіврозпаду.

Узагальнюючи вище сказане, можна записати:

 

 

Термоядерні реакції можуть стати практично не вичерпним джерелом екологічно чистої енергії. На жаль, в промислових масштабах здійснювати керовані термоядерні реакції ми ще не вміємо. На сьогоднішній день ми навчилися використовувати лише так звані некеровані термоядерні реакції. Прилад, в якому здійснюються такі реакції називається  термоядерною(водневою) бомбою.

Дослідження показують, що в атомних ядрах важчих за ізотопи свинцю-208 міститься такий великий надлишок енергії, який робить ці ядра енергетично не стабільними. Це означає, що відповідні ядра є радіоактивними, тобто такими, які рано чи пізно розпадаються. Зазвичай , період напіврозпаду надмасивних атомних ядер є відносно малим. Однак, існує група атомів , періоди напіврозпаду яких вимірюється мільярдами років. До числа цих радіоактивних довгожителів відносяться торій-232 (Т=13,9∙109р) ,

уран -238  (Т =4,5∙109р) та уран -235 (Т =0,71∙109р). Поступово розпадаючись ці атоми утворюють певні радіоактивні родини :

Th→α→β→β→α→α→α→α→α→β→β→α→ Pb –  (стабільний)

U→α→β→β→α→α→α→α→α→β→β→α→β→β→α→Pb- (стабільний)

U→α→β→α→β→α→α→α→α→β→β→α→Pb   – (стабільний)

Надмасивні атомні ядра, зокрема ядра урану-235 та урану-238  можуть розпадатись не лише  шляхом поступового природного розпаду, який називається природною радіоактивністю, а й шляхом штучно спровокованого поділу ядра, який називається ядерною реакцією поділу. Ядерною реакцією поділу називають такі ядерні реакції, при яких надмасивні атомні ядра, в процесі взаємодії з сторонніми нейтронами,  діляться на дві, приблизно рівні частини.            Важливою особливістю ядерних реакцій поділу є те, що в процесі цього поділу, утворюються не лише два масивні осколки, а й два, або три (в середньому 2,5) нових нейтронів. Нейтронів, які можуть спричинити нові цикли ядерних реакцій поділу та надати їм ланцюгового характерну.  Ланцюговою ядерною реакцією називають таку само відновлювальну ядерну реакцію поділу, продуктами якої є нові нейтрони, які в свою чергу спричиняють нові цикли подібних реакцій.

Однією з основних характеристик ланцюгової ядерної реакції є коефіцієнт розмноження нейтронів – величина, яка дорівнює відношенню числа прореагувавших нейтронів на даному етапі ланцюгової реакції (Nі) до їх числа на попередньому етапі цієї реакції (Nі-1) :  k = Ni/Ni-1 .  Ясно , що при   k<1 реакція згасає, при k >1 стає все більш і більш інтенсивною, при k = 1  відбувається з постійною інтенсивністю. Ситуація , при якій k<1 не має практичного застосування.  Ситуація , при якій k >1 реалізується в приладі, який називається атомною (ядерною) бомбою. Ситуація, при якій k=1 реалізується в приладі, який називається ядерним реактором.

 

 

                    РОЗДІЛ 7. ТЕОРІЯ ВІДНОСНОСТІ.

 

Після того, як в 1888 році Герц безумовно довів, що теорія Максвела є правильною, в фізиці виникла кризова ситуація. Суть кризи полягала в тому, що одне з передбачень теорії  Максвела явно суперечило відповідному передбаченню теорії Ньютона. Дійсно.  В ньютонівській механіці стверджувалось, що швидкість будь-якого фізичного об’єкту, в тому числі і швидкість світла, є відносною. А це означало, що в залежності від величини та напрямку руху спостерігача, швидкість світлових фотонів відносно цього спостерігача, може бути як більшою та і меншою за  3∙108 м/с

c + v = 3∙10 м/с

c– v = 3∙10 м/с

 

В теорії ж Максвела стверджувалось, що швидкість світла є абсолютно незмінною  величиною ,  чисельно рівною 3∙10 м/с    А це означало, що в незалежності від величини та напрямку руху спостерігача, швидкість світлових фотонів відносно цього спостерігача має бути рівною  3∙10 м/с

c + v = 3∙10 м/с

c– v = 3∙10 м/с

Не важко бачити, що твердження теорії Максвела явно суперечать не лише “зоровому глузду”, а й правилам математичного додавання. Ілюструючи цю суперечливість, розглянемо наступну ситуацію. Припустимо, що в момент випромінювання  світлового фотона, два спостерігача є рівновіддаленими від джерела світла. При цьому, один рухається назустріч світловому фотону, а інший – в протилежному напрямку. Запитується : який з спостерігачів зустрінеться з фотоном раніше. Відповідь очевидна : звичайно той, який рухається назустріч світлу. Дана відповідь повністю відповідає як “здоровому глузду” так і передбаченням теорії Ньютона. Натомість, теорія Максвела стверджує, що обидва спостерігачі зустрінуться з світловим фотоном одночасно.

Безглуздість того передбачення, яке випливало з теорії Максвела є очевидною. Тому,  переважна більшість вчених були  схильні вважати, що певні недоліки потрібно шукати не в теорії Ньютона, а в теорії Максвела. Однак, наука стоїть на тому, що в ній критерієм істини є не “здоровий глузд” , не очевидна правильність того чи іншого твердження і не авторитет вченого, а його величність експеримент. А експериментальні факти безумовно доводили, що передбачення теорії Максвела є достовірними і що швидкість світла в вакуумі ( швидкість світлових фотонів) дійсно є абсолютно незмінною. В такому випадку виходило, що не правильною є теорія Ньютона. Однак , сумніватись в достовірності ньютонівської механіки, означало сумніватись в тому, що Земля кругла.

Вихід із даної кризової ситуації  запропонував в 1905 році      молодий  німецький вчений Альберт Ейнштейн. Ейнштейн не став піддавати сумніву факт того, що  швидкість світла в вакуумі є абсолютною. Він цілком слушно вирішив – оскільки факт постійності швидкості світла є надійно експериментально доведеним, то нема підстав сумніватись в його достовірності. З іншого боку, нема жодних підстав сумніватись в достовірності ньютонівської механіки  і того базового принципу, який по суті лежить в основі цієї механіки і який називається  принципом відносності.  Більше того, Ейнштейн зрозумів, –  якщо виходити з того, що принцип відносності є правильним і що швидкість світла є абсолютною, то можна не лише розв’язати ті протиріччя, які існують між ньютонівською механікою та максвелівською електродинамікою, а й об’єднати ці, на перший погляд абсолютно різні науки, в єдине ціле.  Реалізуючи цю ідею , Ейнштейн створив свою знамениту теорію відносності. В основі цієї теорії лежать два твердження

  1.  Принцип відносності :  В  усіх інерціальних системах відліку,   тобто таких системах де виконується  перший закон Ньютона (закон інерції) всі фізичні  процеси відбуваються абсолютно однаково.  

  2.  Принцип постійності швидкості світла:  в усіх інерціальних системах відліку швидкість світла  в вакуумі є  незмінною і  чисельно рівною  3∙10 м/с . При цьому, ця швидкість є гранично великою. (Це означає, що в інерціальних системах відліку жоден фізичний об’єкт не може рухатись з швидкістю більшою за 3∙10 м/с).

      Виходячи з цих тверджень Ейнштейн довів, що наші уявлення  про час та простір, про теперішнє , минуле  і майбутнє , про одночасність і неодночасність подій ,  про масу та енергію , про закон додавання швидкостей та про багато інших фундаментальних речей,  не зовсім відповідають дійсності.  Якщо ж говорити про ті кількісні співвідношення, які випливають з базових тверджень теорії відносності і які відображають взаємопов’язаність часу, простору, руху та матерії, то вони є наступними.

 

                    Основні висновки теорії відносності.

            Висновок 1. Тривалість однієї і тієї ж події (або абсолютно аналогічних подій)  в рухомій та нерухомій системах відліку є різною. При цьому виконується співвідношення :

                                                 t = kt0

де     t0– тривалість події  в нерухомій системі відліку

t – тривалість цієї ж події в рухомій системі відліку

k = 1/(1 – v2/c2)  –  релятивістський коефіцієнт ( коефіцієнт відносності)

Не важко довести, що величина коефіцієнту відносності знаходиться в межах   1≤ k <   ( дійсно , якщо v =0, то   k=1 ;  якщо v =с, то k = ∞.)

Потрібно зауважити , що в повсякденному житті ми маємо справу з такими швидкостями, для яких релятивістський коефіцієнт практично не відрізняється від  одиниці. Наприклад, для літака, який рухається з швидкістю  1080 км/год = 0,3 км/с   k= 1,0000000000005.

Ефекти теорії відносності стають визначальними в тих випадках, коли швидкість об’єкта співрозмірна з швидкістю світла. Наприклад, якщо об’єкт рухається з швидкістю v = 50% С  то k=1,15 , якщо v =75% С  то k=1,15 , якщо v = 50% С  то k=1,15 , якщо  v = 98% С  то k=5 , якщо  v = 99,5% С  то k=10 , якщо  v = 99,99% С  то k=70 і т.д. Сучасні прискорювачі елементарних частинок розганяють ці частинки до таких швидкостей , для яких k > 40 000.

        Висновок 2. Довжина одного і того ж об’єкту (або абсолютно аналогічних об’єктів) в рухомій (ℓ) та нерухомій (ℓ0)  системах відліку є різною. При цьому виконується  співвідношення

                                                     Ɩ = Ɩ0/k

Висновок 3.  Маса одного і того ж фізичного об’єкту (або абсолютно аналогічних об’єктів) в рухомій (m)  та нерухомій (m  ) системах відліку є різною. При цьому виконується співвідношення

 m = km

Висновок 4.   Будь який   фізичний об’єкт   масою  m представляє собою згусток енергії , загальна кількість якої визначається за формулою

Е = mс²

                   Висновок 5. Якщо в рухомій системі відліку  швидкість тіла u’ , а ця система з швидкістю v рухається відносно нерухомої системи відліку, то швидкість даного тіла в нерухомій системі відліку (u) визначається за формулою

u = u’v/(1+u’v/c2) .

Теорія відносності не просто об’єднала  ньютонівську механіку та максвелівську електродинаміку в єдине гармонічне ціле, а й кардинально змінила наші уявлення про навколишній світ. Змінила бодай тому, що зробила простір, час , матерію та рух невід’ємними частинами єдиного цілого. Довела, що параметри простору (ℓ) , матерії(m)  та часу (t) певним чином залежать від параметрів руху(v) :  ℓ=  (v) , t =  (v)  , m =  (v). Довела, що речовинні та полеві матеріальні об’єкти є суть єдиним цілим. Що вони можуть взаємоперетворюватись і що при цих взаємоперетвореннях виконуються певні кількісні співвідношення :  Е = ƒ(m) ; m= ƒ(E)

Потрібно зауважити, що та теорія, яку Ейнштейн розробив в 1905 році і яку часто називають теорією відносності, по суті є лише частиною цієї теорії. Частиною, яку прийнято називати спеціальною теорією відносності. Спеціальна теорія відносності мала два недоліки. По-перше, вона була справедливою лише для так званих  інерціальних систем відліку. В Природі ж існує безліч систем відліку які не є інерціальними. По-друге,  спеціальна теорія відносності не була органічно  пов’язаною  з ньютонівською теорією тяжіння. Зважаючи на ці обставини, Ейнштейн в 1916 році створює так звану загальну теорію відносності. В основі цієї теорії лежать три твердження :

1.  Загальний принцип відносності : в інерціальних та неінерціальних системах відліку всі фізичні процеси відбуваються абсолютно однаково.

  2.  Узагальнений принцип постійності швидкості світла: в будь-якій системі відліку ніякі взаємодії і ніякі інформаційні сигнали не можуть розповсюджуватись з швидкістю більшою за швидкість світла в вакуумі.

3.  Принцип еквівалентності: Силові прояви гравітації та інерції еквівалентні.

Не заглиблюючись в математичні та фізичні подробиці загальної теорії  відносності, можна сказати, що ця теорія безумовно доводить : простір, чаc, матерія та рух (події) – це невід’ємні частини єдиного цілого, між якими існують а певні кількісні співвідношення.

Загальна теорія відносності є одним з найвидатніших досягнень сучасної науки. Однак, вона не є тією  супер теорією, яка може пояснити все, що відбувалося,  що відбувається в нашому Всесвіті. На сьогоднішній день  основу сучасної науки складають дві  базові наукові теорії : теорія відносності та квантова фізика. На базі цих теорій,  можна пояснити практично все, що відбувається і буде відбуватись у Всесвіті. Кожна з цих теорій має свою сферу переважного застосування, свої базові закони, свої методи вирішення наукових проблем. Ці теорії органічно доповнюють одна одну і одна одній не суперечать. Однак, ми змушені констатувати , що не дивлячись на титанічні зусилля найвидатніших вчених сучасності, теорія відносності та квантова фізика, не стали такими, що утворюють єдиний цілісний організм. Що ж , у кожного з вас є унікальна можливість залишити свій вагомий слід в історії людства.

 

 

 

 

 

 

 

Подобається