2. Явление электромагнитной индукции (э.И.). Индукционные токи. Индукционные кухонные электроплиты.

Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического (индукционного) тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него.

Электромагнитная индукция была открыта Майклом Фарадеем 29 августа 1831 года. ОПЫТЫ ФАРАДЕЯ по обнаружению явления электромагнитной индукции:

-движение магнита относительно катушки (или наоборот);

-движение катушек относительно друг друга;

-изменение силы тока в цепи первой катушки ( с помощью реостата или замыканием и размыканием выключателя);

- вращением контура в магнитном поле;

- вращением магнита внутри контура.

Индукционный ток всегда имеет такое направление, при котором его магнитное поле уменьшает (компенсирует) изменение магнитного потока, являющееся причиной возникновения этого тока, т.е. индукционный ток всегда имеет такое направление, что взаимодействие его с первичным магнитным полем противодействует тому движению, вследствие которого происходит индукция.

Индукционные токи в массивных проводниках называют токами Фуко. Токи Фуко могут достигать очень больших значений, т.к. сопротивление массивных проводников (например, ферросплавов) мало. Поэтому сердечники трансформаторов делают из изолированных пластин. В ферритах - магнитных изоляторах вихревые токи практически не возникают.

Э.И. чрезвычайно широко реализуется в природе и применяется в технике. На эффектах ЭИ. базируется устройство электромоторов и генераторов тока разного типа, трансформаторов, измерит. приборов, индукционных нагревателей, ускорителей элементарных частиц, источников плазмы в термоядерных реакторах, и т. д.

Явление Э.И используется в индукционных эл. плитах.

Индукционный нагрев происходит в результате действия индуцированных вихревых токов.

Такие токи создаются высокочастотным магнитным полем.

Главный рабочий элемент индукционной плитки — мощный электромагнит, который находится под стеклянной поверхностью панели.

Если на индукционную плитку поместить посуду с дном из ферросплавов, магнитное поле создаст электрический ток.

Сопротивление индукционному току со стороны материала дна посуды приводит к повышению температуры внутри этой посуды. Благодаря этому и осуществляется приготовление пищи. Так как индукционный нагрев создает тепло непосредственно внутри посуды, процесс приготовления начинается сразу. Он заканчивается в момент, когда посуду убирают с плиты, тем самым прерывая передачу энергии. При этом конфорка остается холодной.

Для работы с индукционной плитой требуется специальная посуда, материал которой эффективно поглощает энергию вихревых полей. Практика показывает, что таким требованиям отлично удовлетворяет сталь. Поэтому определить, подходит ли ваша посуда для приготовления пищи на индукционной плите, достаточно просто — нужно всего лишь поднести магнит к дну, и если он притягивается, такую посуду можно использовать.

3. Строение вещества и атома. Явления, подтверждающие сложное строение атома. Модель атома Томсона и Резерфорда.

Основоположником идеи дискретного строения вещества (т.е. состоящего из отдельных частиц) считается древнегреческий философ Демокрит, живший  около 470 года до новой эры. Демокрит считал, что все тела состоят из бесчисленного количества сверхмалых, невидимых глазу, неделимых частиц. "Они бесконечно разнообразны, имеют впадины и выпуклости, которыми сцепляются, образуя все материальные тела, а в  природе существуют только атомы и пустота. На протяжении многих веков в сознании человека господствовали представления об атомах, как мельчайших, неделимых, простейших по составу и неизменных «кирпичиках» вещества. Каждому веществу соответствует определенный вид молекул. Молекула - это мельчайшая частица вещества, обладающая свойствами этого вещества. Так, молекула сахара - сладкая, а соли - соленая. Молекулы одного и того же вещества во всех агрегатных состояниях одинаковы. Между молекулами в веществе существуют промежутки. Доказательствами существования промежутков служат изменение объема вещества, т.е. расширение и сжатие вещества при изменении температуры, и явление диффузии (проникновения молекул одного вещества в межмолекулярные промежутки другого вещества). Примеры диффузии: распространение запахов в воздухе, появление цвета в бесцветной жидкости при добавлении к ней какого красителя и т.п.. Молекулы вещества находятся в непрерывном тепловом движении.

У разных веществ молекулы могут состоять из одного атома (инертные газы) или из нескольких одинаковых или различных атомов, или даже из сотен тысяч атомов (полимеры). В учении о веществе утвердилось, таким образом, представление о существовании двух видов микрочастиц - атомов и молекул.

Не сразу ученые пришли к правильным представлениям о строении атома. Первая модель атома была предложена английским физиком Дж. Дж. Томсоном, открывшим электрон, а также такие открытия супругов Кюри, как радиоактивность атомов.

Согласно первой пудинговой модели атома, предложенной английским физиком Джоном Томсоном, положительный заряд как бы размазан внутри объема атома. В атом как бы вкраплены отдельные электроны, нейтрализующие положительный заряд.

Опыты Резерфорда доказали непригодность данной модели. Резерфорд предложил ядерную (планетарную) модель строения атома, в которой атом представлен в виде миниатюрной Солнечной системы. Согласно этой модели, весь положительный заряд и почти вся масса атома (99,4%) сосредоточены в атомном ядре. Размер ядра ничтожно мал по сравнению с размером атома. Вокруг ядра по замкнутым эллиптическим орбитам движутся электроны, образуя электронную оболочку атома. Заряд ядра равен суммарному заряду электронов. В дальнейшем было доказано, что ядро состоит из протонов и нейтронов.

Атом в XX в. предстал как сложная целостная система из более мелких частиц.

Атомы очень малы. Глаз человека не способен разглядеть атомы и промежутки между ними, поэтому  любое вещество кажется нам сплошным. Атомы различных химических элементов отличаются друг от друга. Различия атомов элементов можно определить по периодической таблице Менделеева.

4. Состав ядра атома. Изотопы. Энергия связи ядра. Элементарные частицы.

К решению проблемы строения атома ученые подошли в начале XX века. К этому времени английским физиком М. Фарадеем был определен элементарный электрический заряд, равный

1,6•10^-19 Кл. - электрон. В конце XIX века А. Беккерелем было открыто явление радиоактивности, заключающееся в самопроизвольном распаде некоторых элементов (урана), позже супруги Кюри открыли новые радиоактивные элементы (радий и полоний), испускающие излучения, способные засвечивать фотопластинку. Резерфорд установил, что при радиоактивном распаде образуются три вида лучей (альфа-, бета-, гамма-излучения). Он установил, что aльфа-лучи представляют собой поток положительно заряженных частиц ядер гелия ₂⁴Не (с зарядом ядра 2, атомной массой 4). В 1919 г. Резерфорд открыл протон, а в 1932 г. Дж. Чедвиком был открыт нейтрон.

На основе этих открытий была предложена модель строения атома: 1. Атом состоит из ядра и электронов. 2. Ядро заряжено положительно, а электроны отрицательно. 3. Ядро состоит из протонов и нейтронов. 4. Протон является носителем элементарного положительного заряда, равного по значению (1,6•10^-19 Кл), но противоположного по знаку заряду электрона. Нейтрон заряда не имеет. Таким образом, заряд ядра (Z) равен числу протонов. Z=Np. 5. Число протонов определяет порядковый номер элемента. Общее название протонов и нейтронов — нуклоны. 6. Протоны и нейтроны имеют примерно одинаковые массы (m_p=m_n=1 а.е.м.). Масса атома определяется суммарным числом протонов и нейтронов Сумма чисел протонов (Np) и нейтронов (N) определяет массовое число атома (А). 7. Электроны вращаются вокруг ядра. Число электронов равно числу протонов (атом электронейтрален).

Заряд ядра Z, т.е. числом протонов определяет порядковый номер атома химического элемента. При этом число нейтронов и, соответственно, массовое число у атомов одного и того же элемента может различаться. Такие атомы называются изотопами.

Изотопами называют атомы с одинаковым зарядом ядра, но имеющие разные массовые числа. Каждый изотоп характеризуется двумя величинами: А – атомная масса (проставляется вверху слева от химического знака) и Z-заряд ядра, равный числу протонов (проставляется снизу слева от химического знака) и обозначается символом соответствующего элемента. Например: изотоп углерода ¹²₆C или словами: «углерод-12». Число нейтронов N=А-Z

Изотопы известны для всех химических элементов: водород имеет 7 изотопов с массовыми числами 1-7: из них: ₁¹Н (протий), ₁²Н (дейтерий) , ₁³Н (тритий) ; кислород имеет изотопы с массовыми числами 16, 17, 18: ¹⁶₈О, ¹⁷₈O, ¹⁸₈O. Изотопы аргона: ³⁶₁₈Ar, ³⁸₁₈Ar, ⁴⁰₁₈Ar; калия: ³⁹₁₉K, ⁴⁰₁₉K, ⁴¹₁₉K. Атомная масса элемента равна среднему значению из масс всех его природных изотопов с учетом распространенности их. Атомная масса элементов, приводимых в периодической системе Д. И. Менделеева, есть средние массовые числа природных смесей изотопов. Наряду с термином «изотопы» используется термин «нуклид».

Элементарные частицы – это основные компоненты энергии и материи. Они принадлежат к классу частиц, принадлежащих к классу субатомных, то есть размером меньше атома.

В физике элементарные частицы классифицируются на 3 основные группы: кварки, лептоны и бозоны. Отдельную «группу» составляет фотон

Кварки являются основными составляющими субатомных частиц, называемых адронами. К ним относятся составляющие ядра атомов – это нейтроны и протоны.

К лептонам относятся электроны, несколько видов нейтрино и их античастиц.

Бозоны – это элементарные частицы, которые переносят энергию от других элементарных частиц. Кварки создают и поглощают бозоны, называемые глюонами. Кварки объединяются вместе, образуя мезоны и барионы, через постоянный обмен глюонами. Фотоны – это бозоны, которыми обмениваются лептоны.

В середине 1980-х годов ученые стали приходить к теории о том, что элементарные субатомные частицы – это не точки, а имеют ленточное строение.

Каждая элементарная частица (за исключением абсолютно нейтральных частиц) имеет свою античастицу. При столкновениях элементарных частиц происходят всевозможные превращения их друг в друга (включая рождение многих дополнительных частиц).

Нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре прочно удерживаются ядерными силами.

На элементарные частицы распространена следующая форма записи: электронов _-1⁰е, нейтрон ¹₀n, протон ¹₁p, нейтрино ⁰₀ν. Под энергией связи ядра понимают ту энергию, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны.

Есв=∆Мс², где с – скорость света = 3_*10⁸ м/с, ∆М- дефект масс, равен разности между суммарной массой всех нуклонов ядра в свободном состоянии и массой ядра: ∆М = Zm_p + Nm_n - Mя

где Мя – масса ядра (табл.значение) Z – число  протонов в ядре m_p – масса  покоя свободного протона (табл.значение) N – число нейтронов в ядре m_n – масса покоя свободного нейтрона (табл.значение)

 Ядра с массовыми числами от 50 до 60 наиболее устойчивы.