Сайт викладача фізики

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 в вакуумі (300 000 км/с). Теоретичною основою механіки є принцип відносності, три закони Ньютона та закон всесвітнього тяжіння. Методологічною основою механіки є фізичний метод досліджень, тобто такий метод отримання достовірних знань, при якому вибір правильних теорій здійснюється на основі експериментальної перевірки тих передбачень, які випливають з відповідної теорії.

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 поступального руху.

Механічний рух – це такий рух (процес), при якому тіло як єдине ціле, або певні цілісні фрагменти цього 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 динамічну характеристику реального тіла – його масу.

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

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

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

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

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 поступального руху.

         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 – це базова фізична  величина, одиниця вимірювання якої, за домовленістю, обрана в якості основної)

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

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

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 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 ця точка в процесі відповідного руху.

Позначається: s

Визначальне  рівняння: s = ℓ_тр   або   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 за секунду.

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

Позначається: v_с

Визначальне рівняння: v_с= s/t

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

Прискорення – це  фізична величина, яка характеризує  зміну швидкості

руху тіла, і яка показує на скільки змінюється ця швидкість за одиницю часу.

Позначається: а

Визначальне рівняння: а =∆v/∆t

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

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 поступального руху.

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, величини та закони статики.

Механічною рівновагою тіла (матеріальної точки) називають такий механічний стан тіла, при якому воно знаходиться в стані механічного спокою (v=0), або в стані прямолінійного рівномірного руху (v=const).            

         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 воно отримує під дією даної сили.

Позначається:  F

Визначальне рівняння:  F=ma

Одиниця вимірювання:  [F]=H,   ньютон.

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

         Рівнодіючою силою, називають таку силу, яка чинить на тіло (матеріальну точку) таку ж силову дію як і вся система реально діючих на нього сил (позначається F_р).

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

якщо ∑F_i=0 то v=0, або v=const  і навпаки: якщо v=0 або v=const  то ∑F_i=0 .

         Динамічною рівновагою називають такий механічний стан тіла, при якому воно, під дією зовнішніх сил та сили інерції, знаходиться в стані рівноприскореного руху (а=const).

         Умова динамічної рівноваги тіла – це закон в якому стверджується: тіло (матеріальна точка) буде знаходитись в стані динамічної рівноваги

(а=const), тоді і тільки тоді, коли векторна сума діючих на нього зовнішніх сил та сили інерції дорівнює нулю. Іншими словами :

якщо    Σ F+F_i = 0,     то     а=const,  або

якщо    а=const,          то     Σ F+F_i = 0.

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 = – ma

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= mg

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 поняття, величини та закони механіки пружно деформованого тіла.

         Механічною деформацією тіла – називають будь яку зміну форми або розмірів тіла, що відбувається під дією зовнішніх чи внутрішніх 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= – , (рази)

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

Позначається:  F

Визначальне рівняння: визначається умовою 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 ( фізика 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 нього деформуючої сили (F), тобто ∆ℓ=F/k .

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

Пара сил. Момент сили. Рівновага тіла що має вісь обертання. Важелі.

         Парою сил, називають систему двох рівних за величиною і протилежних за напрямком сил, які не лежать на одній прямій і 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=Fd

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

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

Важіль – це прилад (механізм), який представляє собою довге тверде тіло що має нерухому вісь обертання (одну 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=соnst).

Основні поняття та основні фізичні величини динаміки.

Гравітація, це універсальна властивість тіла (а точніше, того фізичного об’єкту що має масу), 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 (а точніше, того фізичного об’єкту що має масу), яка полягає в тому, що відповідне тіло протидіє 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).

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=mv

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 ;

2) для конкретних видів енергії:     різні .

Одиниця вимірювання: [E] = 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.

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 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 виконаній за одиницю часу).

Позначається:  Р

Визначальне рівняння:  Р=А/t

Одиниця вимірювання:   [Р]=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 (к.к.д) – 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 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 .

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

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.

.

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, електричні, електромагнітні та інші.

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, 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.

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.

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 в цей 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)^1/2, 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)², 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.

Молекулярна фізика – це розділ фізики, в якому вивчаються загальні властивості твердих, рідких та 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. (атоми, молекули, іони).

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

Позначається:  ν

Визначальне рівняння: ν= m/M

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 .

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 .

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.

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

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. Наукова значимість газових законів полягає в тому, що вони стали експериментальною основою сучасної молекулярно-кінетичної теорії.

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-Люсака – 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,   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 – 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 (ρ_а) в процесі охолодження стає насиченим водяними парами (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

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.

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 = cmΔT

.  Q        Q_пл = λm

.             Q_пар = rm

.              Q_гор = qm

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

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 .

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.

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.

         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 електромагнітних хвиль (фотонів світла) перетворюється на потенціальну енергію хімічних зв’язків продуктів фотосинтезу: Е_к → Е_п.

.

  Термодинаміка.

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

Термодинамічний метод досліджень, це такий метод наукових досліджень при якому поведінку та властивості складної системи описують на основі тих параметрів які характеризують цю систему в цілому і 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 частину (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.

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 і взаємодії відносно нерухомих електричних зарядів та тих електричних полів які ці заряди створюють.

Електрика (електричний заряд), це та матеріальна сутність, яка нерозривно пов’язана з деякими елементарними частинками, зокрема протонами та електронами і яка є джерелом електромагнітних взаємодій (джерелом електромагнітного поля).

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 = ±Ne

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 ,  або   k = 1/4πε₀ε ,   (k₀ = 9∙10⁹ Н∙м²/Кл²,   ε₀ = 1/4πk₀ = 8,85∙10^-12 Кл²/Нм²).

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] = –  ,  (рази).

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

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.

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.

         Електростатична індукція, це явище, суть якого полягає в тому, що під дією зовнішніх електричних зарядів (зовнішніх електростатичних полів) заряджені частинки фактично незарядженого тіла перерозподіляються таким чином, що одна частина тіла набуває певного позитивного заряду, а інша – відповідного негативного заряду. Зазвичай, говорячи про електростатичну індукцію, мають на увазі той індукційний перерозподіл зарядів який відбувається в провідниках.

         Поляризація, це явище, суть якого полягає в тому, що під дією певних зовнішніх чинників (електричних, електромагнітних, механічних та інших), заряджені частинки фактично незарядженого тіла перерозподіляються таким чином, що одна частина тіла набуває певного позитивного заряду, а інша – відповідного негативного заряду. По суті, електростатична індукція є однією з різновидностей поляризації. Однак, як правило, поляризацією називають ті перерозподіли зарядів які відбуваються в діелектриках. Різновидностями поляризації є індукційна поляризація діелектриків та п’єзоефект.

Індукційна поляризація діелектрика, це явище, суть якого полягає в тому, що під дією зовнішнього електричного поля, молекули діелектрика по перше набувають певних дипольних властивостей (або підсилюють ці властивості), а по друге, орієнтуються таким чином, що одні ділянки поверхні діелектрика набувають позитивного заряду, а інші – негативного.

Сегнетоелектрики, це такі діелектрики, які мають надзвичайно високу діелектричну проникливість (ε > 200), величина якої складним чином залежить від багатьох зовнішніх обставин, зокрема напруженості електричного поля, температури, зовнішнього механічного тиску, тощо.

П’єзоефект, це явище, суть якого полягає в тому, що в процесі механічної деформації деякі кристалічні діелектрики, зокрема сегнетоелектрики поляризуються і навпаки – в процесі поляризації, деформуються.

         Потенціальним називають таке поле, робота якого на замкнутій траєкторії дорівнює нулю (Аѻ=0). Гравітаційні та електростатичні поля – це поля потенціальні.

         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.

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 цього пробного заряду.

Позначається: U

Визначальне рівняння: U = A_1→2/q_п  або  U = A_ел/q

Одиниця вимірювання: [U] = Дж/Кл = В.

Оскільки в побутовій та електротехнічній практиці електричні заряди переміщуються не в збуреній пустоті яку прийнято називати електричним полем, а струмопровідними ділянками електричного кола, то в умовах цих практик електричну напругу визначають наступним чином. Електрична напруга, це фізична величина, яка характеризує різницю потенціалів між двома точками електричного кола і яка дорівнює відношенню тієї роботи що виконують електричні сили на даній ділянці кола до величини перенесеного ними заряду.

Позначається: U

Визначальне рівняння: U = A_ел/q

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

 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.

.

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.

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.

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.

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.

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

де  ρ₀  – питомий опір провідника при температурі  0 ⁰С

ρ –  питомий опір провідника при температурі  t

α – температурний коефіцієнт опору.

Температурний коефіцієнт опору – це фізична величина, яка характеризує залежність опору провідника від його температури і яка чисельно дорівнює величині тієї відносної зміни опору (ΔR/R₀) провідника, що відбувається при зміні його температури на 1ºС (на 1К).

Позначається: α

Визначальне рівняння: α=ΔR/R₀∆t

Одиниця вимірювання: [α] = 1/ºС ,  (або 1/К).

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.

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.

Е.р.с. 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 е.р.с. того джерела струму яке включене в це коло і обернено пропорційна загальному опору відповідного кола. Іншими словами: I = ℰ/(R+r).

Резистор – це прилад, який представляє собою провідник з певним наперед визначеним опором і який дозволяє регулювати силу струму на заданій ділянці електричного кола.

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.

.

Тема 3.3.  Електричний струм в різних середовищах.

         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.

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

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.

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.

Енергія іонізації, це та мінімальна кількість енергії, яку необхідно витратити на те, щоб від обособленої молекули (атома) відірвати один електрон.

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.

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 – 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  ∆ℓ – довжина фрагменту струму І₂;  r – найкоротша відстань між струмом І₁ та центром фрагменту І₂; α – кут між напрямком струму І₂ та площиною яка перпендикулярна до напрямку струму І₁; k – коефіцієнт пропорційності, величина якого визначається експериментально, і значення якого залежить від властивостей того середовища в якому знаходяться взаємодіючі струми. Для вакууму k=k₀=2∙10^-7Н/А².

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 в вакуумі (F₀).

Позначається: μ

Визначальне рівняння: μ = F/F₀

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

Магнітне поле – це таке силове збурення простору, яке створюється електричними струмами (зарядами що рухаються) і діє на електричні струми.

Магнітна індукція – 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.

Сила Ампера, це 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 того фрагменту провідника на  який діє сила Ампера; α= < (В та І)

Одиниця вимірювання: [F_А]=H.

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).

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

Позначається: F_л

Визначальне рівняння: F_л=Bq₀vsinα

Одиниця вимірювання: [F_л] = Н.

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.

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

МГД генератор, це прилад, в якому енергія інтенсивного теплового руху заряджених частинок перетворюється в енергію електричного струму. Принцип дії МГД генератора полягає в наступному. При згоранні палива, в камері згорання генератора утворюється високотемпературна (~2500ºС) електронно-іонна плазма. В сопловій частині генератора, плазмовий потік прискорюється і стає максимально упорядкованим. Потрапляючи в потужне постійне магнітне поле, заряджені частинки плазми під дією сили Лоренца певним чином відхиляються. При цьому, негативно заряджені електрони потрапляють на один електрод, а позитивно заряджені іони – на протилежно розташований електрод. Виникаюча між цими електродами різниця потенціалів (напруга) реалізується у вигляді відповідного електричного струму.

         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 постійна за величиною та напрямком магнітна індукція В; β – кут між напрямком вектора В та перпендикуляром (нормаллю) до поверхні S: β =< Bn_s

Одиниця вимірювання:  [Ф] = Тл∙м² = Дж/А = 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.

Потрібно зауважити, що індуктивність котушки залежить від параметрів   самої котушки, зокрема: числа витків в ній (N), площі поперечного перерізу (S) та довжини (Ɩ) котушки, магнітних властивостей (μ μ₀) того осердя, яке знаходиться в котушці. Цю залежність можна записати у вигляді L =μμ₀N²S/Ɩ.

Парамагнетиками називають такі речовини, магнітна проникливість яких мінімально більша за одиницю (μ≈1,0005). В потужних магнітних полях парамагнетики намагнічуються таким чином, що слабо притягуються до джерела поля. До числа парамагнетиків відносяться марганець, хром, платина, алюміній, вольфрам, лужні та лужноземельні метали, тощо.

Діамагнетиками називають речовини, магнітна проникливість яких мінімально менша за одиницю (μ≈0,9995). В потужних магнітних полях, діамагнетики намагнічуються таким чином, що слабо відштовхуються від джерела поля. До числа діамагнетиків відносяться вода, вісмут, цинк, свинець, мідь, срібло, золото, більшість газів, більшість органічних сполук, тощо.

Феромагнетиками називають такі речовини, магнітна проникливість яких набагато більша за одиницю (μ ˃˃ 1). Феромагнетики поділяються на магнітно м’які та магнітно тверді. В магнітних полях магнітно м’які феромагнетики намагнічуються таким чином що сильно притягуються до джерела поля. Магнітно тверді феромагнетики здатні тривалий час зберігати свою намагніченість і бути самостійними джерелами магнітного поля. До числа феромагнетиків відносяться залізо, кобальт, нікель та достатньо велика група  сплавів, основою яких можуть бути не лише залізо, кобальт, нікель, а й марганець та хром.

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 (dФ/dt). Іншими словами:

якщо Ф=ВScosβ=ƒ(t) то індуцирується ℰ_ін = – N(dФ/dt) → 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. В принциповому вигляді індукційний генератор представляє собою сукупність трьох базових елементів: постійний магніт, струмопровідна рамка, механізм обертання рамки. Принцип дії цієї системи полягає в наступному. Постійний магніт (індуктор), 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(dФ/dt) → U_ін = ℰ_ін → І_ін = U_ін/R.

Трансформатор – це прилад, який трансформує, тобто 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]= – ,   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.

Спідометр – це прилад, який вимірює швидкість поступального руху машин та механізмів. Тахометр – це прилад, який вимірює швидкість обертального руху валів машин та механізмів. Мікрофон – це прилад, який перетворює енергію звукових коливань у відповідні коливання тієї чи іншої електричної величини, а у підсумку – в коливання електричного струму. Лічильник електроенергії – це прилад, який вимірює загальну кількість тієї електричної енергії яка була використана у відповідному електричному колі.

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).

Струм самоіндукції, це такий вихровий індукційний струм, який створюється основним змінним струмом, якай протікає в тому ж провіднику що і основний струм та певним чином протидіє цьому основному струму. Вихрові струми самоіндукції завжди направлені таким чином, що на поверхні провідника їх напрям співпадає з напрямком основного струму, а в центрі провідника – ці напрямки взаємно протилежні. Це означає, що в тому провіднику по якому протікає змінний електричний струм, в результаті індукційних процесів відбувається певний перерозподіл струмового потоку. Результатом цього перерозподілу є факт того, що сила струму в поверхневих шарах провідника збільшується, а в його внутрішніх шарах – відповідно зменшується. Вище описане явище прийнято називати скін-ефектом.

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

.

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 = 0,71І_м  або   І_м = І_еф√2 = 1,41І_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.

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

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

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).

         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 та магнітні 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.

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 розповсюджується в просторі у вигляді відповідної електромагнітної хвилі.

Електромагнітна хвиля, це таке енергетичне збурення електромагнітного поля, яке з певною швидкістю розповсюджується 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.

Системою радіозв’язку називають сукупність взаємопов’язаних радіопередавальних та радіоприймальних приладів, які забезпечують передачу інформації за допомогою електромагнітних хвиль.

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

Радіоприймач, це прилад, який із всього різноманіття електромагнітних хвиль, обирає хвилі потрібної частоти (потрібної радіостанції), перетворює енергію цих хвиль у відповідний високочастотний струм, виділяє зашифровану в цьому струмі інформаційну складову та перетворює її у відповідну інформацію.

Системою радіолокації  називають сукупність радіотехнічних засобів, які дозволяють визначати розташування та параметри руху стороннього, віддаленого об’єкту, шляхом його опромінювання імпульсами високочастотних електромагнітних хвиль.

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

.

Розділ 4.  Оптика.

Оптика (від грец. optos – видимий), це розділ фізики в якому вивчається все різноманіття тих явищ які пов’язані з випромінюванням, розповсюджуванням 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.

Вже факт того, що вивченню властивостей та проявів світла присвячено один з найбільших розділів сучасної фізики, безумовно вказує на важливість та складність цього об’єкту. На цю складність вказує і те, що в різних розділах оптики, на запитання “що таке світло?” відповідають по різному. Наприклад, в геометричній оптиці стверджується, що світло – це потік світлових променів. В фотометрії, говориться про те, що світло – це потік світлової енергії. В хвильовій оптиці доводиться, що світло – це потік світлових хвиль. А в квантовій оптиці, що світло – це потік світлових частинок.

  Геометрична оптика (узагальнююче повторення).

Геометрична оптика – це розділ оптики, в якому світло представляють як потік світлових променів і в якому вивчають ті явища які пояснюються виходячи з того, що світло це потік променів. Світловий промінь (промінь) – це умовна лінія, яка вказує на напрям поширення тієї світлової енергії що випромінюється певним джерелом світла.

Джерелом світла (в геометричній оптиці) називають будь який об’єкт що є джерелом генерованого або відбитого світла.

Оптично прозорим називають таке середовище, в якому процес поширення світла не супроводжується значним перетворенням світлової енергії в енергію теплового руху частинок середовища.

Оптично не прозорим називають таке середовище, яке повністю поглинає ту світлову енергію що потрапляє в це середовище, або повністю відбиває цю енергію.

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

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

Закон відбивання світла – це закон, в якому стверджується: на межі двох оптично різних середовищ світлові промені відбиваються, при цьому: 1) проміннь падаючий, промінь відбитий і перпендикуляр до поверхні в точці падіння променя, лежать в одній площині; 2) кут відбивання променя (β) дорівнює куту його подіння (α): ˂β = ˂α.

Закон заломлення світла – це закон, в якому стверджується: на межі двох оптично різних та оптично прозорих середовищ, світлові промені заломлюються, тобто проникаючи в нове середовище змінюють напрям свого розповсюдження. При цьому: 1) промінь падаючий, промінь заломлений та перпиндикуляр до поверхні в точці падіння променя, лежать в одній площині; 2) відношення синуса кута падіння променя (sinα) до синусу кута його заломлення (sinγ) для даної пари середовищ є постійною величиною: sinα/sinγ = n₁₂, де n₁₂ – показник заломлення світла першого середовища відносно другого.

Абсолютний показник заломлення світла, це фізична величина, яка характеризує оптичні властивості даного оптично прозорого середовища і яка з одного боку дорівнює відношенню синусу кута падіння променя до синусу кута його заломлення (sinα/sinγ), а з іншого – показує, у скільки разів швидкість світла в даному середовищі (v) менша за швидкість світла в вакуумі (с=3·10⁸м/с).

Позначається: n

Визначальне рівняння:   n =sinα/sinγ=c/v

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

Порівнюючи оптичні властивості двох прозорих середовищ говорять, що те з них яке має більше значення абсолютного показника заломлення є оптично більш густим, а те, яке має менше значення абсолютного показника заломлення – оптично менш густим. Наприклад скло (n=1,52) оптично густіше за воду (n=1,33), а алмаз (n=2,42) оптично густіший за скло.

.

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, що підтверджують цей факт.

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. Зазвичай, видиме світло є результатом інтенсивного теплового руху заряджених частинок, або тих процесів які відбуваються в енергетично збуджених атомах та молекулах.

         Принцип суперпозиції хвиль, це закон в якому стверджується: хвилі розповсюджуються 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.

         Інтерференція хвиль – це явище, суть якого полягає в тому, що при накладанні когерентних хвиль, спостерігається стійка хвильова картинка в якій 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.

Монохроматичним (від грец. monos – один та chroma – колір) називають таке світло, яке складається з електромагнітних хвиль певної, строго визначеної довжини хвилі (певного кольору).

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 свого розповсюдження хвилі заходять в область геометричної тіні тієї перешкоди що зустрічається на їх шляху (огинають перешкоди).

Дифракційна 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 так звана поляризація світла.

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

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

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

Площиною поляризації кристалу називають ту умовну площину, яка співпадає з площиною коливань вектора Е  того поляризованого світла, яке створює цей кристал. Поляризаторами називають ті прилади, які неполяризоване світло перетворюють на світло поляризоване.

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

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

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

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

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

Суцільним спектром випромінювання називають такий спектр, який представляє собою суцільну спектральну картинку яка 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 випромінювання називають такий спектр, який представляє собою певний набір тонких спектральних ліній. Лінійчаті спектри дають системи обособлених енергетично збуджених атомів, зокрема розріджені пари та гази атомарного складу. При цьому, кожна різновидність атомів, дає свій неповторний лінійчатий спектр. Даний факт пояснюється тим, що лінійчатий спектр є відображенням тих процесів які відбуваються в енергетично збудженому атомі.

Смугастим спектром випромінювання 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. Смугасті спектри дають системи обособлених, енергетично збуджених молекул, зокрема розріджені газа молекулярного складу. При цьому, кожна різновидність молекул дає свій неповторний смугастий (складний лінійчатий) спектр.

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

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

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.

Абсолютно чорне тіло – це таке умовне, ідеалізоване тіло, яке в залежності від ситуації, можна вважати як таким, що поглинає увесь спектр електромагнітних хвиль, так і таким, що випромінює аналогічний спектр.

Інтенсивність випромінювання – це фізична величина, яка характеризує питому потужність джерела електромагнітного випромінювання і яка показує скільки електромагнітної енергії випромінюється одиницею площі поверхні даного джерела за одиницю часу.

Позначається:  R

Визначальне рівняння:   R = ΔE/SΔt

Одиниця вимірювання:  [R] = Вт/м² .

Стала Планка – це фундаментальна фізична стала, що є визначальною для широкого кола тих явищ в яких проявляються квантові властивості матерії. За сучасними даними h=6,626176·10^-34Дж·с.

Фотон, це елементарна частинка, яка представляє собою неподільний квант електромагнітного випромінювання, з наступним набором властивостей

1. Фотон – частинка не заряджена (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.

        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 (позн 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.

Фотохімічними реакціями називають такі хімічні реакції, які відбуваються за активної участі видимого або ультрафіолетового світла.

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.

Люмінесценція, 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 (Е_люм)  виділяють наступні різновидності люмінесценції :

– фотолюмінесценція    ( Е_св   → Е_люм)

– радіолюмінесценція    ( Е_рад → Е_люм)

– електролюмінісценція ( Е_ел  → Е_люм)

– хемілюмінесценція      (Е_хім  → Е_люм)

– біолюмінесценція        (Е_біо   → Е_люм)

– триболюмінесценція    (Е _мех → Е_люм)

        Оптичний квантовий генератор (лазер), це прилад, який представляє собою джерело 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.

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.

Досліджуючи закономірності хімічних властивостей атомів, вчені з’ясували, що ці закономірності можна описати на основі чотирьох квантових величин, які прийнято називати квантовими числами:

1) головне квантове число n,

2) орбітальне квантове число ℓ,

3) магнітне квантове число m,

4) спінове квантове число s.

        Головне квантове число (позн. n), це таке ціле додатне число (n=1;2;3…) яке характеризує енергетичні параметри електрона і яке дорівнює порядковому номеру того енергетично дозволеного рівня на якому знаходиться даний електрон.

Орбітальне квантове число (позн. ℓ), це таке ціле не від’ємне число (ℓ=0;1;2;…) яке характеризує величину орбітального моменту імпульсу електрона. Для заданого енергетичного рівня (для заданого числа n) орбітальне квантове число може набувати всіх цілих значень від 0 до (n-1).

Магнітне квантове число (позн. m), це таке ціле число (m=0;±1;±2;…), яке характеризує просторову орієнтацію вектора орбітального моменту імпульсу електрона. Для заданого квантового числа ℓ, магнітне квантове число може набувати всіх цілих значень з інтервалу ( -ℓ; +ℓ).

Спінове квантове число (позн. s), це таке напівціле число (s= ±1/2), яке характеризує величину та знак власного моменту імпульсу (спіну) електрона. Спінове квантове число може мати лише два значення: s = +1/2 ; s = -1/2 .

Принцип Паулі – це закон в якому стверджується: в атомі не може бути двох електронів з однаковим набором квантових чисел.

Принцип мінімуму (принцип енергетичної доцільності), це закон, в якому стверджується: в атомі речовини, електрон завжди прагне зайняти таке місце, де кількість зосередженої в ньому енергії буде мінімально можливою.

Принцип Паулі та принцип мінімуму є тими базовими законами, які пояснюють порядок розташування електронів в атомі, а відповідно і періодичність його хімічних властивостей.

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

Періодом напіврозпаду радіоактивної речовини називають той проміжок часу, на протязі якого розпадається половина наявних атомів даної речовини.

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 дорівнює зарядовому числу ядра, а кількість нейтронів – різниці між масовим та зарядовим 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.

         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 не залежні 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 (піонами) 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^-19Дж.

         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.

         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).

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

Тунельний ефект, це явище, суть якого полягає в тому, що з певною ймовірністю складова мікрочастинка квантової системи (наприклад атомного ядра), може вийти за межі цієї системи навіть в тому випадку, коли енергія частинки значно менша за висоту потенціального бар’єру системи.

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

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.

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 що 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.

Анігіляція – це такий квантовий процес, при якому елементарна частинка та її античастинка перетворюються на кванти відповідного поля. 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).

Гравітаційні взаємодії – це такий вид матеріального зв’язку, який існує між тими об’єктами що мають масу і носієм якого є гравітаційне поле та його неподільні кванти які називаються гравітонами.

Гравітон – це елементарна частинка, яка є неподільним квантом гравітаційного поля та носієм гравітаційних взаємодій (позначається ⁰g₀ : τ=∞: m₀=0; q=0; s=2ћ).

Електромагнітні взаємодії – це такий вид матеріального зв’язку, який існує між тими об’єктами що мають електричний заряд або магнітний момент і носієм якого є електромагнітне поле та його неподільні кванти які називаються фотонами.

Фотон – це елементарна частинка яка є неподільним квантом електромагнітного поля та носієм електромагнітних взаємодій (позначається ⁰γ₀ : τ=∞; m₀=0; q=0; s=1ћ).

Сильні взаємодії – це такий вид матеріального короткодіючого зв’язку який виникає між важкими елементарними частинками (адронами) і носієм якого, за сучасними уявленнями, є глюонне поле та його неподільні кванти які називаються глюонами.

Слабкі взаємодії – це такий вид матеріального короткодіючого зв’язку, який обумовлений тими процесами що відбуваються всередині елементарних частинок і який призводить до взаємоперетворення цих частинок.

.

Розділ 6. Теорія відносності.

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 в вакуумі є незмінною, гранично великою та чисельно рівною 3·10⁸м/с.

Світловий рік – це позасистемна одиниця вимірювання довжини, яка дорівнює тій відстані на яку розповсюджується світловий сигнал за один земний рік:   1 с.р = 9,46 ·10¹⁵м

         Час – це базове поняття, яке констатує той факт, що всі ті події які відбуваються в Природі мають певну тривалість та послідовність, або, як прийнято говорити, відбуваються у часі. (З іншого боку, час –це фізична величина, яка характеризує тривалість подій і яка дорівнює цій тривалості.)

Висновок 1. Тривалість однієї і тієї ж події (або абсолютно аналогічних подій) в рухомій та нерухомій системах відліку є різною. При цьому виконується співвідношення:  t=kt₀,

де      t₀ – тривалість події в нерухомій системі відліку;

t – тривалість тієї ж події в рухомій системі відліку;

k=1/(1-v²/c²)^1/2– коефіцієнт відносності (релятивістський коефіцієнт).

         Простір – це базове поняття, яке констатує той факт, що всі матеріальні об’єкти Природи мають певні геометричні параметри, певне місцезнаходження, певним чином розташовані один відносно одного, або, як прийнято говорити, існують в просторі.

         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)^1/2– коефіцієнт відносності.

         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=km₀, де k=1/(1-v²/c²)^1/2 – коефіцієнт відносності.

Висновок 4. (формула Ейнштейна). Будь який фізичний об’єкт масою m представляє собою згусток енергії, загальна кількість якої визначається за формулою Е=mс², де с=3·10⁸м/с – швидкість світла в вакуумі (стала Ейнштейна).

         Маса (в класичній, до релятивістській фізиці) – це фізична величина, яка є мірою інерціальних та гравітаційних властивостей тіла, а також, мірою кількості речовини в тілі, виміряної в кілограмах.

Позначається:  m

Визначальне рівняння:  нема

Одиниця вимірювання:  [m]=кг.

Енергія (в класичній, до релятивістській фізиці) – це фізична величина, яка характеризує здатність тіла, частинки або поля виконати роботу.

Позначається:  Е

Визначальне рівняння:  різні

Одиниця вимірювання:  [Е]=Дж.

Масенергія – це фізична величина, яка є загальною мірою руху матерії, мірою її інерціальних та гравітаційних властивостей.

Позначається:  Е

Визначальне рівняння: Е=mс²

Одиниця вимірювання:  [Е]=Дж.

Активна масенергія – це та частина масенергії, яка представляє собою енергію руху та взаємодії обособлених частинок речовини або макротіл, яка здатна до виконання тієї чи іншої роботи і яка за звичайних умов не перетворюється на пасивну масенергію. Зазвичай активну масенергію називають енергією і вимірюють в джоулях.

         Пасивна масенергія – це та частина масенергії, яка сконденсована в частинках речовини та макротілах, яка за звичайних умов не перетворюється в активну масенергію і не спричиняє виконання тієї чи іншої роботи. Зазвичай пасивну масенергію називають масою і вимірюють в кілограмах.

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

         Ефект Доплера – це явище, суть якого полягає в тому, що частотні параметри звукових, електромагнітних та інших хвиль, певним чином залежать як від швидкості та напрямку руху джерела цих хвиль, так і від швидкості та напрямку руху того спостерігача який їх фіксує.

Червоне зміщення в спектрі галактик – це явище, суть якого полягає в тому, що в спектрі того світла яке випромінюють далекі галактики, спектральні лінії відомих атомів зміщені в сторону червоної частини спектру. Це означає, що відповідна галактика з певною швидкістю віддаляється від нашої галактики.

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 розповсюджуватись з швидкістю, більшою за швидкість світла в вакуумі.
3. Принцип еквівалентності: силові прояви гравітації та інерції є еквівалентними.

По суті теорія відносності доводить, що матерія, простір, час та рух, це взаємопов’язані частини єдиного цілого. Що матерія у вигляді речовини в певних співвідношеннях може перетворюватись 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 та простору, певним чином залежать від параметрів матерії. Що простір і час, це єдине чотиривимірне ціле простір-час.

.