Текст книги "Физика в технике"

Автор книги: Г. Покровский

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 7 страниц)

Электричество и электротехника

В настоящее время энергия электрического тока находит широкое применение. Трудно себе представить какую-либо отрасль промышленности, где бы не использовалась электроэнергия.

Из всех видов энергии электрическая энергия является самым удобным для применения ее в народном хозяйстве. Это объясняется возможностью передачи электрического тока на любые расстояния и сравнительно простыми способами преобразования электрической энергии в тепло, свет, механическую энергию, радиоволны и др.

Каким же образом электрическая энергия преобразуется в другие виды энергии?

Электрический ток есть направленное движение электрических зарядов – электронов.

Как известно, все вещества, в том числе и металлы, состоят из атомов или молекул, в структуру которых входят электроны – мельчайшие отрицательно заряженные частицы. В свободном состоянии атомы являются весьма прочными с механической точки зрения системами. Каждый отдельно взятый атом имеет свою конфигурацию электронных оболочек, в которых электроны занимают вполне определенные уровни энергии.

Согласно принципу Паули на каждом энергетическом уровне может находиться только вполне определенное число электронов, причем каждый из этих электронов должен обязательно отличаться от других каким-либо свойством. Таких свойств всего четыре:

– собственный вращательный момент электрона (спин);

– магнитный момент электрона;

– момент, связанный с вращением электрона относительно атомного ядра;

– потенциальная энергия относительно ядра.

При внешних воздействиях на атом со стороны других атомов, как это имеет место в жидких и твердых веществах, наружные, наиболее слабо связанные электроны могут отрываться от атомов, оставаясь внутри вещества.

Такие электроны называют свободными. В металлах свободных электронов очень много и они путешествуют от атома к атому. Совокупность электронов образует зону проводимости. Если металлический проводник не присоединен к источнику тока, т. е. если к нему не подведена некоторая разность потенциалов, то движение свободных электронов в проводнике является хаотическим, причем средняя скорость такого движения зависит от температуры металла.

При подаче на проводник разности потенциалов (т. е. напряжения) от какого-либо источника электрическое поле источника будет воздействовать на каждый «блуждающий» электрон, вызывая его перемещение в направлении поля.

Скорость такого перемещения невелика – она составляет всего несколько десятков сантиметров в секунду, однако скорость распространения «волны» тока в проводнике чрезвычайно велика – она близка к скорости света, т. е. к 300 000 км/сек. Это объясняется тем, что все блуждающие электроны в проводнике при подаче на него напряжения практически одновременно начнут двигаться в направлении поля.

Электрический ток, проходя через вещество, напревает его вследствие столкновений движущихся электронов с атомами и молекулами. Проводник, сильно разогретый электрическим током, может явиться источником светового излучения. На основе этого явления построены различные источники света, яркость которых может изменяться от ничтожной величины до миллионов свечей.

В настоящее время для осветительных целей используй ют не только лампы накаливания, но и различные другие источники света: газоразрядные лампы низкого, высокого и сверхвысокого давления, в которых излучение света обусловлено высвечиванием «возбужденных» атомов, возникших при столкновениях атомов с движущимися электронами.

В лампах дневного света используются различные люминесцирующие вещества. Неоновые и аргоновые осветители можно видеть на рекламных надписях, названиях магазинов, кинотеатров и т. д.

Для получения очень мощных источников света пользуются дуговыми разрядами в инертных газах или в парах ртути, находящихся под давлением в несколько десятков атмосфер. Сила света таких источников может измеряться десятками миллионов свечей. Эти источники с успехом применяют в маяках, прожекторных установках, в мощных проекционных аппаратах и т. п.

Другим не менее важным свойством электрического тока является способность создавать магнитное поле вокруг проводника, по которому течет ток. Это явление впервые было открыто М. Фарадеем, обнаружившим, что магнитная стрелка компаса, вблизи которого находится проводник с током, поворачивается. В то время никто, включая и самого Фарадея, не мог себе представить тех поистине гигантских возможностей, которые открывает это явление.

Что же представляет собой магнитный эффект электрического тока?

Движущийся электрический заряд создает вокруг себя магнитное поле, силовые линии которого замыкаются по концентрическим окружностям с центром в самом заряде. Плоскость, в которой лежат магнитные силовые линии, перпендикулярна к направлению движения заряда. Если имеются два заряда, движущихся относительно друг друга, то, кроме обычного электростатического кулоновского взаимодействия между ними, возникнет еще и магнитное взаимодействие, обусловленное взаимодействием магнитных полей, созданных этими зарядами. Таким образом, два проводника, по которым протекает электрический ток, будут взаимодействовать между собой с силой, пропорциональной величине протекающего тока. В случае одинакового направления электрического тока, в обоих проводниках они будут притягиваться друг к другу, в случае взаимно противоположного направления тока – отталкиваться. На основании открытия Фарадея были созданы электродвигатели и генераторы, электровозы и электростанции, различные электрические приборы.

_{Рис. 9. Электромагнит для получения магнитного поля напряженностью до 10 000 эрстед}

При конструировании электромагнитов (рис. 9), электродвигателей и генераторов тока необходимо добиваться максимально возможных значений напряженности магнитного поля, поскольку полезный эффект пропорционален величине напряженности магнитного поля. При этом используют эффект «усиления» магнитного поля, имеющий место в некоторых металлах и сплавах, называемых ферромагнитными. Эти вещества обладают способностью как бы впитывать в себя (внешнее магнитное поле. В результате этого напряженность поля электромагнитов с железными сердечниками становится во много раз больше, чем без сердечников.

Исследование магнитных свойств ферромагнитных веществ показало, что величина их магнитной восприимчивости зависит от напряженности внешнего магнитного поля. При достаточно сильных магнитных полях происходит насыщение ферромагнитного материала; при дальнейшем увеличении внешнего поля эффект «усиления» не наблюдается.

Для получения еще более сильных полей, необходимых для исследования различных физических явлений, применяют катушки без железных сердечников с малым числом витков. При разряде батареи заряженных конденсаторов на такую катушку возникают огромные магнитные поля, напряженность которых может достигать нескольких сотен тысяч эрстед.

Впервые такие эксперименты были проведены советским физиком П. Л. Капицей, которому удалось получить магнитное поле в полмиллиона эрстед. При этом силы взаимодействия соседних витков катушки были настолько велики, что иногда обрывались провода и ломались сами катушки.

В недалеком будущем, несомненно, будет решена проблема получения сверхсильных постоянных магнитных полей, необходимых для создания гигантских ускорителей элементарных частиц – синхрофазотронов, с помощью которых ученые открывают новые тайны атомного ядра и элементарных частиц.

Развитие науки и техники требует решения многих задач, связанных с усовершенствованием старых и конструированием новых типов машин и приборов. Наиболее производительными и совершенными машинами являются электрические машины.

«Коммунизм – это есть Советская власть плюс электрификация всей страны», – говорил В. И. Ленин.

С увеличением числа мощных электростанций увеличивается энерговооруженность нашей страны, а значит, увеличивается и производство материальных благ, необходимых людям.

Овладение электроэнергией и всемерное ее использование – главная задача, которую успешно выполняет наш народ для создания материально-технической базы коммунизма.

Молекулярная физика в химии и технике

В окружающем нас мире все тела состоят из молекул. Изменение структуры молекул и молекулярных соединений приводит к изменению таких свойств вещества, как прочность, гибкость или пластичность.

Все молекулы в веществе находятся в непрерывном хаотическом движении. Чем больше средняя скорость движения молекул в веществе, тем выше его температура.

Отсчет температуры ведется от абсолютного нуля, соответствующего такому состоянию вещества, когда молекулярное движение полностью прекращается. Абсолютный нуль температуры лежит на 273,13° ниже температуры замерзания воды (по шкале Цельсия).

Физические и химические свойства тел весьма сильно зависят от температуры. Изучением физических свойств и различных агрегатных состояний веществ в зависимости от их молекулярного строения, взаимодействия между молекулами и характера их движения занимается молекулярная физика.

В отличие от химии, задачей которой является изучение строения различных веществ и синтез соединений с заданными свойствами, молекулярная физика выявляет возможности такого синтеза и практические пути его осуществления на основе глубокого изучения строения молекул и законов их движения.

Что же представляют собой молекулы?

Наименьшие частички вещества, которые еще обладают всеми его химическими свойствами, называются молекулами данного вещества. Молекулы могут состоять из одного или нескольких атомов, связанных между собой электрическими силами, которые обычно называют молекулярными.

Так, например, молекулы всех инертных газов, таких как неон, аргон и т. д., состоят всего из одного атома; такие газы называются одноатомными. Водород, кислород, азот и некоторые другие газы состоят из двухатомных молекул (рис. 10), а молекулы органических веществ обычно состоят из весьма большого числа атомов, которые могут образовывать целые цепочки длиной до нескольких миллиметров и более. (Напомним, что размеры атомов составляют всего несколько стомиллионных долей сантиметра.)

Прочность междуатомных связей в молекуле характеризуется той энергией, которую надо затратить на отрыв отдельных атомов. Величина этой энергии называется энергией связи атомов в молекуле и определяет химическую «стойкость» вещества, построенного из таких молекул.

Различные молекулы могут взаимодействовать между собой и соответственно разрушаться, соединяться или перестраиваться. Если во взаимодействии одновременно участвует большое количество молекул, то такое взаимодействие называют химической реакцией.

Химические реакции лежат в основе химической технологии самых разнообразных областей производства.

_{Рис. 10. Схема строения ядра атома и молекулы}

В настоящее время особое значение приобрело производство искусственных синтетических материалов, обладающих разнообразными физическими, механическими и химическими свойствами. Например, в тех случаях, когда удается построить молекулы, состоящие из большого числа атомов, сцепленных наподобие звеньев прочной, но гибкой цепи, получается легко деформируемый, но трудно разрушаемый материал – различные виды синтетического каучука и волокна.

Современная техника еще только начинает вплотную подходить к «конструированию» и «построению» молекул по определенному, заранее заданному плану. Но уже и сейчас достигнуты исключительные успехи. Созданы заменители металлов, кожи, шерсти, природного каучука и многих материалов растительного происхождения. Во многих случаях эти заменители превосходят по качеству соответствующие материалы, не говоря уже об их дешевизне и возможности быстрого развития массового производства.

Как уже было сказано, все молекулы и молекулярные соединения обладают некоторой внутренней энергией, так называемой энергией связи. Особо следует отметить такие молекулы, которые содержат запас энергии, пригодной К практическому использованию. Это прежде всего молекулы различных веществ, называемых топливами. При соединении молекул топлива с молекулами кислорода, находящегося в атмосфере Земли, выделяется значительная энергия в виде излучения и энергии движения вновь возникших продуктов горения.

Основным топливом в наше время являются уголь и нефтепродукты.

Уголь состоит в основном из атомов углерода, соединенных друг с другом по определенной системе и образующих отдельные пластинки. Атом углерода, соединяясь с молекулой кислорода, образует молекулу углекислоты. При этом выделяется значительная тепловая энергия. Так, один килограмм угля выделяет при сгорании примерно 8000 килокалорий тепла. Это значит, что при полном сгорании 1 килограмма угля можно нагреть 8000 килограммов воды на один градус Цельсия.

Нефтепродукты состоят из сложной смеси молекул, построенных в основном из углерода и водорода. При сжигании нефти энергии выделяется больше, чем при сжигании угля. Один килограмм нефти выделяет до 11 000 килокалорий.

Для горения топлива необходим кислород. В тех случаях, когда горение должно быть очень интенсивным, возникают трудности с подачей кислорода атмосферного воздуха в камеру, где сгорает топливо.

В турбореактивных двигателях, например, на приведение во вращение турбинного компрессора, подающего воздух в камеру сгорания, приходится затрачивать значительную долю мощности двигателя.

При еще большем форсировании горения подача атмосферного кислорода в камеру сгорания становится нецелесообразной. В этом случае часто используют кислород, взятый непосредственно на борт летательного аппарата.

Проще всего в качестве окислителя можно применять жидкий кислород, а также различные кислоты.

За рубежом жидкий кислород и другие окислители широко применяют в ракетной технике для обеспечения работы жидкостных реактивных двигателей, которые способны развивать чрезвычайно высокие мощности, иногда превосходящие в десятки раз мощность гигантских гидроэлектростанций. Впрочем, это сравнение не должно приводить к неправильным обобщениям. Дело в том, что двигатель ракеты, как правило, работает не более нескольких десятков секунд. За это время он успевает совершить только сравнительно небольшую работу. Между тем электростанция работает беспрерывно в течение многих лет. Конечно, выработанная за это время электростанцией энергия во много раз превзойдет энергию двигателей ракеты.

При конструировании ракет иногда оказывается целесообразным объединять в одном веществе и окислитель и горючее, т. е. создать такие молекулы, в которых одна часть была бы окислителем, другая – горючим, а между ними должна быть «перегородка», препятствующая немедленному соединению горючего с окислителем.

Вещества, в которых молекулы построены по такому принципу, называют порохами. Порох горит очень быстро и выделяет большое количество раскаленных газов. Поэтому порох является незаменимым топливом для реактивных двигателей, которые за короткое время должны развить большую тягу.

Пороховые двигатели (пороховые ускорители) устанавливают на самолетах для увеличения скорости при взлете. Однако энергия, содержащаяся в порохе, сравнительно невелика. Она не превышает 2000 килокалорий на один килограмм пороха, т. е. значительно меньше, чем у нефтепродуктов. Поэтому пороховые ракеты, как правило, применяют тогда, когда не нужны предельно высокие мощности и скорости полета.

Особой формой молекулярных носителей энергии являются взрывчатые вещества. Их молекулы схожи с молекулами пороха. Взрывчатые вещества могут гореть подобно пороху и любому другому горючему. Однако при их взрыве происходят процессы, отличные от горения. Молекулы взрывчатого вещества под действием удара других молекул разлагаются и выделяют энергию. Такие реакции называют детонацией.

Детонация распространяется обычно со скоростью нескольких километров в секунду, поэтому энергия взрыва, выделяясь практически мгновенно, может произвести огромные разрушения. Вследствие этого взрывчатые детонирующие вещества непригодны для стрельбы. Нельзя их использовать и в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания. Но они незаменимы при разрушении тех или иных массивов скал или грунта, а также различных конструкций.

Разнообразные взрывчатые вещества применяют в парном и строительном деле для дробления скалистого грунта и выбрасывания раздробленного материала, что позволяет с помощью энергии взрыва возводить земляные плотины и строить котлованы для искусственных водохранилищ.

В последнее время молекулярная физика нашла применение и в радиотехнике сверхвысоких частот. Были созданы молекулярные генераторы и усилители электромагнитных волн, отличительной особенностью которых является чрезвычайно высокая стабильность (постоянство) частоты колебаний и весьма низкий уровень собственных шумов.

_{Рис. 11. Принципиальная схема молекулярного генератора}

Благодаря этому молекулярные генераторы (рис. 11) и усилители с успехом используют, например, в радиотелескопах и в других системах, где необходимы не только большие усиления весьма слабых радиосигналов, но и возбуждение сверхвысоких частот.

Для получения высокочастотных колебаний в молекулярных генераторах электромагнитных волн используют молекулы газообразного аммиака.

В обычных условиях часть молекул газообразного аммиака (как, впрочем, и любого другого вещества) всегда находится в возбужденном состоянии, т. е. обладает повышенной по сравнению с невозбужденными молекулами внутренней энергией.

Если пучок молекул, часть которых возбуждена, пропустить через полое металлическое кольцо (объемный резонатор), предварительно «отсеяв» невозбужденные молекулы, то пролетающие через резонатор молекулы будут отдавать ему свою энергию в виде порций (или квантов) электромагнитного излучения вполне определенной и очень стабильной частоты. Энергия этого излучения будет возбуждать в резонаторе точно такие же электрические колебания высокой частоты (около 10 тысяч мегагерц), которые можно усилить и преобразовать нужным образом.

На основе использования энергии возбуждения молекул стало возможным генерировать не только радиоволны, но также и видимое световое излучение, яркость которого может в миллионы раз превышать (в том диапазоне частот, который генерируется) яркость Солнца.

Квантовая механика

Начало XX века ознаменовалось рядом выдающихся открытий, положивших начало развитию совершенно нового понимания законов, которые действуют в микромире – мире мельчайших «элементарных» частиц.

В 1900 году немецкий ученый М. Планк выдвинул гипотезу о корпускулярном (квантовом) характере процессов, связанных с излучением и поглощением света. Согласно этой гипотезе свет может излучаться или поглощаться отдельными порциями или квантами, причем энергия кванта прямо пропорциональна его частоте. Гипотеза Планка была блестяще применена А. Эйнштейном для объяснения так называемого фотоэффекта, который ранее был подробно исследован русским физиком А. Г. Столетовым.

Исследования Столетова показали, что скорость электрона, выбитого из металла падающим на него световым потоком, не зависит от интенсивности падающего света, а зависит только от длины его волны. Этот факт нельзя было объяснить, основываясь на представлении о свете как о чисто волновом процессе, распространяющемся подобно волнам коды от брошенного в нее камня.

Основываясь на гипотезе квантов, А. Эйнштейн объяснил это явление следующим образом. Энергия кванта света, равная произведению h (постоянная Планка) на ν (частота), расходуется при взаимодействии кванта с атомами металла на выбивание электрона из металла, т. е. на преодоление так называемой работы выхода, и на сообщение выбитому электрону кинетической энергии, равной ¹⁄₂ mv²₁ где m – масса и v – скорость выбитого электрона.

Таким образом, чем больше частота кванта света, тем больше его энергия и, следовательно, тем больше скорость выбитого электрона, поскольку для каждого данного металла величина работы выхода постоянна.

Тот факт, что излучение и поглощение света возможны только вполне определенными порциями, говорит о том, что сами излучающие системы (атомы) также должны обладать квантовыми свойствами.

Электронные оболочки атомов, участвующие в процессе испускания и поглощения квантов света, должны быть распределены в пространстве не непрерывно, а дискретно, т. е. каждая электронная оболочка атома должна обладать вполне определенной потенциальной энергией. Переход электрона с более удаленной от ядра оболочки на менее удаленную сопровождается излучением кванта света, причем его энергия в точности равна разности энергий двух соседних оболочек, между которыми произошел «перескок» электрона (рис. 12).

_{Рис. 12. Различные энергетические уровни в атоме}

Эта гипотеза была выдвинута впервые датским физиком Нильсом Бором, которого считают одним из основоположников квантовой механики. Гипотеза Бора помогла объяснить дискретный характер спектров атомов различных элементов и сделала возможным изучение строения атомов на основе анализа их спектров. Но эта гипотеза, являясь по существу лишь первым шагом в объяснении закономерностей микромира, была не вполне точной и не во всех случаях давала правильные объяснения тем или иным явлениям.

В 1924 г. французский физик Луи де Бройль выдвинул идею о том, что не только свет, а любая микрочастица обладает одновременно и корпускулярными и волновыми свойствами.

Эта идея де Бройля была подтверждена американскими физиками Дэвиссоном и Джермером, которые в 1927 г. наблюдали диффракцию электронов, т. е. обнаружили проявление волновых свойств у электронов.

Согласно де Бройлю каждая элементарная частица, движущаяся со скоростью v, обладает собственной длиной волны

где h – постоянная Планка;

m – масса частицы.

Открытие волновых свойств микрочастиц сыграло большую роль в развитии микроскопии и позволило повысить полезное увеличение микроскопов до миллиона раз.

Чем же обусловлено полезное увеличение микроскопа?

Прежде всего оно зависит от разрешающей способности микроскопа, т. е. от того минимального расстояния, на котором две светящиеся точки еще не сливаются в одну. Разрешающая способность микроскопа, в свою очередь, обратно пропорциональна длине световой волны λ и тем больше, чем меньше длина волны.

Предельная разрешающая способность современных микроскопов равна двум – трем десятитысячным долям миллиметра, т. е. соизмерима с длиной волны фиолетового света, равной примерно четырем десятитысячным долям миллиметра (0,4 микрона).

В чем же причина того, что нельзя получить более высокую разрешающую способность у обычных оптических микроскопов?

Дело заключается в том, что, если размеры увеличиваемого предмета соизмеримы с длиной облучающей его световой волны, то в этом случае происходит диффракция волны на объекте, т. е. огибание его светом. Поэтому, каково бы ни было увеличение микроскопа (рис. 13), нельзя увидеть объекты, размеры которых много меньше длины световой волны.

Если вместо потока световых квантов использовать поток электронов (электронные волны), то в этом случае можно добиться гораздо большей степени разрешения, поскольку длина электронных волн в десятки тысяч раз короче длины световых волн.

Так, если электроны ускоряются с помощью напряжения в 50 киловольт, то их скорость будет равна 1,26·10¹⁰ сантиметрам в секунду, что соответствует длине волны, равной пятимиллионным долям микрона, в то время как длина волн видимого света примерно в 100 000 раз больше.

_{Рис. 13. Схема оптического микроскопа}

Схема электронного микроскопа, основанного на таком принципе, показана на рис. 14.

Электронная микроскопия широко применяется во многих областях науки и техники. С помощью электронных микроскопов можно видеть такие малые объекты, как фильтрующиеся вирусы, размеры которых составляют 0,01—0,5 микрон, изучать детали на поверхности различных металлов и сплавов, от качества которых во многом зависит их прочность. Электронные микроскопы позволяют заглянуть внутрь живой клетки и исследовать кристаллическую структуру того или иного вещества, изучать строение крупных молекул и многое другое. Современные электронные микроскопы имеют разрешающую способность до 30–50 ангстрем.

В последнее время появились микроскопы, в которых вместо пучка электронов используют пучок более тяжелых частиц – протонов, т. е. ядер атомов водорода. Поскольку масса протона почти в две тысячи раз больше массы электрона, то дебройлевская длина волны, связанная с этой частицей, оказывается почти в две тысячи раз короче электронной волны (при одинаковых скоростях протона и электрона). Таким образом, разрешающая способность протонных микроскопов, или, как их называют, протонных проекторов, может быть доведена до такой величины, что станет возможным видеть отдельные атомы и молекулы.

_{Рис. 14. Схема электронного микроскопа}

Однако квантовая механика определяет тот предел, ниже которого принципиально невозможно получать более высокие разрешающие способности любых приборов. Поэтому, например, принципиально невозможно «увидеть» расположение отдельных электронов в атоме, а можно говорить лишь о наиболее вероятных областях их локализации, соответствующих определенным энергетическим уровням данного атома.

Современная квантовая механика является такой наукой, которая позволяет не только качественно объяснять те или иные процессы, протекающие в микромире, но и количественно их рассчитывать. С помощью квантовой механики могут быть объяснены строение атомов, связи атомов в молекуле, строение и свойства атомных ядер, рассчитываться процессы взаимодействия элементарных частиц и света с веществом, распад и устойчивость атомных ядер и др.

Наиболее полное и точное представление о молекулах некоторых простейших химических соединений также может быть получено с помощью квантовой механики.

В настоящее время методами квантовой механики еще нельзя точно исследовать сложные химические соединения, такие, как, например, органические молекулы. Это объясняется чрезвычайной трудностью решения уравнений, которые описывают взаимодействие элементов тех или иных молекул. Однако с развитием науки, и в частности математики, ученые, безусловно, получат возможность не только описывать свойства и строение различных молекул, но и на основе теоретического предвидения получать такие вещества, которые обладали бы всеми необходимыми свойствами.