второй закон термодинамики

Второй закон термодинамики -

физический закон, имеющий

две эквивалентные формулировки:

-1- невозможен процесс,

единственным результатом

которого является передача

энергии в форме теплоты от

менее нагретого тела к

более нагретому телу;

-2- невозможен периодический

процесс, единственным результатом

которого является превращение теплоты,

полученной от нагревателя, в

эквивалентную ей работу.

Теплово?й дви?гатель — устройство,

совершающее работу за счет

использования внутренней энергии

топлива, тепловая машина, превращающая

тепло в механическую энергию,

использует зависимость теплового

расширения вещества от температуры.

Действие теплового двигателя

подчиняется законам термодинамики.

Для работы необходимо создать разность

давлений по обе стороны поршня

двигателя или лопастей турбины.

Для работы двигателя обязательно

наличие топлива. Это возможно при

нагревании рабочего тела (газа),

который совершает работу за счёт

изменения своей внутренней энергии.

Повышение и понижение температуры

осуществляется, соответственно,

нагревателем и охладителем.

Коэффициент полезного действия (КПД)

теплового двигателя. Невозможность полного

превращения внутренней энергии газа в

работу тепловых двигателей обусловлена

необратимостью процессов в природе. Если

бы теплота могла самопроизвольно возвращаться

от холодильника к нагревателю, то

внутренняя энергия могла бы быть

полностью превращена в полезную работу

с помощью любого теплового двигателя.

Согласно закону сохранения энергии работа,

совершаемая двигателем, равна:

A"=|Q l |-|Q 2 |

где Q 1 — количество теплоты, полученное

от нагревателя, a Q 2 —количество теплоты,

отданное холодильнику.

Коэффициентом полезного действия теплового

двигателя называют отношение работы А",

совершаемой двигателем, к количеству теплоты,

полученному от нагревателя:

КПД теплового двигателя меньше единицы.

При Т 1 —Т 2 =0 двигатель не может

работать.Максимальное значение КПД

тепловых двигателей. Законы

термодинамики позволяют вычислить

максимально возможный КПД теплового

двигателя, работающего с нагревателем,

имеющим температуру Т 1, и холодильником

с температурой Т 2. Впервые это

сделал французский инженер и ученый

Сади Карно.Карно придумал

идеальную тепловую машину с

идеальным газом в качестве рабочего

тела. Он получил для КПД этой

машины следующее значение:

Как и следовало ожидать, КПД

машины Карно прямопропорционален

разности абсолютных температур

нагревателя и холодильника.

Главное значение этой формулы

состоит в том, как доказал Карно,

что любая реальная тепловая машина,

работающая с нагревателем, имеющим

температуру Т 1, и холодильником с

температурой Т 2 не может иметь КПД,

превышающий КПД идеальной тепловой

машины.

Испарение.Неравномерное

распределение кинетической

энергии теплового движения молекул

приводит к тому, что при любой

температуре кинетическая энергия

некоторых молекул жидкости или твердого

тела может превышать потенциальную

энергию их связи с остальными молекулами.

Испарение — это процесс, при котором

с поверхности жидкости или твердого

тела вылетают молекулы, кинетическая

энергия которых превышает потенциальную

энергию взаимодействия молекул.

Испарение сопровождается охлаждением

жидкости.Насыщенный и ненасыщенный пар.

Испарение жидкости в закрытом сосуде

при неизменной температуре приводит

к постепенному увеличению концентрации

молекул испаряющегося вещества в

газообразном состоянии. Через некоторое

время после начала процесса испарения

концентрация вещества в газообразном

состоянии достигает такого значения,

при котором число молекул, возвращающихся

в жидкость в единицу времени,

становится равным числу молекул,

покидающих поверхность жидкости

за то же время. Устанавливается

динамическое равновесие между

процессами испарения и конденсации

вещества.Вещество в газообразном

состоянии, находящееся в

динамическом равновесии с жидкостью,

называется насыщенным паром.

Пар, находящийся при давлении

ниже давления насыщенного пара

, называется ненасыщенным.При

сжатии насыщенного пара

концентрация молекул пара

увеличивается, равновесие между

процессами испарения и

конденсации нарушается и часть

пара превращается в жидкость.

При расширении насыщенного пара

концентрация его молекул

уменьшается и часть жидкости

превращается в пар. Таким образом,

концентрация насыщенного пара

остается постоянной независимо

от объема. Так как давление

газа пропорционально концентрации

и температуре (p = nkT),

давление насыщенного пара при

постоянной температуре не

зависит от объема.Интенсивность

процесса испарения увеличивается

с возрастанием температуры

жидкости. Поэтому динамическое

равновесие между испарением и

конденсацией при повышении

температуры устанавливается

при больших концентрациях

молекул газа.Давление идеального

газа при постоянной концентрации

молекул возрастает прямо

пропорционально абсолютной

температуре. Так как в насыщенном

паре при возрастании температуры

концентрация молекул увеличивается,

давление насыщенного пара с

повышением температуры возрастает

быстрее, чем давление идеального

газа с постоянной концентрацией

молекул.

21.Кипение. Зависимость

температуры кипения от давления.

Процесс испарения может

происходить не только с

поверхности жидкости, но и

внутри жидкости. Пузырьки пара

внутри жидкости расширяются и

всплывают на поверхность, если

давление насыщенного пара равно

внешнему давлению или превышает его.

Этот процесс называется кипением.

При температуре 100 °С давление

насыщенного водяного пара равно

нормальному атмосферному давлению,

поэтому при нормальном давлении

кипение воды происходит при 100 °С.

При температуре 80 °С давление

насыщенного пара примерно в два раза

меньше нормального атмосферного

давления. Поэтому вода кипит при 80 °С,

если давление над ней уменьшить до 0,5

нормального атмосферного давления

При понижении внешнего давления

температура кипения жидкости понижается,

при повышении давления температура

кипения повышается.

Критическая температура. Любое

вещество, находящееся в газообразном

состоянии, может превратиться в

жидкость. Однако каждое вещество

может испытать такое превращение

лишь при температурах, меньших

некоторого, особого для каждого

вещества значения, называемого

критической температурой Tк. При

температурах, больших критической,

вещество не превращается в жидкость

ни при каких давлениях.

Модель идеального газа применима

для описания свойств реально

существующих в природе газов в

ограниченном диапазоне температур

и давлений. При понижении

температуры ниже критической

для данного газа действием сил

притяжения между молекулами уже

нельзя пренебрегать, и при

достаточно высоком давлении

молекулы вещества соединяются

между собой.Изотермы реального

газа. Способность реального

газа превращаться в жидкость

приводит к тому, что его изотермы

являются гиперболами только

при температурах выше критической.

Изотермическое сжатие реального

газа при температуре T2 (T2 < Tк)

происходит в соответствии с

уравнением изотермы идеального

газа лишь до давления, равного

давлению насыщенного пара p0 при

данной температуре T2. При

дальнейшем уменьшении объема

часть газа превращается в жидкость,

а давление остается постоянным и

равным давлению насыщенного пара.

Горизонтальный участок на

изотерме реального газа

обусловлен процессом превращения

газа в жидкость.

Уменьшение объема при постоянном

давлении может происходить до

тех пор, пока весь газ в сосуде

не превратится в жидкость. Дальнейшее

уменьшение объема приводит к

резкому возрастанию давления. Это

объясняется малой сжимаемостью

жидкости.

Для сжижения любого газа

необходимо сначала охладить

его до температуры ниже критической,

а затем увеличить давление до

значения, превышающего давление

насыщенного пара.

Относительная влажность воздуха.

В атмосферном воздухе интенсивность

испарения воды зависит от того, насколько

близко давление паров воды к давлению

насыщенных паров при данной температуре.

Отношение давления p водяного пара,

содержащегося в воздухе при данной температуре,

к давлению p0 насыщенного водяного

пара при той же температуре,

выраженное в процентах, называется

относительной влажностью воздуха:

При относительной влажности, равной 100%,

устанавливается динамическое равновесие

между процессами испарения и конденсации

воды, в результате количество воды

не уменьшается и не увеличивается.

Точка росы. Так как давление

насыщенного пара тем меньше,

чем ниже температура, то при

охлаждении воздуха находящийся

в нем водяной пар при некоторой

температуре становится насыщенным.

Температура tp, при которой

находящийся в воздухе водяной

пар становится насыщенным,

называется точкой росы.По точке росы

можно найти давление водяного пара

в воздухе p1. Оно равно давлению

насыщенного пара при температуре t1,

равной точке росы. По значениям

давления пара p0 и давления p1

насыщенного водяного пара при

данной температуре можно определить

относительную влажность воздуха.

Уравнение теплового баланса -

уравнение, описывающее теплообмен

внутри системы, состоящей из

нескольких тел, имеющих первоначально

различные температуры.

Q = m1c1(t'1 - t"1)? = m2c2(t"2 - t'2),

где m1, m2 - расходы горячего

и холодного теплоносителей, кг/с;

c1, c2 - их средние, массовые,

изобарные теплоемкости, кДж/(кгК);

h - КПД теплообменника; индексы:

1, 2 - горячий и холодный теплоносители

Сюда перенаправляется запрос

«Пароперегрев». На эту тему

нужна отдельная статья.

Перегретый пар — пар,

нагретый до температуры, превышающей

температуру кипения при данном

давлении. Перегретый пар используется

в циклах различных тепловых машин с

целью повышения их КПД. Получение

перегретого пара происходит в

специальных устройствах —

пароперегревателях.Если насыщенный

пар продолжать нагревать в отдельном

объёме, не имеющем воды, то получится

перегретый пар. При этом сначала

испарится влага, содержащаяся в паре,

а затем начнётся повышение температуры

и увеличение удельного его объёма.

Перегретый пар обладает следующими

основными свойствами и преимуществами:

при одинаковом давлении с насыщенным

паром имеет значительно бо?льшую

температуру и теплосодержание;

имеет больший удельный объём в

сравнении с насыщенным паром, то

есть объём 1 кг перегретого пара

при том же давлении больше объема

1 кг насыщенного пара. Поэтому в

паровых машинах для получения

необходимой мощности перегретого

пара по массе потребуется меньше,

что даёт экономию в расходе воды

и топлива;перегретый пар при

охлаждении не конденсируется;

конденсация наступает лишь тогда

, когда температура перегретого

пара упадёт до температуры

насыщенного пара при данном

давлении.Использование перегретого

пара.Поскольку на превращение

воды в пар затрачивается много

энергии, водяной пар при охлаждении

и конденсации может выполнять большую

работу и выделять много тепла.

Энергию водяного пара широко используют

на комбината для работы паровых

турбин, установленных на ТЭЦ предприятия

. Полученный в котлах водяной пар с

помощью специальных устройств нагревают

до высоких температур, а затем

полученный нагретый пар направляют

в паровые турбины. Давление пара

достигает 300 атм., при этом КПД

турбин превышает 45%. Отработанный

пар по специальным паропроводам

подается в доменные печи, конвертов,

кислородно-компрессорное производство.

Пар широко используется в газовом

хозяйстве: для удаления нафталиновых

отложений, ледяных пробок (пережимов),

обогрева дренажных линий,

конденсатоотводчиков и подогрева

баков, обогрева регулировочных

дросселей и импульсных линий приборов,

а при необходимости, для тушения

горящего газа.

22.Жидкость – это физическое тело,

обладающее двумя свойствами:

Обладает текучестью, благодаря

которой она не имеет формы и

принимает форму того сосуда, в

котором она находится.

Она мало изменяет форму и объем

при изменении давления и температуры,

в чем она сходна с твердым телом.

ЗАМЕЧАНИЕ:

Это определение относится к

абсолютному большинству явлений,

с которыми мы имеем дело, однако

в особых случаях жидкость имеет

собственную форму – например в

условиях невесомости или свободного

падения капель. В этом случае форма

определяется комплексом сил,

действующих на жидкость

(поверхностного натяжения, трения

и т.д.). Часто жидкостями

называют и газы, абсолютно не

подходящие под это определение.

Дело в том, что с точки зрения

законов, определяющих поведение

газов и жидкостей, они, за

исключением свойства сжимаемости,

идентичны. В связи с этим,

расчетные зависимости в ряде случаев

могут совпадать. При необходимости

иногда дается уточнение – «капельная

жидкость».

ПЛОТНОСТЬ

Это масса единичного объема жидкости.

Обозначается - r.

r = m / V

Размерность – кг/м3.

Плотность различных тел изменяется

в широких пределах.Поверхностное

натяжение. С силами притяжения

между молекулами и подвижностью

молекул в жидкостях связано

проявление сил поверхностного

натяжения.Внутри жидкости силы

притяжения, действующие на одну

молекулу со стороны соседних с ней

молекул, взаимно компенсируются.

Любая молекула, находящаяся у

поверхности жидкости, притягивается

молекулами, находящимися внутри

жидкости. Под действием этих сил

молекулы с поверхности жидкости уходят

внутрь жидкости и число молекул,

находящихся на поверхности,

уменьшается до тех пор, пока

свободная поверхность жидкости не

достигнет минимального из возможных

в данных условиях значения.

Минимальную поверхность среди

тел данного объема имеет шар, поэтому

при отсутствии или пренебрежимо

малом действии других сил жидкость

под действием сил поверхностного

натяжения принимает форму шара.

Свойство сокращения свободной

поверхности жидкости во многих

явлениях выглядит таким образом,

будто жидкость покрыта тонкой

растянутой упругой пленкой,

стремящейся к сокращению.

Силой поверхностного натяжения

называют силу, которая действует

вдоль поверхности жидкости

перпендикулярно к линии, ограничивающей

эту поверхность, и стремится

сократить ее до минимума.Подвесим

на крючок пружинного динамометра

П-образную проволоку. Длина стороны

АВ равна l. Начальное растяжение

пружины динамометра под действием

силы тяжести проволоки можно исключить

из рассмотрения установкой

нулевого деления шкалы против

указателя действующей силы.

Опустим проволоку в воду, затем

будем медленно опускать вниз

сосуд с водой (рис. 92). Опыт

показывает, что при этом вдоль

проволоки образуется пленка жидкости

и пружина динамометра растягивается.

По показаниям динамометра можно

определить силу поверхностного

натяжения. При этом следует учесть,

что пленка жидкости имеет две

поверхности (рис. 93) и сила

упругости равна по модулю удвоенному

значению силы поверхностного натяжения:

Смачивание — это поверхностное

явление, заключающееся во взаимодействии

жидкости с поверхностью твёрдого

тела или другой. Смачивание бывает

двух видов:

1)Иммерсионное(вся поверхность

твёрдого тела контактирует с жидкостью)

2)Контактное(состоит из

3х фаз - твердая, жидкая, газообразная)

Смачивание зависит от соотношения

между силами сцепления молекул

жидкости с молекулами (или

атомами) смачиваемого тела (адгезия)

и силами взаимного сцепления молекул

жидкости (когезия).Степень смачивания

характеризуется углом смачивания. Угол

смачивания (или краевой угол смачивания)

это угол, образованный касательными

плоскостями к межфазным поверхностям,

ограничивающим смачивающую жидкость,

а вершина угла лежит на линии раздела

трёх фаз. Измеряется методом лежащей

капли. В случае порошков надёжных методов,

дающих высокую степень воспроизводимости,

пока(2008) не разработано. Предложен весовой

метод определения степени смачивания, но он

пока не стандартизован.Капиллярность

(от лат. capillaris — волосяной),

капиллярный эффект — физическое явление,

заключающееся в способности жидкостей

изменять уровень в трубках, узких каналах

произвольной формы, пористых телах.

Поднятие жидкости происходит в случаях

смачивания каналов жидкостями, например

воды в стеклянных трубках, песке, грунте

и т. п. Понижение жидкости происходит в

трубках и каналах, не смачиваемых

жидкостью, например ртуть в стеклянной трубке.

Благодаря капиллярности возможны

жизнедеятельность животных и растений,

различные химические процессы, бытовые

явления (например, подъём керосина по

фитилю в керосиновой лампе, вытирание

рук полотенцем). Капиллярность почвы

определяется скоростью, с которой вода

поднимается в почве и зависит от размера

промежутков между почвенными частицами.

23.Аморфные тела и кристаллы. Аморфными

называются тела, физические свойства

которых одинаковы по всем направлениям.

Примерами аморфных тел могут служить

куски затвердевшей смолы, янтарь,

изделия из стекла. Аморфные тела

являются изотропными телами.

Изотропность физических свойств

аморфных тел объясняется беспорядочностью

расположения составляющих их атомов

и молекул. Твердые тела, в которых атомы

или молекулы расположены упорядоченно и

образуют периодически повторяющуюся

внутреннюю структуру, называются кристаллами.

Физические свойства кристаллических

тел неодинаковы в различных направлениях,

но совпадают в параллельных направлениях.

Это свойство кристаллов называется

анизотропностью. Кристалл поваренной

соли при раскалывании дробится на части,

ограниченные плоскими поверхностями,

пересекающимися под прямыми углами. Эти

плоскости перпендикулярны особым

направлениям в образце, по этим направлениям

его прочность минимальна.Анизотропия

механических, тепловых, электрических

и оптических свойств кристаллов объясняется

тем, что при упорядоченном расположении атомов,

молекул или ионов силы взаимодействия между ними

и межатомные расстояния оказываются неодинаковыми

по различным направлениям.Кристаллические тела

делятся на монокристаллы и поликристаллы.

Монокристаллы иногда обладают геометрически

правильной внешней формой, но главный признак

монокристалла — периодически повторяющаяся

внутренняя структура во всем его объеме.

Поликристаллическое тело представляет собой

совокупность сросшихся друг с другом хаотически

ориентированных маленьких кристаллов — кристаллитов.

Поликристаллическую структуру чугуна,

например, можно обнаружить, если рассмотреть

с помощью лупы образец на изломе. Каждый

маленький монокристалл

поликристаллического тела анизотропен,

но поликристаллическое тело изотропно.

Пространственная решетка. Для

наглядного представления внутренней

структуры кристалла применяется способ

изображения его с помощью пространственной

кристаллической решетки. Кристаллической

решеткой называется пространственная

сетка, узлы которой совпадают с центрами

атомов или молекул в кристалле.

Кристаллы могут иметь форму различных

призм и пирамид, в основании которых

могут лежать только правильный треугольник,

квадрат, параллелограмм и шестиугольник.

Представления о периодической структуре

кристаллов и симметрии расположения

атомов в них в настоящее время имеют

строгое экспериментальное подтверждение.

Наглядные картины расположения атомов

в кристалле удается получать с помощью

электронного микроскопа и ионного проектора.

Упругость — свойство тел

восстанавливать свою форму и

объем после прекращения действия

внешних сил или других причин,

вызвавших деформацию тел. Для

упругих деформаций справедлив закон

Гука, согласно которому упругие

деформации прямо пропорциональны

вызывающим их внешним воздействиям

а = Е|с|, где а — механическое напряжение,

е — относительное удлинение,

Е — модуль Юнга (модуль упругости).

Упругость обусловлена взаимодействием

и тепловым движением частиц, из которых

состоит вещество.Пластичность — свойство

твердых тел под действием внешних сил изменять,

не разрушаясь, свою форму и размеры и

сохранять остаточные деформации после

того, как действие этих сил прекратится.

Перейти к: навигация, поиск

Закон Гука — уравнение теории

упругости, связывающее напряжение и

деформацию упругой среды. Открыт в

1660 году английским учёным Робертом

Гуком (Хуком) (англ. Robert Hooke).

Поскольку закон Гука записывается для

малых напряжений и деформаций, он

имеет вид простой пропорциональности.

В словесной форме закон звучит следующим образом:

Сила упругости, возникающая в теле при

его деформации, прямо пропорциональна

величине этой деформации.

24.Плавлением называют процесс

перехода вещества из твердого

кристаллического состояния в жидкое.

Плавление происходит при постоянной

температуре с поглощением тепла.

Постоянство температуры объясняется

тем, что при плавлении вся подводимая

теплота идет на разупорядочение

регулярного пространственного

расположения атомов (молекул) в

кристаллической решетке. При этом

среднее расстояние между атомами

и, следовательно, силы взаимодействия

изменяется незначительно. Температура

плавления для данного кристалла?

его важная характеристика, но она не

является величиной постоянной, а

существенным образом зависит от внешнего

давления, при котором происходит

плавление. Для большинства кристаллов

(кроме воды, и некоторых сплавов)

температура плавления растет с увеличением

внешнего давления, так как для отдаления

атомов друг от друга при большем давлении

требуется большая энергия тепловых движений,

т. е. Более высокая температура.

Кристаллиза?ция — процесс фазового

перехода вещества из жидкого состояния

в твёрдое кристаллическое с образованием

кристаллов. Фазой называется однородная

часть термодинамической системы отделённая

от других частей системы(других фаз)

поверхностью раздела, при переходе через

которую химический состав, структура и

свойства вещества изменяются скачками.

Кристаллизация — это процесс выделения

твёрдой фазы в виде кристаллов из

растворов или расплавов, в химической

промышленности процесс кристаллизации

используется для получения веществ в

чистом виде.Кристаллизация начинается

при достижении некоторого предельного

условия, например, переохлаждения

жидкости или пересыщения пара, когда

практически мгновенно возникает

множество мелких кристалликов — центров

кристаллизации. Кристаллики растут,

присоединяя атомы или молекулы из жидкости

или пара. Рост граней кристалла

происходит послойно, края незавершённых

атомных слоев (ступени) при росте движутся

вдоль грани. Зависимость скорости роста

от условий кристаллизации приводит к

разнообразию форм роста и структуры кристаллов

(многогранные, пластинчатые, игольчатые,

скелетные, дендритные и другие формы,

карандашные структуры и т. д.). В процессе

кристаллизации неизбежно возникают различные

дефекты.На число центров кристаллизации

и скорость роста значительно влияет

степень переохлаждения.Степень

переохлаждения — уровень охлаждения

жидкого металла ниже температуры

перехода его в кристаллическую (твердую)

модификацию. С.п. необходима для

компенсации энергии скрытой теплоты

кристаллизации. Первичной кристаллизацией

называется образование кристаллов в

металлах (и сплавах) при переходе из жидкого

состояния в твердое.

25.Электрический заряд — это свойство

объекта, позволяющее ему быть источником

электрического поля и участвовать в

электромагнитных взаимодействиях. Заряд

является количественной характеристикой.

Единица измерения заряда в СИ — кулон.

Впервые электрический заряд был введён

в законе Кулона в 1785 году. Заряд в один

кулон очень велик. Если бы два носителя

заряда (q1 = q2 = 1Кл) расположили в

вакууме на расстоянии 1 м, то они

взаимодействовали бы с силой 9?109 H.

Носителями электрического заряда

являются электрически заряженные

элементарные частицы — электрон (один

отрицательный элементарный

электрический заряд), протон

(один положительный элементарный

заряд) и другие менее распространённые

частицы.Электрический заряд

замкнутой системы сохраняется

во времени и квантуется —

изменяется порциями, кратными

элементарному электрическому

заряду. Закон сохранения заряда — один

из основополагающих законов физики.

Величина электрического заряда (иначе,

просто электрический заряд) – численная

характеристика носителей заряда и

заряженных тел, которая, может принимать

положительные и отрицательные значения.

Эта величина определяется таким образом,

что силовое взаимодействие, переносимое

полем между зарядами, прямо пропорционально

величине зарядов взаимодействующих между

собой частиц или тел, а направления сил,

действующих на них со стороны

электромагнитного поля, зависят от

знака зарядов. Электрический заряд

любой элементарной частицы присущ этой

частице в течение всего времени ее жизни,

поэтому элементарные заряженные частиц

зачастую отождествляют с их электрическими

зарядами. Наиболее известные элементарные

носители заряда – электроны, имеющие

отрицательный заряд и протоны, имеющие

такой же по величине положительный заряд.

Заряд электрона?1,602176487(40)?10?19 Кл.

Закон сохранения электрического заряда

гласит, что алгебраическая сумма

зарядов электрически замкнутой системы

сохраняется.Закон сохранения заряда

выполняется абсолютно точно. На данный

момент его происхождение объясняют

следствием принципа калибровочной

инвариантности. Требование релятивистской

инвариантности приводит к тому, что

закон сохранения заряда имеет локальный

характер: изменение заряда в любом наперёд

заданном объёме равно потоку заряда

через его границу. В изначальной формулировке

был бы возможен следующий процесс: заряд

исчезает в одной точке пространства и

мгновенно возникает в другой. Однако,

такой процесс был бы релятивистски

неинвариантен: из-за относительности

одновременности в некоторых системах

отсчёта заряд появился бы в новом месте

до того, как исчез в предыдущем, а в

некоторых — заряд появился бы в новом

месте спустя некоторое время после

исчезновения в предыдущем. То есть был

бы отрезок времени, в течение которого

заряд не сохраняется. Требование

локальности позволяет записать закон

сохранения заряда в дифференциальной и

интегральной форме.

Закон Кулона — это закон, описывающий

силы взаимодействия между точечными

электрическими зарядами.

Был открыт Шарлем Кулоном в 1785 г.

Проведя большое количество опытов с

металлическими шариками, Шарль Кулон

дал такую формулировку закона:

Модуль силы взаимодействия двух

точечных зарядов в вакууме прямо

пропорционален произведению модулей

этих зарядов и обратно пропорционален

квадрату расстояния между ними

Иначе: Два точечных заряда в вакууме

действуют друг на друга с силами,

которые пропорциональны произведению

модулей этих зарядов, обратно пропорциональны

квадрату расстояния между ними и

направлены вдоль прямой, соединяющей

эти заряды. Эти силы называются

электростатическими (кулоновскими).

Важно отметить, что для того, чтобы

закон был верен, необходимы:

1.точечность зарядов — то есть расстояние

между заряженными телами много больше их

размеров — впрочем, можно доказать, что

сила взаимодействия двух объёмно

распределённых зарядов со сферически

симметричными непересекающимися пространственными

распределениями равна силе взаимодействия

двух эквивалентных точечных зарядов,

размещённых в центрах сферической симметрии;

2.их неподвижность. Иначе вступают в

силу дополнительные эффекты: магнитное

поле движущегося заряда и соответствующая

ему дополнительная сила Лоренца, действующая

на другой движущийся заряд;

3.взаимодействие в вакууме.

Однако с некоторыми корректировками

закон справедлив также для взаимодействий

зарядов в среде и для движущихся зарядов.

В векторном виде в формулировке Ш. Кулона

закон записывается следующим образом:

 

 

где F12 — сила, с которой заряд 1

действует на заряд 2; q1 q2 — величина

зарядов; r12 — радиус-вектор (вектор,

направленный от заряда 1 к заряду 2, и

равный, по модулю, расстоянию между зарядами —);

k — коэффициент пропорциональности.

Таким образом, закон указывает, что

одноимённые заряды отталкиваются (а

разноимённые — притягиваются).

26.Электрическое поле — одна

из составляющих электромагнитного

поля; особый вид материи, существующий

вокруг тел или частиц, обладающих

электрическим зарядом, а также при

изменении магнитного поля (например,

в электромагнитных волнах). Электрическое

поле непосредственно невидимо, но может

быть обнаружено благодаря его силовому

воздействию на заряженные тела.

Для количественного определения

электрического поля вводится силовая

характеристика — напряжённость

электрического поля — векторная

физическая величина, равная отношению

силы, с которой поле действует на

положительный пробный заряд, помещённый

в данную точку пространства, к величине

этого заряда. Направление вектора

напряженности совпадает в каждой точке

пространства с направлением силы,

действующей на положительный пробный

заряд.Напряжённость электрического поля

— векторная физическая величина,

характеризующая электрическое поле

в данной точке и численно равная

отношению силы действующей на

неподвижный пробный заряд, помещенный

в данную точку поля, к величине

этого заряда:Из этого определения

видно, почему напряженность

электрического поля иногда

называется силовой характеристикой

электрического поля (действительно,

всё отличие от вектора силы,

действующей на заряженную частицу,

только в постоянном множителе).

В каждой точке пространства в

данный момент времени существует

свое значение вектора (вообще говоря

- разное в разных точках

пространства), таким образом,

- это векторное поле. Формально

это выражается в записи

представляющей напряженность

электрического поля как функцию

пространственных координат

(и времени, т.к. может меняться

со временем). Это поле вместе

с полем вектора магнитной индукции

представляет собой электромагнитное

поле и законы, которым оно

подчиняется, есть предмет электродинамики.

Напряжённость электрического поля в

СИ измеряется в вольтах на метр [В/м].

При?нцип суперпози?ции — один из самых общих

законов во многих разделах физики.

В самой простой формулировке принцип

суперпозиции гласит:

результат воздействия на частицу

нескольких внешних сил есть векторная

сумма воздействия этих сил.

Наиболее известен принцип

суперпозиции в электростатике,

в которой он утверждает, что

напряженность электростатического

поля, создаваемого в данной точке

системой зарядов, есть сумма

напряженностей полей отдельных зарядов.

Принцип суперпозиции может принимать

и иные формулировки, которые полностью

эквивалентны приведённой выше:

Взаимодействие между двумя частицами

не изменяется при внесении третьей

частицы, также взаимодействующей с

первыми двумя.Энергия взаимодействия

всех частиц в многочастичной системе

есть просто сумма энергий парных

взаимодействий между всеми возможными

парами частиц. В системе нет

многочастичных взаимодействий.

Уравнения, описывающие поведение

многочастичной системы, являются

линейными по количеству частиц.

Именно линейность фундаментальной

теории в рассматриваемой области физики

есть причина возникновения в ней

принципа суперпозиции.

27.Работа сил электростатического поля.

Работа силы, совершаемая при

перемещении материальной точки под

действием этой силы равна, где - угол

между направлением силы и направлением перемещения.

Пользуясь этой формулой можно найти работу

по перемещению заряда в поле другого

неподвижного заряда

Заряд перемещается из точки 1

в точку 2 в поле заряда.

Элементарная работа силы на

перемещении равна:

Потенциал электростатического

поля — скалярная величина,

равная отношению потен­циальной

энергии заряда в поле к этому

заряду:

 

Разность потенциалов — это

скалярная физическая величина,

численно равная отношению работы

сил поля по перемещению заряда

между данными точками поля к этому

заряду.В СИ единицей разности

потенциалов является вольт (В).

1 В — разность потенциалов между

двумя такими точками электростатического

поля, при перемещении между которыми

заряда в 1 Кл силами поля совершается

работа в 1 Дж.Разность потенциалов

в отличие от потенциала не зависит

от выбора нулевой точки. Разность

потенциалов?1 -?2 часто называют

электрическим напряжением между

данными точками поля:

 

 

Эквипотенциальная поверхность — понятие,

применимое к любому потенциальному

векторному полю, например, к

статическому электрическому полю

или к ньютоновскому гравитационному

полю. Эквипотенциальная поверхность

— это поверхность, на которой скалярный

потенциал данного потенциального поля

принимает постоянное значение

(поверхность уровня потенциала).

Другое, эквивалентное, определение

— поверхность, в любой своей точке

ортогональная силовым линиям поля.

Разность потенциалов и напряжённость

являются количественными характеристиками

поля. Напряжённость более наглядна и

указывает направление силы, действующей

на заряд. Но разность потенциалов тоже

имеет свои преимущества. Разность

потенциалов легче измерить, чем

напряжённость. Потенциал - скаляр,

поэтому задаётся одним числом, а

напряжённость - вектор, поэтому

задаётся тремя числами - проекциями

на оси кооординат. Многие процессы и

величины (например, сила тока)

определяются не силой, действующей

со стороны поля, а его энергией и

работой, то есть разностью потенциалов.

 

29.Электростатическое поле внутри проводника

- внутри проводника электростатического

поля нет (Е = 0), что справедливо для

заряженного проводника и для

незаряженного проводника,

внесенного во внешнее электростатическое поле.

Почему? - т.к. существует явление

электростатической индукции, т.е.

явление разделения зарядов в

проводнике, внесенном в

электростатическое поле с

образованием нового электроста

тического поля внутри проводника.

Внутри диэлектрика может существовать

электрическое поле!

Электрические свойства нейтральных

атомов и молекул:

Нейтральный атом -положительный

заряд (ядро) сосредоточен в центре;

- отрицательный заряд -

электронная оболочка;

считается, что из-за большой

скорости движения электронов по

орбитам центр распределения

отрицательного заряда совпадает

с центром атома.

Молекула - чаще всего - это система

ионов с зарядами противоположных

знаков,

т.к. внешние электроны слабо

связаны с ядрами и могут переходить

к другим атомам.

Электрический диполь - молекула,

в целом нейтральная, но центры

распределения противоположных

по знаку зарядов разнесены;

рассматривается, как совокупность

двух точечных зарядов, равных

по модулю и противоположных по

знаку,находящихся внутри

молекулы на некотором

расстоянии друг от друга.

Существуют 2 вида диэлектриков

(различаются строением молекул):

1) полярные - молекулы, у которых

центры положительного и отрицательного зарядов

не совпадают (спирты, вода и др.);

2) неполярные - атомы и молекулы,

у которых центры распределения

зарядов совпадают (инертные газы,

кислород, водород, полиэтилен и др.).

 

Поляризация диэлектриков,

1) смещение положительных

и отрицательных электрических

зарядов в диэлектриках в

противоположные стороны. П. д.

происходит под действием

электрического поля или некоторых

др. внешних факторов, например

механических напряжений в

пьезоэлектриках (см. Пьезоэлектричество).

Возможна и спонтанная (самопроизвольная)

П. д. у пироэлектриков, в частности

у сегнетоэлектриков.2) Электрический

дипольный момент единицы объёма

диэлектрика.

30.Энергия заряженного конденсатора.

Для того чтобы зарядить конденсатор,

нужно совершить работу по разделению

положительных и отрицательных зарядов

. Согласно законусохранения энергии

эта работа равна энергии конденсатора.

Энергия конденсатора превращается в другие

формы: тепловую, световую.

Формула энергии плоского конденсатора.

Применение конденсаторов. Энергия

конденсатора обычно не очень велика

— не более сотен джоулей. К тому же

она не сохраняется долго из-за неизбежной

утечки заряда. Поэтому заряженные

конденсаторы не могут заменить, например,

аккумуляторы в качестве источников

электрической энергии.Они имеют одно

и свойство: конденсаторы могут накапливать

энергию более или менее длительное время

, а при pазрядке через цепь малого

coпpoтивления они отдают энергию почти

мгновенно Именно это свойство

используются широко на практике.

Лампа-вспышка, применяемая в

фотографии, питается электрическим

током разряда конденсатор.

Конденсатор - это система заряженных тел

и обладает энергией.

Энергия любого конденсатора:

 

где С - емкость конденсатора

q - заряд конденсатора

U - напряжение на обкладках

конденсатора

Энергия конденсатора равна

работе, которую совершит

электрическое поле при

сближении пластин конденсатора

вплотную, или равна работе по

разделению положительных и

отрицательных зарядов, необходимой

при зарядке конденсатора.

Когда емкость одного конденсатора

мала, то соединяют несколько

конденсаторов параллельно. При

параллельном соединении

конденсаторов напряжение

между пластинами каждого

конденсатора одно и то же.

Поэтому можно написать

U1 = U 2= U 3 = U Следовательно,

при параллельном соединении

конденсаторов общая емкость

равна сумме емкостей отдельных

конденсаторов. При параллельном

соединении каждый конденсатор

окажется включенным на полное

напряжение сети, поэтому

параллельно соединять можно

только те конденсаторы, у

которых рабочее напря жение

больше или равно напряжению сети.

31.Сила тока - физическая величина,

определяющая величину электрического

заряда, перемещаемого в единицу

времени через поперечное

сечение повода

Если сила тока со временем не

меняется, то ток называют постоянным.

Сила тока, подобно заряду,—

величина скалярная. Она может

быть как положительной, так и

отрицательной. Знак силы тока

зависит от того, какое из

направлений вдоль проводника

принять за положительное. Cила

тока I>0, если направление

тока совпадает с условно выбранным

положительным направлением

вдоль проводника. В противном

случае I<0.Сила тока зависит от

заряда, переносимого каждой частицей,

концентрации частиц, скорости их

направленного движения и площади

поперечного сечения проводника.

Измеряется в (А).Для возникновения

и существования постоянного

электрического тока в веществе

необходимо, во-первых, наличие

свободных заряженых частиц. Если

положительные и отрицательные заряды

связаны друг с другом в атомах

или молекулах, то их перемещение

не приведет к появлению

электрического тока.Для создания

и поддержания упорядоченного

движения заряженных частиц

необходима, во-вторых, сила,

действующая на них в определенном

направлении. Если эта сила

перестанет действовать, то

упорядоченное движение заряженных

частиц прекратится из-за

сопротивления, оказываемого их

движению ионами кристаллической

решетки металлов или нейтральными

молекулами электролитов.

На заряженные частицы, как мы

знаем, действует электрическое

поле с силой F=qE. Обычно именно

электрическое поле внутри

проводника служит причиной,

вызывающей и поддерживающей

упорядоченное движение заряженных

частиц. Только в статическом

случае, когда заряды покоятся,

электрическое поле внутри

проводника равно нулю.

Если внутри проводника имеется

электрическое поле, то между

концами проводника существует

разность потенциалов. Когда

разность потенциалов не меняется

во времени, то в проводнике

устанавливается постоянный

электрический ток

Закон Ома. Наиболее простой вид

имеет вольт-амперная характеристика

металлических проводников и

растворов электролитов. Впервые

(для металлов) ее установил

немецкий ученый Георг Ом, поэтом

у зависимость силы тока от

напряжения носит название

закона Ома.Закон Ома для

участка цепи: сила тока прямо

пропорциональна напряжению и

обратно пропорциональна

сопротивлению:

Доказать экспериментально

справедливость закона Ома трудно.

Сопротивление. Основная

электрическая характеристика

проводника — сопротивление.

От этой величины зависит сила

тока в проводнике при заданном

напряжении. Сопротивление

проводника представляет собой

как бы меру противодействия

проводника установлению в нем

электрического тока. С помощью

закона Ома можно определить

сопротивление проводника:

Для этого нужно измерить

напряжение и силу тока.

Сопротивление зависит от

материала проводника и его

геометрических размеров.

Сопротивление проводника длиной

l с постоянной площадью

поперечного сечения S равно:

где р — величина, зависящая от

рода вещества и его состояния

(от температуры в первую очередь).

Величину р называют удельным

сопротивлением проводника.Удельное

сопротивление численно равно

сопротивлению проводника,

имеющего форму куба с ребром 1 м,

если ток направлен вдоль нормали

к двум противоположным граням куба.

Проводник имеет сопротивление 1 Ом,

если при разности потенциалов

1 В сила тока в нем 1 А.Единицей

удельного сопротивления является

1 Ом-м.Последовательное соединение

проводников. При последовательном

соединении электрическая цепь не

имеет разветвлений. Все проводники

включают в цепь поочередно друг

за другом.Сила тока в обоих

проводниках одинакова, т.е. I 1 =I 2 =I

так как в проводниках электрический

заряд в случае постоянного тока не

накапливается и через любое поперечное

сечение проводника за определенное

время проходит один итот же заряд.

Напряжение на концах рассматриваемого

участка цепи складывается из напряжений

на первом и втором проводниках: U=U 1 +U 2

Полное сопротивление всего участка

цепи при последовательном соединении

равно: R=R 1 + R 1.

32.Электрическое сопротивление

— физическая величина, характеризующая

свойства проводника препятствовать

прохождению электрического тока и равная

отношению напряжения на концах проводника

к силе тока, протекающего по нему.

Сопротивление для цепей переменного

тока и для переменных электромагнитных

полей описывается понятиями импеданса

и волнового сопротивления. Сопротивлением

(резистором) также называют радиодеталь,

предназначенную для введения в

электрические цепи активного сопротивления.

33.Источник ЭДС (идеальный источник

напряжения) — двухполюсник,

напряжение на зажимах которого

постоянно (не зависит от тока в цепи).

Напряжение может быть задано как

константа, как функция времени,

либо как внешнее управляющее воздействие.

В простейшем случае напряжение

определено как константа, то есть

напряжение источника ЭДС постоянно.

Закон Ома — физический закон,

определяющий связь между

Электродвижущей силой источника

или напряжением с силой тока и

сопротивлением проводника.

Экспериментально установлен в

1826 году, и назван в честь его

первооткрывателя Георга Ома.

В своей оригинальной форме он

был записан его автором в виде:

 

 

Здесь X — показания гальванометра,

т.е в современных обозначениях сила

тока I, a — величина,

характеризующая свойства источника

тока, постоянная в широких пределах

и не зависящая от величины тока,

то есть в современной терминологии

электродвижущая сила (ЭДС), l — величина,

определяемая длиной соединяющих проводов.

Чему в современных представлениях

соответствует сопротивление внешней цепи

R и, наконец, b параметр, характеризующий

свойства всей установки, в котором сейча

с можно усмотреть учёт внутреннего

сопротивления источника тока r

В таком случае в современных терминах

и в соответствии с предложенной автором

записи формулировка Ома выражает

Закон Ома для полной цепи:

где:

— ЭДС источника напряжения(В),

— сила тока в цепи (А),

— сопротивление всех внешних элементов

цепи(Ом),

— внутреннее сопротивление источника

напряжения(Ом).

34.Последовательное соединение

находит широкое применение в технике.

Например, электрический звонок включается

последовательно с кнопкой, поэтому

звонок звенит только тогда, когда кнопка

нажата, т. е. цепь замкнута.

Электрический выключатель включается

последовательно с тем прибором, который

он должен включать и выключать: лампочкой,

электромотором и т. д. Лампочки в елочной

гирлянде включаются также последовательно.

Изучим свойства цепи с последовательным

соединением приборов и устройств. Мы уже

знаем, что при последовательном

соединении сила тока в любых частях

цепи одна и та же, т. е.

I=I1=I2

А чему равно сопротивление

последовательно соединенных

проводников? Соединяя проводники

последовательно, мы как бы увеличиваем

длину проводника. Поэтому сопротивление

цепи становится больше сопротивления одного

проводника. Общее сопротивление цепи при

последовательном соединении равно сумме

сопротивлений отдельных проводников (или

отдельных участков цепи): R=R1+R2 Напряжение

на концах отдельных участков цепи

рассчитывается на основе закона Ома:

U1=I·R1, U2=I·R2. Отсюда видно, что

напряжение будет большим на проводнике

с наибольшим сопротивлением, так как сила

тока везде одинакова. Полное напряжение

в цепи при последовательном соединении,

или напряжение на полюсах источника тока,

равно сумме напряжений на отдельных участках

цепи: U=U1+U2. Это равенство вытекает из

закона сохранения энергии. Ведь электрическое

напряжение на участке цепи измеряется

работой электрического тока, совершающейся

при прохождении по этому участку цепи

электрического заряда в 1 Кл. Эта работа

совершается за счет энергии электрического

поля, и энергия, израсходованная на всем

участке цепи, равна сумме энергий, которые

расходуются на отдельных проводниках,

составляющих участок этой цепи. Все

приведенные закономерности справедливы

для любого числа последовательно

соединенных проводников.При последовательном

соединении источников тока общая

электродвижущая сила равна сумме

электродвижущих сил всех входящих в

соединение источников Е=Е1+Е2+Е3.

Поэтому последовательное соединение

источников тока применяется в тех случаях,

когда получить увеличение э д с. При

параллельном соединении источников тока

общая электродвижущая сила останется

такой же, как у каждого отдельного

источника тока, входящего в соединение

Е=Е1=Е2=Е3=Е4. Параллельно можно

соединять источники, имеющие одинаковые

ЭДС и одинаковые внутренние

сопротивления.Параллельное

соединение применяется в тех

случаях, когда необходимо получить

значительную величину тока.

35.Параллельное соединение проводников

НАЗНАЧЕНИЕ: Распределение

электроэнергии между потре6ителями.

УСТРОЙСТВО: Это основная схема в

ключения электропотребителей - все

розетки, лампочки, бытовая техника,

например, у вас дома, подключены

параллельно. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ: Общий

ток цепи равен сумме токов через

каждый элемент цепи. Общее

напряжение данного участка цепи

равно напряжению на каждом элементе

цепи, т. е. везде одинаково.

2)Последовательно соединение

проводников НАЗНАЧЕНИЕ:

Используется для включения,

например, дополнительного

сопротивления в цепь для снижения

общего тока. УСТРОЙСТВО: Применяется

достаточно редко, например,

Новогодняя елочная гирлянда, где

около двадцати низковольтных

лампочек, при последовательном

соединении, образуют цепь на 220

вольт. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ: Общий

ток цепи равен току через каждый

элемент цепи, т. е. ток везде одинаков.

Общее напряжение данного участка

цепи равно сумме напряжений на

каждом элементе цепи.

При последовательном соединении

источников тока общая электродвижущая

сила равна сумме электродвижущих сил

всех входящих в соединение источников

Е=Е1+Е2+Е3. Поэтому последовательное

соединение источников тока

применяется в тех случаях, когда

получить увеличение э д с. При

параллельном соединении источников

тока общая электродвижущая сила

останется такой же, как у каждого

отдельного источника тока,

входящего в соединение Е=Е1=Е2=Е3=Е4.

Параллельно можно соединять

источники, имеющие одинаковые ЭДС

и одинаковые внутренние сопротивления.

Параллельное соединение применяется

в тех случаях, когда необходимо

получить значительную величину

тока.

36.Закон джоуля-Ленца.

В электрической цепи

при прохождении тока

происходит ряд превращений

энергии. Во внешнем участке

цепи работу по перемещению

заряда совершают силы

стационарного электрического

поля и энергия этого поля

превращается в другие виды:

механическую, тепловую, химическую,

в энергию электромагнитного

излучения. Следовательно,

полная работа тока на внешнем

участке цепи.

В электрических устройствах

энергия электрического тока

превращается в другие виды

энергии. Например, в нагревательных

приборах – в теплоту, в

электрических лампочках – в

световую и тепловую энергию.

Превращение энергии из одного

вида в другой характеризуется

проделанной работой. Способность

электроустройств совершать

работу характеризуется мощностью.

Мощность обозначается буквой Р.

Единица измерения мощности ватт:

Вт или W. 1kW = 1000W (kW – киловатт)

1MW = 1000000W (MW – мегаватт)

Мощность может также измеряться

в лошадиных силах. 1л.с. = 736 Вт

= 0,736 кВт 1кВт = 1,36 л.с. Мощность

электрического устройства тем

больше, чем больший ток оно

потребляет и чем больше напряжение

на его клеммах: P = U·I P –

мощность (Вт, W); U – напряжение

(В, V); I – ток (А).Тепловое

действие электрического тока

впервые наблюдалось в 1801,

когда током удалось расплавить

различные металлы. Первое

промышленное применение этого

явления относится к 1808,

когда был предложен электрозапал

для пороха. Первая угольная

дуга, предназначенная для

обогрева и освещения, была

выставлена в Париже в 1802.

К полюсам вольтова столба,

насчитывавшего 120 элементов,

подсоединялись электроды из

древесного угля, и когда оба

угольных электрода приводились

в соприкосновение, а затем

разводились, возникал «сверкающий

разряд исключительной яркости».

Исследуя тепловое действие

электрического тока, Дж.Джоуль

(1818–1889) провел эксперимент,

который подвел прочную основу под

закон сохранения энергии. Джоуль

впервые показал, что химическая

энергия, которая расходуется на

поддержание в проводнике тока,

приблизительно равна тому количеству

тепла, которое выделяется в

проводнике при прохождении тока.

Он установил также, что выделяющееся

в проводнике тепло пропорционально

квадрату силы тока. Это наблюдение

согласуется как с законом Ома

(V = IR), так и с определением

разности потенциалов (V = W/q).

В случае постоянного тока за время

t через проводник проходит заряд

q = It. Следовательно, электрическая

энергия, превратившаяся в проводнике

в тепло, равна:

 

 

Эта энергия называется джоулевым

теплом и выражается в джоулях (Дж),

если ток I выражен в амперах, R – в омах,

а t – в секундах.

37.Полупроводники — материалы, которые

по своей удельной проводимости

занимают промежуточное место между

проводниками и диэлектриками и

отличаются от проводников сильной

зависимостью удельной проводимости

от концентрации примесей, температуры

и воздействия различных видов излучения.

Основным свойством этих материалов

является увеличение электрической

проводимости с ростом температуры.

У собственных полупроводников

число появившихся при разрыве

связей электронов и дырок одинаково,

т.е. проводимость собственных

полупроводников в равной степени

обеспечивается свободными электронами

и дырками.Проводимость примесных

полупроводников.Если внедрить

в полупроводник примесь с

валентностью большей, чем у

собственного полупроводника, то

образуется донорный полупроводник.

(Например, при внедрении в кристалл

кремния пятивалентного мышьяка.

Один из пяти валентных электронов

мышьяка остается свободным). В

донорном полупроводнике электроны

являются основными, а дырки

неосновными носителями заряда.

Такие полупроводники называют

полупроводниками n- типа, а

проводимость электронной.

Если внедрять в полупроводник

примесь с валентностью меньшей,

чем у собственного полупроводника,

то образуется акцепторный полупроводник.

(Например, при внедрении в кристалл

кремния трехвалентного индия. У каждого

атома индия не хватает одного электрона

для образования парноэлектронной связи

с одним