Текст книги "101 ключевая идея: Физика"

Автор книги: Джим Брейтот

сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 10 страниц)

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ 1 – НАПРЯЖЕННОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Электрическое поле представляет собой область, окружающую заряженный объект, в которой на другой заряженный объект действует сила притяжения или отталкивания. Силовые линии электрического поля – линии, вдоль которых двигались бы точечные заряды в свободном состоянии.

Напряженностью электрического поля Е в данной точке электрического поля называется отношение силы, действующей на точечный положительно заряженный объект, к величине его заряда. Напряженность электрического поля измеряют в ньютонах на кулон (Н/К) или в вольтах на метр (В/м). Отсюда следует, что сила F, действующая на точечный заряд q в данной точке поля, равна произведению qE, где Е – напряженность электрического поля в данной точке.

Между двумя противоположно заряженными пластинами, расположенными на определенном расстоянии, существует однородное электрическое поле. Силовые линии параллельны друг другу и перпендикулярны пластинам. Поскольку поле однородно, его напряженность везде одинакова по абсолютной величине и направлению. Потенциал увеличивается равномерно от отрицательной до положительной пластины вдоль силовой линии. Для разности потенциалов Vp между пластинами работа по переносу точечного заряда q от одной пластины к другой равна qVp, отсюда сила F, действующая на q, равна отношению проделанной работы к расстоянию qVp /d, где d – расстояние между пластинами. Отсюда получаем формулу для напряженности электрического поля:

E = F/q = vp/d

Точечный заряд окружает радиальное электрическое поле. Силовые линии направлены от заряда, если он положителен, и к заряду, если он отрицателен. Представим себе частицу с зарядом q, расположенную в электрическом поле, созданном частицей с гораздо большим зарядом Q. Сила взаимодействия двух зарядов согласно закону Кулона: F = Qq/4πr ²,

где ε ₀– абсолютная диэлектрическая проницаемость, r – расстояние между двумя частицами. Следовательно, напряженность электрического поля заряда Q в данной точке по отношению к заряду q:

Е = F/q = Q/4πε ₀r ².

Отметим, что закон Кулона является примером закона обратного квадрата, поскольку сила F обратно пропорциональна квадрату расстояния r.

См. также статьи «Законы обратных квадратов», «Электрическое поле 2».

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ 2 – ДИЭЛЕКТРИКИ

Диэлектриком называется изолирующее вещество, которое, будучи помещенным между заряженными объектами, ослабляет силу их взаимодействия. Если между заряженными объектами поместить диэлектрик, их можно легче сблизить или удалить друг от друга. В электрическом поле молекулы диэлектрика поляризуются и образуют поле обратной поляризации, существенно ослабляющее действие внешнего поля. В конденсаторах это явление увеличивает количество заряда, способное накопиться при той же разности потенциалов; таким образом увеличивается емкость конденсаторов. Вода является эффективным диэлектриком, поэтому многие твердые вещества распадаются в ней на ионы.

Если диэлектрик поместить между двумя разноименно заряженными параллельными пластинами, подсоединенными к батарее, количество заряда, накопленного на пластинах, увеличится. Это происходит потому, что диэлектрик ослабляет электрическое поле между пластинами и батарея может передать больший заряд пластинам. Отношение количества заряда, накопленного на пластинах плоскопараллельного конденсатора при наличии диэлектрика, к количеству заряда при отсутствии диэлектрика (в вакууме) называется относительной диэлектрической проницаемостью в вещества (среды).

Емкость пары параллельных пластин С = Q/V, где Q – заряд, накопленный при разности потенциалов V. При той же разности потенциалов и наличии между пластинами диэлектрика заряд увеличивается за счет фактора в. Следовательно, емкость пластин повышается. На практике, в большинстве конденсаторов «пластины» представляют собой две полоски металлической фольги, разделенные диэлектриком и завернутые в трубку. Чем больше относительная диэлектрическая проницаемость вещества, тем больше емкость конденсатора. Напряжение источника, к которому подсоединяют для зарядки конденсатор с диэлектриком, не должно превышать предельно допустимого напряжения (обычно указываемого на конденсаторе), иначе возникнет пробой, т. е. диэлектрик станет пропускать ток.

См. также статьи «Электрическая емкость», «Электрическое поле 1».

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТОКИ

Электрический ток – это поток заряда, вызванный разностью потенциалов; передача тепла при теплопроводности – это поток тепла, вызванный разностью температур, а поток жидкости или газа – их перемещение, вызванное разностью давлений. Следовательно, общей характеристикой этих потоков является наличие некоей разности, которая заставляет частицы или энергию перемещаться из одного места в другое.

Скоростью потока

Скоростью потока называется скорость течения или перемещения заряда, энергии или частиц в определенном направлении.

В электрической цепи сила тока в проводнике зависит от разности потенциалов на его концах, а также от сопротивления самого проводника согласно уравнению: сила тока = разность потенциалов / сопротивление.

В проводнике тепла с одинаковой площадью поперечного сечения интенсивность теплового потока зависит от разницы температур и от теплового сопротивления проводника согласно уравнению: передача тепла в секунду = разница температур / тепловое сопротивление. Последнее в данном случае эквивалентно электрическому сопротивлению и равно произведению термического удельного сопротивления на длину проводника к площади поперечного сечения. В трубе, по которой течет жидкость или газ, скорость потока зависит от разности давлений на концах трубы и от гидравлического сопротивления. Можно составить уравнение, эквивалентное предыдущим: скорость потока в трубе (масса в секунду) = разность давлений / гидравлическое сопротивление . Последнее зависит от вязкости жидкости, а также от размеров трубы. Если пренебречь вязкостью жидкости, то поток не встречает сопротивления и для продолжения движения не требуется разности давлений. Внутренняя поверхность трубы затормаживает движение вязкой жидкости. Сопротивление резко повышается при уменьшении диаметров трубы, чего не наблюдается при уменьшении диаметра электрического или теплового проводника.

См. также статьи «Жидкости 2», «Сопротивление», «Теплопередача».

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ

Электромагнитная индукция – это процесс возникновения электрического тока в замкнутом проводнике вследствие изменения потока магнитной индукции через поверхность, ограниченную контуром этого проводника.

Закон Ленца гласит: индуцированная электродвижущая сила (ЭДС) имеет направление, противоположное направлению действия индукции. Это следствие того, что проводник замкнут и не имеет иных источников ЭДС; индуцированный ток создает магнитное поле, которое стремится компенсировать изменение потока магнитной индукции.

Закон электромагнитной индукции Фарадея гласит: индуцированная ЭДС пропорциональна степени изменения магнитного потока через проводник.

Законы электромагнитной индукции Ленца и Фарадея применимы ко всем ситуациям, когда ЭДС образуется вследствие изменения магнитного потока. Чем сильнее скорость изменения магнитного потока, тем сильнее индуцированная ЭДС. Если проводник замкнут, по нему проходит электрический ток. Электромагнитная индукция может возникать при движении проводника в магнитном поле (например, динамо-машина, генератор переменного тока, микрофон) или изменении плотности магнитного потока, проходящего через катушку (например, индукционная катушка, трансформатор, магнитофон). В трансформаторе переменный ток, проходящий через первичную обмотку, порождает изменяющийся магнитный поток, проходящий через сердечник и вторичную обмотку. Отношение вторичного напряжения к первичному равно отношению числа оборотов вторичной обмотки к числу оборотов первичной.

При работе электродвигателя в обмотке возникает обратная ЭДС, так как по мере вращения обмотки поток, проходящий через нее, постоянно меняется и вызывает индуцированную ЭДС или «обратную ЭДС», стремящуюся компенсировать изменение подаваемого напряжения. Обратная ЭДС пропорциональна частоте двигателя. При увеличении нагрузки сила тока увеличивается, так как обмотка замедляет движение и обратная ЭДС уменьшается, что приводит к усилению электрического тока в обмотке.

См. также статьи «Магнитное поле 1», «Переменный ток».

Электромагнитные волны

Существование электромагнитных волн было предсказано Джеймсом Клерком Максвеллом в 1862 году, доказавшим, что электромагнитные волны распространяются в вакууме со скоростью света. В результате Максвелл сделал вывод, что свет имеет электромагнитную природу, а за пределами видимого спектра могут быть и иные виды электромагнитных волн. Их полный спектр выглядит следующим образом (в порядке увеличения длины волны): γ-излучение, рентгеновское излучение, ультрафиолетовый свет, видимый свет, инфракрасное излучение, микроволны, радиоволны.

Предположение Максвелла о существовании электромагнитных волн за пределами инфракрасного диапазона было подтверждено в 1887 году, когда Генрих Герц разработал метод обнаружения и порождения радиоволн, доказав, что скорость радиоволн равна скорости света.

Электромагнитные волны видимого, инфракрасного и радиодиапазонов широко используются как переносчики сигналов в средствах массовой коммуникации. Чем выше частота, тем больше информации можно перенести при помощи волн-носителей; вот почему по оптическим кабелям информации передается больше, чем по обычным медным проводам.

Электромагнитные волны рентгеновского и γ-диапазона спектра используются в медицине для получения изображения внутренних органов тела и костей.

См. также статьи «Рентгеновские лучи 1 и 2», «Фотон», «Цвет 1».

ЭЛЕКТРОН

Электрон – элементарная частица, существующая в каждом атоме, имеющая постоянный отрицательный заряд, известную массу и спин. Это одна из шести элементарных частиц, называемых лептонами. Другие заряженные лептоны, мюон и таон, имеют такой же заряд, как и электрон, но обнаружить их можно только в результате столкновений частиц с большой скоростью.

Заряд электрона е равен 1,6 x 10 ^-19Кл. Все другие заряженные частицы, кроме кварков, имеют заряд, равный целому кратному е. Удельным зарядом электрона называется отношение его заряда к массе. Удельный заряд электрона равен 1,76 x 10 ¹¹Кл/кг. Спин, или собственный момент импульса, равен ¹ / ₂ (h/2π). Поэтому электрон называют частицей со спином ¹ / ₂ ^- .

Электрон был открыт в 1897 году Дж. Томсоном, доказавшим, что катодные лучи, возникающие при разряде в разреженном газе, состоят из идентичных отрицательно заряженных частиц. Он также доказал, что их заряд гораздо больше заряда других частиц и вычислил их удельный заряд, равный 1,76 x 10 ¹¹Кл/кг. Томсон сделал эти открытия в ходе серии исследований поведения катодных лучей в электрическом и магнитном полях, определив, что электроны – это отрицательно заряженные частицы, содержащиеся в каждом атоме. Ему не удалось измерить заряд и массу отдельного электрона, а потому он не мог и утверждать, что масса электрона во много раз меньше атома водорода.

Заряд электрона е измерил в 1915 году Роберт Милликэн, разработавший метод измерения заряда отдельных масляных капель. Милликэн обнаружил, что заряд капли всегда измеряется целым числом, умноженным на 1,6 х 10 ^-19Кл. Отсюда ученый сделал вывод, что такой заряд является минимальным и именно он имеет отдельный электрон. Появилась возможность вычислить массу электрона, разделив заряд на удельный заряд; таким образом выяснили, что она равна 9,1 x 10 ^-31кг.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ

Электромагнитные волны представляют собой периодические колебания электрических и магнитных полей, распространяющиеся в среде или вакууме и происходящие в одной фазе. Для распространения таких волн не требуется наличия среды.

См. также статьи «Взаимодействия частиц», «Электронные лучи 1 и 2».

ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛУЧИ 1– ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ

В процессе термоэлектронной эмиссии, т. е. испускании электронов с нити накала, в вакуумной трубке образуется электронный луч (пучок электронов). Нить накала (нагреваемый катод) разогревается при прохождении по ней электрического тока. Электроны в проводнике приобретают достаточную кинетическую энергию, чтобы покинуть металл и притянуться к расположенной поблизости положительно заряженной пластине, имеющей небольшое отверстие, через которое пропускается некоторое количество электронов. Затем эти электроны, проходя между «фокусирующими» электродами, фокусируются в пучок.

Кинетическая энергия и, следовательно, скорость электронов в электронном пучке зависят от потенциала анода V A, так как работа, прикладываемая к каждому электрону анодом, придает электрону кинетическую энергию. Поскольку работа равна eV _A, то и кинетическая энергия электрона в пучке также равна eV _A. При условии, что скорость и электрона значительно меньше скорости света, его кинетическая энергия равна ¹/ ₂mυ ², следовательно, V ₂mυ ² = eV _A.

Из приведенной выше формулы следует, что все электроны в одном луче имеют одинаковую кинетическую энергию и скорость и поэтому равномерно отклоняются электрическим и магнитным полями. На практике электроны в луче имеют небольшой диапазон скоростей вследствие относительно небольшой начальной кинетической энергии в нагреваемом катоде.

В электронно-лучевых трубках телевизоров или мониторов применяются магнитные отклоняющие катушки, заставляющие луч двигаться по люминесцентному экрану вдоль горизонтали и затем смещаться чуть ниже. Таким образом на экране создается изображение. Различия в сигнале регулируют яркость луча.

В трубках осциллографов применяются электростатические пластины, заставляющие луч двигаться вдоль одной и той же линии сначала медленно в одном направлении, а затем быстро в другом. При изменении напряжения параллельных пластин, между которыми проходит луч, на экране появляется изображение волнистой линии.

См. также статьи «Заряд и ток», «Магнитное поле 1 и 2», «Электрическое поле 1 и 2», «Электрон».

ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛУЧИ 2 – ТРАЕКТОРИИ В ПОЛЯХ

В однородном электрическом поле напряженностью Е пучок электронов испытывает действие постоянной силы F – еЕ в направлении, противоположном направлению электрического поля. Следовательно, часть траектории пучка электронов представляет собой параболу, схожую с траекторией брошенного тела, поскольку на него тоже действует одна постоянная сила в одном направлении (сила тяжести). Однородное электрическое поле напряженностью Е = V/d создается при разности потенциалов V между двумя пластинами, расположенными параллельно на расстоянии d друг от друга. В осциллографах отклонение электронного луча пропорционально разности потенциалов между отклоняющими пластинами.

В электрическом поле

В однородном магнитном поле с плотностью магнитного потока В электрон, движущийся со скоростью v под прямым углом к линиям магнитного поля, испытывает действие силы F = Bev. Эта сила перпендикулярна линиям магнитного поля и направлению движения электрона. При отсутствии других полей электрон движется по круговой траектории с радиусом r = mv/Be. Эта сила вызывает центростремительное ускорение, в результате которого Bev = mv ²/r. Сила магнитного поля не совершает работы по отношению к электрону, потому что ее направление совпадает с направлением электронного луча. В электронно-лучевых трубках телевизоров и мониторов магнитное поле используется для отклонения электронного луча, который движется вдоль люминесцентного экрана и создается вследствие прохождения тока по ряду отклоняющих катушек.

В магнитном поле

См. также статьи «Круговое движение», «Магнитное поле 1 и 2», «Электрическое поле 1 и 2», «Электронные лучи 2».

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ

Электропроводность, или электрическая проводимость, металлов, собственных полупроводников и полупроводников п-типа обусловлена наличием в них свободных электронов, носителей отрицательного заряда. Электроны свободно движутся внутри вещества, поскольку их не удерживают атомы. Носителями заряда в полупроводниках р-типа являются дыры. В ионных растворах носителями заряда служат положительно и отрицательно заряженные ионы.

При разности потенциалов на концах металлического проводника или полупроводника носители зарядов, притягиваясь к противоположно заряженному концу, начинают к нему перемещаться. Так возникает электрический ток.

Для проводника с постоянной площадью поперечного сечения электропроводность определяется как отношение длины к произведению сопротивления на площадь поперечного сечения. Единицей электрической проводимости служит сименс на метр (См/м).

Удельным сопротивлением материала называется величина, обратная электропроводности (1/электропроводность). Единицей удельного сопротивления служит омметр (Ом м). Электрическая проводимость зависит от количества носителей заряда в единице объема вещества. При нагревании металлов их электропроводность уменьшается, потому что колебания атомов усиливаются и затрудняют перемещение электронов. При нагревании полупроводников их электропроводность увеличивается. Это происходит из-за того, что при повышении температуры все большее число электронов отрывается от атомов.

См. также статьи «Заряд и ток», «Сопротивление».

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ

Энергию получают из ископаемого топлива, такого, как каменный уголь, нефть и газ, а также из других видов ресурсов, например из биомассы или урана. Каменный уголь образовался из остатков древней растительности, а нефть и газ – из умерших морских организмов, под давлением горных пород, на протяжении многих миллионов лет.

Возобновляемые источники энергии, такие, как реки, приливы и геотермальные источники, в некоторых частях мира составляют значительную часть энергетических ресурсов и могут давать энергию без процессов, требующих потребления топлива. Поэтому на них не расходуются материалы и они не загрязняют среду. Энергия солнца, волн и ветра приобретает все большее значение по мере истощения запасов нефти и газа и спада в атомной энергетике.

Общемировая энергия, получаемая из основных источников, составляет около 400 x 10 Дж в год. Вверху таблицы показано ее распределение по видам источников, а также, на сколько лет хватит этих ресурсов, если их потребление будет продолжаться на уровне 1995 года.

Внизу таблицы показано распределение источников энергии в Великобритании. Общее количество энергии, вырабатываемой в стране, составляет 3,5 % общемировой. Из таблицы видно, на сколько лет хватит этих ресурсов, если их потребление будет продолжаться на уровне 1995 года.

При истощении запасов топлива все большее внимание будет уделяться возобновляемым источникам энергии. В наши дни в Великобритании гидроэлектростанции и ветротурбины вносят значительный вклад в общее количество вырабатываемой энергии.

См. также статьи «Коэффициент полезного действия», «Энергия и мощность».

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УРОВНИ АТОМОВ

Энергетический уровень – это возможное значение энергии в системе двух или более частиц. Энергетические уровни наблюдаются в любой замкнутой системе, где важное значение приобретает квантовая (дискретная) природа частиц. Это происходит в том случае, когда де-бройлевская волна частицы соизмерима с расстоянием между частицами.

Энергетические уровни атомов были обнаружены при изучении столкновения электронов в газовых трубках. Электроны испускались из нити накала в трубку и притягивались к аноду. При увеличении потенциала анода электроны стремились к аноду и создавали ток в трубке. При этом они должны были пройти через металлическую решетку. По мере увеличения потенциала сила тока на аноде увеличивалась, а затем падала при определенных показателях потенциала анода, называемых потенциалом возбуждения. Каждый спад силы тока происходил, когда кинетической энергии электронов, испущенных с нити, было достаточно только для того, чтобы столкнуться с атомами газа, сообщив энергию электронам атомов, переходящих на более высокий энергетический уровень. В результате столкновения электроны нити останавливались (т. е. не продолжали двигаться к аноду) и притягивались к решетке. Таким образом происходило уменьшение силы тока на аноде. Атомы газа переходили на более высокий энергетический уровень. Энергия, приобретенная атомами газа, равна кинетической энергии электронов в луче, поскольку каждый электрон луча отдает свою кинетическую энергию атомам газа. Отсюда энергетические уровни представляют собой значения энергии eV выше основного состояния, где V – любой показатель потенциала возбуждения. Энергия, необходимая для ионизации атома (удаления из атома электрона), равна eV ₀, где V ₀– потенциал, требующийся для ионизации атома. Таким образом, самый низкий энергетический уровень, или основное состояние атома, существует при энергии eV ₀ниже уровня ионизации.

Возбуждение при сталкивании

См. также статьи «Корпускулярно-волновая двойственность», «Модели энергетических уровней».