1.Механика,Механическоедвижение, Системыотсчета, Перемещение,
Скорость, Ускорение.
2. Динамика.1-й закон Ньютона.Масса, Сила,Сила упругости,Модуль
Юнга,Закон Гука,Сила трения,Закон всемирноготяготения, Вес.
3. 2-3 ЗаконыНьютона, Инерциальныесистемы отсчета,Импульс тела,
Системытел, Закон сохраненияимпульса.
4. Механическая,потенциальная,кинетическаяэнергии. Закон
сохраненияэнергии, Мощность,Статика, Молекулярнаяфизика,
Тепловоедвижение.
5. Идеальныйгаз. Газовыезаконы.
6. Эл. Поле,Остроградский,диэлектрики,Диполь.
7. Заряд,Кулон, Электрон,Суперпозиция,Напряженностьэл. поля.
Силовыелинии.
8. Потенциал.
9. Конденсаторы.
10. Ток,Закон Ома,Сопротивление,Шунтирование,ЭДС.
11. Интерференцияи дифракциясвета, Фотоэффект.
12. Соединениеисточниковтока. ПравилаКирхгофа, Тепловоедействие
тока,Закон Джоуля-Ленца,Мощность тока,Ток в электролитах,
Электролиз,Закон Фарадея.
13. ЗаконыСтолетова дляфотоэффекта.Красная граница.
Шкалаэлектромагнитныхволн.
14. Магнитноеполе. Вектормагнитнойиндукции,Напряженность
магнитногополя, ЗаконАмпера, Правилолевой руки,Сила Лоренца.
15. Колебания.Резонанс.
16. Магнитныйпоток, Электромагнитнаяиндукция,Самоиндукция,
Энергиямагнитногополя.
17. Интерференция.Когерентность.Электромагнитныеколебания и
волны.
Механикаизучает механическоедвижение, условияи причины, вызывающиеданное движение,а также условияравновесиятел. Механическимдвижениемназываетсяизменениеположения телаили его частейотносительнодругих тел стечением времени.Всякое движениеотносительно.Характер движениязависит оттого, относительнокаких тел мырассматриваемданное движение.Тело, относительнокоторого мырассматриваемположениедругих тел впространстве,называетсятеломотсчета. Системойотсчетаназывают системукоординат,связанную стелом отсчета,и выбранныйметод отсчетавремени, т.е.часы. Выборсистемы отсчетазависит отусловий даннойзадачи. Движениереальных тел,как правило,сложное. Поэтомудля упрощениярассмотрениядвижений пользуютсязакономнезависимостидвижений: всякоесложное движениеможно представитькак сумму независимыхпростейшихдвижений. Кпростейшимдвижениямотносятсяпоступательноеи вращательное.В физике широкопользуютсямоделями, которыепозволяют извсего многообразияфизическихсвойств выбратьглавное, определяющееданное физическоеявление. Однимиз первых моделейреальных телявляются материальнаяточка и абсолютнотвердое тело.Материальнойточкойназываетсятело, размероми формой которогоможно пренебречьв условияхданной задачи.Абсолютнотвердым теломназываетсятело, расстояниемежду любымидвумя точкамикоторого остаетсяпостояннымпри его движении.Эти моделипозволяютисключитьдеформациютел при движении.Поступательнымназываетсядвижение, прикотором отрезок,соединяющийлюбые две точкитвердого тела,перемещаетсяпри движениипараллельносамому себе.Из этого следует,что все точкитела при поступательномдвижении движутся одинаково,т.е. с одинаковымискоростямии ускорениями.Примеромпоступательногодвижения можетслужить движениекабины “чертоваколеса”. Вращательнымназываетсядвижение, прикотором всеточки абсолютнотвёрдого теладвижутся поокружностям,центры которыхлежат на однойпрямой, называемойосью вращения,причем этиокружностилежат в плоскостях,перпендикулярных оси вращения.Пользуясьзакономнезависимостидвижений,сложное движениетвёрдого теламодно рассматриватькак суммупоступательногои вращательныхдвижений. Однимиз первых разделовмеханики являетсякинематика,изучающаямеханическоедвижение телбез выясненияпричин, вызывающихданное движение.Перемещениеs– вектор, соединяющийначальную иконечную точкитраектории,по которойдвигаласьматериальнаяточка некоторыйпромежутоквремени t.Траектория–линия,описываемая при движенииматериальнойточкой в пространстве.Путьl– сумма длинотрезков траектории.При прямолинейномдвижении (траектория- прямая линия)модуль перемещенияsравен длинепути l,если движениепроисходитв одном направлении.Быстрота измененияположенияматериальнойточки в пространствес течениемвремени характеризуетсясреднейи мгновеннойскоростями.Средняя скорость– векторнаявеличина, равнаяотношениюперемещенияк промежуткувремени, закоторое этоперемещениепроизошло: vср=s/t.Мгновеннойскоростьюназываетсяпредел отношенияперемещенияsкпромежуткувремени t,за которое этоперемещениепроизошло, пристремленииtкнулю:vмгн=limt-->0s/t.Равномернымпрямолинейнымдвижениемназываетсядвижение, прикотором материальнаяточка за любыеравные промежуткивремени совершаетодинаковыеперемещения.При этом движениимгновеннаяскорость совпадаетсо средней:vмгн =vср=s/t.Величина,характеризующаябыстроту измененияскорости, называетсяускорением.Средние ускорение– величина,равная отношениюизмененияскорости кпромежуткувремени, закоторое этоизменениепроизошло: аср=v/t.
Еслиv1иv2–мгновенныескорости вмоменты времениt1иt2тоv=v2-v1,t=t2-t1.Мгновенноеускорение- ускорениетело в данныймомент времени.Это физическаявеличина, равнаяпределу отношенияизмененияскорости кпромежуткувремени, закоторое этоизменение
произошло,при стремлениипромежуткавремени к нулю:aмгн= lim t-->0v/t.
Второйзакон Ньютона.Ускорение, скоторым движетсятело прямопропорциональносиле, действующейна тело, и обратнопропорциональноего массе исовпадает понаправлениюс действующейсилой: a=F/m.Если на телодействуютнесколько сил,то под Fпонимаютрезультирующуювсех сил. Движениетвердого телазависит нетолько от приложенныхсил, но и от точкиих приложения.Можно показать,что ускорениецентра тяжести(центра масс)не зависит отточки приложениясил и справедливоуравнениеmaцт=F1+F2+F3+...,где m– масса тела,aцт– ускорениеего центратяжести. Еслитело движетсяпоступательно,то это уравнениеполностьюописываетдвижение тела.Третийзакон Ньютона.Всякому действийвсегда естьравное и противоположнонаправленноепротиводействие.Так, если взаимодействуютдва тела Aи Bс силами F1иF2,то эти силыравны по величине,противоположныпо направлению,направленывдоль однойпрямой и приложенык разным телам.Первый законНьютона необходимдля того, чтобыопределитьте системыотсчета, в которыхсправедливвторой законНьютона. Системыотсчета, в которыхвыполняется1-й закон Ньютона,называютсяинерциальными,те системыотсчета, в которых1-й закон невыполняется,- неинерциальными.В связи с важностьюизложенногоеще раз сформулируем первыйзакон Ньютона:существуюттакие системыотсчета, называемыеинерциальными,вкоторых телосохраняетсостояние покояили равномерногопрямолинейногодвижения, еслина него не действуютсилы или действиесил скомпенсировано.Очевидно, чтоесли есть однаинерциальнаясистема отсчета,то любая другая,движущаясяотносительноее равномернои прямолинейно,является такжеинерциальной системой отсчета.Импульстелар – физическаявеличина, равнаяпроизведениюмассы тела наего скорость:p=mv.Импульссилы– физическаявеличина, равнаяпроизведениюсилы на промежутоквремени, в течениикоторого этасила действует,Ft.2-йзакон Ньютонаможет бытьсформулированследующимобразом: Изменениеимпульса теларавно импульсуподействовавшейна него силы,т.е. p=Ft.Еслина тело действуютнесколько сил,то в этом случаеберется результирующийимпульс всехсил, подействовавшихна тело. В проекцияхна оси координатx,y,zэтоуравнение можетбыть записанов виде px=Fxt,py=Fyt,pz=Fzt.Изэтого следует,что если, например,Fyt=0иFzt=0,топроисходитизменениепроекции импульсатолько на однонаправление,и обратно, еслиизменяетсяпроекция импульсатолько на однуиз осей, то,следовательно,импульс силы,действующейна тело, имееттолько однупроекцию, отличнуюот нуля. Совокупностьnвоздействующихтел называетсясистемойтел.Введем понятиевнешнихи внутреннихсил. Внешнимисилами называютсясилы, действующиена тела системысо стороны тел,не входящихв нее. Внутреннимисилами называютсясилы называютсясилы, возникающиев результатевзаимодействиятел, входящихв систему. Рассмотримсистему из двухвзаимодействующихтел 1 и 2. На тело1 действуетвнешняя силаFвнеш1и внутренняясила (со сторонывторого тела)Fвнутр1.Навторое телодействуют силыFвнеш2иFвнутр2.Изменениеимпульса телаза промежутоквремени равноp1=Fвнутр1t+Fвнеш1t
изменениеимпульса второготела: p2=Fвнутр2t+Fвнеш2t.Суммарныйимпульс системыравен p=p1+p2.Сложив левыеи правые частиуравнений,получим изменениесуммарногоимпульса системы:p=(Fвнутр1+Fвнутр2)t+(Fвнеш1+Fвнеш2)t.Потретьему законуНьютона Fвнутр1=-Fвнутр2,откудаp=Fвнешt,где Fвнешt– резонирующийимпульс внешнихсил, действующихна тела системы. Итак, это уравнениепоказывает,что импульссистемы можетизменитьсятолько поддействиемвнешних сил.Законсохраненияимпульса можносформулироватьследующимобразом: Импульссистемы сохраняется,если результирующийимпульс внешнихсил, действующихна тела, входящихв систему, равеннулю. Системы,в которых натела действуюттолько внутренниесилы, называютсязамкнутыми.Очевидно, чтов замкнутыхсистемах импульссистемы сохраняется.Однако и внезамкнутыхсистемах внекоторыхслучаях можноиспользоватьзакон сохраненияимпульса. Перечислимэти случаи.
1.Внешние силыдействуют, ноих результирующаяравна 0. 2. Проекциявнешних силна какое-тонаправлениеравна 0, следовательно,проекция импульсана это направлениесохраняется,хотя сам векторимпульса неостается постоянным.3. Внешние силымного меньшевнутреннихсил (Fвнеш
Динамика– раздел механики,в котором изучаетсядвижение телпод действиемприложенныхк нему сил. Воснове динамикележат три законаНьютона. Первыйзакон Ньютона– закон инерции.Всякое телостремитьсясохранитьсостояние покояили равномерногопрямолинейногодвижения дотех пор, покана него не действуетсила. Состояниепокоя илиравномерногопрямолинейногодвижения сточки зрениядинамики неразличаются(а=0). Массаmявляетсяколичественноймерой инертностител. СилаFмеравзаимодействиятел.Любоеизменениехарактерадвижения тела,любое ускорениеесть результатдействия натело другихтел. Воздействиеодного телана другое можетпроисходитьпри непосредственномсоприкосновениител или посредствомсиловых полей.Различают полетяготения,электрическоеи магнитноеполя. Рассмотримосновные силы.1. Сила, вызваннаядеформациейтел и препятствующаяизменениюобъема тела,называетсясилойупругости.Деформацияназываетсяупругой, еслипосле снятиявнешнего воздействиятело возвращаетсяв исходноесостояние. Принебольшихдеформацияхрастяженияили сжатия хсила упругостипрямо пропорциональнадеформациии направленав сторонупротивоположнуюей. Fупр= -kx,где k– коэффициентупругости,зависящий отсвойств материалаи геометриидеформируемоготела. Сила упругостипрепятствуетдеформации.Для характеристикиупругих свойстввещества вводитьсявеличина E,называемаямодулемЮнга.Напряжение,возникающиев твердом теле,равно =F/S,где Sплощадьпоперечногосечения твердоготела, на котороевоздействуетсила F.Относительнаядеформацияx/l0,где l0–длинатела до деформациипропорциональнанапряжению,возникающемув твёрдом теле(законГука).(1/E).Физическийсмысл модуляЮнга состоитв следующем:величина Eчисленно равнанапряжению,возникшемув твердом телепри относительнойдеформации,равной единице.Из физическогосмысла модуляЮнга следует,что Eявляется большимпо величине.2.Силатрения.Трение, возникающиепри относительномперемещениисухих поверхностейтвердого тела,называетсясухим трением.Различают тривида сухоготрения: трениепокоя, скольженияи качения. Еслина тело действуетсила F,но тело сохраняетсостояние покоя(неподвижноотносительноповерхности,на которой ононаходиться),то это означает,что на телоодновременнодействует сила,равная по величинеи противоположнаяпо направлению,- силатрения покоя.Сила тренияпокоя всегдаравна по величинеи противоположнапо направлениювнешней действующейсиле: Fтр.покоя=-F.Силатрения скольженияопределяетсяиз соотношения:Fтр=kN,где k– коэффициенттрения, зависящийот шероховатостии от физическихсвойств соприкасающихсяповерхностей,N– сила реакцииопоры, эта силаопределяетнасколько телоприжато кповерхности,по которой онодвижется. Силатрения покояизменяетсяпо величинеот 0 до максимальногозначения. Силатрения скольжениявсегда направленав сторону,противоположнуюскорости движениятела относительноповерхности,по которой онодвижется. Силатрения качениямала по сравнениюс силой тренияскольжения.При большихскоростяхсопротивлениеперекатываниюрезко увеличиваетсяи тогда следуетрассматриватьсилу тренияскольжения.3. Все тела притягиваютсядруг к другу.Для материальныхточек (или шаров)законвсемирноготяготенияимеет вид F=Gm1m2/r2,где m1,m2–массытел, r - расстояниемежду материальнымиточками илицентрами шаров,G– гравитационнаяпостоянная.Массы, входящиев этот закон,есть мерагравитационноговзаимодействиятел. Опыт показывает,что гравитационнаяи инертнаямассы равны.Физическийсмысл G:гравитационнаяпостояннаячисленно равнасиле притяжения,действующеймежду двумяматериальнымиточками илишарами массами1 кг, расположеннымина расстоянии1 м друг от друга, G=6,67*10-11H*м2/кг2.Если тело массыmнаходитьсянад поверхностьюземли на высотеh,то на него действуетсилатяготения,равнаяF=GmM3/(R3+h)2,где M3–массаЗемли,R3-радиусЗемли. В близиземной поверхностина все теладействует сила,обусловленнаяпритяжением,- силатяжести.СилатяжестиFтопределяетсясилой притяженияземли и тем,что Земля вращаетсявокруг собственнойоси. В связи смалостью угловойскоростьювращения Земли(=7,27*10-3с-1)сила тяжестимало отличаетсяот силы тяготения.При h
Пустьна тело действуетпостояннаясила Fи тело перемещаетсяна s.Механическаяработа равнапроизведениюмодулей силыи перемещенияточки приложениясилы на косинусугла междувектором силыи векторомперемещения:A=Fscos.Проекциясилы на векторперемещенияравна Fs=Fcos,следовательно,A=Fss.Механическаяэнергияхарактеризуетспособностьтела совершатьмеханическуюработу. Полнаямеханическаяэнергия теласкладываетсяиз кинетическойи потенциальнойэнергии.Кинетическаяэнергия– это энергия,которой обладаетдвижущеесятело. Пусть натело mдействует силаF,перемещениетело s.Работасилы FравнаA=Fs(cos=1).Согласно2-му закону Ньютона,F=ma.Если в точках1 и 2 скоростьтела v1иv2,то s=(v22-v12)/2a.Подставив этивыражения,получим A=(v22/2)-(v12/2).Итак,если на телодействует силаF, работа которойотлична отнуля, А0,то это приводитк изменениювеличины mv2/2,называемойкинетическойэнергией:Eкин=mv2/2.Следовательно,изменениекинетическойэнергии равноработе силы,действующейна тело. Еслина тело действуютнесколько сил,то изменениекинетическойэнергии равноалгебраическойсумме работ,совершаемыхпри данномперемещениикаждой из сил.Потенциальнойэнергиейобладает системател, взаимодействующихмежду собой,если силывзаимодействияконсервативны.Консервативной(потенциальной)силой называетсясила, работакоторой независит отформы траектории,а определяетсятолько положениемначальной иконечной точектраектории.Потенциальнаяэнергия тела,поднятого навысоту h(h
Силы,действующиемежду молекуламигаза, малы ипоэтому частоими можно пренебречь.Кроме того,можно пренебречьобъемом, которыйзанимают молекулы.Газ, для которогоэто справедливоназываетсяидеальнымгазом.Любой газ придавленияхменьше 10 атм,можно рассматриватькак идеальный.Газ характеризуетсятремя параметрами:объемом V,давлением Р,и температуройТ. Равновесноесостояние– это состояние,при которомтемператураи давление вовсех точкаходинаковы. Награфиках зависимостиP-V,T-Vи Р-Т можноизобразитьтолько такиепроцессы, прикоторых каждоепромежуточноесостояниеявляется равновесным.Такие процессыназываютсяобратимыми.Экспериментальноисследовалисьпроцессы, прикоторых одиниз трех параметрови масса газаоставалисьнеизменными.Эти законыназываютсягазовымизаконами,и если газподчиняетсягазовым законам,его можно считатьидеальным.Закон Бойля– Мариотта. Дляданной массыгаза при постояннойтемпературепроизведениедавления наобъем остаетсявеличинойпостоянной:PV=const. Процессы,происходящиепри постояннойтемпературе,называютсяизотермическими,а кривые, изображающиепроцессы приТ=const,называютсяизотермами.Поскольку Р=С/V(С=const),изотермы являютсягиперболами.ЗаконГей-Люссака.Для данноймассы газа припостоянномдавлении объемизменяетсяпри увеличениитемпературыпо линейномузакону: V=V0(1+t0C),где =1/2730Cподставивэто значение,получим V=(V02730C+t0C)/2730C,Введем абсолютнуютемпературуТ=2730C+t0C,откуда V/T=V0/2730C=const.ЗаконГей-Люссакаможно сформулироватьследующимобразом: отношениеобъема к абсолютнойтемпературедля данноймассы газа припостоянномдавлении, называютсяизобарными,а кривые, изображающиеизобарныйпроцесс, изобарами.ЗаконШарля.Для постоянноймассы газа припостоянномобъеме отношениедавления газак его температуреостается постоянным:P/T=const приm=const,V=const. Процессы,происходящиепри постоянномобъеме, называютсяизохорными,и кривые ихизображающиеизохорами. Уравнение,устанавливающиесвязь всех трехпараметровпри постоянноймассе газа,называетсяобъединеннымгазовым законом.Пусть система,находящаясяв состоянии1, характеризуетсяпараметрамиР1,V1,Т1,перешла в состояние2, характеризующеесяпараметрамиР1,V1,Т1.Переведемсистему изсостояние 1 в2 следующимобразом: сначалагаз изотермическирасширяетсядо объема V2,а затем изохорнонагреваетсядо температурыТ2.Итак, промежуточноесостояние газа1’характеризуетсяпараметрамиР’,V2,Т1.При изотермическомрасширениисправедливовыражениеP1V1=P’V2(законБойля – Мариотта). При изохорномнагреванииP’/T1=P2/T2(законШарля). ВыразивP’иприравняввыражение дляP’получим(P1V1)/T1=(P2V2/T2),т.е. при m=const PV/T=const. УравнениеКлапейрона– Менделеева,или уравнениесостояния идеальногогаза, связываеттермодинамическиепараметры имассу газа.Мольравен количествувещества,содержавшемустолько жемолекул, сколькоих содержит0,012 кг углерода(С12).В одном молелюбого веществачисла молекулравно числуАвогадроNA=6,022*1023моль-1.Масса моля Мравна произведениюмассы одноймолекулы m0начисло АвогадроNA:M=m0NA.Известно, что1 моль любогогаза при нормальныхусловиях(Р0=1атм=1,013*105Паи t0=00Сили Т0=237К)занимает объемV0=22,4.Дляодного моляможно записатьуравнение:
(PV)/T=(P0V0)/T0=const.Величина R=(P0V0)/T0 называетсяуниверсальной(одинаковойдля всех газов)газовойпостоянной:R=(1атм*22,4л)/(1моль*237К)=0,082атм*л/(моль*К)=8,31 Дж/(моль*К).Итак, RV/T=R,илиPV=RT.Если в объемеVсодержитсяm/Mмолей,то PV=(m/M)RT– равнениеКлапейрона– Менделеева.Все выше перечисленныегазовые законыявляются частнымслучаем уравненияКлапейрона– Менделеева.Газовая постояннаяRсвязана с числомАвогадро ипостояннойБольцмана k:R=kNA,гдеk=1,28*1023Дж/К.Подставив этовыражение,получим PV=NkT,где N-число молекулгаза. Величинаn0=N/Vназываетсяконцентрациеймолекул. Такимобразом, P=n0kT.Этиуравненияназываютсяуравнениямисостоянияидеальногогаза.
Приопределенныхусловиях телаэлектризуются,т.е. приобретаютнекоторыйзаряд.Существуютзаряды толькодвух видов:отрицательныеи положительные,причем этоделение чистоусловное. Одноименныезаряды отталкиваются,а разноименныепритягиваются.Единица зарядав СИ – кулон(Кл). По определению,1 кулон равензаряду, протекающемучерез поперечноесечение проводниказа 1 с при силетока 1 А. Перечислимсвойства зарядов.1. Существуютзаряды двухвидов; отрицательныеи положительные.Разноименныезаряды притягиваются,одноименныеотталкиваются.Носителемэлементарного,т.е. наименьшего,отрицательногозаряда являетсяэлектрон,заряд которогоqe=-1,6*10-19Кл,а масса mе=9,1*10-31кг.Носителемэлементарногоположительногозаряда являетсяпротон qр=+1,6*10-19Кл,масса mр=1,67*10-27кг.2. Электрическийзаряд имеетдискретнуюприроду. Этоозначает, чтозаряд любоготела кратензаряду электронаq=Nqe,где N– целоечисло. Однакомы, как правило,не замечаемдискретностизаряда, так какэлементарныйзаряд оченьмал. 3.В изолированнойсистеме, т.е. всистеме, телакоторой необмениваютсязарядами свнешними поотношению кней телами,алгебраическаясумма зарядовсохраняется(законсохранениязаряда).Закон Кулона.Ш.Кулон установил,что сила взаимодействиядвух точечныхэлектрическихзарядов, находящихсяв вакууме, прямопропорциональнапроизведениюэтих зарядови обратнопропорциональнаквадрату расстояниймежду ними инаправленавдоль прямой,соединяющейзаряды. Заряженноетело, размероми формой которогоможно пренебречьпо сравнениюс расстояниемдо других заряженныхтел, называетсяточечнымзарядом.Закон Кулонасправедливтолько дляточечных зарядови выражаетсяследующейформулой:F=k|q1||q2|/r2,гдеq1и q2– величинывзаимодействующихзарядов, r– расстояниемежду ними, k–коэффициент,зависящий отвыбора системыединиц.ВСИ имеем k=1/40=9*109Н*м2/Кл2,где 0–электрическаяпостоянная,равная 0=8,85*10-12Ф/м[Ф/м=Кл2/Н*м2].Еслизаряды находятсяв идеальнооднороднойсреде, то силавзаимодействиямежду нимиуменьшаетсяв раз,- относительнаядиэлектрическаяпроницаемостьсреды. Тогдазакон Кулонав СИ имеет вид F=(1/40)*(|q1||q2|)/r2.Еслиимеется систематочечных зарядов,то сила, действующаяна каждый изних, определяетсякак векторнаясумма сил,действующихна данный зарядсо стороны всехдругих зарядовсистемы. Приэтом силавзаимодействияданного зарядас каким-то конкретнымзарядом рассчитываетсятак, как будтодругих зарядовнет (принципсуперпрозиции).Напряженностьэлектрическогополя. Заряды,находясь нанекоторомрасстоянииодин от другого,взаимодействуют.Это взаимодействиеосуществляетсяпосредствомэлектрическогополя. Наличиеэлектрическогополя можнообнаружить,помещая в различныеточки пространстваэлектрическиезаряды. Еслина заряд в даннойточке действуетэлектрическаясила, то этоозначает, чтов данной точкепространствасуществуетэлектрическоеполе. Силовойхарактеристикойэлектрическогополя служитнапряженностьE.Если на находящийсяв некоторойточке зарядq0действуетсила F,то напряженностьэлектрическогополя Е равна:Е=F/q0.Графическисиловые поляизображаютсиловымилиниями.Силовая линия– это линия,касательнаяв каждой точкекоторой совпадаетс векторомнапряженностиэлектрическогополя в этойточке.
Электрическоеполе точечногозаряда. Пустьв точке О находитьсяточечный зарядq.Вокруг негосуществуетэлектрическоеполе. Для исследованияэтого поляпоместим пробгыйзаряд qпрна расстоянииrот него. Силакулона, действующаяна заряд qпрравнаF=k*(|q|*|qпр|)/r2.Напряженностьэлектрическогополя Е равнаE=F/qпр,откуда E=k*(|q|/r2)=(1/40)*(|q|/r2).Напряженностьполя точечногозаряда прямопропорциональнавеличине зарядаи обратнопропорциональнаквадрату расстоянийот точечногозаряда до исследуемойточки. Еслиполе создаетсянесколькимизарядами, тонапряженностьэлектрическогополя в даннойточке определяетсявекторнойсуммой напряженностиполей, создаваемыхв этой точкекаждым зарядомв отдельности.Причем полекаждого источникасчитается так,как будто другихисточниковполя нет (принципсуперпозицииполей): Е=Е1+Е2+Е3+....Поле, создаваемоенепрерывноразделеннымзарядом, сложноопределить,используятолько принципсуперпозиции.Если полясимметричны,то напряженностьполя определяетсяс помощью теоремыОстроградского– Гаусса.Формулы дляопределениянапряженностиэлектрическихполей в следующихслучаях: 1. Полеравномернозаряженнойбесконечнойплоскости:E=2/0,где - поверхностнаяплотностьзаряда, равная=q/S,а q–зарядплощадки S.2. Полепроводящейсферырадиуса r0.Зарядqравномернораспределенпо поверхностисферы. Внутрисферы при r
Потенциал.Разность потенциалов.Кроме напряженности,важной характеристикойэлектрическогополя являетсяпотенциал .Потенциал - это энергетическаяхарактеристикаэлектрическогополя, тогда какнапряженностьE– это его силоваяхарактеристика,потому чтопотенциал равенпотенциальнойэнергии, которойобладает единичныйзаряд в даннойточке поля, анапряженностьравна силе, скоторой поледействует наэтот единичныйзаряд.
=Wпот/q,Здесь Wпот–потенциальнаяэнергия зарядаqв данной точкеполя.Потенциалполя, созданноготочечным зарядом- источникомqили заряженнымшаром с зарядомq,определяетсяформулой =q/40r.Здесь r –расстояниеот точки поляс потенциаломдо точечногозаряда или доцентра шара.Еслиr=R,где R– радиус шара,то по этой формулеможно определитьпотенциал шарана его поверхности.Работа перемещениязаряда А вэлектрическомполе определяетсявыражениемA=q(1-2)илиА=qU.Здесь 1-2разностьпотенциалов(или падениепотенциала ,или напряжениеU)между точками с потенциалами,1и 2.Очевидно, чтоесли зарядперемещаютмежду точкамис одинаковымипотенциалом,то работа перемещениязаряда равнанулю. Точно также как равнанулю и работаперемещениязаряда по замкнутойтраектории,т.е. когда онвозвращаетсяв исходнуюточку с прежнимпотенциалом.Действительнов этом случаеА=q(1-2)=0.в однородномэлектростатическомполе работаперемещениязаряда qможетбыть определена по формулеA=Eqd,(d=Scos),где E–напряженностьэтого поля, аd–проекция перемещениязаряда qна силовуюлинию этогополя, угол междунаправлениемперемещенияSи вектором Е.Если зарядперемещаетсяпо силовойлинии, то d–модуль перемещения.Если зарядперемещается перпендикулярносиловым линиям,то=900,соs=0и А=0. Вкаждой точкеоднородногоэлектрическогополя напряженностьодинакова повеличине инаправлению,а потенциалнет, так как онпонижаетсяпри переходеот точек, которыеближе к положительнымзарядам – источникам,к точкам, которыеближе к отрицательнымзарядам источникам.В этом случаесвязь междуразностьюпотенциалов1-2илиUи напряженностьюЕ выражаетпростое соответствиеE=(1-2)/dилиE=U/d.Следуетотметить, чтов электрическомполе можноотыскать точки,потенциалыкоторых одинаковы.Эти точкирасполагаютсяна поверхностях,перпендикулярныхлиниям вектораE.Такие поверхностиназываютсяэквипотенциальными.Работа перемещениязаряда qвдоль эквипотенциальнойповерхностиравна нулю, таккак A= q(1-2)=0.Поверхностьпроводникас неподвижнымизарядами тожеявляетсяэквипотенциальной,поэтому приперемещениизаряда по такомупроводникуработы несовершается.Формулу E=(1-2)/dможноприменять кполю бесконечной заряженнойплоскости ик полю плоскогоконденсатора,обкладки которогозаряжены разноименно(при этом если1-2–разностьпотенциаловмежду обкладками,то d– расстояниемежду ними).
Конденсаторы.Если изолированномупроводникусообщить зарядq,то его потенциалувеличиться на ,причем отношениеq/остается постоянным:q/=С,где С – электрическаяемкость проводника,т.е. величина,численно равнаязаряду, которыйнадо сообщитьпроводнику,чтобы повыситьего потенциална единицу (на1В). Электрическаяемкость проводниковзависит от ихразмеров, формы,диэлектрическихсвойств средыв которую онипомещены, ирасположенияокружающихтел, но не зависитот материалапроводника. В СИ за единицуэлектрическойемкости 1 фарад(Ф):[C]=1A=1кл/1В=1А2*с4/кг*м2.Емкость равная1Ф, очень велика,поэтому напрактике чащепользуютсяединицамимикрофарад(1мкФ=10-6Ф)или пикофарад(1мкФ=10-12Ф).Конденсаторпредставляетсобой системудвух проводников(обкладок) несоединенныхдруг с другом.Часто междуобкладкамипомещают диэлектрик.При сообщенииэтим проводникамодинаковымпо величинеи разноименныхзарядов, поле,создаваемоеэтими проводниками,практическиполностьюлокализованов пространствемежду ними.Конденсаторыявляются накопителямиэлектрическихзарядов. Отношениезаряда на обкладкеконденсаторак разностипотенциаловмежду ними –постояннаявеличина:q/(1-2)=C.Плоскийконденсаторсостоит из двухпластин площадьюS,расположенныхна небольшомрасстоянииdдруг от друга,заряды на пластинах+qи–q.В общем случае,если пространствомежду пластинамизаполненодиэлектрикомс диэлектрическойпроницаемостью,то напряженностьэлектростатическогополя междупластинамиравна сумменапряженностиполей создаваемыхкаждой из пластин.
Е=/0.Емкость плоскогоконденсатораравна С=0S/d.Параллельноеи последовательноесоединениеконденсаторов.На практикеконденсаторычасто соединяютразличнымиспособами.Найти эквивалентнуюемкость – этозначит найтиконденсатортакой емкости,который притот же разностипотенциаловбудет накапливатьтот же зарядq,что и батареяконденсаторов.При последовательномсоединенииNконденсаторовзаряд на обкладкаходинаков, напряжениена всей батарееконденсаторовравно сумменапряженийна каждомконденсаторев отдельности:Uобщ=U1+U2+U3+...+UN,а общая емкостьNконденсаторов1/Собщ=1/С1+1/С2+1/С3+...+1/СN.ПрипараллельномсоединенииконденсаторовнапряжениеUна всех конденсатораходинаково иобщая емкостьСобщбатареиравна суммеемкостей отдельныхконденсаторов,Собщ=С1+С2+С3+...+СN.
Ток– это направленноедвижение заряженныхчастиц. В металлахносителямитока являютсясвободныеэлектроны, вэлектролитах– отрицательныеи положительныеионы, в полупроводниках– электроныи дырки, в газах– ионы и электроны.Количественнойхарактеристикойтока являетсясила тока. Силатока Iопределяетсяколичествомэлектричества,притекающегочерез поперечноесечение проводниказа 1 с. Если I– постояннаявеличина, тоI=q/t,откуда следует,что за промежутоквремени t черезпоперечноесечение проводникапротекаетколичествоэлектричества,равное q=It. ЗаконОма для однородногоучастка цепи.Если к проводникуприложитьразность потенциалов 1-2топо проводникупотечет электрическийток. Сила токапрямо пропорциональнаразности потенциалов(напряжению)на концахпроводника,т.е. (1-2)/I=const,1-2=U,U/I=R,где R– омическое(активное)сопротивление.СопротивлениеRзависит отсвойств проводникаи от его геометрическихразмеров: R=l/S,где - удельноесопротивление,т.е. сопротивлениепроводникадлинной 1м сединичнойплощадью поперечногосечения, l– длинна проводника,S– площадь поперечногосечения.Последовательноеи параллельнойсоединениесопротивлений.Сила тока, текущегочерез последовательносоединенныесопротивления,одинакова.Разность потенциаловА-Вравнасумме паденийнапряженийна сопротивлениях:А-В=IR1+IR2+IR3+...+IRn,следовательноRэкв=R1+R2+R3+...+Rn.Припараллельномсоединениивсе сопротивлениянаходятся пододной разностьюпотенциалов,но токи, текущиечерез сопротивлениябудут различны.Ток, текущийчерез эквивалентноесопротивление,должен бытьравен сумметоков, текущихчерез сопротивления:I1+I2+I3+...+In,следовательно(А-В)/Rэкв=(А-В)/R1+(А-В)/R2+(А-В)/R3+...+(А-В)/Rn,или
1/Rэкв=1/R1+1/R2+1/R3+...+1/Rn.Шунтированиеприборов.Сила тока вцепи измеряетсяамперметром.Сопротивлениеамперметрамало, так какон включаетсяв цепь последовательнои не долженсущественновлиять на значениесилы тока вцепи. Если силатока Iв цепи больше,чем максимальноезначение силытока, которуюможет измеритьамперметрIAmax,то к амперметрупараллельноподключаютшунт, так чточасть тока Iшначинаеттечь черезшунт. Для существенногоувеличениядиапазонаизмеренийнеобходимо,чтобы сопротивленийшунта быломного меньшесопротивленияамперметра.Если необходимоизмерить силутока, в nраз большую,чем можно измеритданным амперметром,т.е. I/IA=n,то следуетподключитьшунт с сопротивлениемRш=RA/(n-1).Напряжениена различныхучастках цепиизмеряетсявольтметром,который подключаетсяпараллельно.Показаниявольтметраопределяютсяпадением напряженияна сопротивлениивольтметраUv=IvRvи равны падениюнапряженияна сопротивленииR.Если надо измеритьнапряжениебольше, чеммаксимальноенапряжение,которое можетизмерить данныйвольтметр, ток вольтметрупоследовательноподключаютдобавочноесопротивление.Если нужноизмерить напряжениев nраз большее,чем то напряжение,которое можетизмерить данныйвольтметр, т.е.n=U/Uvmax,то необходимоподключитьдобавочноесопротивлениеRдоб=(n-1)Rv.Электродвижущаясила. Закон Омадля полнойцепи.Для поддержанияпостоянногоэлектрическоготока в цепинеобходимоподключитьисточник. Приэтом очевидно,что кулоновскиесилы не могутподдерживатьток, так какработа этихсил по замкнутомуконтуру равнанулю, а известно,что когда поцепи течет ток,выделяетсятепло. Следовательно,в цепи должныдействоватьцепи некулоновскогопроисхождения,работа которыхпо замкнутомуконтуру неравна нулю.Устройство,в котором такиесилы возникают,называетсяисточником.Это могут бытьхимическиесилы (гальваническиеэлементы), силысо стороны магнитногополя и т.д. Источникитока характеризуются электродвижущейсилой (эдс.). Эдс– физическаявеличина, равнаяработе стороннихсил Аст поперемещениюединичногоположительногозаряда по замкнутойцепи: E=Аст/q0.Полнаяэлектрическаяцепь состоитиз источникас эдс Eи внутреннимсопротивлениемR.Сила тока, текущегопо цепи, прямопропорциональнаэдс и обратнопропорциональнаполному сопротивлениют.е. I=E/(R+r).(ЗаконОма для полнойцепи).
Последовательноеи параллельноесоединениеисточниковтока.При последовательномсоединениинесколькихисточниковтока полнаяэдс батареиравна алгебраическойсумме эдс всехисточников,а суммарноесопротивлениеравно суммесопротивлений.При параллельном подключенииnисточниковс одинаковымиэдс и внутреннимисопротивлениямисуммарная эдсравна эдс одногоисточника, авнутреннеесопротивлениеrв=r/n.Если эдс источниковразлична, тодля расчетовзначения силтоков в различных участках цепиудобно пользоватьсяправиламиКирхгофа. ПравилаКирхгофа. Первоеправило Кирхгофа.Точка соединениянесколькихпроводниковназываетсяузлом. Алгебраическаясумма токовв узле равнанулю. Токи, идущиек узлу, будемсчитать положительными,от узла отрицательными.Второеправило Кирхгофа. Алгебраическаясумма паденийнапряженийна замкнутомконтуре разветвленнойцепи равнаалгебраическойсумме эдс.Тепловое действиетока. Есличерез сопротивлениеRтечетток I,то кулоновскиесилы совершаютположительнуюработу: A=qU=IUt,где q– количестваэлектричества,протекшее черезпоперечноесечение проводниказа промежутоквремени t: q=It.При этом происходитвыделение тепла Q.Очевидно, чтоQ=A,или Q=IUt=I2Rt=(U2/R)/t.(ЗаконДжоуля – Ленца).Мощностьтока– работа, совершаемаяза единицувремени и равнаяP=A/t=IU=I2R=U2/R.Полная мощностьP0,развиваемаяисточником,идетнавыделение теплаво внешнем ивнутреннем сопротивленияхи равна P0=I2(R+r)=IE=E2(R+r).Мощность, выделяемаяво внешнемсопротивлении,называетсяполезной мощностьюи равна Pполез=E2R/(R+r)2.Мощность,выделяемая во внутреннемсопротивлении,использованабыть не можети называетсятеряемой мощностьюРтер=I2r=E2r /(R+r)2.Токв электролитах.В электролитах(растворы солей,кислот, щелочейи расплавысолей ) имеютсяположительныеи отрицательныеионы. В раствореустанавливаетсядинамическоеравновесиемежду процессамидиссоциациии рекомбинацииионов. Под действиемэлектрическогополя ионы приобретаютнаправленноедвижение –положительныеионы (катионы)движутся ккатоду, отрицательные(анионы) - к аноду.При электролизев растворахсолей массакатода увеличивается,так как на катодеосаждаютсяположительныеионы. Например,если электролитомявляется раствормедного купороса,и мы берем медныеэлектроды, томасса катодасо временемувеличивается.Электролизомназываетсяявление выделениявещества наэлектродахпри прохождениичерез электролитэлектрическоготока. Для электролизасправедливыдва законаФарадея:1. Масса вещества,выделившегосяпри электролизе,прямо пропорциональнапротекшемучерез электролитколичествуэлектричества(заряду): m=kq=kIt,где k– электрохимическийэквивалентданного вещества.Физическийсмысл электрохимическогоэквивалентасостоит в следующем:kчисленно равенколичествувещества,выделившемусяпри прохождениичерез электролитзаряда [k]кг/Кл.2. Второй законФарадея устанавливаетсвязь междуэлектрохимическими химическимэквивалентомданного вещества:k=x/F,где х – химическийэквивалентвещества, равныйотношениюатомной массывещества А кего валентностиn:x=A/n,F– постояннаяФарадея, независящая отсвойств электролита,F=9,65*104Кл/моль.Объединив двазакона получимобъединенныйзакон Фарадеяm=(1/F)(A/n)It,т.е. масса выделившегосявещества прямопропорциональна атомной массе,силе тока, ивремени и обратнопропорциональнавалентностивещества. Есливыделившаясямасса веществачисленно равнаего химическомуэквиваленту,то постояннаяФарадея численноравна заряжу,который долженпройти черезэлектролит,чтобы на электродевыделиласьмасса вещества,численно равнаяего химическомуэквиваленту.
Интерференциясвета– это явлениеналожения волнс образованиемустойчивойкартины максимумови минимумов.При интерференциисвета на экраненаблюдаетсячередованиесветлых и темныхполос, еслисвет монохроматический(излучаютсяэлектромагнитныеволны однойдлины), или цветныхполос, еслицвет белый илисостоит из волнразной длинны.Необходимымусловием наблюденияинтерференционнойкартины являетсякогерентностьволн. Два различныхисточника светане могут бытькогерентны.Свет излучаетсявозбужденнымиатомами, времяизлучения атомадлится ~10-8с,период колебаний,возбуждаемыхсветовой волной~10-15с.Невозможносогласоватьизлучение двухатомов одногоисточника, темболее, невозможносогласоватьизлучение двухразных источников.Каждый атомизлучает короткийцуг волн, которыйможно представитькак суммумонохроматическихволн с начальнойфазой, определяемоймоментом излучения.Поэтому интерферироватьмогут лишьволны, испускаемыев одном и томже акте излучения.Для полученияинтерференционнойкартины видимогосвета необходиморазделитьизлучения отодного источникана два потока,эти потоки направить подвум разнымтраекториям,а затем соединитьих в некоторойобласти пространства.В этом случаев данной точкепространствабудут сходитьсяволны, испущенныеодним атомомв одном актеизлучения, иразность фазколебаний,возбуждаемыхв этой точкеэтими волнами,будет определятсятолько разностьюхода волн. Например,луч, падающийнепосредственнона экран SA,и луч, отразившийсяот зеркала, ОА,будут когерентны.Разностьгеометрическихволн в данномслучае являетсяразностью ходаволн =(SO+OA)-SA.Очевидно, чторазность ходаволн не должнапревышать 3м. Если >3м, то в точке Aвстречаютсяволны, излученныеразными атомами,так как за время10-8содним атомомизлучаетсяцуг волн длинойl=ct=3м, где с – скоростьсвета, равная300000 км/с. Дифракциясвета.Явление огибанияволнами препятствийи попаданиясвета в областьгеометрическойтени называетсядифракцией.Пусть плоскаяволна падаетна щель в плоскомэкране АВ. СогласнопринципаГюйгенса-Френеля,каждая точкаволновогофронта являетсяисточникомвторичных волн,причем все этиразличныеисточникикогерентны.Огибающая кфронтам волнот вторичныхисточниковдает положениенового фронтаволны. Явлениедифракциинаблюдаетсяпри условиисоизмеримостипрепятствийс длинной волны~d.Все вторичныеисточникикогерентныи распределениеинтенсивностиесть результатинтерференцииволн, излучаемыхвторичнымиисточниками.Дифракционнаярешеткасостоит изчередующихсяпрозрачныхи непрозрачныхполос. Суммарнаяширина прозрачнойи непрозрачнойполосы называетсяпериодомдифракционнойрешетки d.Пусть на решеткупадает плоскаяволна. Так как~d,то лучи начинаютоткланятьсяот первоначальногонаправленияраспространения.Щели являютсякогерентнымиисточниками.Фотоэффект.Фотоэлектрическим эффектом называетсяиспусканиеэлектроновс поверхностиметалла поддействиемсвета. Если кэлектродамоткачаннойтрубки приложитьнапряжение,ток по цепи непотечет, таккак пространствемежду катодоми анодом нетносителей тока.Но при облучениикатода световымпотоком в цепипоявится ток. При увеличениинапряжениясила тока растет,все большеечисло электронов,покинувшихкатод под действиемсвета, достигаетанода. Начинаяс некоторогозначения напряженияU1сила тока вцепи не изменяется.Это означает,что все электроны,вышедшие изкатода за 1 с,достигаютанода. Этот токIнназываетсяфототокомнасыщения. Онпозволяетопределитьколичествоэлектронов,покидающихкатод за 1 с. ПриU,равном нулю,фототок отличенот нуля. Этообъясняетсятем, что электронывылетают изметаллическойпластинки снекоторойскоростью ине нужно создаватьэлектрическогополя для того,чтобы они достигалианода. Для того,чтобы фототокбыл равен нулю,надо создатьполе, препятствующиедвижению электроновк аноду. Разностьпотенциалов,при которойэлектроны недостигаютанода, называетсязадерживающимнапряжениемUз.Изменениекинематическойэнергии должнобыть равноработе электростатическихсил поля, созданногомежду электродами:qeUз=mv2/2,где qeи Uз
ЗаконыСтолетова дляфотоэффекта.1.Сила фототоканасыщения тембольше, чембольше падающийна катод световойпоток (средняяпо времениэнергия, падающаяна поверхностькатода за единицувремени). Сувеличениемпадающегопотока возрастаетколичествоэлектронов,покидающихкатод. 2. Максимальнаяначальнаяскоростьфотоэлектроновопределяетсячастотой света и не зависит от его интенсивности.Фотоэффектнаблюдается,если длинаволны падающегоизлученияменьше некоторойопределеннойдлины волны,называемойкраснойграницей фотоэффекта,т.е. при кр.Длина волны,соответствующаякрасной границефотоэффекта,зависит отсвойств металла.Последний законневозможнообъяснить спозиций классическойфизики. Былавыдвинутагипотеза, чтосвет излучаетсяи поглощаетсяпорциями –квантамиили фотонами.Энергияфотона =h,где h-постояннаяПланка, равная6,63*10-34Дж*с.Фотон – элементарнаячастица, движущаясяв вакууме соскоростью с,равной скоростисвета. Массапокоя фотонаравна нулю.Импульс фотонаp=mc=h/c.Согласно Эйнштейну,энергия фотона,падающего наметалл, идетна работу выходаэлектрона изметалла и насообщениеэлектронукинетическойэнергии. УравнениеЭйнштейна имеетвид h=Aвых+mv2/2или h=Авых+qU3,где Aвых– работа выходаэлектрона изметалла. Работойвыхода Aвыхназываетсяминимальнаяэнергия, которуюнадо сообщитьэлектрону,чтобы он покинулметалл. Свободныеэлектроны,выходя за пределыкристаллическойрешетки металла,образуют вокругнего электронноеоблако. Между ним и кристаллическойрешеткой создаетсяэлектрическоеполе, препятствующеедальнейшемувыходу электроновиз металла. Длятого, чтобыэлектрон покинулметалл, он долженобладать достаточнойэнергией дляпреодоленияэтого поля.Скорости электроновв системе различны.Электрону сменьшей энергиейнадо сообщитьбольшую порциюэнергии, чемэлектрону сменьшей энергией,для того чтобыони покинулиметалл. Работавыхода Aвыхзависит толькото химическогосостава металлаи от состоянияего поверхности.Из определенияработы выходаясно, что в формулеh=Aвых+mv2/2mv2/2представляетсобой максимальнуюкинетическуюэнергию выбитогоэлектрона. Изэтой формулыочевидно также,что фотоэффектнаблюдается,если кр,где кр=Aвых/h.Соответственно кр=с/кр=сh/Aвых.
Шкалаэлектромагнитныхволн.Электромагнитныеволны генерируютсяв широком диапазонечастот. Каждыйучасток спектраимеет своеназвания. Так,видимому светусоответствуетдовольно узкийдиапазон частои соответственнодлин волн: от4*10-7до 7,5*107.С коротковолновойстороны отвидимой областиспектра находитьсяультрафиолетоваяобласть, сдлинноволновой- инфракрасная.За ультрафиолетовымдиапазономидет рентгеновский,а затем -излучение.-лучи– электромагнитноеизлучение самойбольшой частоты1020Гц (~10-12м).Радиоволнылежат в диапазоне >10-2м.
Магнитноеполе. Вокругпроводниковс током и постоянныхмагнитов существуетмагнитное поле.Оно возникаетвокруг любогонаправленнодвижущегосяэлектрическогозаряда, а также при наличиипеременногово времениэлектрическогополя. Магнитноеполе можнообнаружить,помещая в негомагнитныестрелки илипроводникис током, таккак оно оказываетна них ориентированноедействие. Магнитноеполе можноисследоватьс помощью замкнутогоконтура с током.Геометрическиеразмеры контурадолжны бытьнастолько малы,чтобы в егопределах полене изменялось.На контур вмагнитном поледействуетмеханическийвращательныймомент. Отношениемаксимальноговращательногомомента Ммахк произведениюсилы тока I,текущего поконтуру, и площадиповерхностиS,охватываемойэтим контуром,величина постоянная:Ммах/IS=const.Этим отношениемопределяетсяосновная силоваяхарактеристикамагнитногополя – вектормагнитнойиндукцииВ. ПроизведениеISназываетсямагнитныммоментом контурас током Pм=IS.Направлениемагнитногомомента совпадаетс направлениеминдукции магнитногополя, создаваемогов центре контуратекущим по немутоком. Направлениевектора Вопределяетсяпо правилу:если направлениевращение винтасовпадает снаправлением тока в контуре,то его поступательноедвижение укажетнаправлениеиндукции магнитногополя и, соответственно,магнитногомомента (следствиеправила правоговинта). Итак,вектор магнитнойиндукции определяетсямаксимальнымвращательныммоментом, действующимна контур стоком, магнитныймомент которогоравен единице: B=Ммах/Pм.Магнитнаяиндукция измеряетсяв теслах. (Тл.)Тесла – этоиндукция такогооднородногомагнитногополя, котороедействует смаксимальнымвращательныммоментом 1Н*мна контур стоком, магнитныймомент которогоравен 1 А*м2.Индукция магнитногополя – экспериментальноизмеряемаявеличина, зависящаяот токов, создающихполе, и свойствсреды, в которой,в которой оносоздано. Нарядус вектороммагнитнойиндукции Ввводится ещеодна силоваяхарактеристикамагнитногополя – напряженностьмагнитногополяН. Вектор В и Нсвязаны соотношениемB=0Н.Напряженностьмагнитногополя измеряетсяв амперах наметр (А/м),0-магнитнаяпостоянная,равная 4*10-7Гн/м,- относительнаямагнитнаяпроницаемостьсреды, показывающая,во сколько разиндукция магнитногополя в даннойсреде большеили меньше, чемв вакууме.Напряженностьмагнитногополя определяетсятолько конфигурациейпроводников,создающих поле,и токами, текущимипо этим проводникам,т.е. макроисточниками поля, и не зависитот магнитныхсвойств среды,в которой полесоздается.
ЗаконАмпера.Поместим вмагнитное полепроводникдлинной l,по которомутечет ток I.На проводникдействует сила, прямо пропорциональнаясиле тока, текущегопо проводнику,индукции магнитногополя, длинепроводника,и зависящаяот ориентациипроводникав магнитномполе. |F|=IBlsin,где - угол между направлениемтока в проводникеи направлениемвектора магнитнойиндукции B,Направлениесилы Ампераопределяетсяпо правилулевой руки:если левую рукурасположитьтак, что магнитныесиловые линиивходят в ладонь,четыре вытянутыхпальца направитьпо току, то отогнутыйбольшой палецукажет направлениесилы. Очевидно,что сила Ампераравна нулю,если проводникрасположенвдоль силовыхлиний поля имаксимальна,если проводникперпендикуляренсиловым линиям.Движение заряженныхчастиц в магнитномполе. На проводникс током в магнитномполе действуетсила АмпераFАIBlsin.Ток,в свою очередь,это направленноедвижение заряженныхчастиц. Силатока равнаI=qnvS,где q– зарядчастицы, n-концентрациядвижущихсязаряженныхчастиц, v-средняяскорость ихнаправленногодвижения, S-площадьпоперечногосечения проводника.Подставив Iв выражениедля FА,получим FА=qnvSBlsin,где nsl=N– общеечисло частиц,создающих ток.Тогда сила,действующаяна отдельныйдвижущийсязаряд – силаЛоренца,равна Fл=qvBsin.где- угол междувекторамискорости имагнитнойиндукции. Направлениесилы Лоренца определяетсядля положительнозаряженнойчастицы поправилу левойруки.
Магнитныйпоток.Магнитнымпотоком Ф черезнекоторуюповерхностьSназываетсяскалярнаявеличина, равнаяпроизведениюмодуля векторамагнитнойиндукции наплощадь этойповерхностии косинус угламежду нормальюnк ней и направлениемвектора магнитнойиндукцииB:Ф=|B|Scos.Если магнитноеполе неоднородно,то поверхностьSразбиваетсяна элементарныеплощадки Sв пределахкаждой из которыхполе можносчитать однородным.Тогда полныйпоток черезэту поверхностьравен суммепотоков векторамагнитнойиндукции черезэлементарныеплощадки. В СИединицей магнитногопотока является1 вебер (Вб) –магнитный потокчерез поверхность1 м2,расположеннуюперпендикулярнонаправлениюоднородногомагнитногополя, индукциякоторого равна1 Тл: 1Вб=1В*с.Электромагнитнаяиндукция.Возникновениеэдс в замкнутомпроводящемконтуре приизменениимагнитногопотока черезэту поверхность,ограниченнуюэтим контуром,называетсяэлектромагнитнойиндукцией.Также эдс индукции,а следовательно,разность потенциаловвозникает наконцах разомкнутогопроводника,движущеосяв магнитномполе и пересекающегосиловые линииполя. Опытпоказывает,что эдм индукциине зависит отпричин изменниямагнитногопотока, а определяетсяскоростью егоизменения.Согласно законуФарадея, эдсиндукции определяетсякак пределотношенияизменениямагнитногопотока Фк промежуткувремени tк нулю, илипроизводнойпо временимагнитногопотока Eинд=limt-->0Ф/t=-Ф’.Явлениесамоиндукции.Ток, текущийпо проводящемуконтуру, создаетвокруг негомагнитное поле.Магнитныйпоток Ф, сцепленныйс контуром,прямопропорционаленсиле тока вэтом контуре:Ф=LI,где L– индуктивностьконтура. Индуктивностьпроводниказависит от егоформы, размеров,а также от свойствокружающейсреды. Так какиндукционныйток вызванизменениемсилы тока всамом проводнике,то данное явлениевозникновенияиндукционноготока называетсясамоиндукцией,а возникающаяэдс – эдс самоиндукции.Самоиндукцияявляется частнымслучаем явленияэлектромагнитнойиндукции. Если Iизменяетсясо временемпо линейномузакону, то Ecи=- (Ф/t)=- L(I/t),где I/t– скоростьизменения силытока. Эта формуласправедливатолько приL=const.Индуктивность– величина,численно равнаяэдс самоиндукции,возникающейв контуре приизменении силытока в нем наединицу заединицу времени.В СИ за единицуиндуктивностипринимаютиндуктивностьтакого проводника,в котором приизменении токана 1А за 1с возникаетэдс самоиндукции1В. Эта единицаназываетсяГенри (Гн): 1Гн=1В*с/А.Энергиямагнитногополя,созданноготоком, по законусохраненияэнергии равнаэнергии, затраченнойисточникомна созданиетока. При замыканиицепи ток в вцепи вследствиисамоиндукциине мразу достигнетмаксимальногозначения I0,а посепенно.При размаканиицепи ток такжеизчезает несразу, а постепенно,при этом в проводникевыделяетсятепло. Так какцепь разомкнута,то это теплоне может выделятсяза счет работыисточника, аможет бытьтолько следствиемэнергии, накопленнойв соленоиде,энергии магнитногополя. Энергиямагнитногополя соленоида,когда ток полностьюпрекратиться,переходит вджоулево тепло.Выражение длямагнитногополя соленоидаимеет вид: Wм=LI2/2.
Колебания.Движения илипроцессы, обладающиесвойствомповторяемостиво времени,называютсяколебаниями.Колебания, прикоторых смещениеизменяетсяпо законамсинуса иликосинуса, называютсягармоническими.Любой произвольныйколебательныйпроцесс можнопредставитькак суммугармоническихколебаний.Механическиеколебания.Пусть к пружинес коэффициентомупругости kприкрепленгруз массойm,находящийсяна идеальногладкой поверхности.При растяжениипружины на телоначинает действоватьсила упругостиFупр=-kx.Если тело отпустить,то под действиемсилы упругостионо начинаетдвигаться всторону, противоположнуюсмещению. Проходяположениеравновесия,тело будетобладать максимальнойскоростью ипо инерциипродолжитдвижение сжимаяпружину. Поддействием силыупругости,возникающейпри деформациисжатия, телоостановитсяи начнет двигатьсяк положениюравновесияи т.д. При этомх - смещениетела от положенияравновесияО – изменяетсяпо законуx=Asin(t+0),где As,,0не зависят отвремени. Этоуравнениеназываетсяуравнениемколебаний.АмплитудаА– максимальноесмещение отположенияравновесия.Циклическаячастота- число полныхколебаний,совершаемыхсистемой запромежутоквремени 2с. Частота- число полныхколебаний,совершаемыхсистемой за1 с. ПериодколебанийТ – промежутоквремени, закоторый совершаетсяодно полноеколебание.
Фазаколебаний(t+0)определяетположениеколеблющегосятела в моментвремени t=0.Фаза обычноизмеряетсяв радианах.T=1/.Динамикагармоническихколебаний.Согласно 2-музакону Ньютона,max=Fрезx, где Fрезx–проекция наось х результирующейвсех сил действующихна тело. Посколькуах=-2х,Fрезx= -m2х,где Fрезx–проекция наось х, вдолькоторой совершаютсяколебания. Изэтого следует,что равнодействующаявсех сил, действующихна тело, совершающеегармоническоеколебание,прямо пропорциональна смещению инаправленав сторону,противоположнуюсмещению. Силы,прямо пропорциональныесмещению инаправленныев сторонупротивоположнуюсмещению, т.е.удовлетворяющиеусловию Fx=-kx,но имеющие инуюприроду, чемупругие силы,называютсяквазиупругими.Гармоническиеколебаниясовершаютсяпо действиемупругих иликвазиупругихсил. Сложениеколебаний,направленныхвдоль однойпрямой. Пустьматериальнаяточка одновременноучаствует вдвух колебаниях,происходящихвдоль однойпрямой, напримервдоль оси х.Частоты колебанийодинаковы, аразность фазесть .Тогда уравнениеколебаний имеютвид x1=A1sint,x2=A2sin(t-).При сложенииэтих двух колебанийполучим x=x1+x2=A1sint+A2sin(t-).Очевидно,что амплитударезультирующегоколебания будетзависеть отразности фаз.Так, если =2n,где n=0,1,2,3,...,n,то х=(А1+А2)sint,т.е. амплитударезультирующегоколебания будетравна суммеамплитуд складываемыхколебаний. Если=(2n+1),то х=(А1-А2)sint,т.е амплитударезультирующегоколебания будетравна разностиамплитуд иколебанияпроисходят с минимальнойамплитудой.Если амплитудыскладываемыхколебанийравны, то в этомслучае колебанийвообще происходитьне будет. Затухающиеколебания.Во всех реальныхслучаях колебанийпомимо силыупругости натело действуетсила сопротивления,которая обычносчитаетсяпропорциональнойскорости инаправленнойв сторонупротивоположнуюскорости. F2=-rv,где r-постоянныйкоэффициент.Тогда из 2-гозакона Ньютонаимеем ma=-kx-rv,причем 02=k/m,0–частота собственныхколебанийсиситемы вотсутствиизатухания,r/m=2,где - коэффициентзатухания.Очевидно, чембольше rичемменьше m,тем быстреебудут затухатьколебания.Вынужденныеколебания.Для поддержанияколебаний всистеме необходимо,чтобы действоваласила, работакоторой компенсировалабы уменьшениемеханическойэнергии. Этасила должнабыть переменной,так как постояннаясила можеттолько изменитьположениеравновесия,но не можетспособствоватьподдержаниюколебаний всистеме. Такимобразом, насистему, совершающуюколебаниядолжна действовать вынуждающаясилаF3=F0sint,где F0–амплитудавынуждающейсилы, - ее частота.Помимо вынуждающейсилы на телодействует силаупругости F1=-kxи сила сопротивленияF2=-rv.Из 2-го законаНьютона имеемma= -kx-rv+F0sint.Собственныеколебания всистеме затухнут,следовательно,вынужденныеколебанияпроисходятс частотойвынуждающейсилы. Колебания,происходящиепод действиемвынужденнойсилы, называютсявынужденнымиколебаниями.Амплитуда ифаза зависятот соотношениямежду частотой собственныхколебаний ичастотой вынуждающейсилы. При совпаденииэтих частотамплитудаколебаний будетрезко возрастать.Это явлениеполучило названиерезонанса.Резонанснаяамплитудазависит отсопротивлениясреды.
Интерференцияволн.Интерференция– сложение волнс образованиемустойчивойкартины максимумови минимумовамплитудыколебаний.Необходимымусловиеминтерференцииназываетсякогерентностьисточников.Когерентныминазываютсяисточники,вызывающиев каждой точкепространстваколебания,разность фазкоторых остаетсяпостояннойво времени.такие источникиизлучают когерентныеволны. Очевидно,что толькоисточники,возбуждающиеколебания содинаковымичастотами могутбыть когерентными,так как, если12,то разностьфаз равна2-1=2t+02-1t-01=(2-1)t+02-01изависит отвремени. Еслиисточники некогерентны,то во всех точкахпространствабудет возбуждатьсяколебания,разность фазкоторых изменяетсясо временем.Изменяетсясо временеми амплитударезультирующегоколебания, т.е.интерференциине будет. Электромагнитныеколебания.Колебательныйконтур состоитиз катушкииндуктивности Lи конденсатораC.Еслизарядить конденсатордо напряженияU0,то в начальныймомент времениt1=0на обкладкахконденсаторабудут максимальныхзначения напряженияU0и заряда q0=СU0.Полная энергиясистемы равнаэнергии электрическогополя конденсатора:W=Wэл=СU02/2=q02/2C.По цепи начинаеттечь ток, таккак обкладкиконденсаторазамкнуты наиндуктивность,однако вследствиисамоиндукцииконденсаторразряжаетсяне мгновенно,а постепенно.Ток черезиндуктивностьувеличивается,достигаямаксимальногоуровня I0.В момент времениt2=T/4заряд конденсаторастанет равнымнулю, а ток достигнетмаксимальногозначения I0.Когда напряжениеобращаетсяв нуль, ток вцепи долженпрекратиться,однако в следствиисамоиндукцииток будет продолжатьтечь, что вызоветперезарядкуконденсатора.Постепенноток уменьшитсядо нуля. Затемконденсаторначнет разряжаться,причем токчерез индуктивностьтечет в обратномнаправлениии т.д. Черезпромежутоквремени, равныйТ, система приходитв исходноесостояние.Частота колебанияравна =1/((LC)).Период колебанийравенT=2(LC).В колебательномконтуре погармоническомузакону изменяетсязаряд, напряжениена обкладкахконденсатораи мила тока вконтуре. Электромагнитныеволны.Согласно теорииМаксвелла, переменноемагнитное полевызывает появлениепеременноговихревого эл.поля, которое,в свою очередь,вызывает появлениепеременногомагнитногополя и т.д. Такимобразом происходитраспространениеэлектромагнитныхвозмущенийв пространствет.е. распространяетсяэлектромагнитнаяволна. Основныесвойстваэлектромагнитныхволн. 1. Электромагнитнаяволна – поперечная.2. Скоростьэлектромагнитныхволн в вакуумеравна v=c=3*108м/си совпадаетсо скоростьюсвета. В средеv=c/(),где и - диэлектрическаяи магнитнаяпроницаемостисреды. 3. Электромагнитныеволны переносятэнергию. 4.Электромагнитныеволны отражаютсяот проводящихповерхностейи преломляютсяна границе двухдиэлектриков.5. Электромагнитныеволны оказываютдавление натела. 6. Еслиэлектромагнитнаяволна оказываетдавление натела, т.е. сообщаетим импульс,следовательно,она также обладаетимпульсом. 7.Наблюдаетсядифракция,интерференцияи поляризацияэлектромагнитныхволн.