Биргит Хогефельд

На рис. 12.5 представлена разряд ная стеклянная трубка, в Koxopyi впаяны два электрода А и В в вид металлических пластин, между коте рыми подается высокое напряжени порядка 40 000 В для создания сильна го поля в области Y между электрод: ми. Трубка наполнена газом при пс ниженном давлении. По обе сторон] электродов впаяны по две, параллель

ные между собой, пластины, к которым подается постоянное напряжение.

Предполагается, что во внешних областях X и 2 горизонтальное элек трическое поле отсутствует. В области Y находится небольшое количеств! газа, в котором образуются электроны и положительные ионы. Большинст во электронов, увлекаемые полем, ударяется в пластину В, но некоторы проходят через отверстие, образуя пучок в области Z. Вертикальное элек

трическое поле, создаваемое пластинами PzuPz, отклоняет этот пучо!

вниз. В области Z действует и магнитное поле, перпендикулярное плоска ста страницы; это поле также отклоняет пучок электронов вниз. Эти пол действуют и на положительные ионы, проходящие через отверстие в пла стине А в область X. Наличие магнитного поля в области X приводит к то му, что в пучке движущихся зарядов происходит разделение зарядов. От клонения зарядов будут пропорциональны значениям е, m, a Ответьте на вопросы к тексту:

1. Между пластинами Рх и Рх действует такое же электрическое пол«

как между пластинами PzuPzl В каком направлении будут отклонятьс положительные ионы электрическим полем?

2. В области X действует такое же магнитное поле, как и в области 2 Куда это поле будет отклонять положительные ионы — вверх или вниз Почему?

3. По какой траектории будут двигаться отклоняющиеся частицы?

4. По какой формуле можно рассчитать радиус кривизны траекторий

•истиц?

БИЛЕТ № 13

1. Взаимодействие заряженных тел. Закон Кулона. Закон сохра­нения электрических зарядов. Электрическое поле

Способность частиц или тел к электромагнитному взаимодействию ха-|мктеризует электрический заряд.

Электрический заряд — физическая величина, определяющая си-■iv электромагнитного взаимадейгт/шя Rm«™»»o ™».---------------------

;а — кулон (Кл).

Существует два вида электрических за-адов — положительные и отрицатель-ые. Носителями зарядов могут быть лементарные частицы, атомы, молеку-ы, макроскопические тела.

Экспериментально было установлено, го существует минимальное значение

электрического заряда, одинаковое по модулю для положительных и отри­цательных зарядов. Отделить часть этого заряда невозможно. Наименьший)лектрический заряд имеют элементарные частицы: протон (обладает мини­мальным положительным зарядом +е), и электрон (минимальным отрица-i сльным зарядом -е). Результирующий заряд атома (или молекулы) складыва-.тся из зарядов протонов и электронов, входящих в их состав:

Q = ne,

:де п — целое число, е = 1,6 • 10"19Кл, т.е. суммарный заряд пропорционален минимальному заряду.

Электрический заряд дискретен. Согласно современной квантовой тео->ии протон и нейтрон соответственно являются комбинацией других эле­ментарных частиц — кварков undo зарядом (рис. 13.1):

2 л *

и= +—е; а = —е.

3 3

Макроскопические тела, состоящие из нейтральных атомов, электро-■ейтральны.

Электризация — процесс получения электрически заряженных макро-копических тел из электронейтральных.

Степень электризации тел в результате взаимного трения характеризует-я модулем и знаком электрического заряда, полученного телом. Например, аучук. натертый о мех, заряжается отрицательно, а стекло, потертое о шелк, оложительно. Опыты показывают, что тела, имеющие электрические заря-ы одинакового знака, взаимно отталкиваются, а тела, имеющие заряды ротивоположного знака, — взаимно притягиваются.

Знак заряда тел в результате электризации определяется тем, что одни вещ(ства при трении отдают электроны, а другие их присоединяют. Причина этог явления — в различии энергии связи электрона с атомом в этих веществах.

В атомах тех веществ, где электрон находится далеко от ядра и слабо ним связан (например, в стекле), энергия связи электрона с атомом май Электрон может легко оторваться от атома Атом при этом превращается положительный ион, а вещество заряжается положительно. В других в< ществах (например, в шелке) ядро атома сильно удерживает электрон та! что энергия связи электрона с атомом велика. Атом может присоединить т полнительный электрон, образуя отрицательный ион. Вещество при эта заряжается отрицательно. При трении стекла о шелк часть электронов е атомов стекла, имеющих малую энергию связи, переходит к атомам шелк; которые эти электроны присоединяют. В результате трения стекло заряжаете положительно, а шелк отрицательно. В результате взаимного трения электроне) тральных тел, образующих электрически изолированную систему, заряды пер распределяются между телами.

Электрически изолированная система тел — система тел, через границ которой не проникают заряды.

Уменьшение числа электронов в одном теле равно увеличению их числ в другом. Полный заряд такой системы не изменяется, оставаясь равны нулю.

Закон сохранения заряда: алгебраическая сумма зарядов электричеек изолированной системы постоянна:

£>1+02+... + &,= Const,

где п — число зарядов в системе.

- Закон сохранения заряда выполняется и в том случае, если электричеек изолированную систему образуют заряженные тела В соответствии с законо сохранения заряда разноименные заряды рождаются или исчезают попарш сколько родилось (исчезло) положительных зарядов, столько родилось (ис чезло) и отрицательных.

Закон сохранения заряда справедлив в любой инерциалъной системе on счета Первые количественные результаты по измерению силы взаимоде! ствия зарядов были получены в 1785 г. французским ученым Ш. Кулоном.

Ш. Кулон для измерения этой силы использовал крутильные весы, ос новной элемент которых был легкий изолирующий стержень (коромысж

j, подвешенный за его середину на сереорянои yi ругой нити 4 (рис. 13.2). Маленькая тонкая незар! женная золотая сфера 1 на одном конце коромыс* уравновешивалась бумажным диском 5 на друго конце. Поворотом коромысла она приводилась контакт такой же неподвижной заряженной сфера 2, в результате чего ее заряд делился поровну меа ду сферами. Диаметр сфер выбирался много мен ше, чем расстояние между сферами, чтобы иск ля чить влияние размеров и формы заряженного те; на результаты измерений.

Точечный заряд — заряженное тело, размер которого много меньше рас-

■ ы-'чния его возможного действия на другие тела.

(феры, имеющие одноименные заряды, начинали отталкиваться, закру-

I 1.'я упругую нить. Максимальный угол а поворота коромысла, фикси-

; ■ 1мий по наружной шкале 6, был пропорционален силе, действующей на

. ||'ру /. Кулон определял силу взаимодействия заряженных сфер по углу

■ порота коромысла.

Разряжая сферу 1 после измерения силы и соединяя ее вновь с непод-

■ '.iviCH сферой, Кулон уменьшал заряд на взаимодействующих сферах в 2,! У.... раз. Установка позволяла также изменять расстояние между заря-• -чыми сферами поворотом коромысла с помощью градуировочной шкалы 7. I' гезультате многочисленных измерений силы взаимодействия двух непод-п.- 1.мых точечных зарядов в вакууме Кулон установил закон, названный i следствии его именем.

Ста взаимодействия между двумя неподвижными точечными заряда­ми, находящимися в вакууме, прямо пропорциональна произведению похудей зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между: ими и направлена по прямой, соединяющей заряды:

Г

■'■ <7i > Яг — модули зарядов, /• — расстояние между зарядами, к — коэффи-

■ <:т пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц. Силу Fa ■..:.ывают силой Кулона.

Кулон — электрический заряд, проходящий через поперечное сече-, i проводника при силе тока 1 А за 1 с:

1 Кл = 1 Ас.

В СИ коэффициент пропорциональности в законе Кулона равен = 9109Нм2Жл2.

Согласно закону Кулона два точечных заряда по 1 Кл, расположен­иях в вакууме на расстоянии 1 м друг от друга, взаимодействуют с илой F= 9-10'Н, примерно равной весу египетских пирамид. Из этой ленки ясно, что кулон — очень большая единица заряда. На практике о миму обычно используют дольные единицы кулона.

2. Экспериментальное задание по разделу «Молекулярная фи­нка»: измерение влажности воздуха при помощи термометра

В вашем распоряжении имеется: гигрометр, термометр, эфир, таблицы оыщенного водяного пара, психрометр. Относительную влажность определяем по формуле

<р = -£--100%,

Рнп

р — давление пара в воздухе при окружающей температуре, рт — '■•.)ение насыщенного пара при той же температуре (табличные данные).

Чтобы определить дапиепис пара при температуре окружающего возду ха, налейте в гигрометр эфир, прокачайте воздух, увеличивая испарени) эфира, и отметьте температуру, при которой появится первая роса на по* верхности гигрометра (например, 12 °С). Посмотрите в таблице давлении насыщенного пара при 12 °С — это давление водяного пара при окружаю? щей температуре, т.е. р = p„„i2. Полученные данные сравните с относитель? ной влажностью, которую показывает психрометр Августа.

3. Текст по разделу «Механика», содержащий информацию, на­пример, о мерах безопасности при использовании транспортньц средств или шумовом загрязнении окружающей среды. Задание на понимание основных принципов, обеспечивающих безопасность использования механических устройств, или выявление мер М снижению шумового воздействия на человека \

Шумовое загрязнение среды 1

Остановитесь и прислушайтесь: по улице с шумом проносятся много! тонные МАЗы и ЗИЛы, хлопают двери парадных на мощных стальным пружинах, со двора несутся крики детворы, до глубокой ночи бренчат гитад ры, оглушают магнитофоны и телевизоры, заводские цеха встречают на< грохотом станков и других машин... Картина вроде обыденная. Но нор> мальнолиэто?

Наш век стал очень шумным. Трудно сейчас назвать область техники производства и быта, где в звуковом спектре не присутствовал бы шум, т.е мешающая и раздражающая нас смесь звуков. За определенный комфорт удобства связи и передвижения, благоустройство быта и совершенствова ние производства современному человеку приходится слушать не скрш телег, а вой автомобилей, лязг трамваев, рев реактивных самолетов. Вне дрение в промышленность новых технологических процессов, рост мощно сти и быстроходности транспорта, механизация производственных процес­сов привели к тому, что человек в производстве и быту постоянно подвер гается воздействию шума высоких уровней.

Шумом является всякий нежелательный для человека звук. При нор мольных физических условиях скорость звука в воздухе 344 м/с. Звуково(поле — это область пространства, в которой распространяются звуковы волны. При распространении звуковой волны происходит перенос энергии Уровень шума измеряется в единицах, выражающих степень звукового дав ления, децибелах (дБ), это давление воспринимается не беспредельно. Шут, в 20-30 дБ практически безвреден для человека и составляет естественны звуковой фон, без которого невозможна жизнь. Допустимая граница пол нимается примерно до 80 дБ. Шум. в 130 дБ уже вызывает у человека бол< вое ощущение, а достигнув 150 дБ, становится для него непереносимы» Недаром в средние века существовала казнь «под колокол»; колокольны звон убивал человека. На многих оживленных магистралях даже ночы шум не бывает ниже 70 дБ, в то время как по санитарным нормам он и должен превышать 40 дБ.

г. л

Шум, даже когда он не велик, создает значительную нагрузку на нервную i Hci ему человека, оказывая на него психологическое воздействие. Отсутствие iiL-обходимой тишины, особенно в ночное время, приводит к преждевремен­ной усталости, стойкой бессоннице и атеросклерозу. Под воздействием шума.S5 90 дБ снижается слуховая чувствительность на высоких частотах. Недо­могание, головокружение, тошнота, чрезмерная раздражительность — все это роультат пребывания в шумных условиях. В настоящее время воздействие ■шука, шума на функции организма изучает наука аудеология. Было установ­лено, что шумы природного происхождения (шум морского прибоя, листвы, дождя и др.) благотворно влияют на организм, успокаивают его, нормализуют сон. В 1980 г. был принят закон «Об охране атмосферного воздуха», в кото­ром в статье 12 отмечается, что «в целях борьбы с производственными и иными шумами должны, в частности, осуществляться: внедрение малошум-иых технологических процессов, улучшение планировки и застройки городов и других населенных пунктов, организационные мероприятия по предупреж­дению и снижению бытовых шумов». Ответьте на вопросы к тексту:

1. Какой уровень шума безвреден для человека?.

2. Какой допустимый уровень шума для человека?

3. Как называется наука, изучающая воздействие звука и шума на человека?

4. Как влияют сверхдопустимые уровни шумов на человека?

БИЛЕТ № 14

1. Конденсаторы. Электроемкость конденсатора. Энергия заря­женного конденсатора. Применение конденсаторов

Конденсатор — система двух проводников с равными по модулю и противоположными по знаку зарядами.

В конденсаторе накапливается электрический заряд и, соответственно, энергия электростатического поля. Способность конденсатора к накоплению заряда характеризуется его электрической емкостью.

Электрическая емкость конденсатора — физическая величина, равная отношению заряда одного из проводников к разности потенциалов между этими проводниками:

с-л;

и

Найдем электроемкость плоского конденсатора (с тгема двух плоскопа­раллельных пластин площадью S, находящихся на расстоянии d друг от дру­га). Будем считать, что пространство между пластинами заполнено возду­хом, для которого е ss I. Вычисление электроемкости конденсатора сводит­ся к расчету разности потенциалов U между пластинами. Напряженность.однородного поля внутри конденсатора складывается (по принципу суперпо­зиции) из напряженностей поля, созданных положительной Е+ и отрицатель­ной Е_ пластинами:

£,=£= —. 2е0

3-5611

ГИС. 11.1 ГИС. 11,4

Вне пластин поле отсутствует, так как напряженности Е+ и Е_ полей; компенсируют друг друга. Таким образом, электростатическое поле кон- \ денсатора сосредоточено между его пластинами. Зная результирующую напряженность поля в конденсаторе

£=£++£_= —,

найдем разность потенциалов между пластинами:

U = Ed = —d, где о=Д е0 S

Находим электроемкость плоского воздушного конденсатора:

d где £0 — электрическая постоянная вакуума.

Зависимость электроемкости конденсатора от расстояния между его пла­стинами используют в схемах кодирования клавиатуры персонального компью­тера Микросхема, подключенная к каждой клавише, при изменении электро­емкости выдает кодированный сигнал, соответствующий данной букве. Если между пластинами конденсатора поместить диэлектрик с диэлектрической проницаемостью е, то электроемкость конденсатора с диэлектриком возрас-; тает в s раз по сравнению с электроемкостью воздушного конденсатора: j

d ' i

Этот способ увеличения электроемкости конденсатора объясним с мик-; роскопической точки зрения. В результате введения диэлектрика в про-! странство между пластинами конденсатора связанные заряды диэлектрика I притягивают дополнительные заряды на обкладки конденсатора, увеличивая его электроемкость. Электроемкость конденсатора зависит не только on площади пластин, расстояния между ними, но и от относительной диэлек­трической проницаемости вещества, заполняющего пространство между пла-: стинами, и не зависит от заряда на пластинах и разности потенциалов, при­ложенной к ним.

Электроемкость конденсатора не зависит от внешнего электростатиче­ского поля, не проникающего внутрь конденсатора.

Работа, совершаемая при разделении положительных и отрицательных зарядов, сообщаемых пластинам конденсатора, равна энергии, приобретае­мой конденсатором. Положительная и отрицательная пластины площадью S, расстояние между которыми d, притягиваются одна к другой, обладая оп­ределенной потенциальной энергией.

Рассчитаем энергию электростатического поля, накопленную конденса­тором, если заряды на его пластинах +Q и-Q, а разность потенциалов между ними U (рис. 14.2). Силы кулоновского притяжения F+ и F_, действующие на каждую пластину, определяются напряженностью поля, созданной про­тивоположной пластиной:

_ 2 2d Следовательно,

*2d

Под действием сил кулоновского притяжения пластины, предоставлен­ные самим себе, сблизятся. Считая их конечную энергию равной нулю, получаем, что работа сил электростатического поля равна начальной потен­циальной энергии пластин: A = W.

Найдем работу по перемещению каждой пластины в центр конденсато­ра на расстояние d/2:

a+=fA а_ = еЛ.

+ * 2 2

Полная работа и потенциальная энергия сил электростатического поля равна

А=А++А_=Я1.

2 Зная электроемкость, получаем энергию электростатического поля, запа-сенн)то в конденсаторе:

w cv2 „ Q2

2 2С' Конденсаторы могут накапливать энергию более или менее длитель­ное время, а при разрядке через цепь малого сопротивления отдают энергию практически мгновенно. Это свойство широко применяют в лампах-вспышках при фотосъемках. Конденсаторы применяют для воз­буждения квантового источника света — лазеров. С помощью конденса­торов переменной емкости в радиотехнических цепях изменяют частоту 'колебаний. В электрические цепи переменного тока, содержащие индук­тивное сопротивление, включают конденсаторы для уменьшения сдвига фазы между током и напряжением, что приводит к увеличению снимае­мой мощности.

2. Качественная задача по теме «Строение атома. Фотоэффект»

Катод вакуумного фотоэлемента освещается потоком монохроматиче­ского света. Что произойдет с максимальной кинетической энергией фото­электронов при увеличении частоты падающего светового излучения?

Проанализируем формулу Эйнштейна для фотоэффекта:

hv = Ae +-----.

При увеличении частоты (v) падающего света увеличивается энергия, а так как работа выхода электронов для данного вещества постоянна, то ки­нетическая энергия вылетающих фотоэлектронов с поверхности вещества будет увеличиваться.

3. Текст по теме «Тепловые двигатели», содержащий информа­цию о воздействии тепловых двигателей на окружающую среду. Задание на понимание основных факторов, вызывающих загрязне­ние, и выявление мер по снижению воздействия тепловых двигате­лей на природу

«Грязный» транспорт

Число автомобилей на дорогах растет. Все возрастающая интенсивность движения приводит к увеличению вредных выбросов, что негативно отра­жается на качестве воздуха: 1 т бензина, сгорая, выделяет 500-800 кг вред­ных веществ. В атмосферу ежегодно выбрасывается порядка 5 млрд. т СОг. В состав выхлопных газов входит 1 200 компонентов, в том числе оксид углерода, оксиды азота, углеводороды, альдегиды, оксиды металлов (наи­более вредный — оксид свинца), сажа и пр.

Молекулы оксида углерода способны поглощать инфракрасное излуче­ние, поэтому увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере изме­няет ее прозрачность. Инфракрасное излучение, испускаемое земной по­верхностью, все в большей мере поглощается в атмосфере. Дальнейшее увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере может привести к так называемому «парниковому эффекту». Ежегодно температура атмосфе­ры Земли повышается на 0,05 °С. При сжигании топлива уменьшается со­держание кислорода в воздухе. Более половины всех загрязнений атмосфе­ры создает транспорт. Кроме оксида углерода и соединений азота при рабо­те двигателей сгорания ежегодно в атмосферу выбрасывается 2-3 млн. т свинца. Содержание серы в топливе напрямую влияет на выделение в ок­ружающую среду диоксида серы. Диоксид серы вызывает образование сульфатных частиц, которые оказывают целый ряд негативных последствий на здоровье человека. Диоксид серы также может превращаться в высоко­коррозийную серную кислоту («кислотный дождь»), которая, среди проче­го, способна повреждать даже здания. Так как автомобильные двигатели играют решающую роль в загрязнении окружающей среды в городах, то проблема их усовершенствования является одной из наиболее важных на­учно-технических задач. Один из путей уменьшения загрязнения атмосфе­ры — использование дизелей вместо карбюраторных бензиновых двигате-

idi, так как в дизельное топливо не добавляют свинец. В перспективе и другие способы уменьшения загрязнения окружающей среды, например, применение электродвигателей на транспорте или двигателей, в которых топливом является водород, создание автомобилей, работающих на сол­нечной энергии.

Ответьте на вопросы к тексту:

1. Какие еще тепловые двигатели, кроме двигателей внутреннего сгора­ния, оказывают отрицательное влияние на окружающую среду?

2. К каким последствиям приводит широкое применение тепловых ма­шин в энергетике и транспорте?

J. К чему может привести.повышение температуры Земли? 4. Что предпринимается для охраны природы?

БИЛЕТ № 15

1. Электрический ток. Работа и мощность в цепи постоянного тока. Закон Ома для полной цепи

Для существования электрического тока в веществе необходимы два ус­ловия: наличие свободных заряженных частиц и силы, действующей на заряженные частицы в определенном направлении. Привести заряженные частицы в движение способно электрическое поле. Как правило, именно электрическое поле внутри проводника вызывает и поддерживает упорядо­ченное движение частиц. Если бы заряженные частицы при движении не взаимодействовали с другими частицами, то они двигались бы бесконечно долго. При столкновении теряется часть кинетической энергии частиц. Для поддержания постоянного упорядоченного движения частиц (постоянного тока) необходимо пополнять энергию заряженных частиц, т.е. совершать работу. Эту работу совершает электрическое поле. Эту работу принято на­зывать работой тока.

Рассмотрим участок цепи. За время At через поперечное сечение про­водника проходит заряд Aq. Электрическое поле совершает работу

A^AqU, где U— разность потенциалов на участке цепи. Учитывая, что Aq = IAt, работу тока можно записать так

А = IUAt.

Работа тока на участке цепи равна произведению тока (I), напряжения (f/) и промежутка времени (At), в течение которого совершалась работа.

Согласно закону сохранения энергии работа тока должна быть равна изменению энергии (тепловой, механической, химической).

Если работа тока пошла на нагревание проводника, то изменяется тем­пература проводника, т.е. увеличивается внутренняя энергия. Спустя неко­торое время температура проводника перестает изменяться, и он начинает передавать окружающим телам количество теплоты, равное работе тока, т.е. формула Л=Ш определяет количество теплоты, передаваемое проводником

другим телам. Если в этой формуле заменить силу тока или напряжение тШ закону Ома (/=Ш?, где R — сопротивление проводника), то получим трШ эквивалентные формулы Щ

v2 ' Щ

Л = Д/Д/ = /2ЛД/ = — -At, Ш

R Щ

Для последовательного соединения проводников удобно использовал* формулу <

А = I2RAt, так как именно сила тока остается постоянной величиной при послеДсЧ вательном соединении. При параллельном соединении удобно использовать! формулу

U2

А =----At,

R

так как напряжение на всех участках одинаково.

Закон, определяющий количество теплоты, которое выделяет провод­ник, был впервые установлен английским ученым Д. Джоулем и русским ученым Э. Ленцем.

Закон Джоуля — Ленца гласит: количество теплоты, выделяемое про­водником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротив- | ления проводника и времени прохождения тока по проводнику:

Q = I2RAt. |

Для характеристики электрических приборов удобнее пользоваться не; работрй тока, а физической величиной, которая получила название мощно­сти тока. Мощность тока (Р) равна отношению работы тока (А) за единицу времени At к этому интервалу времени:

/> = — = /{/. At

Для того чтобы ток в цепи был постоянным, необходимо постоянно поддерживать постоянное электрическое поле. Для этой цели необходимо устройство, которое получило название — источник тока.

Источник тока представляет собой устройство, в котором на электри-, ческие заряды действуют сторонние силы. Любые силы не электростатиче­ского происхождения называют сторонними силами. Сторонние силы все­гда направлены противоположно электростатическим силам. Сторонние силы могут иметь разное происхождение. В химических источниках они возникают благодаря химическим реакциям между электродами и электро­литом. В фотоэлементе они возникают под действием света на электроны. В генераторах сторонние силы возникают при движении проводников в маг­нитном поле. Во время работы источника тока сторонние силы постоянно перемещают положительные заряды от отрицательного электрода к поло­жительному. Чем больший заряд перемещается при этом, тем больше сто­ронние силы совершают работу. Отношение работы сторонних сил (A„„) к переносимому заряду остается величиной постоянной для данного источ­ника. Эту величину приняли за характеристику источника тока и назвали электродвижущей силой источника (ЭДС); обозначают ее S.

Я i чс А„ — работа сторонних сил по перемещению положительного заряда миугри источника тока, q —переносимый заряд. Единица измерения ЭДС - вольт. Когда к полюсам источника тока присоединяют проводник, то в про-иоднике заряды движутся под действием электрических сил, а внутри ис­точника тока — под действием сторонних и электростатических сил (рис. 15.1).

Найдем связь между силой тока в цепи, ЭДС источника тока и полным сопротивлением цепи. Полное сопротивление цепи складывает­ся из внешнего сопротивления цепи R (сопро­тивление проводников) и внутреннего сопро­тивления г (сопротивление источника тока). Сопротивление источника тока — это сопро­тивление обмоток в генераторе или сопротив­ление электродов и электролита в гальваниче­ском элементе.

Пусть за время At через поперечное сечение проводника пройдет электрический заряд q:

At

Работа сторонних сил по перемещению заряда q запишется гак: Аст = Zq (из определения электрической силы). Или, используя опреде­ление силы тока, работа сторонних.сил будет равна:

Acm=ZIAt.

При совершении работы сторонними силами на внешнем R и внутрен­нем г сопротивлениях, согласно закону Джоуля — Ленца, выделяется коли­чество теплоты

Q = I2RAt + I2rAt. По закону сохранения энергии Аст = Q. Таким образом получим

G = JR + Ir. ЭДС равна сумме падений напряжений" на внешнем и внутреннем уча­стках цепи. Эта запись носит название закона Ома для полной цепи.

Сила тока в цепи зависит от трех величин: ЭДС, внешнего и внутренне­го сопротивлений:

/--1_.

R + r Из закона Ома следует: если к источнику тока подсоединить вольтметр с сопротивлением /^ много больше внутреннего сопротивления источника тока, то вольтметр покажет приближенное значение ЭДС:

е = Я-

Если внешнее сопротивление цепи будет стремиться к нулю (явление ] короткого замыкания), то сила тока в цепи возрастает в несколько раз, что ] может вызвать перегрев проводов и пожар. Сила тока короткого замыкания::

i Л -

Г

Для предотвращения пожара, как следствия короткого замыкания, на практике в цепь включают предохранители, которые плавятся при критиче­ской силе тока и размыкают цепь.

2. Качественная задача по теме «Элементы астрофизики»

Что удерживает Луну и планеты при их движении по орбитам? На орбите Луну и планеты удерживает их собственная сила тяжести (рис. 15.2).

3. Текст по разделу «Механика», содержащий описание законов механики в технике. Задание на понимание основных принципов, лежащих в основе работы описанного устройства

Опыт Джоуля В начале прошлого века английский ученый Д. Джоуль впервые устано­вил закон сохранения энергии. Ему удалось экспериментально доказать, что механическая энергия переходит в тепловую, тепловая в механическую в. эквивалентных соотношениях. Баланс сходился всюду: химическая энергия превращалась в тепловую или сначала в электрическую, а затем в тепло­вую, электрическая энергия в химическую, а затем в тепловую. Многочис­ленные опыты проверялись и перепроверялись. Перед вами описание опы­та, проведенного Джоулем, по измерению перехода потенциальной энергии силы тяжести в тепловую при падении свинцовой дроби. Горсть свинцовой дроби помещалась в закрытую картонную трубку и быстро переворачива-. лась так, чтобы дробь пролетела всю высоту трубки. Трубку резко перево­рачивали подряд порядка 50 раз. После этого дробь высыпали в картонный стаканчик. Ртутным термометром измеряли температуру дроби до и после опыта. При каждом переворачивании трубки дробь приобретает потенци­альную энергию за счет переворачивания. При падении дроби ее потенци­альная энергия превращается в кинетическую, которая при неупругом ударе о дно картонной трубки переходит в теплоту.

Можно рассчитать Полную потенциальную энергию и количество теп-ичы, полученное дробью в конце опыта. Это очень неточный эксперимент II <-1 о можно усовершенствовать. В промышленности используют потенци-.. ч.мую энергию поднятого молота при штамповке деталей из металла и и i.ici масс, а также при ковке деталей на кузнечных молотах.

()тветьте на вопросы к тексту:

1. Почему не обязательно в этом опыте измерять массу дроби?

2. Когда дробь заканчивает свое движение, почему дно трубки должно i i одиться на твердой поверхности?

3. Почему Джоуль пришел к выводу, что оптимальное число переворо-i ". iрубки 50?

I Как можно усовершенствовать опыт?

БИЛЕТ № 16

1. Магнитное поле. Действие магнитного поля на электрический).фзд и опыты, иллюстрирующие это действие. Магнитная индук­ция

В 1820 г. датский физик X. Эрстед заметил, что магнитная стрелка пр-i рачивается при пропускании электрического тока через проводник, нахо­дящийся около нее. В том же году французский физик А. Ампер установил, ■■ю два проводника, расположенные параллельно друг другу, взаимно при­биваются при пропускании по ним токов одного направления и отталки-м.потея, если токи противоположно направлены. Взаимодействия между проводниками с током, т.е. взаимодействия между движущимися электри-■■ скими зарядами, называют магнитными. Силы, с которыми проводники с i жом взаимодействуют друг с другом, называют магнитными силами. Со­гласно представлениям теории поля, всякий движущийся электрический иряд создает в окружающем пространстве магнитное поле, способное дей-• 1 новать на другие движущиеся электрические заряды.

Магнитное поле — это особый вид материи, который существует неза­висимо от нас. Посредством магнитного поля осуществляется взаимодейст-"ис между движущимися электрически заряженными частицами. Магнит­ное поле порождается движущимися зарядами. Магнитное поле обнаружи­вается по его действию на движущиеся заряды. Факт существования элек-■!".>магнитных волн является доказательством реальности магнитного поля.

Магнитное поле создается не только электрическим током, но и посто-»:!пыми магнитами. Для характеристики магнитного поля введен вектор маг-II! гной индукции. Ориентирующее действие магнитного поля на магнитную v релку используют для определения направления вектора магнитной ин->кции. За направление вектора магнитной индукции принимается направ-ление от южного полюса S к северному N внутри магнитной стрелки, уста­навливающейся в магнитном поле.

Направление магнитного поля прямолинейного проводника с током оп-I оделяется с помощью правила буравчика, которое состоит в следующем: ixли направление поступательного движения буравчика совпадает с на-

правлением тока в проводнике, то направление вращен^Ш ручки буравчика совпадает с направлением вектора мщШ нитной индукции. |И

Линию, в любой точке которой вектор магнитной HjH дукции направлен по касательной к ней, называют лишН ей магнитной индукции. 'Я

Картину линий магнитной индукции можно увидетИ воспользовавшись мелкими железными опилкал^И (рис. 16.1). Щ

Рис. 16.1 конца. Они всегда замкнуты.

Поля с замкнутыми силовыми'линиями называют вихревыми.

Магнитное поле — вихревое поле.

Магнитная индукция (В)- силовая характеристика магнитного поля

Магнитная индукция - векторная величина. Модуль вектора магнитт индукции равен отношению максимального значения силы (F), действующ! на прямой проводник с током, к силе тока в проводнике и его длине:,

_ F

II

Сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током, назыв

ется силой Ампера (?А)- В Международной системе единиц за единицу ма

нитной индукции принята индукция такого магнитного поля, в котором i каждый метр длины проводника при силе тока 1 А действует максимальн сила Ампера 1 Н. Эта единица называется тесла (Тл)

1Тл =!-£-. Ам

Для максимального значения силы Ампера справедливо выражение

F^Btt Если проводник расположен под углом а к вектору магнитной инду чии, то модуль силы Ампера определяется выражением FЛ = /fi/sina

Направление действия силы Ампера определяется с помощью права левой руки (рис. 16.2): если левую руку расположить так, чтобы перпендик

магнитной индукции входила в ладонь, а ч тыре вытянутых пальца были направлены i направлению тока, то отогнутый на 90" бо; шой палец покажет направление силы Амг ра.

Ориентирующее действие магнитно! поля на контур с током используют в зла троизмерительных приборах. |

На прямоугольную рамку намотана и тушка, которая помещена между полюсам

I I...,1»!нного магнита. В положении равновесия катушку удерживают две

I.....1 альные пружины. При прохождении электрического тока через изме-

I i.!Ы!ый прибор катушки с током будут поворачиваться до тех пор, пока I •» "■! упругости не уравновесят силу Ампера. Силу тока в цепи можно оп-I i 'чгь по углу поворота катушки, если проградуировать прибор. На за-I.1 Ампера основана работа электродвигателя, громкоговорителя и мно-I i.• i других технических устройств.

I Хнектрический ток — это упорядочение движущиеся заряженные час-

■ "ицы. Силу, действующую на заряженную частицу со стороны магнитно-

■ ' i-оля, называют силой Лоренца (Fji). Эту силу можно найти с помощью

'■[■■ша Ампера.

!'сли силу Ампера разделить на количество заряженных частиц (N), то

'■•'.-.-чим модуль силы Лоренца:

F=^.

' N.

Силу Ампера выражаем, согласно закону Ампера, F = IBlsin a, а силу lis проводнике

/ = gnuS,

■ о q — заряд, прошедший через поперечное сечение проводника, п — ко-щ!сство заряженных частиц, о — скорость движения частиц, S- попереч­ине сечение проводника

Следовательно сила Лоренца будет равна

FД =\q\\3 В sm а,

'! угол a - угол между вектором скорости и вектором магнитной индукции. I Управление силы Лоренца определяется с помощью правила левой руки.

Если левую руку расположить так, чтобы составляющая магнитной ин-гкции, перпендикулярная скорости заряда, входила в ладонь, а четыре и.мьца были направлены по движению положительного заряда, то отогну-

■ 1!й на 90" большой палец покажет направление силы Лоренца. Действие силы Лоренца можно наблюдать, поднося электромагнит к

> "(тронно-лучевой трубке. Под действием силы Лоренца изменяется на-щ гление скорости движения заряженной частицы, но не меняется значе-||': скорости.

Согласно второму закону Ньютона (F = та),

то п.мэда г-__

\а\В

i т — масса заряженной частицы, q — заряд, — вектор махнлтной ■и.укции. Период обращения (Т) частицы в однородном магнитном поле

|.мен

т _ 2жг _ 2пт ~ v ~\q\B'

Период обращения частицы в однородном магнитном поле не завис! от скорости и радиуса траектории частицы. Этот факт используют в ускор телях заряженных частиц - циклотроне.

Протоны или альфа-частицы разгоняются переменным электричесм полем между двумя электродами, которые находятся между полюса! электромагнита. Действие магнитного поля на электрический заряд испш| зуют в кинескопах, где движущиеся электроны отклоняются магнитна полем, и масс-спектрографах - приборах, которые позволяют раздела заряженные частицы по удельным зарядам. Магнитное поле можно пол чить не только с помощью движущихся зарядов, но и с помощью постоя ных магнитов. Если любое вещество поместить в магнитное поле, то у вещество будет намагничиваться. Это означает, что магнитное поле в ере будет отличаться от магнитного поля в вакууме. '

Магнитная проницаемость среды ц характеризует магнитные свойсп вещества.

Магнитной проницаемостью ц называется отношение вектора магни ной индукции в однородной среде В к вектору магнитной индукции в в кууме В0:

В

во

Это объясняется тем, что помимо собственного магнитного поля, коп рым обладает электрон, он при своем вращении вокруг ядра атома созда< еще одно магнитное поле. Если эти магнитные поля скомпенсированы, % такие вещества называют диамагнетшами. Если диамагнетик попадает н внешнее магнитное поле, то скомпенсированность магнитных полей нар^ шается, и диамагнетик выталкивается из внешнего магнитного поля. Ecri магнитные поля электрона не скомпенсированы, то каждый атом становю ся маленьким магнитом, произвольно ориентированным. Если такое вещ ство поместить во внешнее магнитное поле, то все маленькие магниты cd риентируются по внешнему полю, и магнитное поле в веществе усилите! Такие вещества называют парамагнетиками.

В некоторых кристаллах происходит ориентация собственных магнии ных полей электронов в одном направлении, что приводит к возникнов^ нию областей намагничивания. При внесении такого кристалла во внешн магнитное поле происходит увеличение областей намагничивания. Э вещества называют ферромагнетиками. Если внешнее поле с ферромап тика снять, то значительная часть намагниченных областей сохранит св< намагниченность, и кристалл становится постоянным магнитом. Для из! товления постоянных магнитов используют оксиды железа, сплавы желе; никеля, кобальта и других металлов.

2. Качественная задача по теме «Электромагнитные волны»

На каком физическом явлении основана радиолокация и для каких i лей ее применяют?

Радиолокация — обнаружение объектов с помощью ультракорот! электромагнитных волн сантиметрового и миллиметрового диапазо!

(И»"' - Ю Гц). Радиолокаторы применяют для обнаружения скопления I'fi-i.iKOB, кораблей, самолетов, локации планет, в космических исследовани-«v например для определения скорости вращения планет, для определения

< 1'|>шальной скорости.

J. Текст по разделу «Молекулярная физика», содержащий опи­ши не физических явлений или процессов, наблюдаемых в природе и in в повседневной жизни. Задание на понимание физических тер­минов, определение явления или его признаков, объяснение явле­нии при помощи имеющихся знаний

Пузыри

Вам наверняка приходилось наблюдать за пузырями, которые образу-|«■ и я на поверхности пенных растворов, при выдувании из трубочки специ-и 1м.-ых растворов. Какой они формы? Долго они живут или быстро исчеза-|<ч ' Большие они или маленькие?

Ведь вы наверняка наблюдали, как иголка или, например, скрепка, или и)!!ме может держаться на поверхности воды. Надо сделать это — только || киь осторожно: положить эти предметы строго горизонтально, стоит in к ко начать опускать эти предметы наклонно, как они сразу идут ко дну. In.1 чит, в первом случае что-то поддерживало их, но что?

Молекулы, расположенные не очень близко друг к другу, притягивают-ш. В твердых телах межмолекулярные силы притяжения настолько велики, •| i о надо приложить очень большое усилие для расцепления молекул и раз-жлатя твердого предмета на части.

В жидкостях притяжение не настолько сильное, но оно существует и щи мне ощутимо. Наблюдая капли росы, вы замечали их округлую форму? Л капля воды, растекаясь по ровной поверхности, образует круг, а в центре и|«иподнятый холмик. Несомненно, существует какое-то притяжение между молекулами воды, которое заставляет их собираться в единое целое. Силы притяжения сближают молекулы, находящиеся на внешней поверхности, пак можно ближе к центру капли. В результате поверхность служит как бы и кикой, стягивающей всю массу жидкости. Говорят, что жидкость облада-r i поверхностным натяжением.

Пузыри тоже образуются за счет сил поверхностного натяжения. Добав­ление в воду моющих средств, например мыла, ослабляют силы притяже­ния. На поверхности такого раствора уже практически невозможно удер-* 11 ь легкие предметы.

Пусть сначала поверхностное натяжение велико, как в случае чистой и'иой. Наружный слой воды давит на воздух и сжимает его. Сжатый воздух iiui ается прорваться через пленку и, в конце концов, прорывает ее в каком-'||" о слабом месте — пузырь лопается.

Ответьте на вопросы к тексту и выполните задание:

!. Каким образом некоторые насекомые, например slenus, удерживаются и а годе и даже используют силы поверхностного натяжения.для того, чтобы яп.гаться?

Почему пузырь имеет всегда шарообразную форму?

\

3. Зависят ли силы поверхностного натяжения от температуры? ~!

4. Как можно измерить силу поверхностного натяжения?

БИЛЕТ № 17 <

1. Полупроводники. Полупроводниковые приборы

К полупроводникам относятся вещества, удельное сопротивление к рых является промежуточным между проводниками и диэлектриками. I водимость чистых полупроводников в отсутствие примесей называют ственной проводимостью, так как она определяется свойствами самого лупроводника. Существует два механизма собственной проводимости электронная и дырочная.

Электронная проводимость осуществляется направленным переме нием в межатомном пространстве свободных электронов, покинувших лентную оболочку атома в результате нагревания полупроводника или действием внешних полей.

Вакантное электронное состояние в атоме, образовавшееся при возн новении свободного электрона, обладает положительным зарядом и на вается дыркой. Валентный электрон соседнего атома, притягиваясь к дьп. может перескочить в нее (рекомбинироватъ). При этом на его преж! месте образуется новая дырка, которая затем может аналогично перс щаться по кристаллу. Дырочная проводимость осуществляется при напр ленном перемещении валентных электронов между электронными обол ками соседних атомов на вакантные места (дырки). Собственная прово, мость полупроводников обычно невелика, так как мало число свобода зарядов.

Примеси в полупроводнике — атомы посторонних химических элем) тов, содержащиеся в основном полупроводнике. Дозированное введенга чистый полупроводник примесей позволяет целенаправленно изменять < проводимость. Примесная проводимость — проводимость полупровод1 ков, обусловленная внесением в их кристаллическую решетку примес Изменяя концентрацию атомов примесей, можно значительно измеш число носителей заряда того или иного знака. Знак носителей заряда оп| деляется валентностью атомов примесей.

Различают донорные и акцепторные примеси. Валентность атомов j норной примеси больше валентности основного полупроводника. Вале) ность атомов акцепторной примеси меньше валентности основного noi проводника.

Типичным примером донорной примеси в четырехвалентном гермац являются пятивалентные атомы мышьяка (рис. 17.1).

Четыре валентных электрона атома мышьяка связаны попарно сильн ми ковалентными связями с электронами соседних атомов германия. Пят валентный электрон слабее связан с атомом примеси. При внесении по. проводника с донорной примесью в электрическое поле этот электр легко отрывается от атома, становясь свободным. При добавлении одн! десятимиллионной доли атомов мышьяка в германий при комнатной Tend ратуре концентрация свободных электронов, поставляемых атомами при»

-то >

п! ысячу раз превышает концентрацию свободных электронов и дырок в юм полупроводнике.

.;е.^проводник с донорной примесью называют полупроводником:а, так как он обладает преимущественно электронной проводимо-Примером акцепторной примеси в германии являются трехвалент-:!юмы индия. Для образования парноэлектронных связей с четырьмя i I-. айшими соседями у атома германия не хватает одного электрона. i тающая вакантная связь является дыркой. Бе может заполнить ва-;;ый электрон соседнего атома. При этом электронейтральный атом i шия, получивший дополнительный электрон, превращается в отри ьный ион, а дырка возникает у соседнего атома, потерявшего ва!■;гый электрон. Из-за этого число дырок возрастает, и полупроводник hi Зретает преимущественно дырочную проводимость (рис. 17.2). По г-::;.?водник с акцепторной примесью называют полупроводником i га, (от лат. positivus — положительный), так как дырка имеет поло i;.зьный заряд.

В месте контакта примесных полупроводников образуется особый слой — /■ «переход —контактный слой двух примесных полупроводников р- к >..una. Характерной особенностью/?-«-перехода является его односторон­няя проводимость: он пропускает ток практически только в одном направ-

"'. '!ИИ.

Напряженность поля этого запираюи(его слоя направлена от п- к /) гаолупроводнику (от плюса к минусу), препятствуя дальнейшему разде-!!.шю зарядов (рис. 17.3).

Запирающий слой — двойной слой разноименных электрических заря-: в, создающий электрическое поле на /?-и-переходе, препятствующее сво-(юдному разделению зарядов. Зависимость силы тока через />-л-переход i ' напряжения, приложенного к нему, или вольт-амперная характеристике /' rf-перехода приведена на рис. 17.4.

Полупроводниковый диод — элемент электрической системы, содер­жащий р-п-переход и два вывода для включения в электрическую цепь.

Способность р-я-перехода пропускать ток практически только в с ном направлении используют для преобразования (с помощью дно,! переменного тока, изменяющего свое направление, в постоянный (точя пульсирующий) ток одного направления. Если необходимо преобразова или усилить переменный ток в электронных схемах, используют трат стар.

Транзистор — полупроводниковый прибор с двумя />-и-переходами тремя выводами для включения в электрическую цепь. Транзистор образу три тонких слоя примесных полупроводников: эмиттер, базу и коллеюх Эмиттер, являющийся в и-/?-и-транзисторе источником свободных эл< тронов, изготавливают из полупроводника л-типа с высокой концентраци примеси. База, регулирующая силу тока в транзисторе, представляет соб особенно тонкий слой (толщиной порядка 10 мкм) полупроводника р-тиш небольшой концентрацией примеси. Коллектор, перехватывающий пот носителей заряда, от эмиттера через базу, имеет с этой целью наибольш) площадь контакта. Коллектор изготавливают из полупроводника и-типа небольшой концентрацией примеси.

В и-р-л-транзисторе основными носителями заряда являются свобо ные электроны, движущиеся от эмиттера к коллектору. Соответственно т< за направление которого принимают направленное движение положите; ных зарядов, протекает от коллектора к эмиттеру. Поэтому на условие обозначении я-р-я-транзистора стрелка направлена от базы к эмитте (рис. 17.5.)

При подключении транзистора в электрическую цепь по схеме, при! денной на рис. 17.6, на и~р-переход эмиттер — база подается небольш прямое напряжение Ub, а на р-я-переход база — коллектор обратное i пряжение Ug.

При прямом включении напряжения 11БЭ свободные электроны эмиттера диффундируют в базу и благодаря ее малой толщине почти в достигают коллекторного перехода. Под действием положительного пота

циала источника ию электроны притягиваются к коллектору, так что через сопротивление RH протекает сила тока /„ = /•, (см. рис. 17.6).

Сила тока, протекающего через коллектор, значительно превышает силу тока через базу. Небольшая сила тока через базу вызывает значительную силу тока в нагрузке, поэтому транзистор может быть использован для уси­ления электрических сигналов. Напряжение на сопротивлении нагрузки значительно превышает напряжение, приложенное между базой и эмитте­ром.

Отношение изменения выходного напряжения к изменению входного называется коэффициентом усиления.

Транзистор используют в генераторах на транзисторах для получения электрических колебаний высокой частоты. Полупроводники малогабарит­ны, поэтому они находят широкое применение в интегральных схемах, яв­ляясь их составной частью. Компьютеры, радио, телевидение, космическая связь, системы автоматики созданы на базе этих схем и могут содержать до миллиона диодов и транзисторов.

2. Экспериментальное задание по теме «Свойства жидкостей и твердых тел»: наблюдение явления подъема жидкости в капилляре

В вашем распоряжении имеется: набор стеклянных капиллярных трубок разного сечения, стакан с водой, стакан с очищенным растительным мас­лом.

1. Опустите одну из трубок в воду (рис. 17.7).

■)

2. Проделайте то же самое с трубкой другого сечения.

3. Сделайте вывод: смачивает или нет вода стенки трубок, как зависит1 высота поднятия воды в капиллярах от радиуса капилляра?

4. Опустите сразу две трубки в растительное масло.

5. Сделайте вывод.

6. В какой из трубок, изображенных на рис. 17.7 и 17.8, наблюдается яв- j ление смачивания и в какой несмачивания?

3. Текст по разделу «Механика», содержащий описание физиче- -ских явлений или процессов, наблюдаемых в природе или в повсе-дневной жизни. Задание на понимание физических терминов, опре-деление явления, его признаков или объяснение явлений при по­мощи имеющихся знаний

Резонанс

Вы наблюдали, что при вращении велосипедного колеса, начиная с не­которой скорости вращения, невозможно различить спицы колеса. Они стали как бы шире и сливаются воедино. Представим себе, что между двумя брусочками закрепим четыре упругие гибкие пластинки разной длины (пла­стинки можно нарубить из металлических линеек). На концах пластинок! имеются, сделанные из легкой жести, белые флажки. Пластинки могут со- = вершать упругие колебания. Для своих наблюдений прибор укрепим на j центробежной машине (рис. 17.9). i

начнем плавно вращать рукоятку центроиеж-ной машины, медленно и равномерно увеличивая скорость. При этом пластинки нашего прибора испытывают периодические толчки, частота кото­рых равна числу оборотов машины. Наблюдаем, что при постепенном увеличении скорости враще­ния, визуальная ширина закрепленных пластинок поочередно увеличивается. Чем больше частота вращения центробежной машины, тем у более короткой пластинки наступает эффект увеличения полоски флажка, № наоборот. Увеличение ширины полоски флажка можно объяснить тем, что у пла­стинок наблюдается максимальное отклонение от положения равновесия при определенной частоте

вращения цсн1риисжнии машины, jvui да uuuv;iвенная iai<iuia нлаъшнии,

определяемая ее параметрами, совпадает с частотой вращения центро­бежной пластины, наступает явление резонанса.

Ответьте на вопросы к тексту:

1. За счет чего можно добиться гибкости пластинок?

2. Что называется резонансом?

3. Почему в резонанс вступает короткая пластина при большей частоте,! а длинная — при меньшей?

4. Приведите примеры полезного применения резонанса.

БИЛЕТ № 18

1. Явление электромагнитной индукции. Магнитный поток. За­кон электромагнитной индукции. Правило Ленца

В 1831 г. английский физик М. Фарадей установил, что электрический ток может возникать в контуре не только при движении проводника в маг­нитном поле, но и при любом изменении магнитного потока в контуре. Им было открыто явление электромагнитной индукции.

Электромагнитная индукция — физическое явление, заключающееся в возникновении вихревого электрического поля, вызывающего электриче­ский ток в замкнутом контуре при изменении потока магнитной индук­ции через поверхность, ограниченную этим контуром.

Электрический ток, возникающий при электромагнитной индукции, назы­вают индукционным. Изменение магнитного потока через поверхность, ограни­ченную контуром, возможно при изменении с течением времени: 1) площади поверхности, ограниченной контуром; 2) модуля магнитной индукции; 3) угла, образуемого вектором индукции с вектором площади этой поверхности.

Один из опытов Фарадея заключался в том, что при вдвигании постоян­ного магнита в катушку, замкнутую на гальванометр, наблюдалось появле­ние электрического тока в катушке (Ъис. 18. IV

Электрический ток, возникающий в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур, называют индукцион­ным током.

Объяснить природу индукционного тока можно следующим образом. Если в однородном магнитном поле движется проводник перпендикулярно

вектору магнитной индукции В, то на находящиеся в проводнике свобод­ные электроны и положительно заряженные ионы действует сила Лоренца, направленная в разные стороны (рис. 18.2). В результате разделения заря­дов внутри проводника возникает электрическое поле.

Рассмотрим прямолинейный проводник длиной /, движущийся со ско­ростью v в однородном магнитном поле с индукцией В, которая направ­лена перпендикулярно направлению движения (рис. 18.3). Под действием силы Лоренца заряды приходят в движение. Величину, численно равную

отношению работы А по перемещению заряда к этому заряду, называют 3 электродвижущей силой индукции 8: 1

А ^

£ = -• 0)

Сила Лоренца выражается

Рл=8оВ1, (2)

где / — путь, пройденный стержнем. Подставив уравнение (2) в (1), полу­чим

Z = vBl (3)

Учтем, что магнитный поток, который пронизывает замкнутый контур, равен

Ф = В8. (4)

Так как вектор магнитной индукции В перпендикулярен площади S контура, то cos а = 1. За время Ы площадь контура меняется на AS = -IvAt. Знак минус появляется потому, что площадь уменьшается. Изменение магнит­ного потока

Ф = -BlvAt. (5)

Подставив уравнение (5) в (3), получим:

ДФ

Б =------, или £ = -Ф'(0.

At

Это математическая запись закона Фарадея.

ЭДС индукции в контуре равна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, взятой с противоположным знаком. Если постоянный магнит выдвигать из катушки, направление индук­ционного тока изменяется на противоположное. Правило, позволяющее опре­делить направление индукционного тока, было установлено в 1833 г. X. Лен-цем.

Индукционный ток в контуре имеет такое направление, что созданный им магнитный поток через поверхность, ограниченную контуром, препят­ствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот ток.

Препятствие изменению магнитного потока выражается знаком минус в законе Фарадея.

Явление электромагнитной индукции широко используют в многочис­ленных технических устройствах и приборах, например, в трансформато­рах, детекторах (обнаружение металлических предметов). В поездах на магнитной подушке сверхпроводящие катушки с током, размещенные на дне вагона, индуцируют ток в катушках на полотне дороги. В результате отталкивания сверхпроводящих катушек на полотне дороги вагон припод­нимается над землей.

Индукционные токи, возникающие в проводниках, используются для их нагревания. Этот эффект используют в электропечах для плавки металлов. Тот же эффект используют в бытовых микроволновых СВЧ-печах. Явление электромагнитной индукции позволяет считывать видео- и аудиоинформа-

цию с магнитных лент. Применяют явление электромагнитной индукции и и i итераторах переменного тока.

7 If эыАРтпрмыаа 19ляиа пл тйма //И'иырматии'Я»

На рис. 18.4 представлен график зави­симости модуля скорости тела от времени гго движения. В какой из следующих промежутков времени сумма сил, дейст­вующих на тело, была постоянна и не равна нулю?

На промежутке времени от 2 до 5 с гело двигалось с постоянной скоростью и, следовательно, согласно первому закону Ньютона, геометрическая сумма сил, дей­ствующих на тело, была постоянной и равна нулю.

3. Текст по разделу «Молекулярная физика», содержащий опи­сание опыта, задания на формулировку гипотезы опыта, условий его проведения и выводов

Давление воздуха

Когда мы обращаем внимание на то, что вокруг нас воздух? Тогда, ко­гда мы начинаем быстро двигаться, или тогда, когда нам дует ветер в лицо. Но самый наглядный способ убедиться в наличии воздуха — увидеть, как он давит на находящиеся в нем предметы.

Приготовим емкость с водой. Возьмем стакан, наполненный водой до краев, погрузим его в воду вверх дном. Медленно начнем вытаскивать ста­кан из воды. Вода поднимается вместе со стаканом, и уровень ее намного выше, чем уровень воды в емкости. Казалось, что воду в стакане ничто не поддерживает. Но тогда бы она вылилась из стакана. Что это за сила, удер­живающая воду?

На несколько сотен километров вверх простирается над нами воздуш­ный океан. Хотя воздух нам кажется совершенно невесомым, он оказывает значительное давление на все предметы, окружающие нас. На каждый квадратный сантиметр он оказывает давление порядка 9,8 Н. Таким обра­зом, воздух давит на поверхность воды в емкости и удерживает столб воды в стакане. Если возьмем трубки высотой 15, 30 см, 3 м, то при повторении опыта мы убедились бы, что и в трубках такой высоты атмосферное давле­ние удерживает столб воды в них. Однако есть предел высоты водяного столба, который может быть удержан атмосферным давлением. Вода, как и воздух, давит на находящиеся в ней тела. На глубине примерно Юм сила давления воды становится равной 98 Н, что совпадает с нормальным атмо­сферным давлением. Значит, давление столба воды высотой 10 м (а точнее 10 м 33 см) как раз уравновешивает атмосферное давление, которое удер­живает воду в сосуде. Таким образом, высота столба воды не может пре­вышать Юм.

Ответьте на вопросы к тексту и выполните задания:

1. Можно ли давление воздуха измерять высотой столба воды?

2. Изменение атмосферного давления означает вероятное изменение по­годы?

3. Почему используют ртутные барометры, а не водяные?

4. Измерьте атмосферное давление в кабинете, в котором сдаете экза­мен.

БИЛЕТ № 19

1. Явление самоиндукции. Индуктивность. Энергия магнитного поля

В 1832 г. американский ученый Д. Генри наблюдал возникновение ин­дукционного тока в катушке, когда магнитный поток в ней увеличивался или уменьшался вследствие изменения тока, протекающего в самой катуш­ке. Это явление получило название самоиндукции.

Самоиндукция — возникновение ЭДС индукции в проводящем контуре при изменении в нем силы тока. ЭДС индукции возникает при изменении магнитного потока. Если это изменение вызывается собственным током, то говорят об ЭДС самоиндукции:

е«=-Ф'= -(!/)'•

Индуктивность соленоида постоянна.

Если через соленоид протекает постоянный ток (/= const), ЭДС самоин­дукции отсутствует (Bsj = 0). Так как катушка наряду с индуктивностью

£

обладает элекгрическим сопротивлением R, то сила тока через нее / = —.

ЭДС самоиндукции оказывается тем больше, чем больше скорость из­менения силы тока. Особенно быстро сила тока изменяется при замыкании — размыкании цепи.

При замыкании ключа (рис. 19.1, а) магнитный поток сквозь соленоид

плчпягтя^т* Л СЬ > П

Согласно правилу Ленца, возникает индукционный ток Jt, создающий!

индукцию Bt, направленную против внешней индукции В. ПолярностЯ ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию силы тока через катушку, тан

как эта ЭДС включена встречно ЭДС внешнего источника. Реально ЭДС самоиндукции тормозит движение электронов в проводнике, из которого сделана катушка. С течением времени, когда магнитный поток перестает изменяться (Д Ф = 0), ЭДС самоиндукции становится равной нулю, и уста­навливается значение силы тока

1-2..

R

При размыкании ключа (рис. 19.1, 6) ток самоиндукции протекает в ту же сторону, в которую протекал ток в цепи до размыкания. ЭДС само­индукции поддерживает магнитный поток без изменения. Реально ЭДС самоиндукции ускоряет движение электронов в проводнике, из которого сделана катушка. Поэтому в течение некоторого времени релаксации в ра­зомкнутой цепи продолжает протекать ток самоиндукции.

Согласно закону Ома, для L-R цепи

"' R R

Если у соленоида большая индуктивность, ЭДС самоиндукции может значительно превысить ЭДС источника тока. Появление значительной раз­ности потенциалов в месте размыкания цепи часто приводит к электриче­скому пробою воздуха, т. е. возникновению электрической искры. Электри­ческая лампа, соединенная последовательно с соленоидом, загорается с запаздыванием при включении тока и гаснет не мгновенно после его вы­ключения. Но визуально заметить запаздывание погасания лампы не удает­ся, так как энергия магнитного поля соленоида расходуется на образование искры. Процесс самоиндукции задерживает увеличение (уменьшение) тока в электрических схемах и линиях передачи сигналов, тем самым приводя к искажению передаваемой информации.

Явление самоиндукции подобно инертности в механике: тело нельзя уско­рить (или затормозить) мгновенно, как бы ни велика была ускоряющая (или тормозящая) сила, действующая на тело. Если катушка индуктивности вклю­чена в цепь переменного тока, то она оказывает сопротивление

XL = 2tcvI.

Другое проявление электромагнитной индукции — токи Фуко. Эти токи наводятся в металле, помещенном в изменяющееся магнитное поле. Для уменьшения токов Фуко сердечники трансформаторов набирают из пла­стин, изолированных друг от друга. Токи Фуко находят свое применение в индукционных печах промышленного и бытового назначения.

Факт возникновения электрического поля при изменении магнитного поля привел Дж. К. Максвелла к выводу, что переменное электрическое поле должно порождать магнитное. Справедливость гипотезы Максвелла была экспериментально доказана обнаружением электромагнитных волн. Электромагнитные волны существуют потому, что переменное магнитное Поле порождает переменное электрическое поле, которое в свою очередь по­рождает переменное магнитное поле и т.д. Эти поля не существуют друг без Друга. Нельзя создать переменное магнитное поля без возникновения пере­менного электрического поля.

Поиск по сайту: