Ответы на билеты за 10 класс для школ с физико математическим уклоном

Примечание	Sonyq@chat.ru
	Загрузить архив:
	Файл: ref-7923.zip (255kb [zip], Скачиваний: 84) скачать

Билет №1

В основе МКТ строения лежат три утверждения: вещество состоит из частиц; эти частицы беспорядочно движутся; частицы взаимодействуют друг с другом.

Основные положения

1.Вещество состоит из атомов (молекул). Размеры атомов (молекул) очень малы. Число атомов содержащихся в одном моле – число Авагадро N_А=6,022·10²³. Моль – количество вещества, в котором содержится столько же атомов и молекул, сколько атомов содержится в углероде массой 0,012 кг.

Оценка размеров молекул: это можно сделать принаблюдении за расплывание капельки масла (оливкового) по поверхности воды. Масло никогда не займет всю поверхность, если сосуд велик. Можно предположить , что при растекании масла по максимальной площади оно образует слой толщиной всего лишь в одну молекулу. Толщину этого слоя нетрудно определить и тем самым оценить размеры молекулы оливкового масла. Массу можно узнать по формуле: m=m₀N. Кол-во ве-ва

2.Атомы (молекулы) вещества находятся в   непрерывном хаотическом тепловом движении. Наиболее яркое доказательство – броуновское движение (Р. Броун, 1827 г.) мелких частиц,

взвешенных в жидкости, происходящееиз-за непрерывных беспорядочных соударений этих частиц с молекулами жидкости. Другой простой экспериментальный факт, доказывающий тепловое движение атомов вещества, это диффузия.

3.Между атомами (молекулами) вещества действуют силы притяжения и отталкивания, зависящие от расстояния между частицами. На далеких расстояниях (превышающих несколько

радиусов молекулы) взаимодействие слабо и носит характер притяжения. С уменьшением расстояния это притяжение сначала несколько возрастает, а затем стремится к нулю. В момент соприкосновения электронных оболочек молекул возникают быстро растущие с уменьшением расстояния силы электростатического отталкивания.

4. строение газов, жидкостей и твердых тел.

Газ: Расстояние между отдельными    молекулами (атомами) в газах очень велико по сравнению с размерами самихмолекул. Поэтому силы притяжения между молекулами в газе пренебрежимо малы. Следовательно, газы могут   неограниченно расширяться, занимая любой предоставленный им объем, а значит и легко сжимается.

Жидкость: Молекулы в жидкости расположены достаточно близко друг к другу, так что при попытке сжатия жидкости возникают большие силы отталкивания. Отсюда малая сжимаемость жидкостей. Молекулы ведут оседлую жизнь, всреднем она равна 10^-11с. Жидкости текучи, т.е. не сохраняют свою форму.

Твердые тела: В твердом теле атомы или молекулы могут лишь колебаться вокругопределенных положений равновесия. Поэтому твердые тела сохраняют и форму, и объем. У кристаллических твердых тел центры атомов (молекул) образуют пространственную решетку, в    узлах которой находятся атомы вещества. Аморфные твердые тела не обладают жесткой структурой и скорее напоминают застывшие жидкости.

Билет №2

      Модель идеального газа

У разреженного газа расстояние между молекулами во много раз превышает их размеры. В этом случае взаимодействие между молекулами пренебрежимо мало и кинетическая энергия молекул много больше потенциальной энергии взаимодействия. Молекулы газа можно рассматривать как очень маленькие твердые шарики. Вместо реального газа, между молекулами которого действуют сложные силы взаимодействия. Идеальный газ – это газ, взаимодействие между молекулами которого пренебрежимо мало. Принимается, что при соударениях между собой и со стенками сосуда молекулы такого газа ведут себя как абсолютно упругие шарикиконечных, но весьма малых размеров. Эти соударения происходят по законам, справедливым для абсолютно упругого удара. Существующие в действительности газы при не слишком низких температурах и достаточно малых давлениях – разреженные газы – по своим свойствам близки к идеальному газу.

Средний квадрат скорости молекул. От этой величины зависит средняя кинетическая энергия молекул.Средняя кинетическая энергия молекул имеет очень большое значение во всей молекулярно- кинетическойтеории. Среднее значение квадрата скорости определяется следующей формулой :

Ур-е МКТ газа:                         

                                   F- вектор силы, S-площадь,n-концентрация молекул,

                                   v-вектор среднего квадрата скорости, m₀ –масса одной молекулы

Билет № 3

Между тремя основными параметрами состояния тела существует связь, называемая – уравнением состояния идеального газа. Концентрация газа                 (1)N_A-постоянная Авогадро, m- масса газа, M- молекулярная масса.

Если подставить (1) в                произведение постоянной Больцмана на постоянную Авогадро – универсальная газовая постоянная R=8,31Дж/моль К  

Оно записывается в форме зависимости p,V, T .- уравнение состояния идеального газа

R- универсальная газовая постоянная

Изопроцессы – Термодинамические процессы, протекающие в системе с неизменной массой при постоянном значении одного из параметров системы.

Изотермический процесс – Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянной температуре. Для поддержания температуры газа постоянно необходимо, чтобы он мог обмениваться теплотой с большой системой – термостатом.

Для газа данной массы произведение давления газа на его объем постоянно, если температура газа не меняется. PV=constпри T=const – закон Бойля-Мариотта. В термодинамической диаграмме p-V – кривая линия (Изотерма).

Изобарный процесс - Процесс изменения состояния

термодинамической системы при постоянном давлении.

Для газа данной массы отношение объема к температуре

постоянно, если давление газа не меняется.              при p=const, V=const·T –закон Гей-Люссака. Изображается на графике прямой (Изобара). Различным

давлениям соответствует разные изобары.

С ростом давления объем газа при постоянной температуре

согласно закону Бойля-Мариотта уменьшается. В области низких

температур все изобары идеального газа сходятся в точке Т=0.

Но это не означает, что объем реального газа действительно обращается в нуль. Все газы при сильном охлаждении превращаются в жидкости, а к жидкостям уравнение состояния идеального газа неприменимо. Изобарным можно считать расширение газа при нагревании его в цилиндре с подвижным поршнем. Постоянство давления в цилиндре обеспечивается атмосферным давлением на внешнюю поверхность поршня.

Изохронный процесс – процесс изменения состояниятермодинамической системы при постоянном объеме .              при V=constp=const·T – закон Шарля

В соответствии с уравнением p=const·Tвсе изохоры начинаются в точке Т=0. Значит, давление идеального газа при абсолютном нуле равно нулю. Увеличение давления газа в любой емкости или в электрической лампочке при нагревании является изохорным процессом. Изохорный процесс используется в газовых термометрах постоянного объема. Изображается на графике прямой (Изохора).

   

Билет № 4

Пусть жидкость занимает часть объема замкнутого сосуда. При любой температуре существует некоторое количество достаточно энергичных молекул внутри жидкости, которые способны разорвать связи с соседними молекулами и вылететь из жидкости. Чем больше температура и при наличии ветра тем быстрее происходит испарение.В то же время в паре, занимающем остальной объем внутри сосуда, всегда найдутся молекулы, которые влетают обратно в жидкость и не могут вылететь обратно. Таким образом, в этом сосуде все время происходят два конкурирующих процесса – испарение и обратная конденсация. Когда число молекул, покидающих жидкость, становится равным числу молекул, возвращающихся обратно, то наступает динамическое равновесие между жидкой и газообразной фазой, говорят, что пар достиг насыщения.

Пар называется ненасыщенным, если его давление меньше давления насыщенного при данной температуре.

Давление насыщенного пара существенно зависит от температуры: чем она выше, тем

больше молекул имеют достаточную энергию, чтобы покинуть жидкость, следовательно, должна возрасти и плотность насыщенного пара.

р₀ =nkT. Давление пара р₀ , при котором жидкость находится в равновесии со своим паром, называется давлением насыщенного пара. Давление насыщеного пара растет не только вследствие повышения температуры жидкости, но и вследствие увеличения концентрации молекул пара.

AB-от увеличение температурыдавление возрастает

ВС-при испарении всей жидкостидавление при постоянном объеме

возрастает прямо пропорционально абсолютной температуре

Кипение. По мере увеличения температуры жидкости интенсивность испарения увеличивается, жидкость начинает кипеть. При кипении по всему объему жидкости образуются быстро растущие пузырьки пара, которые всплывают на поверхность. Температура кипения жидкости остается постоянной. Это происходит потому, что вся подводимая к жидкости энергия расходуется на превращение ее в пар.

В жидкости всегда присутствуют растворенные газы, которые выделяются на дне и стенках сосуда, а также на взвешенных в жидкости пылинках. Пары жидкости, которые находятся внутри пузырьков, являются насыщенными. С увеличением температуры давление насыщенных паров возрастает и пузырьки увеличиваются в размерах. Под действием выталкивающей силы они всплывают вверх. Если верхние слои жидкости имеют более низкую температуру, то в этих слоях происходит конденсация пара в пузырьках. Давление стремительно падает, и пузырьки захлопываются. Захлопывание происходит настолько быстро, что стенки пузырька, сталкиваясь, производят нечто вроде взрыва. Множество таких микровзрывовсоздает характерный шум. Когда жидкость достаточно прогреется, пузырьки перестанут захлопываться и всплывут на поверхность. Жидкость закипит. Перед закипанием чайник почти перестает шуметь.

Зависимость давления насыщенного пара от температуры объясняет, почему температура кипения жидкости зависит от давления на ее поверхность. Пузырек пара может расти, когда давления насыщенного пара внутри его немного превосходит давление в жидкости, которое складывается из давления воздуха на поверхность жидкости (внешнее давление) и гидростатического давления столба жидкости. Кипение начинается при температуре, при которой давление насыщенного пара в пузырьках сравнивается с давлением в жидкости. Чем больше внешнее давление, тем выше температура кипения, и наоборот, уменьшая внешнее давление- понижается температура кипения.

У каждой жидкости своя температура кипения, которая зависит от давления насыщенного пара. Чем выше давление насыщенного пара, тем ниже температура кипения соответствующей жидкости, т.к.. при меньших температурах давление насыщенного пара становится равным атмосферному.

Критическая температура- это температура, при которой исчезают различия в физических свойствах между жидкостью и ее насыщенным паром. Представление о критической температуре ввел Д. И. Менделеев. При критической температуре плотность и давление насыщенного пара становятся максимальными, а плотность жидкости, находящейся в равновесии с паром, - минимальной. Особое значение критической температуры состоит в том, что при температуре выше критической ни при каких давлениях газ нельзя обратить в жидкость. Газ, имеющий температуру ниже критической, представляет собой ненасыщенный пар.           

Влажность воздуха

Содержание водяного пара в воздухе, т.е. его влажность, можно характеризовать несколькими величинами.

Парциальное давление водяного пара. Атмосферный воздух представляет собой смесь различных газов и водяного пара. Каждый из газов вносит свой вклад в суммарное давление, производимое воздухом на находящиеся в нем тела. Давление, которое производил бы водяной пар, если бы все остальные газы отсутствовали, называют парциальным давлением водяного пара. Парциальное давление водяного пара принимают за один из показателей влажности воздуха. Его выражают в единицах давления – паскалях или в миллиметрах ртутного столба.

Относительная влажность. По парциальному давлению водяного пара еще нельзя судить о том, насколько водяной пар в данных условиях близок к насыщению. Относительная влажность – величина, показывающая, насколько водяной пар при данной температуре близок к насыщению.

    называют отношение парциального давления p водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению p₀ насыщенного пара при той же температуре, выраженной в процентах:

Психрометр – прибор, с помощью которого измеряют влажность воздуха. Он состоит из двух термометров.

Билет №5

Кристаллы – это твердые тела, атомы или молекулы которых занимают определенные, упорядоченные положения в пространстве. Кристаллы по - разному проводят теплоту иток в различных направлениях. От направления зависят и оптические свойства кристаллов. Анизотропия – зависимость физических свойств от направления внутри кристалла. Различаются четыре типа кристаллической решетки: 1). Ионные кристаллы – большинство неорганических соединений, например соли, окиси металлов; 2). Атомные кристаллы – кристаллические решетки полупроводников, многие органические твердые тела; 3). Молекулярные кристаллы – бром, метан, нафталин, парафин, многие твердые органические соединения; 4). Металлические кристаллы – металлы. Твердое тело, состоящее из большого числа маленьких кристаллов, называют поликристаллическими. Одиночные кристаллы называют монокристаллами. Аморфные тела не имеют определенной формы в своей структуре строения атома или молекулы, не имеют кристаллической решетки, обладают свойством изотропии. Изотропия – это свойство одинаково передавать тепло, электрический ток по всем направлениям одинаково. Определенной температуры плавления у аморфных тел нет.

Деформацией – наз. изменение формы или объема тела.

Растяните резиновый шнур за концы. Очевидно, участки шнура сместятся друг относительно друга; шнур окажется деформированным — станет длиннее и тоньше. Деформа­ция возникает всегда, когда различ­ные части тела под действием сил перемещаются неодинаково.

Шнур после прекращения дей­ствия на него сил возвращается в исходное состояние. Деформации, которые полностью исчезают после прекращения действия внешних сил, называются упругими. Кроме рези­нового шнура, упругие деформации испытывают пружина, стальные ша­рики при столкновении и т. д.

Теперь сожмите кусочек пласти­лина. В ваших руках он легко примет любую форму. Первоначаль­ная форма пластилина не восста­новится сама собой. Деформации, которые не исчезают после прекращения дей­ствия внешних сил, называются пластическими.

Деформация растяжения (сжа­тия). Если к однородному стержню, закрепленному одним концом, приложить силу F вдоль оси стержня в направлении от этого конца, то стержень подвергнет­ся деформации растяжения. Дефор­мацию растяжения характеризуют абсолютным удлинением ∆l=l-l₀ и относительным удлинением

где l₀—начальная длина, а l— конечная длина стержня.

Деформацию растяжения испы­тывают тросы, канаты, цепи в подъемныхустройствах,  стяжки между вагонами и т.д.

Если настержень подействовать силой F, направленной к закрепленному концу, то стержень подвергнется деформа­ции сжатия. В этом случае отно­сительная деформация отрицатель­на: ε<0.

Деформацию сжатия испытывают столбы, колонны и др.

При растяжении или сжатии изменяется площадь поперечного сечения тела.

Деформация сдвига.

Деформацию, при которой про­исходит смещение слоев тела друг относительно друга, называют де­формацией сдвига.

Если силу F увеличить в 2 раза, то и уголувеличится в 2 раза. Опыты показывают, что при упругих деформациях угол сдвигапрямо пропорционален модулю F приложен­ной силы.

Деформациям сдвига подверже­ны все балки в местах опор, заклепкии болты, скрепляющие детали, и т.д

Изгиб и кручение. Более слож­ными видами деформаций являются изгиб и кручение. Деформацию изгиба испытывает, например, на­груженная балка. Кручение проис­ходит при завертывании болтов, вращении валов машин, сверл и т. д. Эти деформации сводятся к не­однородному растяжению или сжа­тию и неоднородному сдвигу.

Билет 6.

Внутренняя энергия - это энергия движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело .Внутренняя энергия зависит от температуры тела, его агрегатного состояния, от химических, атомных и ядерных реакций. Она не зависит ни от механического движения тела, ни от положения это­го тела относительно других тел. Внутреннюю энергию можно изменить путем совершения работы и теплопередачи. Если над телом совершается работа, то внутренняя энергия тела уве­личивается, если же это тело совершает работу, то его внутренняя энергия уменьшается. Виды теплопередачи: теплопроводность, кон­векция и излучение.

Первый закон термодинамики.

Закон сохранения и превращения энергии, распространенный на тепловые явления, носит название первого закона термодинамики.

Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе:

∆U=А+Q

Если система изолирована, то над ней не совершается работа (A==0) и она не обменивается теплотой с окружающими телами (Q==0). В этом случае согласно первому   закону   термодинамики ∆U=U₂— U₁ или U₂=U₁. Внут­ренняя энергия изолированной сис­темы остается неизменной (сохра­няется) .

Часто вместо работы А внешних тел над системой рассматривают работу A' системы над внешними телами. Учитывая, что A'= -Aпервый закон термоди­намики в формеможно записать так:Q=∆U+A’

Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системной работы над внешними телами.

Изохорный процесс. При изо хор-ном процессе объем газа не меняется и поэтому работа газа равна нулю. Изменение внутренней энергии согласно уравнению Q=∆U+A’ равно количеству переданной теплоты:

∆U =Q.Если газ нагревается, то Q>0 и ∆U >0, его внутренняя энергия увеличивается. При охлаждении га­за Q<0 и ∆U=U₂— U₁<0, изме­нение внутренней энергии отрица­тельно и внутренняя энергия газа уменьшается.

Изотермический процесс. При изотермическом процессе (T==const) внутренняя энергия идеального га­за не меняет­ся. Все переданное газу количество теплоты идет на совершение работы: Q==A'. Если   газ  получаеттеплоту (Q>0), то он совершает поло­жительную работу (А'>0). Если, напротив, газ отдает теплоту окру­жающей среде (термостату), то Q<0 и А'<0. Работа же внешних сил над газом в последнем случае положительна.

Изобарный процесс. При изобар­ном процессе передаваемое газу количество теплоты идет на изменение его внутренней энергии и на совершение им работы при постоянном давле­нии.

Адиабатный процесс.

Процесс в теплоизолированной сис­теме называют адиабатным. При адиабатном процессе Q=0 и согласно уравнению ∆U=А+Q изме­нение внутренней энергии происхо­дит только за счет совершения работы: ∆U=А

Нельзя окружить систе­му оболочкой, абсолютно не до­пускающей теплопередачу. Но в ряде случаев можно считать реальные процессы очень близкими к адиабатным. Для этого они должны про­текать достаточно быстро, так, чтобы за время процесса не произошло заметного теплообмена между сис­темой и окружающими телами.

Билет№7

Принципы действия тепловых двигателей.

Для того чтобы двига­тель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двига­телях эта разность давлений дости­гается за счет повышения темпера­туры рабочего тела на сотни или тысячиградусов 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.

В двигателях внутреннего сго­рания и газовых турбинах повыше­ние температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру Т₁ называют температурой нагревателя.

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя. Невоз­можность  полного   превращения внутренней энергии газа в работу тепловых двигателей обусловлена необратимостью процессов в приро­де. Если бы теплота могла само­произвольно возвращаться от холо­дильника к нагревателю, то внутрен­няя энергия могла бы быть пол­ностью превращена в полезную работу с помощью любого теплового двигателя.

Согласно   закону   сохранения энергии работа, совершаемая дви­гателем, равна:

A'=|Q_l|-|Q₂|

где Q₁ — количество теплоты, полу­ченное от нагревателя, aQ₂ —количество теплоты, отданное холо­дильнику.

Коэффициентом полезного дейст­вия теплового двигателя называют отношение работы А', совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

КПД теплового двигателя меньше единицы. При Т₁—Т₂=0 двигатель не может работать.

Максимальное значение КПД тепловых двигателей. Законы термо­динамики позволяют вычислить мак­симально возможный КПД теплового двигателя, работающего с нагрева­телем, имеющим температуру Т₁, и холодильником с температурой Т₂. Впервые это сделал французский инженер и ученый Сади Карно .

Карно придумал идеальную теп­ловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Он полу­чил для КПД этой машины следую­щее значение:

Как и следовало ожидать, КПД машины Карно прямо

пропорцио­нален разности абсолютных темпе­ратур нагревателя и холодильника.

Главное значение этой формулы состоит в том, как доказал Карно, что любая реальная тепловая маши­на, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т₁, и холо­дильником с температурой Т₂ не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины.

При температуре холодильника, рав­ной абсолютному нулю, η=1

Тепловые двигатели и охрана природы. Повсеместное применение тепловых двигателей с целью полу­чения удобной для использования энергии связано с воздействием на

окружающую среду. Согласно законам термодинамики производство электрической и механической энергии в принципе не может быть осуществлено без отвода в окружающую среду значительного количества теплоты, что должно привести к постепенному повышению средней температуры на Земле. Сейчас мощность двигателей в целом составляет около 10¹⁰ кВт. Когда эта мощность достигнет 3*10¹² кВт, то средняя температура повысит­ся примерно на один градус. Дальнейшее повышение температуры может создать угрозу таяния лед­ников и катастрофического повы­шения уровня Мирового океана. Кроме того,на Зем­ле может возникнуть “паровой эффект”.

Применение паровых турбин на электростанциях требует больших площадей под пруды для охлаждения отработанного пара.

Охрана: Необхо­димо повышать эффективность со­оружений, препятствующих выбросу в атмосферу вредных веществ, до­биваться более полного сгорания топлива в автомобильных двигате­лях. Уже сейчас не допускаются к эксплуатации автомобили с повы­шенным содержанием СО в отрабо­танных газах. Создают электромобили, способние конкурировать с обычными, и возможность применения горючего без вредных веществ в отработанных газах, например в двигателях, рабо­тающих на смеси водорода с кисло­родом.

Билет№8

Электризация тел и ее применение в технике. Значительная электриза­ция происходит при трении синтети­ческих тканей. Снимая нейлоновую рубашку в сухом воздухе, можно слышать характерное потрескива­ние. Между заряженными участками трущихся поверхностей проскаки­вают маленькие искорки. С подоб­ными явлениями приходится считать­ся на производстве. Так, нити пряжи на текстильных фабриках электри­зуются за счет трения, притягивают­ся к веретенам и роликам и рвутся. Электризация тел при тесном кон­такте используется в электрокопиро­вальных установках типа «Ксе­рокс» и др.<

Опыт с электризацией пластин до­казывает, что при электризации тре­нием происходит перераспределение имеющихся зарядов между телами, нейтральными в первый момент. Не­большая часть электронов переходит с одного тела на другое. При этом новые частицы не возникают, а су­ществовавшие ранее не исчезают. При электризации тел выполняет­ся закон сохранения электрического заряда. Этот закон для зам­кнутой системы. В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остается неизменной. Если заряды частиц обозначить через q₁ ,q₂ и т.д., то

q₁ , +q₂ +q₃ +…+q_n= const

Справедливость закона сохране­ния заряда подтверждают наблюде­ния над огромным числом превраще­ний элементарных частиц. Этот закон выражает одно из самых фундаментальных свойств электрического заряда. Причина сохранения заряда до сих пор неизвестна.

Закон Кулона. Опыты Кулона привели к установлению закона поразительно напоминающего закон всемирного тяготения. Сила взаимо­действия двух точечных неподвиж­ных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению мо­дулей заряда и обратно пропор­циональнаквадратурасстояние между ними. Эту силу называют кулоновской.

Если обозначить модули зарядов через |q₁| и |q₂|, а расстояние между ними через r, то закон Ку­лона можно записать в следующей форме:

где k — коэффициент пропорцио­нальности, численно равный силе взаимодействия единичных зарядов на расстоянии, равном единице дли­ны. Его значение зависит от выбора системы единиц.

Билет№9

Электрическое поле.

Электрическое поле существует реально; его свойства можно исследовать опытным путем. Неизвестно из чего оно состоит.

Дом состоит из кирпичей, плит и других материалов, которые в свою очередь состоят из молекул, моле­кулы — из атомов, атомы — из эле­ментарных частиц. Более же простых образований, чем элементарные час­тицы, мы не знаем. Так же обстоит дело и с электрическим полем, ни­чего более простого, чем поле, мы не знаем. Поэтому о природе электрического поля мы можем сказать лишь следующее:

во-первых, поле материально; оно существует независимо от нас, от на­ших знаний о нем;

во-вторых, поле обладает определенными свойствами.

Основные свойства электрическо­го поля. Главное свойство электри­ческого поля — действие его на элек­трические заряды с некоторой силой.

Электрическое поле неподвиж­ных зарядов называют электроста­тическим. Оно не меняется со вре­менем. Электростатическое поле со­здается только электрическими за­рядами. Напряженность электрического поля. Электрическое поле обнару­живается по силам, действующим на заряд.

Если поочередно помещать в одну и ту же точку поля небольшие за­ряженные тела и измерять силы, то обнаружится, что сила, действующая на заряд со стороны поля, прямо

пропорциональная этому заряду. Дей­ствительно, пусть поле создается точечным зарядом q₁. Согласно зако­ну Кулонана заряд q₂ дей­ствует сила, пропорциональная заря­ду q₂. Поэтому отношение силы, дей­ствующей на помещаемый в данную точку поля заряд, к этому заряду для каждой точки поля не зависит от заряда и может рассматриваться как характеристика поля. Эту харак­теристику   называют   напряжен­ностью электрического поля. Подоб­но силе, напряженность поля—век­торная величина; ее обозначают бук­вой Е. Если помещенный в поле заряд обозначить через q вместо q₂ то напряженность будет равна:

Напряженность поля равна отношению силы, с которой поле дей­ствует на точечный заряд, к этому заряду.

Отсюда сила, действующая на за­ряд q со стороны электрического поля, равна:

Напря­женностьполя в единицах СИ можно выразить, в ньютонах на кулон (Н/Кл).

Принцип суперпозиции полей.

Если на тело действует несколько сил, то согласно законам механики результирующая сила равна геомет­рической сумме сил:

На электрические заряды дей­ствуют силы со стороны электри­ческого поля. Если при наложении полей от нескольких зарядов эти по­ля не оказывают никакого влияния друг на друга, то результирующая сила со стороны всех полей должна быть равна геометрической сумме сил со стороны каждого поля. Опыт показывает, что именно так и про­исходит на самом деле. Это озна­чает, что напряженности полей скла­дываются геометрически.

В этом состоит принцип супер­позиции полей который форму­лируется так: если в данной точке пространства различные заряжен­ные частицы создают электрические поля, напряженности которых                  и т. д., то результирующая напряженность поля в этой точке равна:

Билет № 10

Работа при перемещении заря­да в однородном электростатическом поле. Однородное поле создают, на­пример,   большие   металлические пластины, имеющие заряды проти­воположного знака. Это поле дей­ствует на заряд с постоянной силой F=qE.

Пусть пластины расположены вер­тикально левая пласти­на В заряжена отрицательно,

а пра­вая  D — положительно. Вычислим работу, совершаемую полем при

пе­ремещении положительного заряда qиз точки 1, находящейся на расстоя­нии d₁

от пластины В, в точку 2, расположенную   на   расстоянии d₂1от той же пластины.

Точки 1 и 2 лежат на одной силовой линии. На участке пути ∆d=d₁—d₂электрическое

поле совершит поло­жительную работу: A=qE(d₁—d₂). Эта работа не зависит от формы

траектории.

Потенциалом электростатическо­го поля называют отношение

потен­циальной энергии заряда в поле к этому заряду.

Согласно данному определению потенциал равен:

(Разность потенциалов. Подобно потенциальной энергии, значение по­тенциала в данной

точке зависит от выбора нулевого уровня для отсчета потенциала. Практическое значение

имеет не сам потенциал в точке, а изменение потенциала, которое не за­висит от выбора

нулевого уровня отсчета потенциала.

Так как потенциальная энергия W_p=qφ то работа равна:

Разность потенциалов равен:

Разность потенциалов (напряже­ние) между двумя точками равна отношению работы поля при пе­ремещении заряда из начальной точки в конечную к этому за­ряду.Pаз­ность потенциалов между двумя точками равна единице, если при перемещении заряда в 1 Кл из одной точки в другую электрическое поле совершает работу в 1 Дж. Эту еди­ницу называют вольтом (В).

Билет №11

Электроемкость.Электроем­кость физиче­ская величина, характеризующая способность двух проводников на­капливать электрический заряд. Эту величину   называют.

Напряжение между двумя про­водниками пропорционально элек­трическим зарядам, которые нахо­дятся на проводниках. Если заряды удвоить, то на­пряженность электрического поля станет в 2 раза больше, следователь­но, в 2 раза увеличится и работа, со­вершаемая полем при перемещении заряда, т. е. в 2 раза увеличится на­пряжение. Поэтому отношение заря­даодного из проводниковк разности потенциалов меж­ду этим проводником и соседним не зависит от заряда. Оно определяется геометрическими размерами провод­ников, их формой и взаимным рас­положением, а также электрически­ми свойствами окружающей среды (диэлектрической проницаемостью ε). Это позволяет ввести понятие электроемкости двух проводников.

Электроемкостью двух проводни­ков называют отношение заряда одного из проводников к разности потенциалов между этим проводни­ком и соседним:

Иногда говорят об электроем­кости одного проводника. Это имеет

смысл, если проводник является уединенным, т. е. расположен на большом по сравнению с его раз­мерами расстоянии от других про­водников. Так говорят, например, о емкости проводящего шара. При этом подразумевается, что роль дру­гого проводника играют удаленные предметы, расположенные вокруг шара.

Электроемкость двух проводни­ков равна единице, если при сооб­щении им зарядов ±1 Клмежду ними возникает разность по­тенциалов 1 В. Эту единицу назы­вают фарад (Ф);

1 Ф=1 Кл/В.

Конденсатор. Большой электро­емкостью обладают системы из двух проводников, называемые кон­денсаторами. Конденсатор представ­ляет собой два проводника, разде­ленные слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с раз­мерами проводников. Проводники в этом случае называются обкладками конденсатора.

Простейший плоский конденсатор состоит из двух одинаковых парал­лельных пластин, находящихся на малом расстоянии друг от друга. Если заряды пластин одинаковы по модулю и противо­положны по знаку, то силовые линии электрического поля начинаются на положительно заряженной обкладке конденсатора и оканчиваются на от­рицательно заряженной.

Поэтому почти все электрическое по­ле сосредоточено внутри конден­сатора.

У сферического конденсатора, со­стоящего из двух концентрических сфер, все поле сосредоточено между ними. Электроемкость    конденсатора определяется формулой

Энергия заряженного конденса­тора. Для того чтобы зарядить конденсатор, нужно совершить рабо­ту по разделению положительных и отрицательных зарядов. Согласно закону

сохранения энергии эта ра­бота равна энергии конденсатора. Энергия конденсатора пре­вращается в другие формы: тепло­вую, световую.

Формула  энергии плоского конденсатора.

Применение конденсаторов. Энер­гия конденсатора обычно не очень велика — не более сотен джоулей. К тому же она не сохраняется долго из-за неизбежной утечки заряда. Поэтому заряженные конденсаторы не могут заменить, например, акку­муляторы в качестве источников электрической энергии.

Они имеют одно и свойство: конденсаторы могут накапливать энергию более или менее длительное время, а при pазрядке   через цепь малого coпpoтивления они отдают энергию почти мгновенно Именно это свойство используются широко на практике.

Лампа-вспышка, применяемая в фотографии, питается электрическим током разряда конденсатор.

Билет №12

При движении заряженных час­тиц в проводнике происходит перенос электрического заряда с одного места в другое. Однако если заря­женные частицы совершают беспо­рядочное тепловое движение, как, например, свободные электроны в металле, то переноса заряда не про­исходит. Электриче­ский заряд перемещается через по­перечное сечение проводника лишь в том случае, если наряду с бес­порядочным движением электроны участвуют в упорядоченном движении.

Электрическим током называют упорядоченное (направ­ленное)   движение   заряженных частиц.

Электрический ток возникает при упорядоченном перемещении свобод­ных электронов или ионов. Если перемещать нейтральное в целом тело, то, несмотря на упо­рядоченное движение огромного чис­ла электронов и атомных ядер, электрический ток не возникнет. Полный заряд, переносимый через любое сечение проводника, будет при этом равным нулю, так как за­ряды разных знаков перемещаются с одинаковой средней скоростью.

Электрический ток имеет опреде­ленное направление. За направление тока принимают направление дви­жения положительно заряженных частиц. Если ток образован движе­нием отрицательно заряженных час­тиц, то направление тока считают противоположным направлению дви­жения частиц.

Сила тока - физическая величина, определяющая величину электрического заряда, перемещаемого в единицу времени через поперечное сечение повода

Если сила тока со временем не меняется, то ток на­зывают постоянным.

Сила тока, подобно заряду,— ве­личина скалярная. Она может быть как положительной, так и отрица­тельной. Знак силы тока зависит от того, какое из направлений вдоль проводника принять за положитель­ное. Cила тока I>0, если направ­ление тока совпадает с условно вы­бранным положительным направле­нием вдоль проводника. В против­ном случае I<0.

Сила тока зависит от заряда, переносимого каждой частицей, кон­центрации частиц, скорости их направленного движения и площади поперечного сечения проводника. Измеряется в (А).

Для возникновения и существо­вания постоянного электрического тока в веществе необходимо, во-первых, наличие свободных заряженых частиц. Если положительные и отрицательные заряды связаны друг с другом в атомах или молекулах, то их перемещение не приведет к по­явлению электрического тока.

Для создания и поддержания упорядоченного движения заряжен­ных частиц необходима, во-вторых, сила, действующая на них в опре­деленном направлении. Если эта сила перестанет действовать, то упорядоченное движение заряженных частиц прекратится из-за сопротив­ления, оказываемого их движению ионами кристаллической решетки металлов или нейтральными молеку­лами электролитов.

На заряженные частицы, как мы знаем, действует электрическое поле с силой F=qE. Обычно именно электрическое поле внутри провод­ника служит причиной, вызываю­щей и поддерживающей упорядочен­ное движение заряженных частиц. Только в статическом случае, когда заряды покоятся, электрическое поле внутри проводника равно нулю.

Если внутри проводника имеется электрическое поле, то между конца­ми проводникасуществует разность потенциалов. Когда разность потен­циалов не меняется во времени, то в проводнике  устанавливаетсяпо­стоянный электрический ток

Закон Ома. Наиболее простой вид имеет вольт-амперная характеристи­ка металлических проводников и растворов электролитов. Впервые (для металлов) ее установил немец­кий ученый Георг Ом, поэтому зависимость силы тока от напря­жения носит название закона Ома.

Закон Ома для участка цепи: сила тока прямо пропорцио­нальна  напряжениюи обратно пропорциональна сопро­тивлению:

Доказать эксперименталь­носправедливость закона Оматрудно.

Сопротивление. Основная элек­трическая характеристика проводни­ка — сопротивление. От этой вели­чины зависит сила тока в провод­нике при заданном напряжении. Со­противление проводника представля­ет собой как бы меру противо­действия проводника установлению в нем электрического тока. С помощью закона Ома можно определить сопротивление проводника:

Для этого нужно измерить напря­жение и силу тока.

Сопротивление зависит от мате­риала проводника и его геометри­ческих размеров. Сопротивление про­водника длиной l с постоянной пло­щадью поперечного сечения S равно:

где р — величина, зависящая от рода вещества и его состояния (от тем­пературы в первую очередь). Вели­чину р называют удельным сопро­тивлением проводника. Удельное со­противление численно равно сопро­тивлению проводника, имеющего форму куба с ребром 1 м, если ток направлен вдоль нормали к двум противоположным граням куба.

Провод­ник имеет сопротивление 1 Ом, если при разности потенциалов 1 В сила тока в нем 1 А.

Единицей удельного сопротивле­ния является 1 Ом-м.

Последовательное    соединение проводников. При последовательном соединении электрическая цепь не имеет разветвлений. Все проводники включают в цепь поочередно друг за другом.

Сила тока в обоих проводниках одинакова, т.е. I₁=I₂=Iтак как в проводниках электриче­ский заряд в случае постоянного тока не накапливается и через любое поперечное сечение проводника за определенное время проходит один итот же заряд.

Напряжение на концах рассмат­риваемого участка цепи складывает­ся из напряжений на первом и вто­ром проводниках: U=U₁+U₂

Полное сопротивление всего участка цепи при последова­тельном соединении равно: R=R₁+ R₁

Работа тока.

эта работа равна: A=IU∆t

Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, на­пряжения и времени, в течение ко­торого совершалась работа.

Нагревание происходит, если сопротивление провода высокое

Мощность тока. Любой электри­ческий прибор (лампа, электродви­гатель) рассчитан на потребление определенной энергии в единицу вре­мени. Мощность то­ка равна отношению работы тока за время ∆t к этому интервалу времени. Согласно этому определению

Билет №13

Электродвижущая сила

Электродви­жущая сила в замкнутом контуре представляет собой отношение рабо­ты сторонних сил при перемещении заряда вдоль контура к заряду:

Электродвижущую силу выража­ют в вольтах.

Электро­движущая сила гальванического эле­мента есть работа сторонних

сил при перемещении единичного положи­тельного заряда внутри элемента от одного полюса к другому.

Сопротивление источника часто на­зывают внутренним сопротивлением в отличие от внешнего сопротивле­ния R цепи. В генераторе r — это сопротивление обмоток, а в гальва­ническом элементе — сопротивление раствора электролита и электродов. Закон Ома для замкнутой цепи связывает силу тока в цепи, ЭДС и полное сопротивление R+r цепи.

Произведение силы тока и сопро­тивления участка цепи часто назы­вают падением напряжения на этом участке. Таким образом, ЭДС равна сумме падений напряжений на внут­реннем и внешнем участках замкну­той цепи.

Обычно закон Ома для замкну­той цепи записывают в форме

Сила тока в полной цепи равна отношению ЭДС цепи к ее полному сопротивлению.

Сила тока зависит от трех вели­чин: ЭДС ε, сопротивлений R и rвнешнего и внутреннего участков цепи. Внутреннее сопротивление ис­точника тока не оказывает заметного влияния на силу тока, если оно мало по сравнению с сопротивлением внешней части цепи (R>>r). При этом напряжение на зажимах источ­ника приблизительно равно ЭДС:

U=IR≈ε.

При коротком замыкании, когда R→0, сила тока в цепи определяет­ся именно внутренним сопротивле­нием источника и при электродви­жущей силе в несколько вольт мо­жет оказаться очень большой, если r мало (например, у аккумулятора r≈0,1—0,001 Ом). Провода могут расплавиться, а сам источник выйти из строя.

Если цепь содержит несколько

последовательно соединенных эле­ментов с ЭДС ε₁, ε₂, ε₃ и т.д., то полная ЭДС цепи равна алгебраи­ческой сумме ЭДС отдельных элементов.

Если при обходе цепи переходят от отрицательного полюса источника к положительному, то ЭДС >0.

Билет № 13

Взаимодействия между провод­никами с током, т. е. взаимодействия между движущимися электрически­ми зарядами, называют магнитными. Силы, с которыми проводники с то­ком действуют друг на друга, назы­вают магнитными силами.

Магнитное поле. Согласно теории близкодействия ток в одном из про­водников не может непосредственно действовать на ток в другом про­воднике.

В пространст­ве, окружающем неподвижные элек­трические заряды, возникает элек­трическое поле, в пространстве, ок­ружающем токи, возникает поле, называемое магнитным.

Электрический ток в одном из проводников создает вокруг себя магнитное поле, которое действует на ток во втором проводнике. А по­ле, созданное электрическим током второго проводника, действует на первый.

Магнитное поле представляет со­бой особую форму материи, посред­ством которой осуществляется взаи­модействие между движущимися электрически заряженными части­цами.

Свойства магнитного поля:

1. Магнитное поле порождается электрическим током (движущимися зарядами).

2. Магнитное поле обнаружива­ется по действию на электрический ток (движущиеся заряды).

Подобно электрическому полю, магнитное поле существует реально, независимо от нас, от наших знаний о нем.

Магнитная индукция – способность магнитного поля оказывать силовое действие на проводник с током (векторная величина). Измеряется в Тл.

За направление вектора магнит­ной индукции принимается направ­ление от южного полюса S к север­ному N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном по­ле. Это направление совпадает с направлением положительной нор­мали к замкнутому контуру с током.

Направление вектора магнитной индукции устанавливают с помощью правиле буравчика:

если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции.

Линии магнитной индукции.

Линия, в любой точке которой вектор магнитной индукции направлен по касательной – линии магнитной индукции. Однородное поле – параллельные линии, неоднородное поле – кривыми линиями. Чем больше линий, тем больше сила этого поля. Поля с замкнутыми силовыми ли­ниями называют вихревыми. Маг­нитное поле - вихревое поле.

Магнитный поток. –величина равная произведению модуля вектора магнитной индукции на площадь и на косинус угла между вектором и нормалью к поверхности.

Сила Ампера равна произведения вектора магнитной индукции на силу тока, длину участка проводника и на синус угла между магнитной индукцией и участком проводника.

Силу, действующую на движу­щуюся заряженную частицу со сто­роны магнитного поля, называю силой Лоренца. Эту силу можно найти с помощью за­кона Ампера.

Модуль силы Лоренца равен от­ношению модуля силы F, действующей на участок проводника длиной êl, к числу N заряженных частиц, упорядочение движущихся на этом участке проводника:

Направление с помощью правила левой руки: Если левую руку расположить так, чтобы составляющая магнит­ной индукции В, перпендикулярная скорости заряда, входила в ладонь, а четыре пальца были направлены по движению положительного заря­да (против движения отрицательно­го), то отогнутый на 90° большой палец покажет направление дейст­вующей на заряд силы Лоренца.

Так как сила Лоренца перпенди­кулярна скорости частицы, то. она не совершает работу.

Силу Ампера применяют в громкоговарителях, динамиках.

Принцип работы: По катушке протекает переменный электрический ток с частотой, равной звуковой частоте от микро­фона или с выхода радиоприемника. Под действием силы Ампера катушка колеблется вдоль оси громкоговори­теля в такт с колебаниями тока. Эти колебания передаются диафрагме, и поверхность диафрагмы излучает звуковые волны.

Силу Лоренца применяют в телевизорах, масс-спектограф.

Принцип работы: Вакуумная камера прибора поме­щена в магнитное поле. Ускоренные электрическим полем заряженные частицы(электроны или ионы), описав дугу, попадают на фотопластинку, где оставляют след, позволяющий с большой точ­ностью измерить радиус траекто­рии. По этому радиусу определя­ется удельный заряд иона. Зная же заряд иона, легко определить его массу.

Билет № 15

Экспериментальное доказательст­во существования свободных элект­ронов в металлах. Эксперименталь­ное доказательство того, что прово­димость металлов обусловлена дви­жением свободных электронов, было дано в опытах Л. И. Мандель­штама и Н. Д. Папалекси .

На катушку наматывают прово­локу, концы которой припаивают к двум металлическим дискам, изоли­рованным друг от друга. К концам дисков при помощи скользящих контактов присоединяют галь­ванометр.

Катушку приводят в быстрое дви­жение, а затем резко останавливают. После резкой остановки катушки свободные заряженные частицы не­которое время движутся относитель­но проводника по инерции, и, следо­вательно, в катушке возникнет электрический ток. Ток существует незна­чительное время, так как из-за со­противления проводника заряженные частицы тормозятся и упорядоченное движение частиц, образующее ток, прекращается.

Направление тока говорит о том, что он создается движением отрица­тельно заряженных частиц.

Если пропустить ток от аккуму­лятора через стальную спираль, а затем начать нагревать ее в пламени горелки, то амперметр покажет уменьшение силы тока. Это означа­ет, что с изменением температуры сопротивление проводника меняется.

Если при температуре, равной 0° С, сопротивление проводника рав­но Ro, а при температуре t оно равно R, то относительное изменение со­противления, как показывает опыт, прямо пропорционально изменению температуры t:

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 1 К. Для всех металлических проводни­ков α>0 и незначительно меняется с изменением температуры. У чистых металлов .

У растворов электролитов сопротивление с ростом температуры не увеличивается, а уменьшается. Зависимость удельного сопротивления от от температуры:

В 1911 г. голландский физик Камерлинг-Оннес открыл замечатель­ное явление — сверхпроводимость. Он обнаружил, что при охлаждении ртути в жидком гелии ее сопротив­ление сначала меняется постепенно, а затем при температуре 4,1 К очень резко падает до нуля.Это явление было названо сверх­проводимостью.

Сверхпроводимость наблюдается при очень низких температурах — около 25 К.

Если в кольцевом проводнике, находящемся в сверхпроводящем со­стоянии, создать ток, а затем устра­нить источник электрического тока, то сила этого тока не меняется сколь угодно долго. В обычном же несверхпроводящем проводнике электриче­ский ток в этом случае прекращается.

Сверхпроводники находят широ­кое применение. Так, сооружают мощные электромагниты со сверхпроводящей обмоткой, которые со­здают магнитное поле на протяже­нии длительных интервалов времени без затрат энергии. Ведь выделения теплоты в сверхпроводящей обмотке не происходит.

Однако получить сколь угодно сильное магнитное поле с помощью сверхпроводящего магнита нельзя. Очень сильное магнитное поле раз­рушает сверхпроводящее состояние. Такое поле может быть создано то­ком в самом сверхпроводнике. По­этому для каждого проводника в сверхпроводящем состоянии сущест­вует критическое значение силы тока, превзойти которое, не нарушая сверхпроводящего состояния, нельзя.

Билет №16

Жидкости, как и твердые тела, могут быть диэлектриками, провод­никами и полупроводниками. К чис­лу диэлектриков относится дистил­лированная вода, к проводникам — растворы и расплавы электролитов: кислот, щелочей и солей. Жидкими полупроводниками являются рас­плавленный селен, расплавы сульфи­дов и др.

Электролитическая диссоциация.

При растворении элект­ролитов под влиянием электриче­ского поля полярных молекул воды происходит распад молекул электролитов на ионы. Этот процесс назы­вается электролитической диссоциа­цией.

Степень диссоциации, т. е. доля молекул в растворенном веществе, распавшихся на ионы, зависит от температуры, концентрации раствора и диэлектрической проницаемости е растворителя. С увеличением темпе­ратуры степень диссоциации возра­стает и, следовательно, увеличивает­ся концентрация положительно и от­рицательно заряженных ионов.

Ионы разных знаков при встрече могут снова объединиться в ней­тральные молекулы — рекомбинировать. При неизменных условиях в растворе устанавливается динамиче­ское равновесие, при котором число молекул, распадающихся за секунду на ионы, равно числу пар ионов, которые за то же время вновь объе­диняются в нейтральные молекулы.

Ионная проводимость. Носителя­ми заряда в водных растворах или расплавах электролитов являются положительно и отрицательно заря­женные ионы.

Если сосуд с раствором электро­лита включить в электрическую цепь, то отрицательные ионы начнут дви­гаться к положительному электро­ду — аноду, а положительные — к отрицательному — катоду. В резуль­тате установится электрический ток. Поскольку перенос заряда в водных растворах или расплавах электроли­тов осуществляется ионами, такую проводимость называют ионной.

Электролиз. При ионной проводи­мости прохождение тока связано с переносом вещества. На электродах происходит выделение веществ, вхо­дящих в состав электролитов. На аноде отрицательно заряженные ионы отдают свои лишние электроны, а на катоде положитель­ные ионы получают недостающие электроны. Процесс выделения на элект­роде вещества, связанный с окисли­тельно-восстановительными реакци­ями, называют электролизом.

Очевидно, что масса выделивше­гося вещества равна произведению массы одного иона m_0jна число ионов N_j, достигших электрода за время Δt: m= m_0jN_j.      Масса иона

где М — молярная (или атомная) масса вещества, а

Число ионов, достигших электро­да, равно:

Закона электро­лиза Фарадея. масса вещества выделившегося на электроде за .вре­мя Δt при прохождении электриче­ского тока, пропорциональна силе тока и времени.

Применения электролиза.

Электролити­ческим путем покрывают поверх­ность одного металла тонким слоем другого {никелирование, хромирова­ние, омеднение и т. п.). Это прочное покрытие защищает поверхность от коррозии.

В полиграфической промышлен­ности такие копии (стереотипы) по­лучают с матриц (оттиск набора на пластичном материале), для чего осаждают на матрицах толстый слои железа или другого материала. Это позволяет воспроизвести набор в нужном количестве экземпляров.

При помощи электролиза осуще­ствляют очистку металлов от приме­сей. Так, полученную из руды не­очищенную медь отливают в форме толстых листов, которые затем поме­щают в ванну в качестве анодов. При электролизе медь анода раство­ряется, примеси, содержащие ценные и редкие металлы, выпадают на дно, а на катоде оседает чистая медь.

Билет№17

Наиболее отчетливо полупровод­ники отличаются от проводников ха­рактером зависимости электропрово­димости от температуры. Измерения показывают, что у ряда элементов (кремний, германий, селен и др.) удель­ное сопротивление с увеличением температуры не растет, как у метал­лов, а наоборот, чрезвычайно резко уменьшается. Такие вещества и назы­вают полупроводниками.

Дырочная проводимость. При разрыве связи образуется вакантное место с недостающим электроном. Его называют дыркой. В дырке име­ется избыточный положительный за­ряд по сравнению с остальными. Один из электронов, обеспечивающих связь

атомов, перескакивает на место об­разовавшейся дырки и восстанавли­вает здесь парноэлектронную связь, а там, откуда перескочил этот элект­рон, образуется новая дырка. Таким образом, дырка может перемещаться по всему кристаллу.

По­лупроводники обладают не только электронной, но и дырочной прово­димостью-

собственной проводи­мостью полупроводников.

Собственная проводимость полу­проводников обычно невелика, так как мало число свободных электро­нов. Число свободных электро­нов составляет примерно о у деся­тимиллиардную часть от общего чис­ла атомов.

Существенная особенность полу­проводников состоит в том, что в них при наличии примесей наряду с соб­ственной проводимостью возникает дополнительная — примесная прово­димость.Изменяя  концентрацию примеси, можно значительно изме­нять число носителей заряда того или иного знака. Благодаря этому можно создавать полупроводники с преимущественной   концентрацией либо отрицательно, либо положи­тельно заряженных носителей.

Применение:

Полупроводниковый диод – применяется для выпрямления электрического тока в радиосхемах. В p-n переходе носители заряда образуются при введении в кристалл акцепторной или донорской примеси. Здесь отпадает необходимость использования источника энергии для получения свободных носителей заряда. Экономия энергии получается значительной. Полупроводниковые выпрямители более миниатюрны, чем электронные лампы. Радиоустройства на полупроводниках намного компактнее. Полупроводниковые элементы используются на искусственных спутниках Земли, космических кораблях, электронно-вычислительных машинах. Полупроводниковые диоды изготовляют из германия, кремния, селена и др. веществ. Они обладают высокой надежностью и имеют большой срок службы, но ограничены интервалом температур от –70 до 125 градусов С.

Транзисторы.   Заменяют электронные лампы во многих электрических цепях научной, промышленной и бытовой аппаратуры. Портативные радиоприемники, использующие такие приборы, в обиходе называют транзисторами. Преимущество : отсутствие накаленного катода, потребляющего значительную мощность и требующего времени для его разогрева. Транзисторы в десятки и сотни раз меньше по размерам и массе, чем электронные лампы. Работают при более низких напряжениях. Недостатки те же, что и у полупроводниковых диодов.

Термисторы.  Один из самых простых полупроводниковых приборов. Выпускаются в виде стержней, трубок, дисков, шайб и бусинок размером от микрометров до нескольких сантиметров. Термисторы применяются для дистанционного измерения температуры, противопожарной сигнализации и т.д. Диапазон измеряемых температур большинства термисторовлежит от 170 до 570 К. Существуют термисторы для измерения очень высоких до1300 и очень низких 4-80 К температур.

Фоторезисторы (фотосопротивления). Электрическая проводимость полупроводников повышается не только при нагревании, но и при освещении. Данный эффект наблюдается и при неизменной температуре. Фоторезисторы - приборы, в которых используют фотоэлектрический эффект в полупроводниках. Миниатюрность и высокая чувствительность фоторезисторов позволяют использовать их в самых различных областях науки и техники для регистрации и измерения слабых световых потоков. С помощью фоторезисторов определяют качество поверхностей, контролируют размеры изделий и т.д.

Билет№18

Откачивая газ из сосуда, можно дойти до такой его концентрации, при которой молекулы успевают про­лететь от одной стенки сосуда к другой, ни разу не испытав соударении друг с другом. Такое состояние газа в трубке называют вакуумом.

Проводимость межэлектронного промежутка в вакууме можно обес­печить только с помощью введения в трубку источника заряженных ча­стиц.

Термоэлектронная эмиссия. Чаще всего действие такого источника за­ряженных частиц основано на свой­стве тел, нагретых до высокой темпе­ратуры, испускать электроны. Этот процесс называется термоэлектрон­ной эмиссией. Его можно рассмат­ривать как испарение электронов с поверхности металла. У многих твер­дых веществ термоэлектронная эмис­сия начинается при температурах, при которых испарение самого ве­щества еще не происходит. Такие вещества и используются для изго­товления катодов.

Односторонняя проводимость. Яв­ление термоэлектронной эмиссии приводит к тому, что нагретый метал­лический электрод в отличие от хо­лодного непрерывно испускает элект­роны. Электроны образуют вокруг электрода электронное облако. Эле­ктрод при этом заряжается положи­тельно, и под влиянием электриче­ского поля заряженного облака эле­ктроны из облака частично возвра­щаются на электрод.

В равновесном состоянии число электронов, покинувших электрод в секунду, равно числу электронов, возвратившихся на электрод за это время. Чем выше температура ме­талла, тем выше плотность электрон­ного облака.

Различие между горячим и холод­ным электродами, впаянными в со­суд, из которого откачан воздух, приводит к односторонней прово­димости электрического тока между ними.

При подключении электродов к ис­точнику тока между ними возникает электрическое поле. Если положи­тельный полюс источника тока сое­динен с холодным электродом (ано­дом), а отрицательный — с нагретым (катодом), то напряженность элект­рического поля направлена к нагре­тому электроду. Под действием этого поля электроны частично покидают электронное облако и движутся к холодному электроду. Электрическая цепь замыкается, и в ней устанавли­вается электрический ток. При про­тивоположном включении источника напряженность поля направлена от нагретого электрода к холодному. Электрическое поле отталкивает элект­роны облака назад к нагретому электроду. Цепь оказывается ра­зомкнутой.

Диод. Односторонняя проводи­мость используется в электронных приборах с двумя электродами — вакуумных диодах.

Устройство современного вакуум­ного диода (электронной лампы) таково. Внутри баллона из стекла или металлокерамики, из которого откачан воздух до давления 10~⁶— 10~⁷ мм рт. ст., размещены два элект­рода (рис. 173, а). Один из них— катод — имеет вид вертикального ме­таллического цилиндра, покрываемо­го обычно слоем оксидов щелочно­земельных металлов, например ба­рия, стронция, кальция. Такой катод называют оксидным.

При нагревании поверхность ок-сидного катода выделяет гораздо больше электронов, чем поверхность катода из чистого металла. Внутри катода расположен изолированный проводник, нагреваемый переменным током. Нагретый катод испускает электроны, достигающие анода, если анод имеет более высокий потен­циал, чем катод.

Свойства электронных пучков и их применение.

При торможении быстрых элект­ронов, попадающих на вещество, во­зникает рентгеновское излучение. Некоторые вещества (стекло, суль­ фиды цинка и кадмия), бомбарди­руемые* электронами, светятся. В на­стоящее. время среди материалов этого типа (люминофоров') приме­няются такие, у которых в световую энергию превращается до 25% энер­гии электронного пучка.

Электронные пучки отклоняются электрическим полем. Например, проходя между пластинами конден­сатора, электроны отклоняются от отрицательно заряженной пластины к положительно заряженной (рис. 177).

Электронный пучок отклоняется также в магнитном поле. Пролетая над северным полюсом магнита, элект­роны отклоняются влево, а проле­тая над южным, отклоняются впра­во (рис. 178). Отклонение электрон­ных потоков, идущих от Солнца, в магнитном поле Земли приводит к тому, что свечение газов верхних слоев атмосферы (полярные сияния) наблюдается только у полюсов.

Возможность управления элект­ронным пучком с помощью электри­ческого или магнитного полей и све­чение покрытого люминофором эк­рана под действием пучка применя­ют в электронно-лучевой трубке.

Электронно-лучевая трубка. Эле­ктронно-лучевая трубка — основной элемент телевизора и осциллогра­фа*— прибора дляисследования быстропеременных процессов в элект­рических цепях (рис. 179).

Устройство электронно-лучевой трубки показано на рисунке 180 Трубка представляет собой вакуум­ный баллон, одна из стенок которого служит экраном. В узком конце труб­ки помещен источник быстрых элект­ронов — электронная пушка (рис. 181). Она состоит из катода, управ­ляющего электрода и анода (чаще несколько анодов располагаются друг за» другом). Электроны испус­каются нагретым оксидным слоем с торца цилиндрического катода С, окруженного теплозащитным экра­ном //. Далее они проходят через отверстие в цилиндрическом управ­ляющем электроде В (он регулирует число электронов в пучке). Каждый анод aiи Л 2 состоит из дисков с не­большими отверстиями. Эти диски вставлены в металлические цилинд­ры. Между первым анодом и катодом создается разность потенциалов в сотни и даже тысячи вольт. Сильное электрическое поле ускоряет элект­роны, и они приобретают большую скорость. Форма, расположение и по­тенциалы анодов выбраны так, чтобы наряду с ускорением электронов осу­ществлялась и фокусировка элект­ронного пучка, т. е. уменьшение пло­щади поперечного сечения пучка на экране почти до точки.

На пути к экрану пучок после­довательно проходит между двумя парами управляющих пластин, по­добных пластинам плоского конден­сатора (см. рис. 180). Если электри­ческого поля между пластинами нет, то пучок не отклоняется 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 пластин позволяет перемещать светящуюся точку по экрану в любом направлении. Так как масса элект­ронов очень мала, то они почти мгно­венно реагируют на изменение раз­ности потенциалов управляющих пластин.

В электронно-лучевой трубке, применяемой в телевизоре (так на­зываемом кинескопе), управление пучком, созданным электронной пуш­кой, осуществляется с помощью маг­нитного поля. Это поле создают ка­тушки, надетые на горловину трубки (рис. 182).

Билет №19

Электрический разряд в газе.

Возьмем электрометр с присоеди­ненными, к нему дисками плоского конденсатора и зарядим его. При комнатной температуре, если воздух достаточно сухой, кон­денсатор заметно не разряжается. Это показывает, что электрический ток, вызываемый разностью потен­циалов в воздухе между дисками, очень мал. Следовательно, электри­ческая проводимость воздуха при комнатной температуре мала и его можно считать диэлектриком.

Теперь нагреем воздух между дисками горящей спичкой. Заметим, что стрелка электрометра быстро приближается к нулю, зна­чит, конденсатор разряжается. Сле­довательно, нагретый газ является проводником и в нем устанавлива­ется электрический ток.

Процесс протекания электриче­ского тока через газ называют га­зовым разрядом.

Ионизация газов. Мы видели, что при комнатной температуре воз­дух очень плохой проводник. При

нагревании проводимость воздуха возрастает. Увеличение проводимо­сти воздуха можно вызвать .и иными способами, например действием из­лучений: ультрафиолетового, рентге­новского, радиоактивного и др.

При обычных условиях газы поч­ти полностью состоят из нейтраль­ных атомов или молекул и, следо­вательно, являются диэлектриками. Вследствие нагревания или воздей­ствия излучением часть атомов иони­зуется — распадается на положи­тельно заряженные ионы и электро­ны. В газе могут обра­зовываться и отрицательные ионы, которые появляются благодаря при­соединению электронов к нейтраль­ным атомам.

Ионизация газов при нагревании объясняется тем, что по мере нагре­вания молекулы движутся быстрее. При этом некоторые молекулы на­чинают двигаться так быстро, что часть из них при столкновениях распадается, превращаясь в ионы. Чем выше температура, тем больше образуется ионов.

Проводимость газов. Механизм проводимости газов похож на меха­низм проводимости растворов и рас­плавов электролитов. Разница со­стоит в том, что отрицательный заряд переносится в основном не отрицательными ионами, как в вод­ных растворах или расплавах элект­ролитов, а электронами.

Несамостоятельный разряд. Для исследования разряда в газе при различных давлениях удобно исполь­зовать стеклянную трубку с двумя электродами.

Пусть с помощью какого-либо ионизатора в газе образуется в се­кунду определенное число пар заря­женных частиц: положительных ионов и электронов.

При небольшой разности потен­циалов между электродами трубки положительно заряженные ионы пе­ремещаются к отрицательному элект­роду, а электроны и отрицательно заряженные ионы — к положитель­ному электроду. В результате в труб­ке возникает электрический ток, т. е. происходит газовый разряд.

Не все образующиеся ионы дости­гают электродов; часть их воссоеди­няется с электронами, образуя нейт­ральные молекулы газа. По мере увеличения разности потенциалов между электродами трубки доля за­ряженныхчастиц,   достигающих электродов, увеличивается. Возрас­тает и сила тока в цепи. Наконец, наступает момент, при котором все заряженные частицы, образующиеся в газе за секунду, достигают за это время электродов. При этом даль­нейшего роста тока не происходит. Ток, как говорят, дости­гает насыщения. Если действие иони­затора прекратить, то прекратится и разряд, так как других источников ионов нет. По этой причине разряд называют несамостоятельным раз­рядом.

Самостоятельный разряд.

Опыт показыва­ет, что в газах при увеличении раз­ности потенциалов между электро­дами, начиная с некоторого значе­ния, сила тока снова возрастает. Это означает, что в газе появляются дополнительные ионы сверх тех, которые образуются за счет действия ионизатора. Сила тока может возрасти в сотни и тысячи

раз, а число ионов, возникающих в процессе разряда, может стать таким большим, что внешний иони­затор будет уже не нужен для- под­держания разряда. Если убрать внешний ионизатор, то разряд не прекратится. Так как разряд не нуждается для своего поддержания во внешнем ионизаторе, его назы­вают самостоятельным разрядом.

Тлеющий разряд. При низких в труб­ке наблюдается тлеющий разряд. Для возбуждения тлеющего разряда достаточно напряжения между элект­родами в несколько сотенвольт. При тлеющем разряде почти вся трубка, за исключением небольшого участка возле катода, заполнена однородным свечением, называемым положитель­ным столбом.

Тлеющий разряд используют в трубках для реклам. Положительный столб в аргоне имеет синевато-зеленоватый цвет.

Электрическая дуга. При сопри­косновении двух угольных стержней

в месте их контакта из-за большого сопротивления выделяется большое количество теплоты. Температура повышается настолько, что начина­етсятермоэлектроннаяэмиссия. Вследствие этого при раздвижении угольных электродов между ними начинается разряд. Между углями возникает столб ярко светящегося газа—электрическая дуга (рис. 193). Проводимость газа в этом случае значительна и при атмосферном дав­лении, так как число электронов, испускаемых отрицательным элект­родом, очень велико.

Если увеличивать силу тока при тлеющем разряде, то темпе­ратура катода за счет бомбарди­ровки ионами увеличится настоль­ко, что начнется дуговой разряд. Таким образом, для возникнове­ния дугового разряда не обязатель­но предварительное сближение элект­родов.

Дуговой разряд — мощный источ­ник света, его используют в прожек­торах.

Другие типы самостоятельного разряда. При атмосферном давлении вблизи заостренных участков про­водника, несущего большой электри­ческий заряд, наблюдается газовый разряд, светящаяся область кото­рого напоминает корону. Этот разряд, называемый коронным, вызывается высокой (около 3*10⁶ В/м) напряженностью элект­рического поля вблизи заряженного острия.

При очень низких температурах все вещества находятся в твердом состоянии. Нагревание вызывает пе­реход вещества из твердого состоя­ния в жидкое. Дальнейшее повы­шение температуры приводит к пре­вращению жидкости в газ.

При достаточно больших темпе­ратурах начинается ионизация газа за счет столкновений быстро дви­жущихся атомов или молекул. Ве­щество переходит в новое состояние,

называемое плазмой. Плазма—это частично или полностью ионизован­ный газ, в котором плотности поло­жительных и отрицательных зарядов практически совпадают.

Свойства плазмы.

1.Из-за большой подвижности заряженные частицы плазмы легко перемещаются под действием электрических и магнитных полей.

2.Между частицами плазмы действуют кулоновские силы, сравнительно медленно убывающие с расстоянием.

3.Каждая частица взаимодействует сразу с большим количеством окружающих частиц. Частицы плазмы могут участвовать в упорядоченных движениях.

4.Проводимость плазмы увеличивается по мере роста степени ионизации. При высокой температуре проводимость плазмы приближается к сверхпроводникам.

Билет №20

1 Магнитная проницаемость. По­стоянные магниты могут быть изго­товлены лишь из немногих веществ, но все вещества, помещенные в маг­нитное поле, намагничиваются, т. е. сами создают магнитное поле. Бла­годаря этому вектор магнитной ин­дукции В в однородной среде отличается от вектора Во в той же точке пространства в вакууме.

Отношение           характеризую­щее магнитные свойства среды, по­лучило название магнитной    

                                прони­цаемости среды.

В однородной среде маг­нитная индукция равна:                  где m— магнитная проницаемость данной среды.

Магнитные свойства любого тела определяются замкну­тыми электрическими токами внутри него.

Парамагнетиками называются вещества, которые создают слабое магнитное поле, по направлению совпадающее с внешним полем. Магнитная проницаемость наиболее сильных парамагнетиков мало отличается от единицы: 1,00036- у платины и 1,00034- у жидкого кислорода. Диамагнетиками  называются вещества, которые создают поле, ослабляющее внешнее магнитное поле. Диамагнитными свойствами обладают серебро, свинец, кварц. Магнитная проницаемость диамагнетиков отличается от единицы не более чем на десятитысячные доли.

Ферромагнетики и их примене­ние. Вставляя железный или стальной сердечник в катушку, мож­но во много раз усилить создаваемое ею магнитное поле, не увеличивая силу тока в катушке. Это экономит электроэнергию. Сердечники транс­форматоров, генераторов, электро­двигателей и т. д. изготовляют из ферромагнетиков.

При выключении внешнего маг­нитного поля ферромагнетик оста­ется намагниченным, т. е. создает магнитное поле в окружающем про­странстве. Упорядоченная ориента­ция элементарных токов не исчезает при выключении внешнего магнитно­го поля. Благодаря этому сущест­вуют постоянные магниты.

Постоянные магниты находят широкое применение в электроиз­мерительных приборах, громкогово­рителях и телефонах, звукозаписы­вающих аппаратах, магнитных ком­пасах и т. д.

Большое применение получили ферриты — ферромагнитные матери­алы, не проводящие электрического тока. Они представляют собой хи­мические соединения оксидов желе­за с оксидами других веществ. Пер­вый из известных людям ферромаг­нитных материалов—магнитный железняк — является ферритом.

I Температура Кюри. При темпе­ратуре, большей некоторой опреде­ленной для данного ферромагнети­ка, ферромагнитные свойства его исчезают. Эту температуру называ­ют температурой Кюри. Если сильно нагреть намагниченный гвоздь, то он поте­ряет способность притягивать к себе железные предметы. Температура Кюри для железа 753 °С, для никеля 365 °С, а для кобальта 1000°С. Су­ществуют ферромагнитные сплавы, у которых температура Кюри мень­ше 100°С.