Основная количественная характеристика источника тока- электродвижущая сила.

Билет № 1

1. Электрический ток. Сила тока. Плотность тока. Закон Ома для участка цепи.

Электрический ток- направленное непрерывное движение свободных электрических зарядов (электронов или ионов). Различают ток проводимости и конвекционный ток. Практическое применение в основном имеет ток проводимости. Ток проводимости –упорядоченное перемещение свободных электронов или ионов (дрейф) в неподвижных проводниках. Упорядоченное движение зарядов, связанное с перемещением в пространстве заряженного тела называют током проводимости. За техническое направление тока принимают направление дрейфа положительных зарядов.

Ток характеризуется 2-мя величинами: сила тока-I и плотность тока- j

I=dQ/dt; j=dI/dt;

Различают постоянный и переменный ток. Постоянный ток- ток, сила которого с течением времени не изменяется I=Q/t, где Q- заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за время t.

Плотность тока j-векторная физическая величина, модуль которой равен отношению силы тока к площади поперечного сечения проводника. При постоянном токе j=I/S

Плотность тока определяется концентрацией свободных электронов-n, скоростью их дрейфа-v, и зарядом свободной частицы - e. j=nev

Различают скорость дрейфа и скорость тока. Скорость тока – скорость распространения электрического поля, как причины, вызывающей дрейф электронов. Под действием электрического поля источника все электроны в проводнике начинают дрейф почти одновременно. (Скорость распространения электрического поля-300000 км/с).

Для возникновения и существования тока необходимо достаточное количество свободных зарядов и электрическое поле, которое будет перемещать эти заряды в одном направлении,

т. е. необходимо создать разность потенциалов (напряжение).

Зависимость между силой тока в цепи и разностью потенциалов (напряжением) называется вольтамперной характеристикой. Наиболее простая вольтамперная характеристика для металлов, она была получена в опытах Г.Омом и называется его законом. Закон Ома для участка цепи: Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна разности потенциалов на концах этого участка: I=GU, где G-коэффициент пропорциональности, называемый электропроводимостью. Величину, обратную электропроводимости называют электрическим сопротивлением –R. Закон Ома для участка цепи чаще записывают в виде: I=U/R.

2. Свободные механические колебания. Параметры колебаний.

Колебательное движение или колебательный процесс – это движение (процесс) которое повторяется полностью через равные или почти равные промежутки времени.

Колебательную систему называют осциллятор или вибратор, если говорят о механических колебаниях, то колебательную систему называют ещё маятником.

Полное колебание – один законченный цикл, после которого движение повторяется в том же порядке. Для любой колебательной системы характерно существование некоторого положения устойчивого равновесия, в котором тело находится до тех пор пока внешняя сила не выведет тело из этого состояния. Колебание в данной системе возникнут, если при выведении тела из положения равновесия возникает сила, направленная к положению равновесия и стремящаяся вернуть тело в положение равновесия, при этом трение в системе должно быть небольшим.

Различают свободные (собственные) колебания и вынужденные колебания. Свободными называют колебания тела, выведенного из положения равновесия и предоставленного самому себе, т. е. это колебания под действием внутренних сил системы, после выведения системы из положения равновесия.

Любое колебательное движение характеризуется следующими величинами:

Мгновенное значение изменяющейся величины, т е. значение величины в данныймомент времени, для механических колебаний эту величину обозначают х и называют смещением колеблющейся точки от положения равновесия;

Амплитуда колебания – максимальное значение изменяющейся величины, А (для механического колебания);

Период Т – время одного полного колебания, измеряется в секундах;

Частота ν – число полных колебаний за одну секунду, измеряется в герцах- Гц, 1 Гц – это одно колебание в секунду, т. е. Гц=с^-1; частота и период обратные величины, т. е.

Т·ν= 1;

Циклическая (круговая) частота ω – число колебаний за 2π секунд, т. е. ω=2πν или

, измеряется рад/с; Фаза колебания φ=2πνt+φ₀, где φ₀- начальная фаза колебания, фаза показывает какая часть периода прошла от момента начала колебания.

 

Билет № 2

1. Электрическое сопротивление. Удельное сопротивление. Зависимость сопротивления от геометрических размеров и температуры. Сверхпроводимость.

Сопротивление-мера противодействия проводника установлению в нем электрического тока. Сопротивление обусловлено тем, что при дрейфе свободные электроны сталкиваются с положительными ионами кристаллической решетки, что вызывает уменьшение скорости направленного движения, значит уменьшение силы(плотности) тока.Все это проявляется как противодействие проводника установлению в нем тока.

Для однородного проводника цилиндрической формы R= ; где -длина проводника,S-площадь сечения проводника, сопротивление проводника.

В металлах электрическое сопротивление обусловлено столкновением свободных электронов с колеблющимися ионами в узлах кристаллической решетки. По мере увеличения температуры размах колебаний ионов увеличивается, что приводит к большему рассеянию электронов, участвующих в направленном упорядоченном движении. Поэтому при нагревании металлического проводника его сопротивление возрастает.

Если сопротивление проводника при 0⁰ С,

сопротивление при t⁰ C, то (1+αt);

где α- температурный коэффициент сопротивления. При нагревании геометрические размеры меняются незначительно, поэтому R=R₀ (1+αt). Такая зависимость называется линейной, т. е график R(t) представляет собой прямую линию. Зависимость сопротивления от температуры используется в термометрах сопротивления, для измерения очень высоких или низких температур, в терморезисторах.

Сверхпроводимость – обращение электрического сопротивления в 0 при температурах близких к абсолютному нулю. Сверхпроводимость обнаружил в 1911г Х. Камерлинг-Оннес. Сверхпроводимость обнаружена у 25 химических элементов при температура от 0,14К до 9,22К, есть у большого числа сплавов, для некоторых при температурах около 100К, у некоторых полупроводников, полимеров

 

R

tttT

T

2. Уравнение гармонического колебания. Превращение энергии при гармонических колебаниях.

Гармоническое колебание – колебание в системе, где отсутствуют силы трения.

Математическое выражение мгновенного значения изменяющейся величины в зависимости от других характеристик колебательного движения и времени от начала движения называется уравнением гармонического колебания. Уравнение гармонического колебания имеет вид: х=А cos(ωt +φ₀) или х=Аsin (ωt +φ₀), в первом случае колебание называется косинусоидальным, во втором случае синусоидальным.

Выражение, стоящее под знаком косинуса или синуса – это фаза колебания. Т.е. уравнение можно записать в виде: х=А cosφ и х=Аsinφ. Уравнение гармонического колебания часто удобнее записывать в виде: х=Аcos(2πν +φ₀) или х=Аcos()

Колеблющееся тело обладает кинетической энергией, как любое движущееся тело и потенциальной энергией, так есть изменение положения тела относительно положения равновесия.

Кинетическая энергия W_k= , , отсюда

W_k= .

Потенциальная энергия тела, смещенного относительно положения равновесия на х, измеряется работой внешней силы, необходимой для такого смещения.

W_п = , k=mω; k-упругость.W_п=

Полная энергия системы равна W=W_к +W_п = , W_к, W_п меняются с течением времени, если W_k=max, то W_п=0 и наоборот.

Билет № 3

1. Источники тока. ЭДС источника. Закон Ома для замкнутой цепи.

Источник тока - устройство, которое создает и поддерживает постоянную разность потенциалов в электрической цепи. В источнике тока происходит разделение связанных зарядов на положительные и отрицательные под действием сторонних сил и накопление этих зарядов на полюсах источника тока. Роль сторонних сил могут играть силы любой природы, кроме электростатической. В гальванических элементах сторонние силы имеют химическую природу, в генераторах- магнитную природу. Под действием сторонних сил электрические заряды внутри источника движутся в направлении противоположном действию сил электрического поля, поэтому на полюсах источника поддерживается постоянная разность потенциалов.

Основная количественная характеристика источника тока- электродвижущая сила.

Э Д С численно равна работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль всей цепи ε = А_ст/Q. Единица измерения ЭДС- Дж/Кл=В (вольт)

Закон Ома для полной цепи является следствием закона сохранения энергии. Сила тока в цепи прямо пропорциональна ЭДС источника и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи (сумме сопротивлений потребителей тока и сопротивления источника) , R-сопротивление потребителя тока (потребителей),

r-внутреннее сопротивление источника.

IR=Uвнеш –падение напряжения во внешней части цепи,

Ir=U_внутр –падение напряжения внутри источника тока

2. - ЭДС источника равна сумме падений напряжений во внешний цепи и внутри источника.

Если ЭДС способствует движению положительного заряда в выбранном направлении, то она считается положительной; если препятствует движению положительных зарядов,то ЭДС считается отрицательной. Источники тока соединяют между собой последовательно и параллельно. Если сопротивление потребителя R=0, то ток называют током короткого замыкания I _{к. з.}=

 

2. Вынужденные механические колебания. Механический резонанс, его учет и использование.

Свободные механические колебания всегда колебания затухающие, т. е. амплитуда таких колебаний с течением времени уменьшается. При любом механическом движении тел часть энергии переходит во внутреннюю энергию в результате взаимодействия движущегося тела с окружающими телами. Колебания, амплитуда которых уменьшается, не могут найти практического применения. Постоянную амплитуду имеют вынужденные колебания и автоколебания.

Вынужденные колебания - это колебания под действием внешних периодически изменяющихся сил. Вынужденные колебания совершают поршень в цилиндре двигателя автомобиля, игла швейной машины, резец строгального станка. Амплитуда вынужденных колебаний определяется амплитудой действующей силы и потерями энергии в колебательной системе. Период вынужденных колебаний равен периоду внешней силы.

Амплитуда установившихся вынужденных колебаний зависит также от частоты изменения вынуждающей силы. Максимального значения амплитуда вынужденных колебаний достигает при частоте ω примерно равной собственной частоте ω₀ колебаний системы. Явление резкого возрастания амплитуды установившихся вынужденных колебаний до максимального значения при приближении частоты изменения внешней силы к частоте свободных колебаний системы называется резонансом.

 

Явление резонанса может быть причиной разрушения машин, мостов, зданий и других сооружений, если собственные частоты их колебаний совпадут с частотой периодически действующей силы. Конструкторы самолетов, ракет, мостов, зданий и других строений должны знать, какая собственная частота конструируемых ими машин и сооружений, чтобы исключить возможность воздействия на них периодических внешних сил с частотой, близкой к частоте собственных колебаний.

Автоколебаниями называются незатухающие колебания в системе, поддерживаемые внешними источниками энергии при отсутствии воздействия внешней переменной силы. Амплитуда автоколебаний определяется только свойствами самой колебательной системы. Автоколебательную систему можно разделить на три основных элемента: 1) колебательную систему; 2) источник энергии; 3) устройство с обратной связью, регулирующее поступление энергии из источника в колебательную систему. Энергия, поступающая из источника за период, равна энергии, потерянной в колебательной системе за это же время. Примером механической автоколебательной системы служат часы с маятником. В них колебательной системой является маятник, источником энергии – гиря, поднятая над землёй, или стальная пружина. Основными деталями устройства, осуществляющего обратную связь, служит храповое колесо и анкер(вилка). Гиря вызывает вращение храпового колеса. При каждом колебании маятника зубец храпового колеса толкает вилку в таком направлении, что разгоняет маятник. Наибольшее применение имеют автоколебательные системы для получения электрических колебаний.

 

Билет № 4

1. Электронная теорияэлектропроводимости металлов. Работа выхода электронов. Контактная разность потенциалов.

Проводимость металлов обусловлена наличием свободных электронов, которые могут свободно перемещаться между ионами, находящимися в узлах кристаллической решетки. В основе этих представлений такие эксперименты:

1. Рикке в 1901 г. проделал опыт- через медный, алюминиевый, медный цилиндры плотно соединялись торцами и присоединяли к источнику тока, в течении года через них пропустили заряд 3,5 МКл. Никаких химических изменений в цилиндрах не произошло, массы цилиндров не изменились. Значит, ионы не могли создавать тока в металле, перенос ионов должен сопровождаться изменением массы и химического состава вещества.

2. Мандельштам и Папалекси(Россия, 1913г), Толмен и Стюарт (1916) измерили удельный заряд частицы (, создающей проводимость в металлах. На катушку наматывался длинный проводник, присоединенный к гальванометру. Катушку приводили во вращение, затем резко тормозили, в момент торможения стрелка гальванометра отклонялась. Было доказано, что носители тока в металлах имеют отрицательный заряд, а их удельный заряд приблизительно одинаковый для всех исследованных металлов. Значение удельного заряда носителей электрического тока совпало со значением этой величины для электронов, движущихся в вакууме (опыт Милликена). Таким образом, было доказано, что носителями электрического тока в металлах являются свободные электроны.

В 1900г. П. Друде создал электронную теорию проводимости металлов, которую развил Х. Лоренц. Совокупность свободных электронов можно рассматривать как некоторый идеальный электронный газ, свойства которого аналогичны свойствам обычного идеального газа.

Работа выхода электронов из металла.

Электроны проводимости, образующие «электронный газ», участвуют в тепловом движении. Эти электроны могут иногда вылететь за пределы металла, образуя над ним «электронное облако». Часть этих электронов возвращается в металл, другие электроны его покидают. Если электроны вылетели из металла, то на поверхности металла образуется положительный заряд. Поверхность металла и электронное облако образуют двойной электрический слой как в плоском конденсаторе. Между поверхностью металла и электронным облаком возникает разность потенциалов , называемая потенциальным барьером или контактной разностью на границе металл-вакуум.

Чтобы электрон, находящийся в металле, мог его покинуть, он должен преодолеть силы притяжения со стороны положительной поверхности и силы отталкивания электронного облака. Работа, которую должен выполнить для этого электрон, называется работой выхода электрона из металла. Она равна той минимальной энергии, которую нужно сообщить электрону, чтобы он мог выйти из металла в вакуум. А=е . Работу выхода принято измерять в электрон –вольтах (эВ)

1 эВ-энергия, приобретаемая электроном, прошедшим разность потенциалов 1 В.

Работа выхода зависит от химической природы металлов и от чистоты их поверхности.

 

2. Деление тяжелых ядер. Цепные ядерные реакции.

В 1938-1939 гг. О.Ган и Ф.Штрассман в Германии, Э.Ферми в Италии, Ф.Жолио-Кюри во Франции обнаружили, что при облучении урана-235 и других тяжелых элементов пучком нейтронов образуются ядра элементов середины таблицы Менделеева. Объяснение этому опытному факту дали английский физик О.Фриш и австрийский физик Лизе Майтнер: поглощая нейтрон, тяжелое ядро делится на два ядра –осколка.

Физический механизм деления ядра предложил Н.Бор на основе капельной модели ядра. Тяжелое ядро-это капля положительно-заряженной жидкости. Захватив нейтрон, ядро возбуждается и начинает вытягиваться. В нем одновременно выделяются две части, между которыми образуется перемычка. Кулоновские силы отталкивания разрывают перемычку, в результате из одного ядра образуется два ядра-осколка, которые разлетаются в противоположные стороны. Деление ядра сопровождается выделением 2-4 свободных нейтронов, ß- частицами, γ- излучением, и огромным количеством теплоты. Деление всех ядер 1г. дает столько же энергии, сколько сгорание 2,5т. каменного угля.

Продукты деления урана 235 разнообразны, их массовые числа имеют предел от 70 до 160. Обычно продукты деления радиоактивны. Одна из возможных реакций деления урана-235:

+

При благоприятных условиях освободившиеся нейтроны могут попасть в другие ядра и вызвать их деление, число делящихся ядер будет быстро расти. Реакции, вызываемые частицами- продуктами самой реакции называются цепными.

Т.к. при делении одного ядра выделяется энергия порядка 200МэВ и все акты деления происходят практически мгновенно, цепная ядерная реакция носит взрывной характер.

Развитие цепной реакции зависит от коэффициента размножения нейтронов К= , где N_i- число нейтронов поколения I, а N_i-1-число нейтронов предыдущего поколения. При К=1- процесс идет с постоянной скоростью, К>1 процесс развивается лавинообразно В природном уране содержится всего 0,7% урана-235, остальное приходится на уран-238. Коэффициент размножения в природном уране меньше1, поэтому цепная реакция в природе не происходит. Чтобы получить «ядерное горючее» обогащают природный изотоп урана-235 до тех пор пока, коэффициент размножения в нем не превысит единицу. Уже при К=1,01 скорость реакции обеспечивает ядерный взрыв. Процесс обогащения является крайне сложным и дорогим. Массу вещества, при которой коэффициент размножения становится равным единице, называют критической массой. Как только масса вещества превысит критическую, произойдет ядерный взрыв.

 

Билет № 5.

1. Электрический ток в электролитах. Электролитическая диссоциация. Электролиз и его применение.

Электролиты-растворы солей, щелочей, кислот в воде (или расплавы этих веществ) являются хорошими проводниками электрического тока, их называют проводниками второго рода. Проводимость электролитов создается движением ионов. Ионы возникают в процессе взаимодействия молекул растворенного вещества с молекулами воды. Процесс распада молекул на ионы под действием растворителя или в результате интенсивного теплового движения в расплавах называется электролитической диссоциацией. В процессе растворения соли за счет тепловых соударений происходит распад молекулы на ионы, например: NaCl↔ Na⁺+Cl^-

Наряду с диссоциацией в растворе идет обратный процесс – рекомбинация ионов в нейтральную молекулу.Под действием электрического поля положительные ионы(катионы) движутся к катоду(-), а отрицательные ионы (анионы) движутся к аноду(+), создавая электрический ток. Таким образом, ток в электролитах-направленное движение ионов. Электролиз-выделение вещества на электродах, погруженных в раствор электролита, при прохождении электрического тока называется электролизом. Достигнув катода, катионы присоединяют к себе электроны и превращаются в нейтральные молекулы. Анионы, достигнув анода и отдав ему избыточные электроны, также превращаются в нейтральные молекулы. В итоге на электродах выделяется чистое вещество.

Применение электролиза:

а) очистка металлов от примесей. При рафинировании меди анодом служит неочищенная медь, катодом –тонкая пластина очищенной меди, на которой будут откладываться ионы меди, электролитом служит раствор медного купороса(CuSO₄).

б) для получения алюминия и щелочных металлов.

Алюминий добывают из расплава, представляющего собой раствор глинозема (Al₂O₃)

В криолите(Na₃AlF₆). Электролиз осуществляется в стальном электролизере. Катодом служит спрессованный графит, которым выложено дно электролизера. Сверху располагаются угольные аноды. Выделяющийся на катоде жидкий алюминий стекает по наклонному желобу и через сетку попадает в ковш.

В) С помощью электролиза один металл покрывают тонким слоем другого для защиты от коррозии и для декоративных целей. Этот процесс называется гальваностегией. Изделие служит катодом, электролит-раствор соли, содержащей металл, из которого нужно сделать покрытие, анод- пластина из того же металла(золото, никель, хром и т. д.)

 

2. Ядерный реактор. Термоядерные реакции.

Устройство, в котором осуществляется управляемая цепная реакция- ядерный реактор, представляет собой сложное инженерное сооружение. Первые ядерные реакторы были на медленных нейтронах (скорость нейтронов ≈2км/с), их ядерным горючим был уран-235. Большинство нейтронов, возникающих в результате распада, имеют скорость на 3-4 порядка больше. Для замедления нейтронов используют графит или тяжелую воду.

Для уменьшения утечки нейтронов из активной зоны используются отражатели нейтронов, хорошим отражателем является бериллий. Для поглощения нейтронов (регулирования коэффициента размножения) используются поглощающие стержни из соединений бора и кадмия.

Первый ядерный реактор был построен в конце 1943г. в г.Чикаго (США), работами руководил физик-эмигрант из Италии Э.Ферми. В нашей стране первый реактор начал работать в конце 1946г, Работами руководил И.В. Курчатов. Современные ядерные реакторы –это реакторы на быстрых нейтронах, в них ядерным горючим служит уран-238. Захватывая нейтрон,ядро урана-238 превращается в ядро радиоактивного изотопа урана-239 с периодом полураспада 23 мин. Продуктом распада урана-239 является короткоживущий изотоп нептуния -239, ядра которого превращаются в ядра относительно стабильного плутония-239. Вся цепочка превращений имеет вид

- относительно стабильный элемент, по своим способностям к взаимодействию с нейтронами похож на U-235, т.е. ядерный реактор на быстрых нейтронах является не только энергетической установкой, но и реактором –размножителем.

Первая атомная электростанция (АЭС) в нашей стране (и в мире) вступила в строй в 1954г (г. Обнинск). Её мощность была небольшой, современные АЭС имеют мощность в 800 раз большую. Были построены атомные ледоколы и подводные лодки, двигатели которых по своей мощности многократно превосходят мощность дизельных двигателей

Энергия за счет ядерной реакции освобождается не только при распаде тяжелых ядер. но и при синтезе (слиянии) легких атомных ядер, в результате которого образуется более тяжелое ядро. Для слияния ядер им необходимо преодолеть силы кулоновского отталкивания и сблизиться до расстояния, на котором начинают действовать ядерные силы. Преодолеть отталкивание между ядрами возможно только в том случае, если кинетическая энергия частиц будет значительной, что возможно только при высокой температуре (10⁷ – 10⁸ К). На земле ядерная реакция осуществляется при термоядерных взрывах. Реакции синтеза происходят на Солнце и других звездах, они являются их источником энергии. Наиболее быстрой является реакция синтеза водорода с образованием гелия:

При синтезе 1г. гелия из дейтерия и трития выделяется энергия, равная энергии сгорания 10т. дизельного топлива. Если человечество научиться управлять термоядерной реакцией оно получит неисчерпаемый источник энергии, потому что запасов термоядерного горючего на Земле достаточно. Трудность создания термоядерного реактора в том, что разогреть плазму до температуры 10⁷ – 10⁸ К очень трудно, еще труднее удержать её в ограниченном объеме. Любое вещество даже при кратковременном контакте с плазмой мгновенно испарится. Единственный выход – удерживать плазму при помощи магнитного поля. В магнитном поле огромной напряженности заряженные частицы плазмы, нанизываясь на замкнутые линии магнитной индукции, оказываются в своеобразном «магнитном мешке». Пока в лабораторных условиях удалось удержать плазму при температуре 6·10⁷К только в течение нескольких миллисекунд.

 

Билет № 6

1. Электропроводимость газов. Несамостоятельный и самостоятельный газовый разряд. Виды и применение самостоятельных разрядов.

При нормальных условиях (небольшом давлении и температуре) газ-изолятор, т. е. в нем мало свободных зарядов. В результате внешнего воздействия- ионизатора (нагревания, ультрафиолетового, рентгеновского, или гамма- излучения) происходит ионизация газа т. е. отрыв электронов от атомов или молекул. При отрыве электрона атом превращается в положительный ион. Нейтральный атом может присоединить к себе электрон, тогда появится отрицательный ион. Таким образом, в ионизированном газе могут быть 3 вида свободных зарядов: положительные и отрицательные ионы и электроны. Под действием электрического поля ионы и электроны создадут электрический ток т. е. проводимость газов электронно-ионная.