Плазма – это частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы

Степенью ионизации плазмы α называют отношение концентрации заряженных частиц к общей объемной концентрации частиц. В зависимости от степени ионизации плазма подразделяется на слабо ионизированную, частично ионизированную и полностью ионизированную.

Плазма бывает низкотемпературной T < 10⁵ К и высокотемпературной T > 10⁶… 10⁸ Ки более.

Свойства плазмы.

Из – за специфических свойств плазму рассматривают как особое четвертое состояние вещества.

Нарушение электрической нейтральности быстро ликвидируется из-за большой подвижности заряженных частиц.

Каждая частица взаимодействует сразу с большим количество окружающих частиц. в плазме легко возбуждаются разного рода колебания и волны. Проводимость плазмы увеличивается по мере роста степени ионизации. При высокой температуре плазма по свое проводимости приближается к сверхпроводникам.

Газоразрядная плазма образуется при всех видах разрядов в газах.

_____________________________________________________________________________________________ Билет №10.

1. Измерение скорости молекул. Опыт Штерна. Распределение Максвелла.

2. Электрический ток в вакууме. Термоэлектронная эмиссия. Вакуумный диод. Электронно-лучевая трубка.

3. Задача на уравнение теплового баланса.

4. Задача на свойства твердых тел.

_____________________________________________________________________________________________

1. Измерение скорости молекул. Опыт Штерна. Распределение Максвелла.

Измерение скорости молекул????????????????????????????????????????????????

Опыт Штерна. Один из опытов по определению скорости молекул был осуществлен немецким физиком О.Штерном в 1920 г. Прибор, который он создал, состоит из сосуда, системы диафрагм и цилиндра, вращающегося с большой угловой скоростью. В сосуде 1 натянута тонкая платиновая проволочка, покрытая слоем серебра. По проволочке пропускают электрический ток. При прохождении тока слой серебра испаряется и сосуд заполняется газом из атомов серебра. Газ находится в равновесном состоянии при температуре T, которую можно измерить. В стенке сосуда 1 имеется маленькое отверстие, через которое небольшое количество атомов серебра вылетает из сосуда в пространство, где создан высокий вакуум. Здесь атомы практически не сталкиваются друг с другом. С помощью диафрагм 2, 3 выделяется пучок атомов, направленный вдоль диаметра вращающегося цилиндра. В цилиндре имеется узкая щель. В момент, когда щель оказывается на пути пучка, небольшая порция атомов попадает внутрь цилиндра и движется к его противоположной стенке. Расстояние, равное диаметру цилиндра D, эти атомы пролетают за время t = D/v, где v – среднее значение скорости. За это время цилиндр повернется на угол
ϕ = ωt = ωD/v. Если бы цилиндр был не подвижен, то атомы осаждались бы на его внутренней поверхности прямо против стенки. Но при вращении цилиндра атомы попадают на участок цилиндра, смещенный на расстояние S = Dϕ/2 = ωD * D/2v от точки, лежащей на одном диаметре со щелью 3. На внутренней поверхности цилиндра образуется след от осажденного серебра в виде темного пятна. Толщина пятна не везде одинакова. На определенном участке толщина слоя серебра максимальна. Измерив длину пути S, и зная диаметр цилиндра и его угловую скорость, можно определить среднюю скорость молекул по формуле: v = ωD * D/2S. Этот опыт является опытной проверкой максвелловского распределения молекул по скоростям.

Распределение Максвелла. Скорость молекулы можно рассматривать как случайную величину, которая в данных макроскопических условиях может принимать различные значения. Максвелл допустил, что в газах число молекул, имеющих скорости в заданном интервале значений, остается постоянным. Наглядно распределение молекул по скоростям можно представить следующим образом. Выберем прямоугольную систему отсчета, на осях которой будем откладывать проекции vx, vy, vz скоростей частиц. В результате получится трехмерное “пространство скоростей”, каждая точка которого соответствует молекуле со строго заданной скоростью v, равной по модулю длине радиуса-вектора, проведенного из начала системы отсчета в эту точку. Общее представление о распределении молекул по скоростям получится, если скорость каждой из N молекул изобразить точкой в этом пространстве скоростей. Точки окажутся расположенными довольно хаотически, но в среднем плотность точек будет убывать с ….

Дописааааааааааааааааааааааааать!!!!!!!!!!!!!!!!!!!1

2. Электрический ток в вакууме. Термоэлектронная эмиссия. Вакуумный диод. Электронно-лучевая трубка.

В качестве катода в вакуумном баллоне впаяна вольфрамовая нить, концы которой выведены наружу и присоединены к источнику тока – батарее накала G2. Замкнем ключ S2 и, когда вольфрамовая нить накалится, замкнем ключ S1. Стрелка прибора при этом отклонится, в цепи появился ток. Значит, накаленная нить обеспечивает появление необходимых для существования тока носителей заряда – заряженных частиц. С помощью опыта не трудно убедится, что эти частицы заряжены отрицательно. Изменим полярность анодной батареи G1 – нить станет анодом, а холодный электрод – катодом. И хотя нить по-прежнему посылает в вакуум заряженные частицы, тока в цепи нет. Из этого опыта следует, что частицы испускаемые накаленной нитью, заряжены отрицательно – отталкиваются от холодного катода и притягиваются к аноду. Измерением заряда и массы было доказано, что катод испускает электроны. Электрический ток в вакууме представляет собой направленный поток электронов.

Термоэлектронная эмиссия. Катод может испускать электроны при нагревании до высокой температуры. Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией. его можно рассматривать как испарение электронов из металла. Во многих твердых веществах термоэлектронная эмиссия происходит при температурах, при которых испарение самого вещества еще мало. Такие вещества используют для изготовления катодов. При самостоятельном разряде нагрев может происходить за счет бомбардировки его положительными ионами. Если энергия ионов не слишком велика, то выбивания электронов с катода не происходит и электроны испускаются вследствие термоэлектронной эмиссии.

Вакуумный диод. Диод представляет собой вакуумированный баллон, в котором находятся два электрода: вольфрамовая нить K, являющаяся источником электронов (катод), и металлический полуцилиндр A (анод), окружающий катод. В лампах прямого накала нить накала из вольфрама одновременно служит катодом. Для получения значительной эмиссии нить нагревают до температуры 2000-2500K. Диод прямого накала имеет существенный недостаток. Если катод нагревается переменным током, то его температура из-за малой теплоемкости нити периодически изменяется, что вызывает колебания тока в цепи лампы. По этой причине в настоящее время диоды прямого накала почти нигде не применяются. Вместо них применяются лампы с косвенным накалом или диоды с подогревным катодом. В этх лампах катод представляет собой никелевую трубочку, покрытую слоем оксидов щелочно-земельных металлов – бария, стронция, кальция. Такой катод называют оксидным. Работа выхода электронов с поверхности оксидного катода в несколько раз меньше, чем с вольфрама. Это позволяет снизить температуру накала до 1000K. Подогрев катода обеспечивается небольшой спиралью, расположенной внутри трубочки. Вольт-амперная характеристика диода у вакуумного диода не линейная. При вылете электронов из разогретого катода он заряжается положительно. Поэтому электроны, покинувшие катод, группируются возле него в виде объемного отрицательного заряда или так называемого электронного облака. Под действием электрического поля между катодом и электронным облаком электроны из облака частично возвращаются обратно в катод. В равновесном состоянии число электронов, покинувших катод в секунду, равно числу электронов, возвратившихся на него за это время. При таком динамическом равновесии среднее число электронов в электронном облаке остается неизменным. Чем выше температура металла, тем больше плотность электронного облака. Если к электродам диода приложить напряжение, называемое анодным напряжением, присоединив анод к точке цепи, имеющей положительный потенциал, а катод – к точке с отрицательным потенциалом, то между электродами возникает электрическое поле. Под действием этого поля электроды начнут перемещаться от катода к аноду, образуя анодный ток. Электронное облако при этом начинает рассасываться. Из-за наличия электронного облака сила анодного тока не пропорциональна анодному напряжению. С увеличением анодного напряжения концентрация электронов в облаке уменьшается. Поэтому и тормозящее действие объемного отрицательного заряда делается меньше, а сила анодного тока увеличивается. Если анод не покрыт оксидным слоем, то при достаточно большом анодном напряжении все электроны, покинувшие катод, достигают анода, и при дальнейшем увеличении напряжения сила тока не изменяется. Такой ток называется током насыщения. При повышении температуры катода ток насыщения возрастает. В электронной лампе с оксидным катодом достигнуть тока насыщения нельзя, ибо это требует столь большого анодного напряжения, при котором катод разрушается. Важным свойством вакуумного диода является его односторонняя проводимость: электроны в нем движутся от раскаленного катода к аноду. Обратное направление тока невозможна. Приборы, обладающие свойством проводить ток только в одном направлении, называются электрическими вентилями. Этим свойством двухэлектродной лампы пользуются для выпрямления переменного тока. Лампа, применяемая для выпрямления токов промышленной частоты, называют кенотроном.

Электронно-лучевая трубка. Трубка представляет собой вакуумный баллон, изготовленный в виде колбы, расширенной с одной стороны. Расширенное дно колбы покрыто люминофором и образует экран трубки. В узком конце трубки помещен источник быстрых электронов – электронная пушка. Она состоит из нагреваемого оксидного катода K и трех коаксиальных цилиндров: управляющего электрода (сетки), первого анода А1 и второго анода А2. Электроны испускаются нагретым оксидным слоем торца цилиндрического катода и проходят через отверстия в цилиндрическом управляющем электроде. Управляющий электрод имеет отрицательный потенциал относительно катода и сжимает своим полем выходящий из катода электронный пучок. Изменяя его потенциал, можно изменять количество электронов в пучке, т.е его интенсивность. Каждый анод состоит из дисков с небольшими отверстиями, вставленных в металлический цилиндр. Потенциал первого катода положителен относительно катода, а потенциал 2 анода положителен относительно 1 анода. Форма, расположение и потенциалы анодов выбраны так, чтобы наряду с ускорением электронов происходила и фокусировка электронного пучка, т.е уменьшение площади его поперечного сечения. На экране куда попадает электронный пучок возникает свечение. После электронной пушки сфокусированный электронный пучок на пути к экрану проходит последовательно между двумя парами управляющих пластин, подобных пластинам плоского конденсатора. Если электрического поля между пластинами нет, то пучок не откланяется и светящаяся точка располагается в центре экрана. При сообщении разности потенциалов вертикально расположенным пластинам пучок смещается в горизонтальном направлении, а при сообщении разности потенциалов горизонтальным пластинам он смещается в вертикальном направлении. Одновременное использование двух пар управляющих пластин позволяет перемещать светящуюся точку по экрану в любом направлении.

_____________________________________________________________________________________________
Билет №11.

1. Адиабатный процесс. Применение первого закона термодинамики к изопроцессам и адиабатному процессу.

2. Природа электрического тока в металлах. Зависимость сопротивления металлов от температуры. Сверхпроводимость.

3. Задача на изменение агрегатного состояния вещества.

4. Задача на закон электролиза.

_____________________________________________________________________________________________

1. Адиабатный процесс. Применение первого закона термодинамики к изопроцессам и адиабатному процессу.

Процесс в теплоизолированной системе называют адиабатным. При адиабатном процессе Q = 0 и изменение внутренней энергии происходит только за счет совершения работы: ΔU = A. При совершении над системой положительной работы, например при сжатии газа, внутренняя энергия увеличивается и газ нагревается. Наоборот, при расширении газ сам совершает положительную работу, но A < 0 и внутренняя энергия уменьшается: газ охлаждается. Зависимость давления газа от его объема при адиабатном процессе изображается кривой, называемой адиабатой. Адиабата обязательно идет круче изотермы. Ведь при адиабатном процесс давление газа уменьшается не только за счет увеличения объема, как при изотермическом процессе, но и за счет уменьшения его температуры.

Спросить у Людмилы Владимировны.

2. Природа электрического тока в металлах. Зависимость сопротивления металлов от температуры. Сверхпроводимость.

Свободными носителями в металлах являются электроны. В отсутствии электрического поля он движутся беспорядочно, участвуя в тепловом движении. Под действием электрического поля электроны начинают упорядоченно перемещаться между ионами, находящиеся в узлах кристаллической решетки, со средней скоростью 0.0001 м/с, образуя электрический ток. Ионы кристаллической решетки металла в твердом состоянии не принимают участия в создании тока. Их перемещение при прохождении тока означало бы перенос вещества вдоль проводника. Опыты же по пропусканию тока в течении многих месяцев показали, что ничего подобного не происходит (опыт Рикке).
Изменение температуры проводника вызывает изменение его сопротивления. С одной стороны, повышение температуры проводников приводит к увеличению числа столкновений упорядоченно движущихся заряженных частиц с частицами, составляющими проводник. В результате уменьшается средняя скорость направленного движения заряженных частиц, и соответственно уменьшается сила тока. Следовательно, увеличение температуры может привести к увеличению сопротивления. С другой стороны, повышение температуры может привести к увеличению числа свободных заряженных частиц проводника в единице объема. Это обстоятельство способствует увеличению силы тока. Следовательно, повышение температуры может привести к уменьшению сопротивления проводника. В зависимости от преобладания того или другого фактора с увеличением температуры сопротивление проводника может или увеличиваться (металлы) или уменьшаться (растворы электролитов и прочие), или оставаться практически неизменным(специальные сплавы). Все это подтверждено опытным путем. Если при 0˚C сопротивление проводника равно , а при температуре t оно равно R, то относительное изменение сопротивления с большой степенью точности можно считать пропорциональным изменению температуры Δt:
= αΔt. Коэффициент пропорциональности α называют температурным коэффициентом сопротивления. Он характеризует зависимость сопротивления вещества от температуры. Температурный коэффициент сопротивления численно равен относительному изменению сопротивления проводника при нагревании на 1К. для всех металлических проводников α > 0 и незначительно меняется с изменением температуры. При нагревании геометрические размеры изменяются мало. Сопротивление проводника меняется в основном за счет изменения удельного сопротивления: R = ρи R =. Получаем, что
ρ = (1 + αΔt).

Опыты Карлинг-Онеса.

_____________________________________________________________________________________________
Билет №12.

1. Теплоемкости идеального газа в различных процессах.

2. Работа сил электрического поля. Работа в однородном поле и в поле точечного заряда. Работа поля и потенциальная энергия поля.

3. Задача на КПД теплового двигателя.

4. Задача на расчет шунта и добавочного сопротивления.

_____________________________________________________________________________________________

1. Теплоемкости идеального газа в различных процессах.

2. Работа сил электрического поля. Работа в однородном поле и в поле точечного заряда. Работа поля и потенциальная энергия поля.

Потенциальность электростатических сил вытекает из закона сохранения энергии. Если силы потенциальны, то положение любых точек А и В в поле однозначно определяет работу при перемещении заряда из А в В. Согласно определению, принятому в механике, эта работа равна изменению потенциальной энергии при переносе тела из одной точки в другую, взятую со знаком минус: . Здесь W_p2 – потенциальная энергия в конечной точке траектории, а W_p1 – в начальной. Потенциальную энергию заряженных тел называют электрической или кулоновской.

Пусть заряд q перемещается в однородном электрическом поле с напряженностью E из точки 1 в точку 2. Положение точки 1 определяется радиус-вектором r₁, а точки 2 радиус-вектором r₂. Действующая на заряд сила постоянна. Вектор перемещения Δr = r₂ – r₁. Работа равна скалярному произведению силы на перемещение:

С другой стороны A = W_p2 – W_p1. Сравнивая эти выражения получаем:

Если рассматривать проекции получаем W_p = -qE_xx.

Нулевой уровень потенциальной энергии.

W_p = -qEr + C, где C – произвольная константа.

Физический смысл имеет не сама потенциальная энергия, а разность ее значений, определяемой работой поля при перемещении заряда.

Энергия взаимодействия точечных зарядов.

Считается, что потенциальная энергия бесконечно удаленных зарядов равна 0. Такой выбор нулевого уровня удобен, но не обязателен.

Потенциальная энергия системы точечных зарядов.

Потенциальная энергия точечных зарядов q₁ … q_n равна сумме потенциальных энегрий всех пар взаимодействующих зарядов:

_____________________________________________________________________________________________
Билет №13.

1. Тепловой двигатель. Принцип действия теплового двигателя. КПД теплового двигателя. Цикл Карно. Способы повышения КПД теплового двигателя.

2. Взаимодействие проводников с током. Закон Ампера. Магнитное поле. Индукция магнитного поля. Сила Ампера.

3. Задача на закон Кулона.

4. Задача на уравнение теплового баланса.

_____________________________________________________________________________________________

1. Тепловой двигатель. Принцип действия теплового двигателя. КПД теплового двигателя. Цикл Карно. Способы повышения КПД теплового двигателя.

Тепловые двигатели – это устройства, которые превращают внутреннюю энергию топлива в механическую энергию. Чтобы двигатель совершил работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех этих двигателях эта разность давлений достигается за счет повышения температуры рабочего тела на сотни градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива. Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ, который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через T1. Эту температуру в паровых турбинах или машинах приобретает пар в паровом котле. В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру T1 называют температурой нагревателя. По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры T2. Эта температура не может быть ниже температуры окружающей среды, так как в противном случаи давление газа станет меньше атмосферного и двигатель не сможет работать. Обычно T2 несколько больше температуры окружающей среды. Ее называют температурой холодильника. Холодильником является атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара – конденсаторы. Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть энергии неизбежно передается атмосфере вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин. Эта часть внутренней энергии безвозвратно теряется.

(Вставить картинку.)
КПД теплового двигателя. Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем, равна: A’ = Q1 + Q2, где Q1 – количество теплоты, полученное от нагревателя, а Q2 – количество теплоты, отданное холодильнику. КПД теплового двигателя называют отношение работы A’, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:
η = A’/Q1 = (Q1 + Q2)/Q1 = (|Q1| - |Q2|)/|Q1| = 1 - |Q2|/|Q1|
У паровой турбины нагревателем является паровой котел, а у ДВС – сами продукты сгорания топлива. Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику,
то η < 1.
Цикл Карно. Карно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Все процессы в машине Карно рассматриваются как равновесные (обратимые). В машине осуществляется круговой процесс или цикл, при котором система после ряда преобразований возвращается в исходное состояние. Цикл Карно состоит из двух изотерм и двух адиабат. Кривые 1 – 2 и 3 – 4 – это изотермы, а 2 – 3 и 4 – 1 – адиабаты. Сначала газ расширяется изотермически при температуре T1. При этом он получает от нагревателя количество теплоты Q1. Затем он расширяется адиабатно и не обменивается теплотой с окружающими телами. Далее следует изотермическое сжатие газа при температуре T2. Газ отдает в этом процессе холодильнику количество теплоты Q2. Наконец газ сжимается адиабатно и возвращается в начальное состояние. (картинку вставить).

2. Взаимодействие проводников с током. Закон Ампера. Магнитное поле. Индукция магнитного поля. Сила Ампера.

Взаимодействие проводников с током. Наблюдать магнитное взаимодействие токов несложно. Надо взять два гибких проводника, укрепить их вертикально и присоединить к источнику тока. Заметного притяжения или отталкивания не обнаружится, так как при ЭДС источника в несколько вольт и малой электроемкости проводников заряды проводников слишком малы. Кулоновские силы не проявляются. Но если другие концы проводников соединить так, чтобы в проводниках возникли токи противоположного направления, то проводники начнут отталкиваться. В случаи токов одного направления между проводниками возникают силы притяжения.
Закон Ампера. Опытным путем пришли к заключению, что магнитная сила ΔF ~IΔlB и зависит от угла между векторами Δl и B. Сила, действующая на элемент проводника Δl, по которому течет ток I, прямо пропорциональна произведению силы тока на векторное произведение векторов Δl и B. F = I ΔƖB sinα

Магнитное поле. Каждый элемент тока в одном из проводников создает вокруг себя магнитное поле, которое действует на все элементы тока во втором проводнике. Магнитное поле представляет собой особую форму материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися частицами. Что же такое магнитное поле? Во-первых, поле материально: оно существует независимо от нас, от наших знаний о нем. Во-вторых, оно обладает определенными свойствами, которые могут быть найдены экспериментально. Основные свойства магнитного поля таковы: магнитное поле порождается током (движущимися зарядами) и обнаруживается по действию на ток (движущиеся заряды).

Индукция магнитного поля или вектор магнитной индукции. Векторную величину, характеризующую магнитное поле, называют вектором магнитной индукции. За направление вектора магнитной индукции в том месте, где расположена рамка с током, принимают направление положительной нормали (перпендикуляра) к рамке.

(списать с тетради!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!)

_____________________________________________________________________________________________
Билет №14.

1. Смачивание и несмачивание. Капиллярность. Высота поднятия жидкости в капилляре.

2. Явление электромагнитной индукции. ЭДС индукции, магнитный поток. Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца.

3. Задача графическая на газовые законы.

4. Задача на закон Джоуля-Ленца.

_____________________________________________________________________________________________

1. Смачивание и несмачивание. Капиллярность. Высота поднятия жидкости в капилляре.

На границе жидкость – твердое тело уже нельзя не считаться с силами притяжения между молекулами жидкости и твердого тела. Более того, в ряде случаев сила притяжения между молекулами жидкости и твердого тела больше силы притяжения между молекулами самой жидкости. В этом случаи про жидкость говорят, что она смачивает твердое тело. Если силы притяжения между молекулами жидкости больше сил притяжения молекул твердого тела и молекул жидкости, то такая жикдость называется несмачивающей.
Капиллярность. Под капиллярными явлениями понимают подъем или опускание жидкости в узких трубках – капиллярах – по сравнению с уровнем жидкости в широких трубках. Смачивающая жидкость (например вода в стеклянной трубке) поднимается по капилляру. При этом чем меньше радиус трубки, тем на большую высоту поднимается в ней жидкость. Жидкость, не смачивающая стенки капилляра (например ртуть в стеклянной трубке), опускается ниже уровня жидкости в широком сосуде. почему так происходит? Ученые установили, что мениск жидкости в узких трубках представляет собой полусферу, радиус которой равен радиусу канала трубки. Под вогнутым мениском смачивающей жидкости давление меньше, чем под плоской поверхностью. Поэтому жидкость в узкой трубке в узкой трубке поднимается до тех пор, пока гидростатическое давление поднятой в капилляре жидкости на уровне плоской поверхности не скомпенсирует разность давлений.

Высота поднятия жидкости.

Отсюда

Высота поднятия жидкости в капилляре прямо пропорциональна поверхностному натяжению ее и обратна пропорциональна радиусу канала капилляра и плотности жидкости.

2. Явление электромагнитной индукции. ЭДС индукции, магнитный поток. Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца.

Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него. Электромагнитная индукция была открыта Майклом Фарадеем 29 августа 1831 года. Он обнаружил, что электродвижущая сила, возникающая в замкнутом проводящем контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Величина электродвижущей силы (ЭДС) не зависит от того, что является причиной изменения потока — изменение самого магнитного поля или движение контура (или его части) в магнитном поле. Электрический ток, вызванный этой ЭДС, называется индукционным током.
Электродвижущая сила (ЭДС) — скалярная физическая величина, характеризующая работу сторонних (непотенциальных) сил в источниках постоянного или переменного тока. В замкнутом проводящем контуре ЭДС равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль контура.

ЭДС индукции. Причиной электродвижущей силы может стать изменение магнитного поля в окружающем пространстве. Это явление называется электромагнитной индукцией. Величина ЭДС индукции в контуре определяется выражением

где — поток магнитного поля через замкнутую поверхность , ограниченную контуром. Знак «−» перед выражением показывает, что индукционный ток, созданный ЭДС индукции, препятствует изменению магнитного потока в контуре (см. правило Ленца).

Магнитный поток. Потоком вектора магнитной индукции через поверхность площадью ΔS называют величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции B на площадь ΔS и на косинус угла α между векторами B и n. ΔФ = BΔScosα.

Закон электромагнитной индукции. ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.

Правило Ленца. Возникающий в замкнутом контуре индукционный ток имеет такое направление, что созданный им магнитный поток через поверхность, ограниченную контуром, стремится препятствовать тому изменению потока, который порождает данный ток.

_____________________________________________________________________________________________ Билет №15.

1. Основные положения МКТ и их опытные обоснования. Диффузия, Броуновское движение. Размер и масса молекул. Количество вещества, постоянная Авогадро.

2. Явление самоиндукции. Индуктивность. Энергия магнитного поля.

3. Задача на электроемкость конденсаторов.

4. Задача на построение графиков процессов, происходящих с идеальным газом.

_____________________________________________________________________________________________

1. Основные положения МКТ и их опытные обоснования. Диффузия, Броуновское движение. Размер и масса молекул. Количество вещества, постоянная Авогадро.

1. В основе молекулярно-кинетической теории лежат три основных положения:

1. Все вещества – жидкие, твердые и газообразные – образованы из мельчайших частиц – молекул, которые сами состоят из атомов («элементарных молекул»). Молекулы химического вещества могут быть простыми и сложными, т.е. состоять из одного или нескольких атомов. Молекулы и атомы представляют собой электрически нейтральные частицы. При определенных условиях молекулы и атомы могут приобретать дополнительный электрический заряд и превращаться в положительные или отрицательные ионы.

2. Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении.

3. Частицы взаимодействуют друг с другом силами, имеющими электрическую природу. Гравитационное взаимодействие между частицами пренебрежимо мало.

Диффузия — самопроизвольное взаимное проникновение молекул соприкасающихся веществ, приводящее к выравниванию концентрации вещества по всему объему. При диффузии молекулы граничащих между собой тел, находясь в непрерывном движении, проникают в межмолекулярные промежутки друг друга и распределяются между ними.

Диффузия проявляется во всех телах — в газах, жидкостях, твердых телах, но в разной степени.

Диффузию в газах можно обнаружить, если, например, сосуд с пахучим газом открыть в помещении. Через некоторое время газ распространится по всему помещению.

Диффузия в жидкостях происходит значительно медленнее, чем в газах. Например, если в стакан налить сначала слой раствора медного купороса, а затем очень осторожно добавить слой воды и оставить стакан в помещении с неизменной температурой, то через некоторое время исчезнет резкая граница между раствором медного купороса и водой, а через несколько дней жидкости перемешаются.

Диффузия в твердых телах происходит еще медленнее, чем в жидкостях (от нескольких часов до нескольких лет). Она может наблюдаться только в хорошо отшлифованных телах, когда расстояния между поверхностями отшлифованных тел близки к межмолекулярному расстоянию (10^-8 см). При этом скорость диффузии увеличивается при повышении температуры и давления.

Диффузия играет большую роль в природе и технике. В природе благодаря диффузии, например, осуществляется питание растений из почвы. Организм человека и животных всасывает через стенки пищеварительного тракта питательные вещества. В технике с помощью диффузии, например, поверхностный слой металлических изделий насыщается углеродом (цементация) и т.д.

§ Разновидностью диффузии является осмос — проникновение жидкостей и растворов через пористую полупроницаемую перегородку.

Броуновское движение — это беспорядочное движение мельчайших твердых частиц, "взвешенных" в жидкостях (газах).

"Взвешенные" частицы — это частицы, плотность вещества которых сравнима с плотностью среды, в которой они находятся. Такие частицы находятся в равновесии, и малейшее внешнее воздействие на нее приводит к их движению.

Для броуновского движения характерно следующее:

1. броуновские частицы совершают непрерывное хаотическое движение, интенсивность которого зависит от температуры и от размеров броуновской частицы;

2. траектория движения броуновской частицы очень сложная, не зависит от природы вещества частиц и внешних условий.

Причинами броуновского движения являются:

1. тепловое хаотическое движение молекул среды, в которой находится броуновская частица;

2. отсутствие полной компенсации ударов молекул среды об эту частицу с различных сторон, так как движение молекул носит случайный характер.

Движущиеся молекулы жидкости при столкновении с какими-либо твердыми частицами передают им некоторое количество движения. Случайно с одной стороны о частицу ударит заметно большее число молекул, чем с другой, и частица придет в движение.

§ Если частица достаточно велика, то число молекул, налетающих на нее со всех сторон, чрезвычайно велико, их удары в каждый данный момент компенсируются, и такая частица практически остается неподвижной.

Масса молекул
Определить массу молекулы обычным путем, т.е. взвешиванием, конечно, невозможно. Она для этого слишком мала. В настоящее время существует много методов определения масс молекул, в частности, с помощью масс-спектрографа определены массы m ₀ всех атомов таблицы Менделеева. Так, для изотопа углерода 126 C m ₀ = 1,995·10^-26 кг. Поскольку массы атомов и молекул чрезвычайно малы, то при расчетах обычно используют не абсолютные, а относительные значения масс, получаемые путем сравнения масс атомов и молекул с атомной единицей массы, в качестве которой выбрана 112 часть массы атома изотопа углерода 126 C: 1 а.е.м. = 1/12 m _0C = 1,660·10^-27 кг.
Относительной молекулярной (или атомной) массой M _r называют величину, показывающую, во сколько раз масса молекулы (или атома) больше атомной единицы массы: Mr = m 0112⋅ m 0 C.
Относительная молекулярная (атомная) масса является безразмерной величиной. Относительные атомные массы всех химических элементов указаны в таблице Менделеева. Так, у водорода она равна 1,008, у гелия — 4,0026. При расчетах относительную атомную массу округляют до ближайшего целого числа. Например, у водорода до 1, у гелия до 4. Относительная молекулярная масса данного вещества равна сумме относительных атомных масс элементов, входящих в состав молекулы данного вещества. Ее рассчитывают, пользуясь таблицей Менделеева и химической формулой вещества. Так, для воды Н₂O относительная молекулярная масса равна M _r = 1·2 + 16 = 18.

Количество вещества. Постоянная Авогадро
Количество вещества, содержащегося в теле, определяется числом молекул (или атомов) в этом теле. Поскольку число молекул в макроскопических телах очень велико, для определения количества вещества в теле сравнивают число молекул в нем с числом атомов в 0,012 кг изотопа углерода 126 C. Количество вещества ν — величина, равная отношению числа молекул (атомов) N в данном теле к числу атомов N _A в 0,012 кг изотопа углерода 126 C: ν = NNA. В СИ единицей количества вещества является моль. 1 моль — количество вещества, в котором содержится столько же структурных элементов (атомов, молекул, ионов), сколько атомов в 0,012 кг изотопа углерода 126 C. Число частиц в одном моле вещества называется постоянной Авогадро. NA =0,012 m 0 C =0,0121,995⋅10−26 = 6,02·10²³ моль^-1. Таким образом, 1 моль любого вещества содержит одно и то же число частиц — N _A частиц. Так как масса m ₀ частицы у разных веществ различна, то и масса N _A частиц у различных веществ различна. Массу вещества, взятого в количестве 1 моль, называют молярной массой М: M = m 0 NA. В СИ единицей молярной массы является килограмм на моль (кг/моль). Между молярной массой Μ и относительной молекулярной массой M _r существует следующая связь: M = Mr ⋅10−3.
Так, молекулярная масса углекислого газа 44, молярная 44·10^-3 кг/моль. Зная массу вещества и его молярную массу М, можно найти число молей (количество вещества) в теле ν = mM. Тогда из формулы (2) число частиц в теле N = νNA = mMNA. Зная молярную массу и постоянную Авогадро, можно рассчитать массу одной молекулы: m 0= MNA = mN.
Размеры молекул
Размер молекулы является величиной условной. Его оценивают так. Между молекулами наряду с силами притяжения действуют и силы отталкивания, поэтому молекулы могут сближаться лишь до некоторого расстояния d (рис. 1).

Расстояние предельного сближения центров двух молекул называют эффективным диаметром молекулы d (при этом считают, что молекулы имеют сферическую форму). Размеры молекул различных веществ неодинаковы, но все они порядка 10^-10 м, т.е. очень малы.

2. Явление самоиндукции. Индуктивность. Энергия магнитного поля.

При самоиндукции проводящий контур играет двоякую роль: по нему протекает ток, вызывающий индукцию, и в нем же появляется ЭДС индукции. изменяющиеся магнитное поле индуцирует ЭДС в том самом проводнике, по которому течет ток, создающий это поле. В момент нарастания тока напряженность вихревого электрического поля в соответствии с правилом Ленца направлена против тока. Следовательно, в этот момент вихревое препятствует нарастанию тока. Наоборот, в момент уменьшения тока вихревое поле поддерживает его. Это приводит к тому, что при замыкании цепи, содержащей источник постоянной ЭДС, определенное значение силы тока устанавливается не сразу, а постепенно с течением времени. С другой стороны, при отключении источника ток в замкнутых контурах прекращается не мгновенно. Возникающая при этом ЭДС самоиндукции может превышать ЭДС источника, так как изменение тока и его магнитного поля при отключении источника происходит очень быстро. Также явление самоиндукции можно наблюдать на простых примерах.

Индуктивность. Модуль B магнитной индукции, создаваемой током в любом замкнутом контуре, пропорционален силе тока. Так как магнитный поток Ф пропорционален B, то
Ф~B~I. Можно, следовательно, утверждать, что Ф = LI, где L - коэффициент пропорциональности между током в проводящем контуре и созданным им магнитным потоком, пронизывающий этот контур. Величину L называют индуктивностью контура или его коэффициентом самоиндукции. Используя закон электромагнитной индукции получим равенство: ℰis = -ΔФ/Δt = -LΔI/Δt, если считать, что форма контура остается неизменной и поток меняется только за счет изменения тока. индуктивность - это физическая величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1А. Индуктивность зависит от геометрических факторов: размеров проводника и его формы, но не зависит непосредственно от силы тока в проводнике. Кроме геометрии проводника, индуктивность зависит от магнитных свойств среды, в которой находится проводник. Единицу индуктивности в СИ называют генри(Гн). Индуктивность проводника равна 1Гн, если в нем при изменении силы тока на 1А за 1с возникает ЭДС самоиндукции 1В.

Энергия магнитного поля. Работа A, совершаемая источником с ЭДС ℰ за малое время Δt, равна: A = ℰIΔt. Согласно закону сохранения энергии эта работа равна сумме приращения энергии тока ΔWм и количества выделяемой теплоты Q = I**2 RΔt: A = ΔWм + Q. Отсюда приращение энергии тока ΔWм = A - Q= IΔt(ℰ - IR). Согласно закону Ома для полной цепи
IR = ℰ + ℰis, где ℰis = - LΔI/Δt - ЭДС самоиндукции.
Получаем ΔWм = IΔt(ℰ - ℰ - ℰis) = -ℰisIΔt = LIΔI. Следовательно, Wм = LI**2/2.

_____________________________________________________________________________________________ Билет №16.

1. Изопроцессы. Графики изопроцессов.

2. Закон Кулона. Опыт Кулона.

3. Задачи на разветвленные электрические цепи.

4. Задача на расчет энергии магнитного поля тока.

_____________________________________________________________________________________________

1. Изопроцессы. Графики изопроцессов.

Изопроцессы — термодинамические процессы, во время которых количество вещества и ещё одна из физических величин — параметров состояния: давление, объём или температура — остаются неизменными. Так, неизменному давлению соответствует изобарный процесс, объёму — изохорный, температуре — изотермический. Линии, изображающие данные процессы на какой-либо термодинамической диаграмме, называются изобара, изохора, изотерма и адиабата соответственно.

Изобарный процесс — процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном давлении P = const.
= const

Зависимость объёма газа от температуры при неизменном давлении была экспериментально исследована в 1802 году Жозефом Луи Гей-Люссаком. Закон Гей-Люссака: При постоянном давлении и неизменных значениях массы газа и его молярной массы, отношение объёма газа к его абсолютной температуре остаётся постоянным: V/T = const.

Изохорный процесс — процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном объёме V = const. Для идеальных газов изохорический процесс описывается законом Шарля: для данной массы газа при постоянном объёме, давление прямо пропорционально температуре:
= const

Линия, изображающая изохорный процесс на диаграмме, называется изохорой.

Ещё стоит указать что поданная к газу энергия расходуется на изменение внутренней энергии то есть Q = 3* ν*R*T/2=3*V*ΔP, где R — универсальная газовая постоянная, ν количество молей в газе, T температура в Кельвинах, V объём газа, ΔP приращение изменения давления, а линию, изображающая изохорный процесс на диаграмме, в осях Р(Т), стоит продлить и пунктиром соединить с началом координат, так как может возникнуть недопонимание.

Изотермический процесс — процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянной температуре (T = const, PV = const). Изотермический процесс описывается законом Бойля — Мариотта:

При постоянной температуре и неизменных значениях массы газа и его молярной массы, произведение объёма газа на его давление остаётся постоянным: PV = const.

2. Закон Кулона. Опыт Кулона.

Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Эту силу называют кулоновской.

F = k, где k - коэффициент пропорциональности, значение которого зависит от выбора единиц электрического заряда.