Сайт викладача фізики

         Словник фізичних термінів 

Загальні зауваження.

Не буде перебільшенням сказати, що знати фізику, на 50% означає, знати та розуміти фізичну суть тих термінів (явищ, об’єктів, понять, величин, законів, приладів, тощо) які утворюють термінологічно-теоретичну основу цієї науки. 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 сотень інших фізичних термінів – то ви не знаєте і не можете знати того, що називається фізикою.

Даний словник фізичних термінів не є тим класичним словником, який дає тлумачення певного набору термінів розташованих в алфавітному порядку. Цей словник, радше певний міні конспектом лекцій з фізики, в якому порядок розташування термінів відповідає порядку вивчення відповідних розділів і тем фізики.

Звісно, словник фізичних термінів не є тим навчальним посібником, який дає вичерпну інформацію про той чи інший фізичний термін. А особливо в тих випадках, коли мова йде про ті терміни якими позначають складні явища, прилади, технології, тощо. Цей словник є сукупністю тих мінімально необхідних термінологічних знань, які відповідають програмі загальноосвітньої школи.

.

Тема 0. Фізика – наука про Природу.

Фізика – це наука про Природу, яка представляє собою об’єктивне  відображення Природи в свідомості людини, викладене у вигляді системи достовірних знань. Фізика вивчає загальні властивості неживої Природи та ті закони, які визначають ці властивості. Предметом її досліджень є фізичні об’єкти і фізичні явища.

Природа – це безкінечний у своєму різноманітті та проявах Всесвіт, який представляє собою діалектичне поєднання матерії, руху, часу та простору, матеріального і духовного, минулого, теперішнього та майбутнього.

Задача фізики полягає в тому, щоб кількісно описати та пояснити властивості всього різноманіття існуючих фізичних об’єктів, описати та пояснити все різноманіття фізичних явищ, розкрити існуючі між ними взаємозв’язки, і на основі цих знань створити цілісну картину загального устрою Природи.

Фізичний об’єкт – це реально існуючий об’єкт, який є предметом наукових спостережень, досліджень та експериментів.

Фізичне явище – це та подія яка відбувається з фізичним об’єктом, будь-то його механічне переміщення, зміна кольору, форми, температури, твердості, пружності, електропровідності, чи чогось іншого.

Фізична величина – це кількісна характеристика певного параметру фізичного об’єкту або явища, яка має числове вираження отримане шляхом вимірювання.

Визначальне рівняння фізичної величини  це формула, яка відображає фізичну суть відповідної величини  та її визначальний зв’язок з іншими величинами.

Вимірювання – це такий процес, результатом якого є числове значення тієї фізичної величини яку вимірюють.

Пряме вимірювання – це  таке вимірювання, безпосереднім результатом якого є числове значення тієї величини яку вимірюють.

Опосередковане (непряме) вимірювання – це таке вимірювання, при якому фактично вимірюється не та величина яку потрібно визначити, а інша, з нею пов’язана величина, і при якому значення потрібної  фізичної величини визначається шляхом певних розрахунків.

Одиниця вимірювання – це таке значення відповідної фізичної величини, яке за домовленістю прийнято за одиницю її вимірювання.

Основними одиницями вимірювання  називають такі одиниці вимірювання, фактична величина яких обирається за домовленістю і які за домовленістю прийнято вважати основними.

Похідними одиницями вимірювання називають такі одиниці вимірювання, величина яких визначається  за визначальним рівнянням відповідної фізичної величини  і відповідним  чином виражається через основні одиниці.

Фізичний закон (закон) – це стисле відображення того реального, кількісного, загального, суттєвого, причинно-наслідкового зв’язку, який об’єктивно існує між певними проявами Природи.

Фізична теорія  (теорія) – це  система достовірних знань, яка на основі певних базових тверджень, кількісно описує, пояснює і прогнозує певну, групу явищ.

.

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 у вакуумі (300 000 км/с). Теоретичною основою механіки є принцип відносності, три закони Ньютона, закони збереження енергії та імпульсу, закон всесвітнього тяжіння. Методологічною основою механіки є фізичний метод досліджень.

Фізичний метод досліджень – це такий метод отримання достовірних знань, при якому вибір правильних теорій здійснюється на основі експериментальної перевірки тих передбачень, які випливають з відповідної теорії.

Загальне зауваження. В межах програми загальноосвітньої школи, по суті вивчається та частина механіки, яку можна назвати механікою поступального руху (механікою матеріальної точки). Власне (за певними винятками) про базові поняття, величини та закони саме цієї частини механіки ми і поговоримо. Однак ви маєте знати, що існує й інша частина механіки – механіка обертального руху, і що в цій механіці є свій набір базових понять, фізичних величин та законів.

.

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.

Основні поняття кінематики.

Механічний рух – це такий рух (процес), при якому тіло як єдине ціле, або певні цілісні фрагменти тіла, переміщується відносно інших тіл.

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

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 фізичну 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. А це означає, що в різних системах відліку, параметри одного і того ж руху можуть бути різними.

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

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

Прямолінійний рух – це такий поступальний рух матеріальної точки траєкторія якого представляє собою пряму лінію.

Криволінійний рух – це такий поступальний рух матеріальної точки, траєкторія якого представляє собою криву лінію.

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

(нема тому, що час, довжина і маса – це ті базові фізична  величина, одиниці вимірювання яких, за домовленістю обрана в якості основних)

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

Секунда – це одиниця вимірювання часу, яка дорівнює 1/86400  частині усередненої земної доби, або 9 192 631 770 періодам того випромінювання, яке відповідає переходу між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезію 133 (Сs¹³³).

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

Позначається: ℓ

Визначальне рівняння: нема

Одиниця вимірювання: [ℓ] = м, (метр).

Метр – це одиниця вимірювання довжини, яка в точності дорівнює довжині Міжнародного еталону метра, або довжині 1650763,73 хвиль того випромінювання, яке відповідає переходу між енергетичними рівнями 2Р₁₀ і 5d₅ атома Kr⁸⁶.

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 = ℓ_х

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 матеріальна точка в процесі відповідного руху.

Позначається: s

Визначальне  рівняння: s = ℓ_тр,    для прямолінійного руху s = ∆х

Одиниця вимірювання: [s] = м

Швидкість – це фізична величина, яка характеризує швидкість поступального  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: v = ∆x/∆t,   де  ∆t → 0

Одиниця вимірювання: [v] = м/с,  (метр на 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 пройдено.

Позначається: v_с

Визначальне рівняння: v_с= s/t

Одиниця вимірювання: [v_с] = м/с,  (метр на секунду).

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

Позначається: а

Визначальне рівняння: а = ∆v/∆t

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

Оскільки швидкість величина векторна, то вона може змінюватися як за абсолютною величиною так і за напрямком. Тому розрізняють дві різновидності прискорення:

Лінійне прискорення (прискорення) – це таке прискорення, яке характеризує зміну швидкості за величиною.

Позначається: а_л   або  а

Визначальне рівняння: а_л = ∆v/∆t

Одиниця вимірювання: [а_л] = м/с²

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

Позначається:  а_д

Визначальне рівняння:  а_д = v²/R

Одиниця вимірювання:  [а_д] = м/с²

Основний закон кінематики.

Рівняння руху – це закон в якому стверджується: в загальному випадку, прямолінійний рух матеріальної точки описується рівнянням

х = х₀ + v₀t + (а/2)t²

де  х – координата матеріальної точки в момент часу t,

х₀ – початкова координата точки, тобто її координата в момент часу t = 0,

v₀ – початкова швидкість матеріальної точки,

а – прискорення матеріальної точки.

.

         Тема 1.2.  Статика.

Статика – це розділ механіки в якому вивчають параметри, закономірності та причини стану механічної рівноваги тіл.

Основні поняття статики

Механічна рівновага тіла (матеріальної точки) – це такий механічний стан тіла, при якому воно знаходиться в стані механічного спокою (v = 0), або в стані прямолінійного рівномірного руху (v = const). Іншими словами, при механічній рівновазі, прискорення тіла дорівнює нулю (а = 0).

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

         Основні фізичні величини статики      

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

Позначається: F

Визначальне рівняння: F = m∙a

Одиниця вимірювання:  [F] = кг∙м/с² = H,   (ньютон)

Ньютон – це одиниця вимірювання сили, яка дорівнює такій силі, що надає тілу масою 1кг прискорення 1м/с²; Н = кг∙(м/с²).

Рівнодійна сила ((позначається R або F_р) – це така сила, яка дорівнює векторній сумі діючих на тіло (матеріальну точку) зовнішніх сил і яка чинить на тіло таку ж силову дію, як і вся сукупність реально діючих зовнішніх сил: R = F₁+F₂+ … +F_N  = ∑F

Зовнішніми силами називають все різноманіття діючих на тіло сил, окрім сили інерції.

Основні сили механіки.

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

Позначається: F_і

Визначальне рівняння: F_і = – m∙a

Одиниця вимірювання: [F_і] = Н

Сила тяжіння – це та сила,  з якою тіло притягується до Землі і яка дорівнює добутку маси тіла на прискорення його вільного падіння.

Позначається:  F_т

Визначальне рівняння:  F_т = m∙g

Одиниця вимірювання:  [F_т] = H.

Сила гравітаційної взаємодії (гравітаційна сила) – це та сила, з якою тіла взаємодіють згідно з законом всесвітнього тяжіння.

Позначається:  F_гр

Визначальне рівняння:  F_гр = Gm₁m₂/r²

Одиниця вимірювання: [F_гр] = H.

Закон всесвітнього тяжіння – це закон, в якому стверджується: дві матеріальні точки масою m₁ і m₂ взаємно притягуються з гравітаційною силою (F_гр), величина якої прямо пропорційна добутку взаємодіючих мас (m₁m₂) і обернено пропорційна квадрату відстані між ними (r²). Іншими словами: F_гр=Gm₁m₂/r², де  G = 6,6720∙10^–11Н∙м²/кг² – гравітаційна стала.

Гравітаційна стала (G = 6,6720∙10^–11Н∙м²/кг²) – це постійна величина, яка чисельно дорівнює тій гравітаційній силі з якою взаємодіють дві матеріальні точки масою по 1кг кожна, будучи розташованими на відстані 1м одна від одної.

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

Позначається:  N

Визначальне рівняння:  визначається з умов конкретної задачі.

Одиниця вимірювання:  [N] = H .

Опорою називають будь яку механічну перешкоду, яка так чи інакше жорстко обмежує рух тіла.

Вага – це та сила з якою тіло діє на опору.

Позначається: Р

Визначальне рівняння: Р = – N,  де  N – реакція опори

Одиниця вимірювання: [P] = H,  (ньютон).

Невагомість – це такий стан системи опора – тіло, при якому тіло та його окремі елементи не мають ваги, тобто не тиснуть на опору і одне на одне. Не мають ваги тому, що діюча на них сила тяжіння зрівноважується відповідною силою інерції.

Сила пружності – це та внутрішня сила, яка виникає в пружно деформованому тілі і яка завжди протидіє появі та зростанню цієї деформації.

Позначається:  F_пр

Визначальне рівняння: F_пр = –k∆ℓ, де k – жорсткість тіла, Δℓ – абсолютна деформація тіла.

Одиниця вимірювання:  [F_пр] = H

Сила тертя (сила тертя ковзання) – це та сила, з якою поверхні взаємодіючих твердих тіл протидіють їх взаємному поступальному (ковзальному) переміщенню, або можливості такого переміщення.

Позначається:  F_тер

Визначальне рівняння:  F_тер = µN, да μ – коефіцієнт тертя, N – сила з якою тіла притискаються одне до одного (реакція опори).

Одиниця вимірювання: [F_тер] = Н.

Коефіцієнт тертя ковзання – це фізична величина, яка характеризує здатність певної пари твердих поверхонь протидіяти їх відносному ковзальному переміщенню і яка дорівнює відношенню виникаючої між цими поверхнями сили тертя, до величини тієї сили з якою поверхні притискаються одна до одної.

Позначається: μ

Визначальне рівняння: μ = F_тер/N

Одиниця вимірювання: [μ] = Н/Н =  ̶  , (безрозмірна величина).

Сила Архімеда – це та сила, з якою тіла виштовхуються з рідин та газів і яка дорівнює вазі виштовхнутої тілом рідини або газу.

Позначається: F_a

Визначальне рівняння:  F_a = ρVg, де  ρ – густина рідини (газу);  V – об’єм зануреної в рідину (газ) частини тіла;  g – прискорення вільного падіння;

Одиниця вимірювання: [F_a] = H.

Основні закони статики

Умова рівноваги тіла (матеріальної точки) – це закон, в якому стверджується: тіло (матеріальна точка) буде знаходитись в стані механічної рівноваги (а = 0) тоді і тільки тоді, якщо векторна сума діючих на нього зовнішніх сил дорівнює нулю. Іншими словами: якщо а = 0, то ∑F = 0.

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

Механіка пружно деформованого тіла

Механічною деформацією тіла – називають будь яку зміну форми або розмірів тіла яка відбувається під дією механічних сил.

Пружна деформація – це така механічна деформація тіла, яка повністю зникає після припинення дії деформуючої сили.

Пластична деформація – це така механічна деформація тіла, яка після припинення дії деформуючої сили зберігається.

Абсолютна деформація – це фізична величина, яка характеризує абсолютну деформацію тіла і яка дорівнює цій деформації, тобто тому  видовженню (вкороченню) тіла, яке воно отримує під дією деформуючої сили.

Позначається:  ∆ℓ

Визначальне рівняння:  ∆ℓ = ℓ – ℓ₀

Одиниця вимірювання:  [∆ℓ] = м.

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

Позначається:  ε

Визначальне рівняння:  ε = ∆ℓ/ℓ₀

Одиниця вимірювання:  [ε]= м/м = – , (безрозмірна величина, рази)

Деформуюча сила – це та зовнішня сила, дія якої призводить до пружної деформації тіла.

Позначається:  F

Визначальне рівняння: визначається з умов конкретної задачі

Одиниця вимірювання: [F] = H

Сила пружності – це та внутрішня сила, яка виникає в пружно деформованому тілі і яка завжди протидіє появі та зростанню цієї деформації.

Позначається:  F_пр

Визначальне рівняння:  F_пр = – k∆ℓ

Одиниця вимірювання:  [F_пр] = H.

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.

Позначається:  k

Визначальне рівняння:  k = F/∆ℓ

Одиниця вимірювання:  [k] = H/м,  (ньютон на метр).

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 ( фізична величина, яка характеризує пружні властивості того матеріалу з якого виготовлено дане тіло і значення якої визначається експериментально).

Механічна напруга – це фізична величина, яка характеризує внутрішній механічний стан пружно деформованого тіла і яка дорівнює відношенню виникаючої в тілі сили пружності до величини його площі поперечного перерізу.

Позначається: σ

Визначальне рівняння: σ = F_пр/S

Одиниця вимірювання:  [σ] = H/м² = Па,  (паскаль).

Закон Гука (перше формулювання) – це закон, в якому стверджується: при пружних деформаціях тіла, величина його абсолютної деформації (∆ℓ) пропорційна величині діючої на тіло деформуючої сили (F), тобто ∆ℓ = F/k, де k – жорсткість тіла.

Закон Гука (друге формулювання) – це закон, в якому стверджується: при пружних деформаціях тіла, величина виникаючої в тілі механічної напруги (σ) пропорційна його відносній деформації (ε), тобто  σ = Еε, де Е – модуль пружності матеріалу тіла.

         Рівновага тіла що має вісь обертання.

Пара сил – це система двох рівних за величиною і протилежних за напрямком сил, які не лежать на одній прямій та спільно діють на одне і те ж тіло.

Момент сили – це фізична величина, яка характеризує обертальну дію сили (пари сил) і яка дорівнює добутку цієї сили F на плече її дії d.

Позначається: М

Визначальне рівняння: М = F∙d

Одиниця вимірювання:  [М] = Н∙м,   (ньютон-метр).

Загальна умова рівноваги тіла – це закон в якому стверджується: тіло буде знаходитись в стані загальної механічної рівноваги (а=0; ω=0) тоді і тільки тоді, якщо векторна сума діючих на тіло зовнішніх сил та моментів цих сил дорівнюють нулю. Іншими словами:  якщо {а = 0; ω = 0}, то {∑F = 0; ∑M = 0}, де ω – кутова швидкість.

Важіль – це прилад (механізм), який представляє собою довге тверде тіло що має нерухому вісь обертання (точку опори) та застосовується для підсилення силової дії.

Блок – це прилад (механізм), який представляє собою круглий шків що має вісь обертання і по жолобу якого проходить елемент гнучкого зв’язку. Блок застосовується як для зміни напрямку дії сили так і для підсилення силової дії.

Золоте правило механіки – це закон, в якому стверджується: в простих механізмах (важелі, блоки, системи важелів та блоків, тощо), у скільки разів виграєш в силі, у стільки ж разів програєш у відстані.

.

Тема 1.3.  Динаміка.

Динаміка – це розділ механіки, в якому вивчають параметри, закономірності та причини стану динамічної рівноваги тіла. Динамічною рівновагою тіла називають такий механічний стан тіла, при якому воно, під дією зовнішніх сил та сили інерції, знаходиться в стані рівноприскореного руху (а ≠ 0).

Основні поняття динаміки

Гравітація – це універсальна властивість тіла, яка полягає в здатності цього тіла до тих взаємодій які описуються законом всесвітнього тяжіння. Кількісною мірою гравітаційних властивостей тіла є його маса.

Інерція – це універсальна властивість тіла, яка полягає в здатності цього тіла протидіяти будь якій зміні його швидкості. Кількісною мірою інерційних властивостей тіла є його 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 є мірою:

1) інерціальних властивостей тіла;

2) гравітаційних властивостей тіла;

3) енергетичних властивостей тіла;

4) кількості речовини в тілі, виміряну в кілограмах.

Позначається:  m

Визначальне рівняння:  нема

Одиниця вимірювання:  [m] = кг,  (кілограм).

Кілограм – це   одиниця випромінювання маси, яка в точності дорівнює масі Міжнародного еталону кілограма. Один кілограм приблизно дорівнює масі одного літра (1дм³) дистильованої води, взятої при температурі 15⁰С.

Маса (в механіці) – це фізична величина, яка є мірою інерціальних властивостей тіла.

Позначається:  m

Визначальне рівняння:  нема

Одиниця вимірювання:  [m] = кг .

Імпульс (кількість руху) – це фізична величина, яка є мірою кількості механічного руху тіла (матеріальної точки) і яка дорівнює добутку маси тіла на вектор його швидкості.

Позначається:   р

Визначальне рівняння:  p = m∙v

Одиниця вимірювання: [p] = кг∙м/с,  (кілограм-метр на секунду).

Енергія – це фізична величина, яка є загальною мірою всіх видів рухів та взаємодій і яка характеризує здатність тіла, частинки або поля виконати роботу.

Позначається:  Е

Визначальне рівняння:

1) для загальної кількості енергії:   Е = mс², де с = 3∙10⁸м/с = const;

2) для конкретних видів енергії:  різні

Одиниця вимірювання: [E] = кг∙м²/с² = Н∙м = Дж,  (джоуль).

Джоуль – це одиниця вимірювання енергії та роботи, яка дорівнює тій роботі (тим затратам енергії) яку виконує сила в один ньютон при переміщенні матеріальної точки (тіла) на один метр в напрямку дії сили: Дж = Н∙м = кг∙м²/с².

Розрізняють дві базові різновидності енергії: енергія руху (кінетична енергія) та енергія взаємодії (потенціальна енергія).

Кінетична енергія (енергія руху) – це та енергія, яку має фізичний об’єкт (тіло, частинка або поле) за рахунок того що він рухається і яка дорівнює половині добутку маси об’єкта на квадрат його швидкості.

Позначається:  Е_к

Визначальне рівняння:  Е_к = mv²/2,

Одиниця вимірювання:  [Е_к] = Дж.

Потенціальна енергія (енергія взаємодії) – це та енергія яку має фізичний об’єкт за рахунок того, що він так чи інакше взаємодіяє з іншими об’єктами, або за рахунок тих взаємодій які відбуваються в середині цього об’єкту.

Позначається: Е_п

Визначальне рівняння:  Е_п = ?  (універсального визначального рівняння нема)

Одиниця вимірювання:  [Е_п] = Дж.

Потенціальна енергія, це складний вид прихованої енергії, яка має безліч різновидностей. При цьому в механіці вивчають дві різновидності потенціальної енергії:

Потенціальна енергія сили тяжіння (піднятого тіла) – це та енергія яку має підняте над землею тіло за рахунок його взаємодії з Землею.

Позначається: Е_п

Визначальне рівняння:  Е_п = mgh

Одиниця вимірювання:  [Е_п] = Дж.

Потенціальна енергія сили пружності (деформованого тіла) – це та енергія, яку має пружно деформоване тіло за рахунок тих міжмолекулярних взаємодій які відбуваються всередині цього тіла.

Позначається: Е_п

Визначальне рівняння:  Е_п = kΔℓ²/2

Одиниця вимірювання:  [Е_п] = Дж.

Робота – це фізична величина, яка характеризує затрати енергії на виконання роботи і яка дорівнює цим затратам.

Позначається:  А

Визначальне рівняння:  А = ΔЕ

Одиниця вимірювання:  [А] = Дж,   (джоуль).

Формула А = ΔЕ є базовим, визначальним рівнянням роботи. Однак, якщо мова йде про механічну роботу, то її часто визначають за формулою А = Fℓcosα, де  F – усереднена величина тієї сили що виконує роботу; ℓ – величина того переміщення яке відбувається при виконанні роботи; α – кут між напрямком вектора сили (F) та напрямком вектора переміщення (ℓ).

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

Позначається:  N

Визначальне рівняння:  N = А/t

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

Ват – це одиниця вимірювання потужності, яка дорівнює такій потужності при якій за одну секунду виконується робота в один джоуль.

Коефіцієнт корисної дії (ККД) – це фізична величина, яка характеризує ефективність використання енергії в тому чи іншому приладі і яка дорівнює відношенню тієї енергії що йде на виконання корисної роботи (Е_кор=А_кор), до загальної кількості наданої приладу енергії (Е_заг=А_заг).

Позначається: η

Визначальне рівняння:  η = (Е_кор/Е_заг)100% ,  або   η = (А_кор/А_заг)100%

Одиниця вимірювання:  [η] = % ,    (відсотки).

Основні закони динаміки

Принцип відносності (перше формулювання) – це закон, в якому стверджується: Ніякими експериментами, які проводяться в середині закритої ізольованої кабіни, не можливо встановити стоїть ця кабіна чи рівномірно рухається. Не можливо тому, що всі фізичні процеси, які відбуваються в кабіні що стоїть (v=0) і в кабіні що рівномірно рухається (v=const), 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 (закон інерції) – це закон, в якому стверджується: будь-яке тіло, буде знаходитись в стані механічного спокою (v = 0), або в 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:   F →   a = F/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 збереження енергії – це закон, в якому стверджується: при будь яких процесах, що відбуваються в замкнутій (енергоізольованій) системі, загальна кількість енергії цієї системи залишається незмінною, тобто зберігається. Іншими словами: ∑Е_до = ∑Е_після ,  або   ∑Е = соnst.

Замкнутою системою називають таку сукупність матеріальних об’єктів, в якій силові, імпульсні, енергетичні та інші взаємодії відбуваються лише між членами цієї сукупності.

Закон збереження імпульсу – це закон, в якому стверджується: при будь яких процесах що відбуваються в замкнутій системі, загальна кількість імпульсу цієї системи залишається незмінною тобто зберігається. Іншими словами:   ∑р_до = ∑р_після ,   або    ∑ р = соnst.

.

Тема 1.4.  Механіка коливань.

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;

– механічні та електромагнітні.

Періодичними називають такі коливання, які через певні, однакові проміжки часу в точності повторюються.

Неперіодичними називають такі коливання, які повторюються через різні проміжки часу, або повторюються частково.

Вільними називають такі коливання, які починаються після виведення коливальної системи з стану рівноваги і продовжуються самостійно, а точніше, під дією певної комбінації внутрішньо системних сил.

Вимушеними називають такі коливання, які відбуваються під дією певної змінної зовнішньої сили, тобто тієї сили, джерелом якої не є коливальна система.

Згасаючими називають такі коливання, амплітуда яких з плином часу зменшується.

Незгасаючими називають такі коливання, амплітуда яких з плином часу залишається незмінною.

Механічними називають такі коливання, які пов’язані з механічними переміщеннями тіл та їх частин, або частин пружного середовища.

Електромагнітними називають такі коливання, які пов’язані з коливаннями електричних зарядів та електромагнітних полів.

Гармонічними називають такі коливання які описуються гармонічною кривою (синусоїдою або косинусоїдою), тобто відбуваються за гармонічним законом. Це означає, що будь яке гармонічне коливання можна описати формулою  x = х_мsinφ, або  x = х_мcosφ, де

х – миттєве значення змінної величини;

х_м – амплітудне значення змінної величини;

φ – фаза коливань.

Практично всі природні коливання є гармонічним, наближено гармонічними (згасаюче гармонічними), або такими, що є певною комбінацією гармонічних чи наближено гармонічних коливань. До числа тих фізичних величин які характеризують коливання загалом і гармонічні зокрема, відносяться: період та частота коливань, амплітуда коливань, фаза коливань.

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

Позначається: Т

Визначальне рівняння: Т = t/n

Одиниця вимірювання:  [Т] = с,   (секунда).

Частота коливань (частота) – це фізична величина, яка характеризує частотну періодичність коливального процесу і яка дорівнює тій кількості коливань системи, яку здійснює ця система за одиницю часу.

Позначається: ν

Визначальне рівняння: ν = n/t

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

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

Позначається: х_м, v_м, І_м, U_м, тощо,

Визначається як параметр конкретного коливального процесу,

Одиниця вимірювання: [x_м]=м; [v_м]=м/с; [I_м]=А; [U_м]=В і т.д.

Фаза коливань (фаза) – це фізична величина яка характеризує стан коливальної системи в заданий момент часу і яка однозначно визначає параметри цієї системи у відповідний момент часу.

Позначається: φ

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

Одиниця вимірювання: [φ] = рад,    (радіан).

Рівняння гармонічного коливання – це рівняння (закон), яке описує кінематику гармонічно-коливального процесу і яке має вигляд х = х_мsinφ = х_мsin(2πνt+φ₀).

Фізичний маятник – це така механічна коливальна система, яка представляє собою тіло довільної форми, яке під дією сили тяжіння здійснює коливання навколо осі, що не проходить через центр маси тіла. В процесі коливань фізичного маятника потенціальна енергія піднятого тіла маятника перетворюється на енергію його поступального руху і навпаки:   mg∆h ↔ mv²/2.

Математичний маятник – це ідеалізована модель фізичного маятника, яка представляє собою масивну матеріальну точку що висить на надтонкій, невагомій та нерозтяжній нитці і в процесі коливань якого відсутні будь які втрати енергії. Період коливань математичного маятника визначається за формулою Т=2π√(ℓ/g), де ℓ – довжина маятника, g – прискорення сили тяжіння.

Пружинний маятник – це така механічна коливальна система, яка складається з легкої пружини та масивного тіла і в якій це тіло здійснює поступальні коливання вздовж осі пружини. В процесі коливань пружинного маятника, потенціальна енергія деформованої пружини перетворюється на кінетичну енергію поступального руху тіла маятника і навпаки:   k∆ℓ²/2 ↔ mv²/2. Період коливань ідеального пружинного маятника визначається за формулою Т=2π√(m/k), де m – маса тіла маятника, k – жорсткість пружини маятника.

Резонанс це явище, суть якого полягає в тому, що при співпадінні (або пропорційності) частоти коливань зовнішніх енергетичних впливів, з власною частотою тієї коливальної системи на яку ці впливи спрямовані, відбувається розгойдування цієї системи, тобто відносно швидке збільшення амплітуди її коливань.

.

Розділ 2. Молекулярна фізика та основи термодинаміки.

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

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

Теоретичною основою молекулярної фізики є три твердження, які називаються основними положеннями молекулярно-кінетичної теорії і суть яких полягає в наступному:

1. Всі речовини складаються з молекул (молекул, атомів, іонів).
2. Молекули в речовині безперервно та безладно (хаотично) рухаються.
3. На невеликих відстанях (~10^–9м) молекули взаємодіють між собою – в залежності від відстані, притягуються або відштовхуються.

Методологічною основою молекулярної фізики є статистичний метод досліджень, суть якого полягає в тому, що поведінку і властивості надскладної системи молекул, описують на основі законів ньютонівської механіки та статистично усереднених характеристик цих молекул.

Броунівський рух – це безладний рух дрібних, видимих частинок речовини, причиною якого є хаотичний (тепловий) рух молекул навколишнього середовища. Тепловий рух – це безладний (хаотичний) рух молекул речовини.

Дифузія – це явище, суть якого полягає в тому, що в процесі хаотичного руху, молекули однієї речовини перемішуються з молекулами іншої речовини. При цьому, кожна різновидність молекул прагне до того, щоб їх концентрація в усьому доступному об’ємі була однаковою.

Осмос – це явище, суть якого полягає в тому, що в процесі хаотичного руху молекул, одні з них проникають через напівпроникну перешкоду, а інші – не проникають через неї. При цьому, проникаючі через перешкоду молекули, прагнучи до вирівнювання їх концентрації по обидві сторони перешкоди, створюють певний додатковий тиск який називається осмотичним тиском.

Сила міжмолекулярної взаємодії – це результуюча системи багатьох сил, які у своїй сукупності забезпечують міжмолекулярні взаємодії. Суть цих взаємодій полягає в тому, що на невеликих відстанях (r ≤ 1∙10^–9м) молекули, в залежності від цієї відстані взаємно притягуються або взаємно відштовхуються.

.

Величини які характеризують кількість речовини та її температуру.

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

Позначається: m

Визначальне рівняння:  нема

Одиниця вимірювання: [m] = кг.

Маса однієї молекули (атома) визначається за формулою m₀ = M_r(а.о.м) = M_r∙1,66∙10^–27(кг), де М_r – масове число.

Масове число (відносна атомна маса) – це безрозмірна величина, яка показує у скільки разів маса усередненого атома даного хімічного елементу (m₀) більша за одну атомну одиницю маси. Позначається М_r. Визначається експериментально і записується у відповідну клітинку періодичної системи хімічних елементів.

Атомна одиниця маси (а.о.м.) – це позасистемна одиниця вимірювання маси, яка дорівнює 1/12 маси атома вуглецю-12: а.о.м. = m₀(С₆¹²)/12 = 1,6605655∙10^-27кг.

Кількість структурних одиниць – це фізична величина, яка характеризує кількість речовини в тілі, виміряну числом структурних одиниць цієї речовини.

Позначається: N

Визначальне рівняння: N = m/m₀

Одиниця вимірювання: [N] = ст.од. (структурні одиниці – атоми, молекули, іони).

Кількість речовини – це фізична величина, яка характеризує кількість речовини в тілі, виміряну в молях.

Позначається:  ν

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

Одиниця вимірювання:  [ν] = моль.

Моль – це одиниця вимірювання кількості хімічно простої та хімічно однорідної речовини, яка дорівнює такій порції цієї речовини, в якій міститься стільки її структурних одиниць, скільки атомів міститься в 12г вуглецю-12  (тобто 6,022∙10²³ структурних одиниць) .

Стала Авогадро (N_A = 6,022∙10²³ 1/моль) – це постійна величина, яка показує скільки структурних одиниць (молекул) міститься в одному молі відповідної речовини.

Молярна маса – це фізична величина, яка характеризує молярну масу даної хімічно простої речовини і яка дорівнює цій масі, тобто масі тієї порції речовини яка називається молем.

Позначається: M

Визначальне рівняння: M = m₀N_A

Одиниця вимірювання: [M] = кг/моль,   (кілограм на моль).

На практиці, молярну масу речовини визначають за формулою М = М_r(г/моль).

Густина – це фізична величина, яка характеризує кількість речовини в одиниці об’єму і яка показує скільки кілограм даної речовини міститься в одиниці її об’єму.

Позначається:  ρ

Визначальне рівняння:  ρ = m/V

Одиниця вимірювання: [ρ] = кг/м³,   (кілограм на метр кубічний).

Концентрація молекул – це фізична величина, яка характеризує кількість речовини 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,    (одиниць на метр кубічний).

Температура є однією з тих фізичних величин, які мають декілька загально прийнятих наукових визначення, зокрема:

Температура – це фізична величина, яка характеризує ступінь нагрітості тіла, виміряну термометром за температурною шкалою Цельсія.

Позначається:  t

Визначальне рівняння:  нема

Одиниця вимірювання: [t] = °C,   (градус Цельсія).

Температура – це фізична величина, яка характеризує ступінь нагрітості тіла виміряну еталонним газовим термометром за абсолютною шкалою температур.

Позначається: Т

Визначальне рівняння:  нема

Одиниця вимірювання:  Т = К,  кельвін.

Градус Цельсія °С (кельвін К) – це одиниця вимірювання температури, яка дорівнює одній сотій інтервалу температур між точкою плавлення та точкою кипіння чистої води, визначеними при нормальному атмосферному тиску. Оскільки величини градуса Цельсія та кельвіна є однаковими (ºС=К), то між температурою виміряної в кельвінах (Т) і температурою виміряною в градусах Цельсія (t) існує просте співвідношення: Т = t + 273; t = T – 273.

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

Абсолютна шкала температур (шкала Кельвіна) – це така температурна шкала, в якій за початок відліку температур прийнято температуру абсолютного нуля, за одиницю вимірювання – кельвін, а за еталонний метод вимірювання – вимірювання за допомогою еталонного газового термометра.

Абсолютний нуль – це температура при якій припиняється тепловий рух молекул речовини і яка відповідає температурі –273ºС, точніше –273,15ºС.

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

Позначається:  Т

Визначальне рівняння: Т = Е_к/(3/2)k, де k = 1,38∙10^–23Дж/К – стала Больцмана

Одиниця вимірювання:  [Т] = К,  (кельвін).

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 3/2 кельвіна.

.

         Загальні відомості про тверді, рідкі та газоподібні речовини.

Твердими називають такі речовинні об’єкти, які мають певну сталу форму та певний сталий об’єм, і в яких, середня потенціальна енергія молекул значно більша за їх середню кінетичну енергію. Іншими словами, для твердих речовин: Ф=const; V=const; Е_п ˃ Е_к.

Рідинами називають такі речовинні об’єкти, які мають певний сталий об’єм але не мають певної сталої форми, і в яких середня потенціальна енергія молекул мінімально більша за їх середню кінетичну енергію. Іншими словами, для рідин: Ф≠const; V=const; Е_п ≥ Е_к.

Газоподібними називають такі речовинні об’єкти, які не мають а ні певної сталої форми, а ні певного сталого об’єму, і в яких, середня потенціальна енергія молекул значно менша за їх середню кінетичну енергію. Іншими словами, для газоподібних речовин: Ф≠const; V≠const; Е_п ˂ Е_к. Газоподібні речовини можуть знаходитись в двох суттєво різних станах: пар та газ.

Газами називають такі газоподібні речовини, які знаходяться при за критичних температурах (t ˃ t_кр). Це означає що: а) середня кінетична енергія молекул газу набагато більша за їх середню потенціальну енергію (Е_к >> Е_п); б) газ не можливо перетворити на відповідну рідину шляхом його ізотермічного стиснення.

Фізичний стан певної маси газу (m=const) можна охарактеризувати трьома величинами: тиск (р), об’єм (V) та температура (Т), які прийнято називати основними термодинамічними параметрами газу. Процеси при яких так чи інакше змінюються термодинамічні параметри певної маси газу (m=const) називаються термодинамічними процесами. Термодинамічні процеси, при яких маса газу та один з його основних термодинамічних параметрів (р,V,Т) залишаються незмінними, називаються ізопроцесами (від грецького «ізос» – незмінний). Розрізняють три ізопроцеси:

ізотермічний: m = const, T = const;

ізобаричний: m = const, p = const;

ізохоричний: m = const, V = const.

Ті співвідношення які існують між основними термодинамічними параметрами певної маси газу (m=const), називаються газовими законами. До числа цих законів відносяться:

Закон Бойля – Маріотта – це закон, в якому стверджується: при ізотермічному процесі, добуток тиску будь якого газу на його об’єм, залишається незмінним. Іншими словами: якщо m=const, T=const то pV=const.

Закон Гей-Люссака – це закон, в якому стверджується: при ізобаричному процесі, відношення об’єму будь якого 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 – це закон, в якому стверджується: при ізохоричному процесі, відношення тиску будь якого газу до його абсолютної температури залишається незмінним. Іншими словами: якщо m=const, V=const то р/T = const, або  р/(t+273) = const.

Об’єднаний газовий закон – це закон, в якому стверджується: для постійної маси будь якого газу, відношення добутку тиску газу на його об’єм до абсолютної температури газу, залишається незмінним. Іншими словами: якщо m=const,  то  pV/T=const   або    pV/(t+273)=const.

Закон Клапейрона – це закон, в якому стверджується: для одного моля будь якого газу виконується співвідношення  pV_моль/Т=R,  де  R – постійна величина, яка називається молярною газовою сталою.

Молярна газова стала (R=8,31Дж/К∙моль) – це постійна величина, яка показує на скільки джоулів зміниться середня кінетична енергія одного моля (тобто 6,02∙10²³ молекул) речовини, при зміні температури цієї речовини на 3/2 кельвіна (тобто на 1,5ºС).

Закон Менделєєва – Клапейрона – це закон, в якому стверджується: для довільної кількості молей будь якого газу, виконується співвідношення pV/T=(m/M)R, де m – загальна маса газу,  M – молярна маса цього газу.

Закон Авогадро – це закон, в якому стверджується: за нормальних умов (р=101,3кПа, Т=273К) один моль будь якого газу займає об’єм 22,4 літра (22,4∙10^–3м³).

Закон Дальтона – це закон в якому стверджується: тиск суміші хімічно не взаємодіючих газів, дорівнює сумі тих парціальних тисків, які створюють окремі складові цієї суміші, тобто  р = р₁ + р₂ +…+ р_н.

Ідеальний газ – це спрощена (ідеалізована) модель реального газу, в якій: 1) молекули – ідеально круглі пружні кульки; 2) енергія взаємодії молекул дорівнює нулю (Е_п=0); 3) в сторону будь якої стінки куба, в будь який момент часу рухається 1/6 частина наявних молекул.

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 теоретично «відкрити» всі вище сформульовані газові закони.

За певних високих температур (t>1500ºC) газ поступово перетворюється на плазму. Плазмою називають частково або повністю іонізований газ, в якому концентрація вільних позитивно та негативно заряджених частинок є усереднено однаковою. Процес переходу газу в стан плазми, називають іонізацією газу. Зворотній процес, тобто перехід речовини з стану плазми до стану газу, називають рекомбінацією плазми.

Парами називають такі газоподібні речовини, які знаходяться при до критичних температурах (t ˂ t_кр). Це означає що: а) середня кінетична енергія молекул пару не набагато більша за їх середню потенціальну енергію (Е_к > Е_п);  б) пар можна перетворити на відповідну рідину шляхом його ізотермічного стиснення.

Пароутворення – це такий тепловий процес, який відбувається з поглинанням енергії та супроводжується переходом речовини з рідкого стану в газоподібний.

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

Випаровування – це таке пароутворення, яке відбувається при будь якій температурі рідини і при якому перехід речовини з рідкого стану в газоподібний здійснюється лише з вільної поверхні рідини.

Кипіння – це таке пароутворення, яке відбувається при певній постійній температурі (температурі кипіння) і при якому утворення пару відбувається в усьому об’ємі рідини. Візуальною ознакою кипіння, є утворення наповнених паром відповідної рідини бульбашок.

Температура кипіння – це така постійна для даного зовнішнього тиску і даної речовини температура, при якій, тиск насиченого пару рідини в точності дорівнює тому зовнішньому тиску що діє на поверхню цієї рідини.

Насиченим паром називають такий пар, що знаходиться в стані динамічної рівноваги зі своєю рідиною. Насичений пар має гранично велику для даної температури густину (ρ_н) і створює відповідний гранично великий тиск (р_н).

Ненасиченим паром називають такий пар, густина якого менша за густину відповідного за температурою насиченого пару (ρ ˂ ρ_н).

Критичний стан речовини – це такий стан динамічної рівноваги між рідиною та її насиченим паром, при якому густина рідини і густина пару є чисельно рівними і при якому будь які відмінності між рідиною та її паром зникають. Критичний стан речовини характеризується певною критичною температурою (t_кр) та певним критичним тиском(р_кр).

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

Позначається:  ρ_а

Визначальне рівняння:  ρ_а = m(H₂O)/V

Одиниця вимірювання:   [ρ_а] = кг/м³, або  [ρ_а] = г/м³.

Відносна вологість повітря – це фізична величина яка характеризує відносну вологість повітря і яка дорівнює відношенню фактичної густини того пару що знаходиться в повітрі (абсолютної вологості повітря), до його максимально можливої при даній температурі густини (густини насиченого пару).

Позначається:  В

Визначальне рівняння:  В = (ρ_а/ρ_н)100%

Одиниця вимірювання:  [В] = % .

Точка роси (позн. t_р) це така температура, при якій повітря в процесі охолодження стає насиченим водяними парами, це означає, що при точці роси відносна вологість повітря дорівнює 100% (при t = t_р,  ρ_а = ρ_н , В = 100%).

Рідинами називають такі речовинні об’єкти, які мають певний сталий об’єм але не мають певної сталої форми, і в яких середня, потенціальна енергія молекул мінімально більша за їх середню кінетичну енергію. Іншими словами, для рідин: Ф≠const; V=const; Е_п ≥ Е_к.

Факт того, що енергією взаємодії молекул рідини мінімально більша за їх енергію руху (Е_п  ≥  Е_к), по суті означає: 1) різні рідини мають суттєво різні фізичні властивості; 2)загальної теорії рідин, подібної до теорії газів не існує.

Поверхневий натяг рідини – це явище, суть якого полягає в тому, що поверхневий шар рідини веде себе як пружна плівка яка прагне до максимального скорочення.

Сила поверхневого натягу – це направлена вздовж поверхні рідини сила, яка є результуючою всієї сукупності тих міжмолекулярних взаємодій, що відбуваються в приповерхневому шарі рідини і яка протидіє збільшенню площі цього приповерхневого шару.

Позначається: F_пн

Визначальне рівняння: F_пн = σℓ, де σ – коефіцієнт поверхневого натягу рідини, ℓ – довжина тієї лінії поверхні на якій діє відповідна сила поверхневого натягу

Одиниця вимірювання: [F_пн] = Н.

Коефіцієнт поверхневого натягу рідини – це фізична величина, яка є силовою характеристикою 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 = F_пн/ℓ

Одиниця вимірювання: [σ] = Н/м,   (ньютон на метр).

Твердими називають такі речовинні об’єкти, які мають певну сталу форму та певний сталий об’єм, і в яких, середня потенціальна енергія молекул значно більша за їх середню кінетичну енергію. Іншими словами, для твердих речовин: Ф=const; V=const; Е_п ˃ Е_к. Все різноманіття хімічно простих твердих речовин можна розділити на дві групи: кристалічні та аморфні.

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.

Кристалічними називають такі тверді речовини, структурні одиниці яких розташовані в певному періодичному порядку. Результатом цього внутрішнього порядку є наступні властивості кристалів:

1. Всі хімічно однорідні кристалічні речовини, мають певну температуру плавлення (плавлення, сублімації чи хімічної руйнації).
2. Монокристали мають певну геометричну форму, яка певним чином відображає параметри відповідної кристалічної решітки.
3. Монокристали, анізотропні, тобто такі, фізичні властивості яких в різних напрямках суттєво різні.

Кристалічна решітка (гратка) – це спрощена (ідеалізована) модель внутрішнього устрою кристалічного тіла, в якій його структурні одиниці зображають у вигляді певних умовних символів (точок, кульок, тощо), а їх розташування характеризують відповідними, статистично усередненими значеннями.

Плавлення – це процес переходу речовини з кристалічного стану в рідкий, який відбувається при певній постійній температурі (температурі плавлення) та супроводжується поглинанням енергії.

Кристалізація – це процес переходу речовини з рідкого стану в кристалічний, який відбувається при певній постійній температурі (температурі плавлення) та супроводжується виділенням енергії.

Сублімація (узгін) – це процес безпосереднього переходу речовини з кристалічного стану в газоподібний, який супроводжується поглинанням енергії і інтенсивна стадія якого відбувається при певній постійній температурі (температурі сублімації).

За характером тих сил, що діють між частинками кристалу та за назвами цих частинок, розрізняють чотири види кристалічних структур:

Іонна структура – це така кристалічна структура, в вузлах якої знаходяться позитивні та негативні іони відповідної речовини, між якими діють сили іонного зв’язку. Іонний зв’язок – це такий електромагнітний зв’язок, який існує між позитивними та негативними іонами і основною складовою якого є сили електростатичної взаємодії. Іонну структуру мають ті кристалічні речовини які в хімії називаються солями (NaCℓ; CuSO_4; AgNO₃; …) та основами (NaOH; Cu(OH)₂; AgOH; …).

Атомна структура – це така кристалічна структура, в вузлах якої розташовані атоми відповідної речовини, між якими діють сили ковалентного зв’язку. 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 строго визначеною групою сусідніх атомів. Атомну структуру мають алмаз, корунд, граніт, пісок, коштовне та не коштовне каміння, тощо.

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

Молекулярна структура – це така кристалічна структура, в вузлах якої знаходяться молекули відповідної речовини, між якими діють сили дипольного або водневого зв’язку. Дипольний зв’язок – це такий електромагнітний зв’язок, з яким молекули-диполі 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. Молекулярну структуру має лід, нафталін, органічні сполуки та ті хімічно прості речовини, які за звичайних умов є рідкими або газоподібними.

Аморфними називають такі умовно тверді речовини, структурні одиниці яких, розташовані без певного періодично повторюваного порядку. Результатом відсутності цього внутрішнього  порядку є наступні зовнішні ознаки аморфних тіл:

1. Аморфні тіла не мають певної температури плавлення. Вони не плавляться, а розм’ягчуються, не кристалізуються, а тверднуть.
2. Аморфні тіла та будь які їх фрагменти не мають певної характерної форми.
3. Аморфні тіла ізотропні, тобто такі, фізичні властивості яких в усіх напрямках однакові.

Температурний коефіцієнт лінійного розширення – це фізична величина, яка характеризує теплове лінійне розширення твердого тіла (даного матеріалу) в певному інтервалі температур і яка чисельно дорівнює тому лінійному видовженню (∆ℓ) яке отримує тіло довжиною 1м при його нагріванні на 1ºС.

Позначається:  α

Визначальне рівняння: α = ∆ℓ/ℓ₀∆t

Одиниця вимірювання: [ℓ] = 1/ºС = ºС^–1.

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.

.

Теплові процеси.

Теплообмін – це такий самовільний незворотній процес, при якому теплова енергія передається від більш нагрітого тіла до менш нагрітого, або від більш нагрітої частини тіла до менш нагрітої і який не супроводжується виконанням механічної роботи.

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 тіла обмінюються тепловою енергією шляхом випромінювання та поглинання електромагнітних хвиль (фотонів електромагнітного випромінювання).

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

Позначається: U

Визначальне рівняння:  U = ∑Е_кі + ∑Е_пі

Одиниця вимірювання: [U] = Дж.

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

Позначається: Q

Визначальне рівняння:  Q = ∆U

Одиниця вимірювання: [Q] = Дж.

Кількість тієї теплоти що виділяється або поглинається при нагріванні-охолоджені, плавленні-кристалізації, пароутворенні-конденсації та горінні, можна визначити за однією із наступних формул:

.                     Q_н = c∙m∙ΔT

Q = ΔU         Q_пл = λ∙m

.                    Q_пар = r∙m

.                    Q_гор = q∙m

де c, λ, r, q – постійні для кожної речовини величини, значення яких визначається експериментально та записується у відповідну таблицю.

Питома теплоємність речовини – це фізична величина, яка характеризує теплові властивості даної речовини і яка показує скільки енергії потрібно витратити на те, щоб один кілограм відповідної речовини нагріти на один кельвін (на один градус Цельсія).

Позначається: с

Визначальне рівняння: с = Q_н/m∆T

Одиниця вимірювання: [с] = Дж/кг·К.

Питома теплота плавлення – це фізична величина, яка характеризує теплові властивості даної речовини і яка показує скільки енергії потрібно витратити на те, щоб розплавити один кілограм відповідної речовини, за умови що вона вже знаходиться при температурі плавлення.

Позначається:  λ

Визначальне рівняння:  λ = Q_пл/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 на те, щоб при певній постійній температурі (зазвичай при температурі кипіння) випарувати один кілограм відповідної речовини.

Позначається:  r

Визначальне рівняння:  r = Q_пар/m

Одиниця вимірювання: [r] = Дж/кг.

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

Позначається:  q

Визначальне рівняння: q = Q_гор/m

Одиниця вимірювання:  [q] = Дж/кг.

Нагрівання, це такий тепловий процес, який відбувається з поглинанням енергії, супроводжується підвищенням температури речовини і не супроводжується зміною її агрегатного стану. При нагріванні, надана речовині теплова енергія йде на збільшення кінетичної енергії її молекул, при цьому потенціальна енергія цих молекул залишається практично незмінною: Q → E_к↑; Е_п = 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 кінетичної енергії молекул речовини, при цьому потенціальна енергія цих молекул залишається практично незмінною: Q → E_к↓; Е_п = const.

Плавлення, це такий тепловий процес який відбувається з поглинанням енергії, супроводжується переходом речовини з твердого (кристалічного) стану в рідкий і не супроводжується зміною температури речовини. При плавленні, надана речовині теплова енергія йде на збільшення потенціальної енергії її молекул, при цьому кінетична енергія цих молекул залишається незмінною: Q_пл → E_п↑; Е_к = const.

Кристалізація, це такий тепловий процес який відбувається з виділенням енергії, супроводжується переходом речовини з рідкого стану в твердий (кристалічний) і не супроводжується зміною температури речовини. При кристалізації виділення енергії відбувається за рахунок зменшення потенціальної енергії молекул речовини, при цьому кінетична енергія цих молекул залишається незмінною: Q_кр ← E_п↓; Е_к = const.

Пароутворення, це такий тепловий процес, який відбувається з поглинанням енергії та супроводжується переходом речовини з рідкого стану в газоподібний. При пароутворенні, надана речовині теплова енергія йде на збільшення потенціальної енергії її молекул, при цьому кінетична енергія цих молекул залишається практично незмінною: Q_пар → E_п↑; Е_к = const.

Конденсація, це такий тепловий процес, який відбувається з виділенням енергії та супроводжується переходом речовини з газоподібного стану в рідкий. При конденсації виділення енергії відбувається за рахунок зменшення потенціальної енергії молекул речовини, при цьому кінетична енергія цих молекул залишається практично: Q_кр ← E_п↓; Е_к = const.

Горіння, це такий тепловий процес, який супроводжується певними хімічними реакціями та інтенсивним виділенням великої кількості теплової і певної кількості світлової енергії. В процесі горіння потенціальна енергія хімічних зв’язків, перетворюється на кінетичну енергію продуктів згорання: Е_п → Е_к.

Фотосинтез, це складний багатоступеневий фотохімічний процес, суть якого полягає в тому, що в клітинах рослин та деяких бактерій, під дією енергії сонячного світла, із води та вуглекислого газу синтезуються енергоємні молекули простих вуглеводнів, зокрема глюкози. В процесі фотосинтезу, кінетична енергія фотонів світла перетворюється на потенціальну енергію хімічних зв’язків продуктів фотосинтезу: Е_к → Е_п.

Рівняння теплового балансу – це закон, в якому стверджується: при теплообміні, загальна кількість теплоти втраченої одними тілами замкнутої (енерго ізольованої) системи, дорівнює загальній кількості теплоти отриманої іншими тілами цієї системи. Іншими словами: ∑Q_втр = ∑Q_отр .

.

Загальні основи термодинаміки.

Термодинаміка –– це розділ фізики, в якому вивчаються загальні властивості твердих, рідких і газоподібних речовин та ті теплові процеси які відбуваються з ними. Теоретичною основою термодинаміки є два твердження які називаються першим та другим началами термодинаміки. Методологічною основою термодинаміки є термодинамічний метод досліджень.

Термодинамічний метод досліджень, це такий метод наукових досліджень при якому поведінку і властивості складної системи описують на основі тих параметрів які характеризують цю систему в цілому та тих законів, які відображають взаємопов’язаність цих параметрів.

Перше начало термодинаміки – це закон, в якому стверджується: надана системі теплота (Q) частково йде на збільшення внутрішньої енергії системи (∆U), а частково, на виконання нею механічної роботи(А_мех), при цьому   Q = ∆U + A_мех.

Друге начало термодинаміки – це закон, в якому стверджується: неможливо здійснити такий тепловий процес при якому все надане системі тепло, повністю перетворилось би в механічну роботу. Не можливо тому, що Природа влаштована таким чином, що в ній енергія прядку (механічна робота) легко та повністю перетворюється в енергію безпорядку (теплоту), а от енергія безпорядку, якщо і перетворюється на енергію порядку, то лише за певних умов (примусово) і не повністю, тобто з певними енергетичними втратами.

Тепловий двигун – це прилад, який перетворює внутрішню енергію палива (теплоту) в механічну роботу. За способом перетворення теплоти в механічну роботу, та за характерними конструктивними ознаками, теплові двигуни поділяють на поршневі, турбінні та реактивні.

Принцип дії будь якого теплового двигуна полягає в наступному: 1. Нагрівник (джерело енергії) надає робочому тілу певну кількість теплоти (Q₁). 2. Робоче тіло, частину цієї теплоти перетворює на механічну роботу (А), а решту (Q₂= Q₁ – А) – передає холодильнику, яким по суті є навколишнє середовище.

.

Розділ 3.  Електродинаміка.

Електродинаміка – це розділ фізики, в якому вивчається все різноманіття електричних, магнітних та електромагнітних явищ. Теоретичною основою сучасної електродинаміки є чотири базові твердження (закони), які називаються рівняннями Максвела. В межах програми загальноосвітньої школи ці твердження спрощено формулюються на завершальних етапах вивчення електродинаміки. На початкових же етапах цього вивчення різноманіття електричних, магнітних та електромагнітних явищ пояснюють на базі тих тверджень які прийнято називати основними положеннями електронної будови речовини.

Основні положення електронної теорії будови речовини:

1. Речовини складаються з молекул.
2. Молекули складаються з атомів.
3. Атоми складаються з позитивно зарядженого ядра та негативно заряджених електронів, які обертаються навколо ядра.
4. Атом – частинка незаряджена (електронейтральна), тобто така в якій загальна кількість позитивних зарядів, в точності дорівнює загальній кількості зарядів негативних: ∑(+) = ∑(–).
5. Складові заряджені частинки атома (протони та електрони), є носіями елементарного, тобто найменшого, неподільного електричного заряду, величина якого 1,6∙10^{– 19} кулон: q(p) = +1,6∙10^–19Кл; q(e) = – 1,6∙10^–19Кл.

.

Тема 3.1. Електростатика.

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

Електричний заряд – це фізична величина, яка характеризує здатність тіла або частинки до електромагнітних взаємодій і яка дорівнює добутку величини елементарного електричного заряду (е = 1,6∙10^–19Кл) на загальну  кількість (N) тих нескомпенсованих елементарних зарядів що містяться в даному тілі.

Позначається:  q

Визначальне рівняння:  q = ±N∙e

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

Закон збереження електричного заряду – це закон, в якому стверджується: при будь яких процесах, що відбуваються в замкнутій (електроізольованій) системі, загальна кількість електричного заряду цієї системи залишається незмінною, тобто зберігається. Іншими словами:  ∑q_до = ∑q_після ,  або   ∑q = const.

Закон Кулона – це закон, в якому стверджується: два точкові електричні заряди q₁ і q₂ взаємодіють між собою (однойменні заряди відштовхуються,  різнойменні – притягуються) з силою, величина якої прямо пропорційна добутку взаємодіючих зарядів (q_1∙q₂) і обернено пропорційна квадрату відстані між ними (r²). Іншими словами:  F_ел = kq₁q₂/r², де  k =  k₀/ε, (k₀ = 9∙10⁹ Н∙м²/Кл² = const),  або   k = 1/4πε₀ε,   (ε₀ = 1/4πk₀ = 8,85∙10^–12 Кл²/Нм² = const).

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

Позначається: ε

Визначальне рівняння:  ε = F₀/F

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

Загальні відомості про електричні поля.

Матеріальними називають такі об’єкти, які реально існують і так чи інакше проявлять себе. Все різноманіття матеріальних об’єктів Природи можна розділити на дві базові групи: речовини та поля.

Речовинами називають такі матеріальні об’єкти, які складаються з тих чи інших частинок та мають масу спокою, а отже і відповідну кількість гравітаційних, інерціальних, енергетичних та інших властивостей.

Полями називають такі матеріальні об’єкти, які не складаються з певних частинок, не мають маси спокою і представляють собою певне силове збурення простору, основною властивістю якого є здатність певним чином діяти на певні матеріальні об’єкти.

Електричне (електростатичне) поле, це таке поле, тобто таке силове збурення простору,  яке створюється електричними зарядами і діє на електричні заряди. Основними кількісними характеристиками електричного поля є його напруженість та потенціал.

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

Позначається: Е

Визначальне рівняння: Е = F_ел/q_п

Одиниця вимірювання:  [Е] = Н/Кл, (ньютон на кулон)

Потенціал електричного поля – це фізична величина, яка є енергетичною характеристикою електричного поля і яка дорівнює відношенню тієї роботи що виконує поле переміщуючи пробний заряд з даної точки поля в безкінечність (тобто туди де прояви поля практично відсутні), до величини цього пробного заряду.

Позначається: φ

Визначальне рівняння: φ = А_1→∞/q_п

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

Оскільки на практиці, електричні заряди із даної точки (т.1) переміщують не в якусь невизначену «безкінечність», а в іншу цілком конкретну точку (т.2), то практичне значення має не сам потенціал поля в тій чи іншій точці, а різниця потенціалів між двома конкретними точками (∆φ = φ₁ – φ₂). Цю різницю потенціалів називають електричною напругою.

Електрична напруга (різниця потенціалів) – це фізична величина, яка характеризує різницю потенціалів між двома точками електричного поля і яка дорівнює відношенню тієї роботи що виконує електричне поле переміщуючи пробний заряд між цими точками, до величини пробного заряду.

Позначається: U

Визначальне рівняння: U = Δφ = A_1→2/q_п

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

Принцип суперпозиції електричних полів – це закон, в якому стверджується: електричні поля діють незалежно одне від одного (не заважаючи одне одному), при цьому напруженість результуючого електричного поля, дорівнює векторній сумі напруженостей кожного окремого поля системи. Іншими словами: Е_рез =Е₁+Е₂+…+Е_N   або Е_рез=∑Е_і   .

Лінії напруженості електричного поля – це такі умовні лінії, за допомогою яких зображуються електричні поля. Лінія напруженості електричного поля проводиться таким чином, що дотична до неї в будь якій точці співпадаю з напрямком результуючого вектора напруженості поля в цій точці.

Електричні (електростатичні) поля є потенціальними тобто такими, робота яких на замкнутій траєкторії дорівнює нулю (Аѻ=0).

Електрична ємність – це фізична величина, яка характеризує здатність провідника, або спеціального приладу, накопичувати електричні заряди (енергію електричного поля) і яка дорівнює відношенню величини того заряду, який накопичується на провіднику до величини тієї електричної напруги що призвела до цього накопичення.

Позначається: С

Визначальне рівняння: С = q/U

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

Конденсатор – це прилад, який дозволяє накопичувати, зберігати та корисно застосовувати енергію електричних зарядів (енергію електричного поля). Ємність конденсатора залежить від: площі взаємного перекриття обкладинок конденсатора (S); відстані між обкладинками (d); діелектричних властивостей  того середовища що знаходиться між обкладинками (εε₀). Цю залежність можна записати у вигляді  С = εε₀S/d. Заряджений до напруги U_м конденсатор ємністю С, є джерелом електричної енергії, кількість якої визначається за формулою W_ел=(CU_м²)/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
Електричнийзаряд Електричне поле, Лінії напруженості ел.  поля	Ел. заряд q = ±Ne   (Кл) Напруженість ел. поля Е = Fел/qп   (Н/Кл) Потенціал ел. поля φ = А1→∞/qп    (В) Ел. напруга U = Aел/q        (В) Ел.  ємність С = q/U           (Ф)	Закон збереження заряду ∑qдо = ∑qпісля Закон Кулона Fел = kq1q2/r2, де k=1/4πεε0 або Fел = Eq Принцип суперпозиції Ерез=∑Еі	Конденсатор .        С = q/U C .       C=εε0S/d Wел = CU2/2

.

Тема 3.2.  Електродинаміка постійних струмів.

Електричний струм – це процес упорядкованого руху заряджених частинок. Постійний струм – це такий електричний струм величина і напрям якого з плином часу залишаються незмінними.

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

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

Сила струму – це фізична величина, яка характеризує інтенсивність електричного струму і яка дорівнює відношенню величини того електричного заряду (∆q) що проходить через поперечний переріз провідника час ∆t до величини цього проміжку часу.

Позначається: I

Визначальне рівняння: I = ∆q/∆t   або    I = q/t

Одиниця вимірювання: [I] = A,   (ампер).

Густина струму – це фізична величина, яка характеризує густину електричного струму і яка дорівнює відношенню сили струму в провіднику до площі поперечного перерізу провідника.

Позначається: j

Визначальне рівняння: j = I/S

Одиниця вимірювання: [j] = A/м²,     (ом на метр квадратний).

Електрична напруга – це фізична величина, яка є енергетичною характеристикою певної ділянки електричного кола і яка дорівнює відношенню тієї роботи яку виконують електричні сили на відповідній ділянці кола, до величини перенесеного при цьому електричного заряду.

Позначається: U

Визначальне рівняння: U = А_ел/q

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

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

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

Позначається: R

Визначальне рівняння: R = U/I

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

Питомий опір провідника – це фізична величина, яка характеризує струмопровідні 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/ℓ

Одиниця вимірювання: [ρ] = Ом∙м,  (ом-метр).

Резистор – це прилад, який представляє собою провідник з певним наперед визначеним опором і який дозволяє регулювати силу струму на заданій ділянці електричного кола. Розрізняють два базові способи з’єднання резисторів: послідовне та паралельне.

При послідовному з’єднанні резисторів:

1. Сила струму на кожній ділянці послідовно з’єднаних резисторів (І₁; І₂; І₃; …І_n) та загальна сила струму відповідного кола (І_заг) є однаковими: I_заг = I₁ = I₂ =…= I_n.
2. Напруга (падіння напруги) на кожній послідовній ділянці кола може бути різною. При цьому загальна напруга кола дорівнює сумі падінь напруг на всіх його послідовних ділянках: U_заг = U₁ + U₂ +…+ U_n.
3. Електричний опір на кожній послідовній ділянці кола може бути різним. При цьому загальний опір кола дорівнює сумі електричних опорів на всіх його послідовних ділянках: R_заг = R₁ + R₂ +…+ R_n.

При паралельному з’єднанні резисторів (споживачів струму).

1. Сила струму на кожній паралельній ділянці кола може бути різною. При цьому загальна сила струму в колі, дорівнює сумі струмів на всіх паралельних ділянках відповідного кола: I_заг = I₁ + I₂ +…+ I_n.
2. Напруга на кожній паралельній ділянці кола та загальна напруга кола є однаковими: U_заг = U₁ = U₂ =…= U_n.
3. Електричний опір кожної паралельної ділянки кола може бути різним. При цьому загальний електричний опір кола та опори його паралельних ділянок, зв’язані співвідношенням 1/R_заг = 1/R₁ + 1/R₂ +…+ 1/R_n. Для системи двох паралельно з’єднаних резисторів R₁₂ = R₁∙R₂/(R₁+R₂).

Джерело струму – це прилад, в якому той чи інший вид неелектричної (не електростатичної) енергії, перетворюється в енергію електричного струму.

Існує велике різноманіття джерел струму, зокрема:

– хімічні джерела струму (гальванічні елементи, акумулятори): Е_хім → Е_ел;

– теплові джерела струму (термопари, МГД генератори): Q → Е_ел;

– фотоелектричні джерела струму (сонячні батареї): Е_св → Е_ел ;

– електромеханічні джерела струму (електростатичні генератори; індукційні генератори): А_мех → Е_ел.

ЕРС джерела струму – це фізична величина, яка є енергетичною характеристикою джерела струму і яка дорівнює відношенню тієї роботи яку виконують сторонні сили всередині джерела струму, переміщуючи заряд q між його полюсами, до величини перенесеного при цьому електричного заряду.

Позначається: ℰ

Визначальне рівняння: ℰ = А_ст/q

Одиниця вимірювання: ℰ = Дж/Кл = В,   (вольт).

Закон Ома для повного електричного кола, це закон в якому стверджується: сила струму в повному електричному колі, прямо пропорційна ЕРС того джерела струму яке включене в це коло і обернено пропорційна загальному опору відповідного кола. Іншими словами: I = ℰ/(R+r).

Перший закон Кірхгофа (правило вузлів) – це закон, в якому стверджується: сума струмів які входять в електричний вузол, дорівнює сумі струмів які виходять з цього вузла. Іншими словами: ∑I_вх = ∑I_вих .

Другий закон Кірхгофа (правило контурів) – це закон, в якому стверджується: в замкнутому електричному колі (контурі), сума падінь напруг на всіх послідовних ділянках цього кола, дорівнює е.р.с. того джерела струму яке включено в це коло. Іншими словами: ∑U_i = Ɛ.

Закон Джоуля–Лєнца – це закон, в якому стверджується: при проходженні електричного струму виділяється теплота, кількість якої (Q) пропорційна квадрату сили струму в провіднику (I²), опору провідника (R) та часу проходження струму(t). Іншими словами:  Q = I²Rt.

Базову 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
Електричний струм Провідник Електричне коло	Сила струму I=q/t          (A) Електрична напруга U=Aел/q      (В) Електричний опір R=U/q      (Ом) ЕРС джерела струму ℰ =Аст/q     (В) Робота струму Аел=U∙I∙t    (Дж) Потужність струму Рел=U∙I      (Вт)	Закон Ома: а) для ділянки кола    I=U/R, б) для повного кола   I=Ɛ/(R+r). Перший закон Кірхгофа: ∑Iвх=∑Iвих Другий закон Кірхгофа: ℰ=∑Ui Закон Джоуля- Лєнца: Q=I2Rt	Резистор .       R=U/I R .      R=ρℓ/S Послідовне: R12=R1+R2 Паралельне: R12=R1∙R2/(R1+R2) Джерело струму .       ℰ=Aст/q ℰ .        ℰ=Umax

.

Тема 3.3.  Електричний струм в різних середовищах.

Говорячи про електричний струм в тому чи іншому середовищі, потрібно відповісти на три базових запитання:

1. Які заряджені частинки є носіями струму в даному середовищі?
2. Який механізм появи цих частинок?
3. Як дане середовище застосовується в електротехніці?

Електричний струм в металах. 1) Носіями струму в металах є електрони (електрони провідності). 2) Їх поява обумовлена особливостями кристалічної структури металів, які полягають в тому, що атоми металів постійно обмінюються валентними електронами. При цьому, за відсутності зовнішнього електричного поля, рух цих колективізованих електронів є усереднено-хаотичним. За наявності ж такого поля, цей рух стає хаотично-упорядкованим. 3) Метали, це найкращі провідники струму і тому їх головне електротехнічне застосування – бути струмопровідними елементами приладів та їх систем.

Залежність електричного опору провідника від його температури, характеризує величина яка називається температурним коефіцієнтом опору. Температурний коефіцієнт опору – це фізична величина, яка характеризує залежність опору провідника від його температури і яка визначається за формулою α = (R_t–R₀)/R₀∆t, де R₀ – опір провідника при температурі t₀;

R_t – опір провідника при температурі t;

∆t = t – t₀ – різниця температур провідника.

Одиниця вимірювання: [α] = 1/ºС,  (одиниця на градус Цельсія).

Надпровідність – це явище, суть якого полягає в тому, що при певних наднизьких температурах, електричний опір металів різко падає до нуля і у відповідному інтервалі температур дорівнює нулю.

Електролітами називають ті рідини, які проводять електричний струм і в яких носіями струму є позитивні та негативні іони. До числа електролітів відносяться розчини і розплави солей, основ (лугів) та кислот. Тобто тих речовин, які в твердому стані мають яскраво виражену іонну структуру (солі та основи), або будучи рідинами, складаються з умовних молекул, фрагменти яких об’єднані таким сильно поляризованим ковалентним зв’язком, який фактично мало чим відрізняється від зв’язку іонного (кислоти).

Електричний струм в електролітах. 1) Носіями струму в електролітах є позитивні та негативні іони. 2) Їх поява обумовлена руйнацією іонної кристалічної структури під дією: а) розчинника; б) нагрівання. 3) Застосування електролізу: рафінування металів, гальваностегія, гальванопластика, хімічні джерела струму, тощо.

Електролітична дисоціація – це процес, при якому молекули та кристалічні структури під дією розчинника розпадаються на окремі іони.

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

Перший закон Фарадея – це закон, в якому стверджується: маса тієї речовини що виділяється на електроді при електролізі, прямопропорційна величині того заряду (q) що проходить через електроліт: ∆m=kq, де k – електрохімічний еквівалент речовини.

Електрохімічний еквівалент речовини – це фізична величина, яка характеризує електрохімічні властивості даної речовини і яка показує, скільки цієї речовини виділиться на електроді при електролізі, якщо через електоліт пройде заряд в один кулон.

Позначається: k

Визначальне рівняння: k=∆m/q , або (за умови І=const)  k=∆m/It

Одиниця вимірювання: [k] = кг/Кл,   (кілограм на кулон).

Другий закон Фарадея – це закон, в якому стверджується: електрохімічний еквівалент речовини прямопропорційний молярній масі (М) цієї речовини і обернено пропорційна валентності (n) її іонів:   k=M/Fn, де   F=96484,5 Кл/моль – постійна величина яка називається сталою Фарадея.

Рафінування металів – це технологія електролізного очищення метлів від домішок.

Гальваностегія – це технологія електролізного нанесення тонкого шару потрібного металу на вироби (хромування, нікелювання, цинкування, золочення, сріблення, тощо).

Гальванопластика – це технологія одержання копій виробів, шляхом електролізного нанесення шару металу на матрицю (відбиток) цього виробу.

Гальванічний елемент – це хімічне джерело струму, в якому енергія тих хімічних взаємодій, що відбуваються на межі метал – електроліт, незворотно  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.

Електричний струм в газах. 1) Носіями струму в газах є позитивні іони та електрони. 2) Їх поява обумовлена іонізацією газу. 3) Застосування: джерела іскрових розрядів; джерела світла; електрозварювання, тощо.

Іонізація газу – це такий процес при якому від молекули (атома) газу відривається один або декілька електронів. Розрізняють чотири основні види іонізації: теплова іонізація, фотоіонізація, радіаційна іонізація, ударна іонізація.

Рекомбінація іонів – це такий процес, при якому обособлені позитивні іони приєднують до себе вільні електрони і перетворюються на відповідні молекули (атоми).

Газовий розряд – це процес проходження електричного струму через газове середовище. До числа найбільш поширених та практично значимих самостійних газових розрядів відносяться іскровий, тліючий, дуговий та коронний.

Іскровий розряд, це такий короткотривалий самостійний газовий розряд, який відбувається при нормальному атмосферному тиску та надвисоких напруженостях електричного поля (р=1атм; Е=30 000В/см). Іскровий розряд характеризується високою густиною електричного струму, сильним та стрімким нагріванням струмопровідного каналу, яке спричиняє  стрімке розширення цього каналу 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≈0,01атм; 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=1атм; 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 тепловлю іонізацією та інтенсивним випаровуванням (еміссією) заряджених частинок з розжарених електродів.

Коронний розряд – це такий самостійний газовий розряд, який відбувається при нормальному атмосферному тиску та надвисоких місцевих напруженостях електричного поля, що виникають в місцях з яскраво вираженою неоднорідністю цього поля.

Самостійний газовий розряд – це такий розряд, який відбувається за відсутності стороннього іонізатора і в якому електричне поле не лише упорядковує рух носіїв струму, а й фактично є основним енергетичним джерелом цих носіїв.

Несамостійний газовий розряд – це такий розряд, при якому поява носіїв електричого струму обумовлена іонізуючою дією стороннього іонізатора. При цьому електричне поле лише упорядковує рух тих електричних зарядів які створює іонізатор.

Електричний струм у вакуумі. 1). Носіями струму у вакуумі є електрони. 2). Їх поява обумовлена термоелектронною або фотоєлектронною емісією. 3). До часла базових електровакуумних приладів та їх на тепер вже минулих застосувань відносяться: діод – випрямлячі струму; тріод – підсилювачі електричних сигналів; кінескоп – базовий елемент телевізора.

Термоелектронна емісія – це процес випромінювання електронів обумовлений нагріванням речовини.

Фотоелектронна емісія – це процес випромінювання електронів обумовлений дією на речовину світла.

Вакуумний  діод – це електронно-вакуумна лампа з двома електродами (анод і катод), яка має односторонню провідність.

Вакуумний  тріод – це електронно-вакуумна лампа з трьома електродами (анод, катод і керуюча сітка), яка дозволяє підсилювати електричні сигнали.

Кінескоп (електронно-променева трубка) – це електронно-вакуумна лампа, яка перетворює електричний сигнал у відповідне зображення.

Напівпровідниками називають такі речовини, питомий опір яких набагато більший ніж у металів, але набагато менший ніж у діелектриків і які мають наступні характерні особливості:

1) в процесі збільшення температури питомий опір напівпровідника швидко зменшується;

2) наявність домішок впливає не лише на величину питомого опору напівпровідника, а й на характер його електропровідності;

3) електропровідність напівпровідника не пов’язана з переносом речовини і по суті є результатом упорядкованого руху електронів.

Електричний струм в напівпровідниках. 1) Носіями струму в напівпровідниках є електрони та дірки. 2) Їх поява обумовлена особливостями кристалічної структури напівпровідників, а також активним впливом домішок, температури та освітлення. 3) Застосування: вся сучасна електроніка.

Діркою називають те місце в кристалічній структурі напівпровідника де відсутній повноцінний ковалентний зв’язок, тобто не вистачає валентного електрона. Струмопровідні властивості дірки, аналогічні властивостям вільної, позитивно зарядженої частинки.

Напівпровідник n-типу, це такий напівпровідник, в якому основними носіями струму є електрони.

Напівпровідник р-типу, це такий напівпровідник, в якому основними носіями струму є дірки.

р-n переходом (електронно-дірковим переходом) називають ту частину напівпровідника де електронна провідність змінюється на діркову або навпаки. Електричні властивості р-n переходу еквівалентні властивостям певного додаткового електричного опору, величина якого залежить від зовнішньої напруги та способу включення р-n переходу в електричне коло.

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 застосовують 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, виготовлених на базі цілісного напівпровідникового кристалу, і розташованих в певній функціонально визначеній послідовності.

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 на нього потрапляє.

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

.

Тема 3.4.  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.

Основні положення (твердження) теорії Ампера:

1. Джерелом магнетизму (джерелом магнітного поля) є електричний струм.
2. В кожному тілі існують внутрішні «молекулярні струми», які і надають цьому тілу відповідних магнітних властивостей.

Закон Ампера – це закон, в якому стверджується: Електричні струми взаємодіють між собою (співнаправлені струми притягуються, протинаправлені – відштовхуються), при цьому, з боку безкінечно довгого, прямолінійного провідника з стумом І₁ на достатньо малий фрагмент струму І₂ діє магнітна сила F_м, величина якої визначається за формулою F_м = kI₁I₂∆ℓsinα/r, де

І₁, І₂ – величини взаємодіючих струмів;

∆ℓ – довжина ділянки взаємодії струмів;

r – відстань між струми;

α – кут який характкризує взаємну орієнтацію струмів;

k – коефіцієнт пропорційності, величина якого залежить від властивостей того середовища в якому знаходяться взаємодіючі струми.

Для вакууму, величина коефіцієнту пропорційності в законі Ампера становить k = k₀ = 2∙10^–7Н/А². Це означає, що у вакуумі два паралельних (sinα=1) провідники з струмом по одному амперу кожний (І₁=І₂=1А), розташованих на відстані 1м (r=1м), на ділянці взаємодії 1м (Δℓ=1м), взаємодіють з силою F_м=2∙10^–7Н.

Залежність коефіцієнту k від магнітних властивостей того середовища в якому знаходяться взаємодіючі струми, прийнято записувати у вигляді k = μμ₀/2π, де μ₀ = 2πk₀ = 12,56∙10^–7H/A² – магнітна стала, μ=F/F₀ – магнітна проникливість середовища.

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

Позначається: μ

Визначальне рівняння: μ = F/F₀

Одиниця вимірювання:  [μ] = H/H = – , (безрозмірна величина, рази).

Магнітне поле – це таке силове збурення простору, яке створюється електричними струмами (зарядами що рухаються) і діє на електричні струми. Основними характеристиками магнітного поля є магнітна індукція (В) та магнітний потік (Ф).

Магнітна індукція (індукція магнітного поля) – це фізична величина, яка є силовою характеристикою магнітного поля і яка дорівнює скалярному відношенню тієї магнітної сили (F_м) що діє на пробний струм в даній точці поля, до добутку тих величин, які цей струм характеризують (І_п∆ℓsinα).

Позначається:  В

Визначальне рівняння: В = F_м/І_п∆ℓsinα

Одиниця вимірювання: [B] = H/A∙м = Тл,  (тесла).

Принцип суперпозиції магнітних полів – це закон, в якому стверджується: магнітні поля діють незалежно одне від одного (не заважаючи одне одному), і тому при їх накладанні магнітна індукція результуючого поля дорівнює векторній сумі індукцій кожного окремого поля системи, тобто В_рез = ∑В_і.

Лінії магнітної індукції, це такі умовні лінії, за допомогою яких зображають магнітні поля. Лінія магнітної індукції проводиться таким чином, що дотична до неї в будь якій точці поля, співпадає з напрямком результуючого вектора магнітної індукції в цій точці.

Розрізняють дві різновидності магнітної сили: сила Ампера та сила Лоренца.

Сила Ампера – це та магнітна сила з якою магнітне поле діє на певний фрагмент провідника з струмом, або на увесь провідник.

Позначається: F_А

Визначальне рівняння: F_А = ВІ∆ℓsinα, де

В – індукція магнітного поля;

І – сила струму в провіднику;

∆ℓ – довжина провідника;

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

Одиниця вимірювання: [F_А] = H.

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

Позначається: F_Л

Визначальне рівняння: F_Л = Bq₀vsinα, де

В – індукція магнітного поля,

q₀ – заряд частинки,

v – швидкість руху частинки,

α – кут між напрямком вектора магнітної індукції та напрямком того струму що характеризує рух зарядженої частинки: α= < (В та І).

Одиниця вимірювання: [F_Л] = Н.

Правило лівої руки, це правило за яким визначають напрям сили Ампера та сили Лоренца і в якому стверджується: якщо розкриту долоню лівої руки розташувати так, щоб лінії магнітної індукції (лінії вектора В) входили в долоню, а чотири пальці вказували напрям струму в провіднику, то відігнутий великий палець руки вкаже напрям сили Ампера (сили Лоренца).

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 постійного електричного струму в механічну роботу. Будова: індуктор (магніт або електромагніт); якір (струмопровідні котушки намотані на феромагнітне осердя); колектор. Принцип дії: 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. Будова: 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.

Магнітний потік – це фізична величина, яка характеризує загальний потік індукції магнітного поля через задану поверхню площею S і яка дорівнює цьому потоку.

Позначається: Ф

Визначальне рівняння: Ф = ВScosβ, де S – площа тієї поверхні яку пронизує магнітна індукція В; β – кут між напрямком вектора В та перпендикуляром (нормаллю n_s) до поверхні S: β =< (B, n_s)

Одиниця вимірювання: [Ф] = Тл∙м² = Вб,  (вебер).

Індуктивність – це фізична величина, яка характеризує здатність струмопровідного контура створювати магнітні потоки і яка дорівнює відношенню того магнітного потоку який створює даний контур, до величини того струму що призвів до появи цього потоку.

Позначається: L

Визначальне рівняння:  L = Ф/І

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

Котушка індуктивності – це прилад, який дозволяє створювати зосереджені в певному, відносно невеликому фрагменті простору відносно потужні магнітні потоки (накопичувати та використовувати енергію магнітного поля).

Величина тієї енергії яка зосереджена в магнітному полі котушки з струмом, визначається за формулою  W_маг=LI²/2, де L – індуктивність котушки, І – сила струму в ній.

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.

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

Основні поняття	Основні величини	Основні закони	Основні прилади
Електричний струм Магнітне поле; Лінії індукції магнітного поля	Сила струму I = q/t    (A) Магнітна індукція В = Fм/І∆ℓsinα (Тл) Магнітний потік Ф = ВScosβ  (Вб) Індуктивність L = Ф/І    (Гн)	Закон Ампера Fм=kI1I2∆ℓsinα/r де k=μμ0/2π або Fм=ВІ∆ℓsinα Принцип суперпозиції Врез=∑Ві	Котушка індуктивності .       L = Ф/І L .       L = μμ0N2S/ℓ Wмаг= LI2/2

.

Тема 3.5.  Електромагнітна індукція.

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

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 ЕРС індукції (ЕРС → напруга → струм), величина якої пропорційна числу витків в контурі (N) та швидкості зміни магнітного потоку (ΔФ/Δt). Іншими словами:

якщо Ф=ВScosβ=ƒ(t) то індуцирується ℰ_ін = –N(ΔФ/Δt) → U_ін = ℰ_ін → І_ін = U_ін/R.

Правило Лєнца (закон Лєнца) – це закон (правило), в якому стверджується: індукційний струм має такий напрямок при якому своєю магнітною дією завжди протидіє причині появі цього струму, тобто протидіє зміні магнітного потоку.

Індукційний генератор – це прилад, в якому явище електромагнітної індукції застосовується для перетворення механічної роботи в енергію електричного струму. Індукційний генератор представляє собою сукупність трьох базових елементів: постійний магніт (індуктор), струмопровідна рамка (якір), механізм обертання рамки. Принцип дії цієї системи полягає в наступному. Постійний магніт, створює постійне магнітне поле, в якому знаходиться струмопровідна рамка. В процесі примусового обертання рамки, магнітний потік що її пронизує, постійно змінюється. При цьому в рамці, згідно з законом електромагнітної індукції, виникає індукційна ЕРС, яка створює на краях рамки відповідну електричну напругу, яка в свою чергу (за умови замкнутості зовнішнього електричного кола) створює відповідний електричний струм. Іншими словами, в індукційному генераторі реалізується ситуація: В = const, S = const, β = ƒ(t). При цьому  Ф = ВScosβ =ƒ(t) і тому в рамці генератора індуцирується  ℰ_ін = – N(ΔФ/Δt) → U_ін = ℰ_ін → І_ін = U_ін/R.

Трансформатор – це прилад, який трансформує (змінює) напругу в колі змінного струму. Трансформатор представляє собою сукупність трьох взаємопов’язаних деталей: двох електроізольованих котушок індуктивності (обмоток трансформатора) об’єднаних замкнутим феромагнітним осердям (магнітопроводом). 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 вторинну напругу u₂, величина якої залежить від числа витків у вторинній котушці (N₂): u₂ = –N₂(dФ₁/dt). А це означає, що змінюючи число витків у вторинній котушці трансформатора, можна отримувати практично будь яку напругу.

Коефіцієнт трансформації, це фізична величина, яка показує у скільки разів ефективне значення вихідної напруги трансформатора (U₂) більше за ефективне значення його вхідної напруги (U₁), за умови, що величини цих напруг виміряні в режимі холостого ходу.

Позначається: k

Визначальне рівняння: k = U₂/U₁

Одиниця вимірювання: [k] = – ,  (безрозмірна величина, рази).

Електродвигун змінного струму – це прилад, в якому явище електромагнітної індукції застосовується для перетворення енергії змінного струму в механічну роботу. Електродвигун змінного струму складається з двох базових частин: індуктора та якоря. При цьому індуктор, представляє собою сукупність пустотілого циліндричного феромагнітного осердя та системи струмопровідних обмоток. Якорем двигуна змінного струму в найпростішому випадку може бути суцільний залізний циліндр, який має вісь обертання і знаходиться в середині індуктору. Принцип дії двигуна змінного струму полягає в наступному. Змінний електричний струм, протікаючи обмотками індуктора, створює в середині цього індуктора обертальне магнітне поле. При цьому, в тілі якоря, згідно з законом електромагнітної індукції, виникає індукційний струм, який своєю магнітною дією змушує якір обертатись в напрямку обертання магнітного поля.

Струми Фуко (вихрові індукційні струми) – це замкнуті (вихрові) індукційні струми, які виникають в суцільних струмопровідних тілах, що знаходяться в змінних магнітних полях.

Самоіндукція – це явище, суть якого полягає в тому, що наявний в провіднику змінний електричний струм та йому відповідний змінний магнітний потік, згідно з законом електромагнітної індукції, створюють в тому ж провіднику відповідний індукційний струм (струм самоіндукції).

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

.

Тема 3.6.  Електродинаміка змінних струмів.

Змінний струм – це такий електричний струм, величина і напрям якого змінюються за гармонічним законом, тобто за законом i = I_мsin2πνt, де і – миттєве значення струму, тобто його значення в момент часу t; І_м – амплітудне (максимальне) значення струму; ν – частота струму.

Ефективне (діюче) значення змінного струму, це така умовна сила 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 струму І_еф є однаковими. Можна довести, що І_еф = І_м/√2 = 0,71∙І_м, або  І_м = І_еф√2 = 1,41∙І_еф.

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 (ρ), його довжини (ℓ) та площі поперечного перерізу (S).

Позначається: R_A

Визначальне рівняння: R_A = ρℓ/S

Одиниця вимірювання: [R_A] = Ом.

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

Позначається:  R_C

Визначальне рівняння: R_C = 1/2πνC

Одиниця вимірювання: [R_C] = Ом.

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

Позначається:  R_L

Визначальне рівняння:  R_L = 2πνL

Одиниця вимірювання:  [R_L] = Ом.

Таким чином, існує три різновидності електричного опору: активний, індуктивний та ємнісний:

.                   R_A=ρℓ/S

R=U/I          R_L=2πνL

.                   R_C=1/2πνC

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 цих коливань визначаються за формулою  T = 2π√LC.

Генератор високочастотних електромагнітних коливань (генератор високочастотних коливань ГВЧ) – це прилад, який представляє собою певну автоколивальну систему, в якій енергія постійного джерела струму перетворюється на енергію високочастотних незгасаючих електромагнітних коливань (високочастотного струму).

Резонанс – це явище, суть якого полягає в тому, що при співпадінні частоти зовнішніх енергетичних поштовхів (ν_зовн) з власною частотою коливальної системи (ν_к.с.), відбувається розгойдування цієї системи (резонансне підсилення  коливань в ній). Іншими словами: якщо  ν_зовн= ν_к.с, то резонанс  (підсилення  коливань, розгойдування коливальної системи).

Трифазна система змінного струму – це така система трьох взаємопов’язаних електричних кіл, коливання напруги в яких зсунуті одне відносно одного на третину періоду, тобто на 120º (на 2π/3 радіан).

.

         Тема 3.7.  Основи теорії електромагнітного поля.

Концепція далекодії – це така система поглядів на гравітаційні, електричні та магнітні взаємодії, у відповідності з якою, ці взаємодії відбуваються без будь якого матеріального посередника.

Концепція близькодії – це така система поглядів на гравітаційні, електричні та магнітні взаємодії, у відповідності з якою, ці взаємодії відбуваються через певний матеріальний посередник (через відповідне силове поле).

В 1863 році, керуючись ідеями Фарадея про існування електричних і магнітних полів, та узагальнюючи всю сукупність відомих на той час знань про електричні, магнітні та електромагнітні явища (закон збереження заряду, закон Кулона, закон Ампера, закон електромагнітної індукції), Джеймс Максвел створює теорію електромагнітного поля (теорію Максвела). В основі цієї теорії лежать чотири базові твердження.

Основні твердження теорії Максвела (рівняння Максвела):

1. Електричні заряди створюють в навколишньому просторі потенціальні електричні (електростатичні) поля, параметри яких залежать від величини того заряду що створює поле: Е = ƒ(q).
2. Заряди що рухаються (електричні струми), створюють в навколишньому просторі вихрові магнітні поля, параметри яких, залежать як від величини відповідного заряду так і від швидкості його руху: В = ƒ(q,v).
3. Змінні магнітні поля створюють в навколишньому просторі вихрові непотенціальні електричні (електродинамічні) поля, параметри яких залежать від швидкості зміни первинного магнітного поля: Е = ƒ(dB/dt).
4. Змінні електричні поля створюють в навколишньому просторі вихрові магнітні поля, параметри яких залежать від швидкості зміни первинного електричного поля: В = ƒ(dE/dt).

Основні передбачення теорії Максвела:

1. В Природі не існує окремих електричних і окремих магнітних полів. В Природі існує єдине електромагнітне поле.
2. Будь які коливання (будь які зміни швидкості руху) електричних зарядів, струмів чи магнітів, створюють певне енергетичне збурення електромагнітного поля, яке поширюється в просторі у вигляді відповідної електромагнітної хвилі.

Електромагнітна хвиля, це таке енергетичне збурення електромагнітного поля, яке з певною швидкістю поширюється цим полем і яке характеризується періодичними коливаннями взаємопов’язаних векторів електричної напруженості Е та магнітної індукції В цього поля.

3. У вакуумі, електромагнітні хвилі розповсюджуються з швидкістю 3·10⁸м/с і величина цієї швидкості за будь яких обставин залишається незмінною.
4. На межі двох різних середовищ, електромагнітні хвилі можуть як відбиватись так і заломлюватись. При цьому закони відбивання та заломлення електромагнітних хвиль є аналогічними законам відбивання та заломлення світла.
5. Електромагнітні хвилі створюють певний силовий тиск на перешкоди.
6. Електромагнітні хвилі, це хвилі поперечні.
7. Світло є однією з різновидностей електромагнітних хвиль.

Система радіозв’язку – це сукупність взаємопов’язаних радіопередавальних та радіоприймальних приладів, яка забезпечує 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 (потрібної радіостанції), перетворює енергію цих хвиль у відповідний високочастотний струм, виділяє зашифровану в цьому струмі інформаційну складову та перетворює її у відповідну інформацію.

Система радіолокації – це сукупність радіотехнічних засобів, яка дозволяє визначати розташування та параметри руху стороннього, віддаленого об’єкту, шляхом його опромінювання імпульсами високочастотних електромагнітних хвиль.

Система радіонавігації – це сукупність радіотехнічних засобів, яка дозволяє визначати координати та параметри руху даного тіла (приладу) на основі обміну електромагнітними імпульсами з елементами цієї системи.

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

Основні поняття	Основні величини	Основні закони	Основні прилади
Електромагнітне поле Електромагнітна хвиля	Напруженість електричного поля Е = Fел/q Індукція магнітного поля В = Fм/І∆ℓsinα Магнітний потік Ф = ВScosβ	Закон електро- магнітної індукції Ф=ƒ(t) → Ɛін = –N(ΔФ/Δt) Рівняння змінного струму i = Iмsin2πνt Рівняння Максвела q → E = ƒ(q) q,v → B = ƒ(q,v) B=ƒ(t)→E=ƒ(ΔB/Δt) E=ƒ(t)→B=ƒ(ΔE/Δt)	Коливальний контур CU2/2 ↔  LI2/2 Т=2π√(LC)

.

Розділ 4.  Оптика.

Оптика (від грец. optos – видимий) – це розділ фізики в якому вивчається все різноманіття тих явищ які пов’язані з випромінюванням, поширенням та різноманітними проявами світла. Іншими словами, оптика – це наука про світло.

Природа влаштована таким дивним чином, що її найпростіші об’єкти є найскладнішими. Найскладнішими в тому сенсі, що надзвичайно складно, а іноді й просто неможливо, наочно пояснити на що схожі ці об’єкти. Одним з таких елементарно простих і в той же час надскладних об’єктів є світло. Достатньо сказати, що в різних розділах оптики на питання, що таке світло, відповідають по різному, зокрема:

В геометричній оптиці обгрунтовано стверджується, що світло – це потік світлових променів. В хвильовій оптиці, не менш обгрунтовано наполягається на тому, що світло – це потік світлових (електромагнітних) хвиль. В квантовій оптиці, обгрунтовано доводиться, що світло – це потік світлових частинок (фотонів). А фотометрія наполягає на тому, що світло – це потік світлової енергії.  Іншими словами:

.                   потік світлових променів

світло         потік світлової енергії

.                   потік світлових хвиль

.                   потік світлових частинок

При цьому, кожне з цих тверджень в тій чи іншій мірі правильне і в тій чи іншій мірі неповне.

.

Тема 4.1.   Хвильова оптика.

Хвильова оптика – це розділ оптики, в якому світло представляють як потік світлових (електромагнітних) хвиль і в якому вивчають та пояснюють ті явища які підтверджують даний факт.

Загальні відомості про хвилі.

Хвилею називають процес поширення збурення матеріального середовища (речовини або поля), який супроводжується переносом енергії, але не супроводжується переносом самого середовища (частинки середовища або параметри поля, лише здійснюють певні гармонічні коливання).

Зазвичай хвилі поділяються на пружні та електромагнітні, а також на поздовжні, поперечні та поздовжньо–поперечні.

Пружними (або механічними) називають такі хвилі, які поширюються в пружному середовищі і які представляють собою взаємопов’язані коливання частинок цього середовища.

Електромагнітними називають такі хвилі, які поширюються в електромагнітному полі і які представляють собою взаємопов’язані та взаємообумовлені коливання параметрів цього поля (електричної напруженості Е та магнітної індукції В поля). Різновидностями електромагнітних хвиль є радіохвилі, видиме світло, інфрачервоне, ультрафіолетове, рентгенівське та гамма випромінювання. Електромагнітні хвилі є поперечними, тобто такими в яких коливання параметрів поля відбуваються в площині що є перпендикулярною (поперечною) до напрямку поширення хвилі.

На відміну від коливань, хвилі характеризуються подвійною періодичністю. Адже з одного боку, кожна частинка хвилі здійснює певні гармонічні коливання, параметри яких можна охарактеризувати відповідним набором фізичних величин: період коливань (Т = t/n), частота коливань (ν = n/t), амплітуда коливань (х_м), фаза коливань (φ = 2πνt ± φ₀). З іншого ж боку, взаємопов’язані частинки хвилі, або взаємопов’язані параметри поля, мають певне просторове розташування, яке періодично повторюється. Характеризуючи цю просторову повторюваність говорять про довжину хвилі.

Довжина хвилі – це фізична величина, яка характеризує просторову періодичність (повторюваність) хвильового процесу і яка дорівнює тій відстані на яку поширюється хвильове збурення за той проміжок часу що дорівнює періоду коливань частинок (параметрів поля) даної хвилі.

Позначається: λ

Визначальне рівняння: λ = v∙T, де  v – швидкість поширення хвилі;  Т – період її коливань.

Одиниця вимірювання: [λ] = м,   (метр).

В процесі поширення та взаємодії хвилі підпорядковуються закону, який прийнято називати принципом суперпозиції хвиль. Принцип суперпозиції хвиль – це закон в якому стверджується: хвилі поширюються незалежно одна від одної, тобто таким чином що при їх взаємодії, індивідуальні властивості та параметри кожної хвилі зберігаються. При цьому, результуюча дія системи багатьох хвиль, визначається як сума відповідних дій кожної окремої хвилі.

.

Видиме світло – це потік електромагнітних хвиль, які викликають у людини зорові відчуття і довжини яких знаходяться в межах від 380нм до 760нм. При цьому кожній довжині хвилі видимого світла відповідає певний колір зорових відчуттів людини. Спектр цих кольорів умовно розділяють на сім основних кольорів: червоний, оранжевий, жовтий, зелений, голубий, синій, фіолетовий.

До числа тих явищ, які безумовно вказують на хвильові властивості світла відносяться інтерференція, дифракція та поляризація світла.       

Інтерференція світла – це явище, суть якого полягає в тому, що при накладанні когерентних світлових хвиль, спостерігається стійка кольорова картинка, яка є результатом того, що підсилення хвиль в одних місцях, певним чином чергується з їх послабленням в інших місцях.

Когерентними (узгодженими) називають такі хвилі, які мають однакові параметри періодичності (Т, ν, λ), однакову площину коливань та незмінну різницю фаз.

Оскільки звичайне природне світло є результатом інтенсивного теплового, а отже хаотичного руху заряджених частинок, то відповідні електромагнітні хвилі є некогерентни (неузгодженими). А це означає, що при накладанні тих хвиль які випромінюються різними природними джерелами світла, кольорова інтерференційна картинка не спостерігається. Таку картинку можна спостерігати в тих випадках коли накладаються (інтерферують) світлові хвилі від одного і того ж джерела. Прикладом природної інтерференційної картинки є кольорове забарвлення мильних бульбашок та бензинових чи масляних плям. В цих випадках, ті світлові хвилі які відбиваються від зовнішньої і внутрішньої поверхні тонкої плівки, є когерентними (узгодженими), а отже такими накладання яких створює відповідну кольорову інтерференційну картинку.

Інтерферометр це прилад, який з надзвичайно високою точністю вимірює довжину і принцип дії якого базується на кількісному аналізі тієї інтерференційної картинки яка певним чином пов’язана з предметом вимірювань.

Дифракція хвиль – це явище, суть якого полягає в тому, що в процесі поширення, хвилі поступово заходять в область геометричної тіні тієї перешкоди що зустрічається на їх шляху (огинають перешкоди). Одним з проявів дифракції світлових хвиль є факт того, що ті перешкоди (щілини, подряпини, тощо) лінійні розміри яких співрозмірні з довжиною світлової хвилі (λ~5∙10^–7м), в потоці світла стають джерелами відповідних когерентних (узгоджених) хвиль.

Дифракційна гратка (решітка) – це прилад, який дозволяє отримувати потоки когерентних світлових хвиль і який представляє собою систему періодично розташованих паралельних, надзвичайно вузьких прозорих та непрозорих, або дзеркальних та дифузійних смужок. 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 поляризація світла.

Поляризація світла – це  явище, суть якого полягає в тому, що  при проходженні неполяризованого світла через деякі речовини, або при відбивання від них, це світло стає поляризованим. Неполяризованим (природнім) називають таке світло, в якому коливання векторів Е і В  відбуваються у всіх можливих площинах. Поляризованим називають таке світло, в якому коливання векторів Е і В відбуваються в певній, строго визначеній площині (площині поляризації).

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 за певних умов, те світло яке проходить через оптично прозоре середовище (зокрема через скляну призму) 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 загальним виглядом спектральної картинки, спектри поділяються на суцільні, лінійчаті та смугасті (складні лінійчаті).

Суцільним спектром називають такий спектр, який представляє собою суцільну спектральну картинку, що складається з усіх спектральних кольорів видимого світла і якій відповідає повний набір електормагнітних хвиль з діапазону від 380нм до 760нм. Суцільний спектр є результатом інтенсивного теплового (хаотичного) руху частинок речовини.

Лінійчатим спектром називають такий спектр, який представляє собою певний набір тонких спектральних ліній. Лінійчатий спектр є відображенням тих упорядкованих процесів які відбуваються в енергетично збуджених атомах речовини. При цьому, кожна різновидність атомів, дає свій неповторний лінійчатий спектр.

Смугастим (складним лінійчатим) спектром називають такий спектр, який представляє собою певний набір відносно широких спектральних смужок, кожна з яких в свою чегу, складається з великої кількості тонких, близько розташованих спектральних ліній. Іншими словами, смугастий спектр – це складна різновидність лінійчатого спектру. Смугастий спектр є відображенням тих упорядкованих процесів які відбуваються в енергетично збуджених молекулах речовини. При цьому, кожна різновидність молекул, дає свій неповторний смугастий (складний лінійчатий) спектр.

Крім цього, спектри поділяються на спектри випромінювання  та спектри поглинання. Спектром випромінювання називають той спектр, який характеризує параметри того світла, що  випромінюється відповідним об’єктом. Спектром  поглинання називають той спектр, який характеризує параметри того світла, яке поглинається відповідним об’єктом.

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 кожна 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.

Прикладом природного прояву дисперсії світла є веселка. Веселка (райдуга) – це атмосферне оптичне явище, суть якого полягає в тому, що сонячне світло заломлюючись та відбиваючись в краплинках неперервного потоку дощу, дисперсійно розкладається на його складові кольори і утворює відповідну кольорову дугу.

.

        Тема 4.2.    Квантова оптика.

Квантова оптика – це розділ оптики, в якому світло представляють як потік світлових частинок (фотонів), та вивчають ті явища які підтверджують цей факт.

Фотон – це елементарна частинка, яка представляє собою неподільний квант електромагнітного випромінювання (світла), та має наступний набір властивостей

1. Фотон – частинка незаряджена (q=0) з нулевою масою спокою (m₀=0).
2. 2. За будь яких обставин і в будь якому середовищі, фотони рухаються з швидкістю с = 3,0·10⁸м/с = const.
3. Фотон має енергію, величина якої визначається за формулою Е = hc/λ,  де  h = 6,63·10^–34Дж·с – стала Планка;  с = 3·10⁸м/с – швидкість фотона;  λ – довжина хвилі фотона.
4. Фотон має масу, величина якої визначається за формулою m = E/c² = h/cλ.
5. Фотон має імпульс, величина якого визначається за формулою р = mc = h/λ.

До числа тих явищ які безумовно вказують на те, що світло це потік певних частинок (фотонів), відносяться: зовнішній фотоефект, внутрішній фотоефект, фотоіонізація газу, фотохімічні реакції, фотосинтез, люмінесценція.

Зовнішній фотоефект (фотоефект) – це явище, суть якого полягає в тому, що при взаємодії світла з речовиною (зазвичай з металами), енергія фотонів дискретним чином передається електронам речовини. При цьому відповідні електрони вилітають за межі речовини.

Рівнянням 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, при цьому виконується співвідношення  hc/λ = A_в + m_ev_м²/2.

Червоною межею фотоефекту (позначається λ_гр) називають ту гранично велику довжину хвилі, при якій ще відбувається зовнішній фотоефект і при якій виконується співвідношення hc/λ_гр = А_в.

Внутрішній фотоефект – це явище, суть якого полягає в тому що при взаємодії світла з речовиною (зазвичай з напівпровідниками), енергія фотонів дискретним чином передається електронам речовини. При цьому відповідні електрони відриваються від своїх атомів, але не вилітають за межі речовини.

Фотоіонізація газу – це явище, суть якого полягає в тому, що при взаємодії світла з обособленими молекулами (атомами) газу, енергія фотонів дискретним чином передається електронам цих молекул. При цьому молекули газу іонізуються.

Фотохімічні реакції – це такі хімічні реакції, які відбуваються за активної участі видимого або ультрафіолетового світла, і при яких поглинання одного світлового фотона спричиняє один акт відповідної реакції.

Фотосинтез – це сукупність складних фотохімічних процесів які відбуваються в клітинах рослин та фотосинтезуючих бактерій. Узагальнюючий результат цих процесів, можна представити у вигляді наступної формули: 6Н₂О + 6СО₂ + n(hc/λ) → C₆H₁₂O₆ + 6O₂, де n – кількість світлових фотонів, необхідних для здійснення повного циклу реакцій (в залежності від умов фотосинтезу, ця кількість може становити від 48 до 72 фотонів).

Люмінесценція (від лат. luminescent – слабке світло) – це таке випромінювання, яке відбувається за рахунок будь якого виду енергії окрім теплової і яке не є результатом відбивання, заломлення чи розсіювання іншого світла.

Люмінесцентне випромінювання характеризується трьома визначальними ознаками: 1) це випромінювання не є тепловим; 2) це випромінювання має певне післясвітіння; 3) це випромінювання має лінійчатий спектр.

В залежності від виду тієї енергії, яка перетворюється в енергію люмінесцентного випромінювання  виділяють наступні різновидності люмінесценції:

Фотолюмінесценція – це таке люмінесцентне випромінювання яке обумовлено дією стороннього (первинного) джерела світла оптичного діапазону (інфрачервоне, видиме та ультрафіолетове випромінювання). Прикладами фотолюмінесценції є світіння тих речовин якими покриті внутрішні поверхні ламп денного світла, світіння світло відбивні фарб, тканин, тощо.

Радіолюмінесценція – це таке люмінесцентне випромінювання яке обумовлено дією тих чи інших швидких частинок (електронів, α-частинок, γ-квантів, тощо). Наприклад в кінескопах телевізорів потік швидких електронів трансформується у відповідне зображення. Прикладом радіолюмінісценції є полярне сяйво.

Електролюмінесценція – це  те люмінесцентне випромінювання яке обумовлено дією зовнішнього електричного поля. Наприклад те випромінювання яке створюють розріджені гази при тліючому розряді, є електролюмінісцентним. Електролюмінісцентним є і те випромінювання яке створюють сучасні світлодіоди, сучасні напівпровідникові екрани, індикатори, тощо.

Хемілюмінесценція – це те люмінесцентне випромінювання яке обумовлено тими чи іншими хімічними реакціями. Наприклад фосфор, а точніше та його різновидність яка називається білим фосфором, хімічно взаємодіє з киснем повітря: 4Р + 5О₂ → 2Р₂О₅. При цьому, одним з продуктів такої взаємодії є випромінювання світлових фотонів.

Біолюмінесценція – це те люмінесцентне випромінювання яке обумовлено тими процесами що відбуваються в біологічних структурах. Прояви біолюмінесценції є надзвичайно різноманітними. Скажімо, відомо понад дві тисячі видів люмінісцируючих комах, величезна кількість люмінісцируючих бактерій, молюсків, риб, водоростей, грибів, тощо.

Триболюмінесценція – це таке люмінесцентне випромінювання яке обумовлено перетворенням частини механічної енергії в енергію світла. Наприклад, певні прояви триболюмінесценції можна спостерігати при механічній руйнації кристалів цукру.

Оптичний квантовий генератор (лазер) – це прилад, який є джерелом монохроматичного, когерентного, поляризованого, 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 на ті об’єкти які зустрічаються на його шляху.

.

Розділ 5.  Фізика атома та атомного ядра.

Слово атом в буквальному перекладі означає (грец. atomos – неподільний). Власне неподільними атоми вважалися до початку 20-століття.

В 1897 було відкрито першу елементарну частинку – електрон (m₀ = 9,1·10^–31кг; q₀ = e = –1,6·10^–19Кл). А це означало, що атоми речовини мають певний внутрішній устрій. Визначаючи цей устрій, вчені враховували наступні відомі факти:

1. Атоми – частинки електронейтральні, однак такі, що за певних умов можуть перетворюватись на позитивно чи негативно заряджені 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.

В 1911 році англійський фізик Резерфорд, на основі аналізу багаторічних експериментальних досліджень робить висновок: атом представляє собою електромеханічну систему, в центрі якої знаходиться масивне, позитивно заряджене ядро, навколо якого обертається певна кількість електронів (планетарна модель  атома).

Планетарна модель атома мала той недолік, що не могла пояснити факт стабільності атома та механізм випромінювання ним лінійчатого спектру. Вихід із цієї кризової ситуації запропонував в 1913 році данський фізик Бор. В основі його теорії лежать три твердження, які прийнято називати постулатами Бора.

Постулати Бора: 1. В атомі, електрони можуть знаходитись лише на певних, енергетично дозволених рівнях. 2. Перебуваючи на енергетично дозволеному рівні, електрон не випромінює світло. 3. При поглинанні зовнішньої енергії, електрон переходить на більш високий енергетичний рівень, а при падінні з цього рівня – випромінює відповідний квант світлової енергії.

В загальних рисах теорія Бора була правильною. Однак кількісні передбачення цієї теорії в точності справджувалися лише для атомів водню. Сучасні ж уявлення про загальний устрій та «принцип дії» атома визначаються законами квантової механіки, які були сформульовані в 20-х роках минулого століття і вивчення яких виходить за межі програми загальноосвітньої школи.

Узагальнюючи історію наукових поглядів на загальний устрій атома, можна виділити наступні базові віхи: 1) З античних часів і до 1897 року, атоми вважались елементарними, тобто такими які не мають певного внутрішнього устрою і не складаються з більш простих частинок. 2) В 1897 році було відкрито першу дійсно елементарну частинку – електрон. А це означало, що атом має певний внутрішній устрій. 3) В 1911 році Резерфорд експериментально встановив, що в центрі атома знаходиться масивне, позитивно заряджене ядро, навколо якого обертається певна кількість електронів. 4) В 1913 році Бор в загальних рисах пояснив «принцип дії» атома. 5) В 1924 році були сформульовані базові закони квантової механіки, на основі яких була створена теорія, яка кількісно пояснювала як загальний устрій так і «принцип дії» атома.

.

Радіоактивність – це явище, суть якого полягає в тому, що енергетично нестабільні атомні ядра, спонтанно випромінюючи певні мікрочастинки перетворюються на інші атомні ядра.

Періодом піврозпаду радіоактивної речовини називають той проміжок часу протягом якого половина наявних атомів даної речовини розпадається, тобто перетворюється на атоми іншої речовини (позначається Т).

Розрізняють три різновидності радіоактивного розпаду:

Альфа-розпадом називають таке спонтанне радіоактивне перетворення атомного ядра, яке є результатом випромінюванням α-частинки (⁴α₊₂).

Бета-розпадом називають таке спонтанне радіоактивне перетворення атомного ядра, яке є результатом випромінюванням β-частинки (⁰β_–1), а по суті електрона.

Нейтронним розпадом називають таке спонтанне радіоактивне перетворення атомного ядра, яке є результатом випромінювання нейтрона (¹n₀).

Родиною радіоактивних елементів (радіоактивним рядом) називають таку послідовність взаємопов’язаних радіоактивних атомів, в якій кожний наступний атом утворюється в результаті альфа або бета розпаду попереднього атома.

Закон радіоактивного розпаду – це закон, в якому стверджується: якщо в даний момент часу є достатньо велика кількість (N₀) атомів радіоактивної речовини, то через певний проміжок часу t, кількість цих атомів дорівнюватиме N = N₀/2^t/T, де Т – період піврозпаду даної  речовини.

Зважаючи на те, що між масою речовини (m) та кількістю атомів в ній (N) існує прямий зв’язок (m=m₀N, де m₀ – маса одного атома даної речовини), закон радіоактивного розпаду можна записати у вигляді m = m₀/2^t/T, де  m₀ – початкова маса речовини, m – маса цієї речовини через час t.

В 1932 році, було запропоновано протонно-нейтронну модель атомного ядра. Згідно з цією моделлю, атомні ядра складаються з протонів та нейтронів. При цьому, кількість протонів (N_p) дорівнює зарядовому числу ядра (Z), а кількість нейтронів (N_n) – різниці між масовим (M) та зарядовим (Z) числом. Іншими словами: N_p = Z;  N_n = M – Z. Наприклад, ядро урану ²³⁸U₊₉₂  складається з 92 протонів та 146 нейтронів.

Ізотопами називають такі різновидності хімічно однакових атомів, в ядрах яких міститься однакова кількість протонів але різна кількість нейтронів. Ізотопи мають практично однакові хімічні властивості і тому знаходяться в одній і тій же клітинці періодичної системи та позначаються одним і тим же хімічним знаком. Однак інші властивості ізотопів можуть бути суттєво різними.

Ядерні сили, це такі сили, які діють в атомному ядрі і які обумовлені тим, що нуклони атомного ядра постійно обмінюються π-мезонами. Ядерні сили, це сили надзвичайно потужні, зарядово незалежні та короткодіючі. Ядерні сили є одним з проявів так званих сильних взаємодій.

Нуклонами називають ті протони та нейтрони які входять до складу атомного ядра. π-мезонами називають ті елементарні частинки, які забезпечують міжнуклонні взаємодії та є носіями ядерних сил. π-мезони поділяються на π⁺, π^– та π⁰ – мезони.

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: ΔЕ

Визначальне рівняння: ΔЕ = Δmc², де  Δm – дефект маси атомного ядра

Одиниця вимірювання: [ΔE] = 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:  Δm

Визначальне рівняння: Δm = m₂ – m₁

Одиниця вимірювання: [Δm] = кг.

Електрон-вольт – це позасистемна одиниця вимірювання енергії, яка дорівнює тій енергії яку отримує електрон (е = 1,6∙10^–19Кл) при його переміщенні між двома точками електричного поля, напруга між якими один вольт: еВ=1,6∙10^{– 19}Дж.

Термоядерними реакціями (реакціями термоядерного синтезу) називаються такі ядерні реакції, які відбуваються при надвисоких температурах (понад 10⁶К) і в процесі яких, легкі атомні ядра об’єднуються у відповідні більш важкі ядра.

Ядерними реакціями поділу називають такі ядерні реакції при яких надмасивні атомні ядра в процесі взаємодії з сторонніми нейтронами, діляться на дві приблизно рівні частини та декілька нових нейтронів.

Ланцюговими ядерними реакціями називають такі само відновлювальні ядерні реакції поділу, продукти яких спричиняють нові цикли аналогічних реакцій.

Коефіцієнт розмноження нейтронів, це величина яка характеризує ланцюгову ядерну реакцію поділу і яка дорівнює відношенню числа результативно прореагувавших нейтронів на даному етапі ланцюгової реакції (N_i) до їх числа на попередньому етапі цієї реакції (N_i-1):  k = N_i/N_i-1 .

Атомна (ядерна) бомба, це прилад в якому енергія неконтрольованих ядерних реакцій поділу вибухоподібно перетворюється в енергію ударної хвилі, світлового випромінювання та проникаючої радіації.

Ядерний реактор, це прилад, в якому енергія контрольованих ланцюгових ядерних реакцій поділу, дозовано претворюється в теплову енергію, яка за необхідності перетворюється в механічну роботу та енергію електричного струму.

Іонізуючим випромінюванням (радіацією) називають потік таких енергійних частинок які здатні іонізувати молекули повітря. До числа іонізуючих випромінювань (радіації) відносяться: альфа-випромінювання, бета-випромінювання, гама-випромінювання, рентгенівське випромінювання, жорстке ультрафіолетове випромінювання, нейтронне випромінювання та будь яке інше випромінювання, частинки якого здатні іонізувати молекули повітря, тобто здатні вибивати з цих молекул електрони. При цьому найбільш поширеними видами радіації прийнято вважати альфа-, бета- та гама- випромінювання.

Коефіцієнтом відносної біологічної ефективності випромінювання називають ту величину, яка показує у скільки разів біологічна дія даного виду радіації більша за біологічну дію аналогічної за енергією кількості гама-випромінювання (позначається k)

Поглинутою дозою випромінювання називають ту кількість енергії іонізуючого випромінювання яка поглинається одиницею маси даного тіла.

Позначається: D

Визначальне рівняння: D = E/m

Одиниця вимірювання: [D] = Дж/кг = Гр,  (грей).

Еквівалентною дозою випромінювання називають ту величину яка дорівнює добутку поглинутої дози випромінювання на коефіцієнт біологічної ефективності цього випромінювання.

Позначається: D_e

Визначальне рівняння:  D_e = kD

Одиниця вимірювання: [D_e] = Дж/кг = Зв ,    (зіверт).

Елементарна частинка – це такий мікрооб’єкт, який представляє собою певний неподільний згусток мас-енергії, що має певні корпускулярно-хвильові властивості, характеризується певним набором фізичних величин і за певних умов може перетворюватись в інші елементарні частинки та навпаки – виникати з них.

Різноманіття натепер відомих елементарних частинок можна розділити на чотири групи:

1. Ті стабільні та умовно стабільні елементарні частинки з яких фактично складаються звичні для нас речовинні об’єкти: атомні ядра, атоми, молекули та макротіла. Цими частинками є протони (р), нейтрони (n) і електрони (е).
2. Ті зазвичай стабільні елементарні частинки які забезпечують різні види взаємодій частинок першої групи та цілісність тих об’єктів які вони утворюють. До числа цих частинок відносяться: фотони (γ) – забезпечують електромагнітні взаємодії; гравітони (g) – забезпечують гравітаційні взаємодії; π-мезони (π) – забезпечують міжнуклонні взаємодії; нейтрино (ν) – приймають участь в слабких та гравітаційних взаємодіях.
3. Ті гранично не стабільні елементарні частинки, які за певних умов виникають як з вище названих частинок так і одна з одної. Різноманіття подібних частинок вимірюється сотнями найменувань.
4. Ті елементарні частинки, які прийнято називати античастинками. Античастинки надзвичайно схожі на відповідні частинки і фактично є їх дзеркальними відображеннями. Частинка та античастинка мають однакові маси, однакові спіни, однакові середні тривалості життя. Однак їх електричні заряди (а для незаряджених частинок – баріонні заряди або лептонні заряди) є взаємно протилежними.

Анігіляція (від лат. annihilation – зникнення, перетворення в ніщо), це  такий квантовий процес, при якому частинка та античастинка перетворюються в те, що прийнято називати чистою енергією, а фактично на кванти відповідного поля. Наприклад результатом анігіляції електрона та позитрона є утворення двох відповідних за енергією квантів електромагнітного випромінювання: е⁺ + е^– → 2γ.

По суті, в процесі анігіляції та прихована енергія яку називають масою спокою частинки, трансформується в ту явну енергію, яку називають енергією руху (чистою енергією, кінетичною енергією).

.

Розділ 6. Теорія відносності.

В науково філософському сенсі, Природа – це сукупність чотирьох взаємопов’язана та взаємодоповнюючих сутностей: матерія, рух, простір і час.

Час – це базове поняття, яке констатує факт того, що ті події які відбуваються в Природі мають певну тривалість та послідовність, або як прийнято говорити, відбуваються у часі. Кількісною мірою тривалості подій (часу) є фізична величина, яка також називається час (t).

Наші уявлення про безвідносність часу, по суті ґрунтуються на підсвідомій впевненості в тому, що тривалість будь якої події не залежить від того, хто і яким чином вимірює цю тривалість. Іншими словами, ми переконані в тому, що в рухомій (t) і нерухомій (t₀) системах відліку, тривалість однієї і тієї ж події є однаковою  (t = t₀).

Простір – це базове поняття, яке констатує факт того, що всі матеріальні об’єкти Природи мають певні геометричні розміри, певне місцезнаходження, певним чином розташовані один відносно одного, або як прийнято говорити, існують в просторі. Кількісною мірою параметрів простору є довжина (ℓ) та похідні від неї площа (S=ℓ²) і об’єм (V=ℓ³).

Наші уявлення про безвідносність простору, по суті ґрунтуються на підсвідомій впевненості в тому, що довжина абсолютно твердого тіла не залежить від того, хто і яким чином вимірює цю довжину. Іншими словами, ми переконані в тому, що в рухомій (ℓ) і нерухомій (ℓ₀) системах відліку, довжина одного і того ж тіла є однаковою  (ℓ = ℓ₀).

Матерія – це базове поняття, яке констатує факт того, що матеріальні об’єкти Природи реально існують і так чи інакше проявляють себе. В ньютонівській механіці та повсякденному житті, термін матерія є синонімом терміну речовина. Кількісною ж мірою речовинної матерії є маса (m).

Наші уявлення про безвідносність маси (кількості речовини в тілі), грунтуються на переконанні того, що при нагріванні, плавленні чи в процесі руху, кількість речовини в тілі, а отже і його маса залишаються незмінними. Іншими словами, ми переконані в тому, що в рухомій (m) і нерухомій (m₀) системах відліку маса одного і того ж тіла є однаковою  (m = m₀).

Рух – це базове поняття, яке констатує факт того, що матеріальні об’єкти Природи нерозривно пов’язані з певними процесами (рухами), що будь яке тіло є згустком певних подій: тіло складається з рухомих молекул, молекули складаються з рухомих атомів, атоми – з рухомих ядер та електронів, ядра – з рухомих протонів і нейтронів, протони, нейтрони і електрони є згустками певних процесів. І всі ці рухомі об’єкти, постійно взаємодіють, а отже постійно обмінюються певними енергетичними сигналами (фотонами, гравітонами, мезонами, тощо).

Загальною мірою кількості руху матерії є фізична величина яка називається енергія (Е). При цьому як в ньютонівській механіці, так і в повсякденній практиці вважається, що маса (міра кількості речовини) та енергія (міра кількості руху) – це дві абсолютно різні фізичні величини.

По суті, теорія відносності безумовно доводить, що наші уявлення про навколишній світ і зокрема про те, що t = t₀, ℓ = ℓ₀, m = m₀, Е ≠ m, не зовсім відповідають дійсності. Доводить, що матерія, простір, час і рух, це взаємопов’язані частини єдиного цілого. Що матерія у вигляді речовини в певних співвідношеннях може перетворюватися в матерію у вигляді поля (збуреного простору) і навпаки. Що параметри матерії, простору та часу, певним чином залежать від параметрів руху. Що параметри руху, часу і простору, певним чином залежать від параметрів матерії. Що простір і час, це єдине чотиривимірне ціле простір-час.

Базові твердження часткової теорії відносності:

1. Принцип відносності: у всіх інерціальних системах відліку, всі фізичні процеси відбуваються абсолютно однаково.
2. Принцип постійності швидкості світла: у всіх інерціальних системах відліку, швидкість світла у вакуумі є незмінною, гранично великою та чисельно рівною 3·10⁸м/с.

Виходячи з цих базових тверджень, Ейнштейн в 1905 році безумовно довів:

Висновок 1. Тривалість однієї і тієї ж події (або абсолютно аналогічних подій) в рухомій (t) та нерухомій (t₀) системах відліку є різною. При цьому виконується співвідношення: t = k∙t₀, де k = 1/√(1–v²/c²) – коефіцієнт відносності (1 ≤  k < ∞).

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 ℓ = ℓ₀/k, де k = 1/√(1–v²/c²).

Висновок 3. Маса одного і того ж фізичного об’єкту (або абсолютно аналогічних об’єктів) в рухомій (m) та нерухомій (m₀) системах відліку є різною. При цьому виконується співвідношення m = k∙m₀, де k = 1/√(1–v²/c²).

Висновок 4. Будь яке тіло масою m, представляє собою згусток енергії загальна кількість якої визначається за формулою Е = mc², де с = 3·10⁸м/с = const.

Висновок 5. Якщо в рухомій системі відліку швидкість тіла u’, а ця система з швидкістю v рухається відносно нерухомої системи, то швидкість даного тіла в нерухомій системі відліку u визначається за формулою u = (u’+v)/(1+u’v/c²) –  релятивістський закон додавання швидкостей.

Часткова теорія відносності має два базових недоліки. 1) ця теорія в точності справедлива лише для так званих інерціальних систем; 2) ця теорія не є органічно пов’язаною з ньютонівською теорією тяжіння.

Розуміючи обмеженість часткової теорії відносності, Ейнштейн ставить нову задачу – створити більш загальну теорію. Теорію, яка б була  справедливою для будь якої системи відліку і яка б кількісно пояснювала не лише механічні та електромагнітні явища, а й явища гравітаційні. Вирішуючи дану задачу, Ейнштейн звертає увагу на факт того, що маса одночасно є як мірою гравітації так і мірою інерції. Він розуміє, що цей факт безумовно вказує на те, що між гравітацією, тобто здатністю тіла створювати поля тяжіння, та інерцією, тобто здатністю тіла зберігати стан свого рівномірного руху, існує певний зв’язок.

Виходячи з факту еквівалентності інерційної і гравітаційної мас, та спираючись на результати багатьох реальних та уявних експериментів, Ейнштейн з притаманною йому чіткістю формулює три базові твердження:

Базові твердження загальної теорії відносності:

1. Загальний принцип відносності: в інерціальних та неінерціальних системах відліку всі, фізичні процеси відбуваються абсолютно однаково.
2. Загальний принцип постійності швидкості світла: в інерціальних та неінерціальних системах відліку, ніякі взаємодії і ніякі інформаційні сигнали, в тому числі і гравітаційні, не можуть поширюватися з швидкістю більшою за швидкість світла у вакуумі.
3. Принцип еквівалентності: силові прояви гравітації та інерції є еквівалентними.

Спираючись на ці базові принципи, Ейнштейн в 1916 році створює загальну теорію відносності. Теорію, яка кількісно пояснила все різноманіття механічних, електромагнітних та гравітаційно-інерційних явищ, і яка є достовірною для будь якої системи відліку.

.