Відноснавологість

Еквівалентнавизначення - відношеннямасовоїчасткиводяної пари в повітрі до максимально можливої ​​при даній температурі. Вимірюється в відсотках і визначається за формулою:

де:   - Відноснавологістьрозглянутоїсуміші (повітря);   - парціальнийтиск парів води в суміші;   - Рівноважнийтиск насиченої пари.

Тискнасиченихпарів води сильно зростає при збільшеннітемператури. Тому при ізобаріческом (тобто, при постійномутиску) охолодженніповітря з постійноюконцентрацією пара настає момент ( точка роси), коли пар насичується. При цьому "зайвий" пар конденсується у вигляді туману абокристаликів льоду. Процесинасичення і конденсаціїводяної пари відіграютьвеличезну роль в фізикиатмосфери : процесиутворення хмар та освітаатмосфернихфронтіввзначнійчастинівизначаютьсяпроцесаминасичення і конденсації, теплота, щовиділяється при конденсації атмосферного водяного пара забезпечуєенергетичниймеханізмвиникнення та розвитку тропічнихциклонів (ураганів).

Оцінкавідносноївологості

Відноснавологість водно-повітряноїсумішіможе бути оцінена, якщовідоміїї температура (T) і температура точки роси (T _d). Коли T і T _d виражені в градусахЦельсія, тодіістинновираз:

 ^[1]

де парціальнийтискводяної пари в сумішіоцінений   :

і вологетиск пари води в суміші при температуріоцінений   :

№99 Метастабільні стани. Поняття про квантові рідини.

Метастабі́льний стан— відносно стійкий стан системи, в якому встановлюється локальна (обмежена), але не глобальна стійка рівновага. При малому збуренні метастабільного стану в фізичній системі виникають процеси, які протидіють збуренню. Проте при значному збуренні система перебудовується й переходить в інший, стійкіший стан.

Метастабільний стан термодинамічної системи — це стан нестійкої рівноваги. Фази, які перебувають у метастабільному стані, називають метастабільними.

— це відносно стійкий збуджений стан системи з підвищеною енергією, у якому система може існувати тривалий час. У такому стані можуть перебувати атоми, молекули, атомні ядра.

Ілюстрація метастабільності

Квантова рідина- система, що складається з великої кількості мікрочастинок, енергія взаємодіі між якими менша за нульову енергію, а довжина Бройля хвильш більша за середню віддаль між ними. При низьких т-рах К. р. можна розглядати як сукупність невзаємодіючих елементарних збуджень (квазічастинок) з певною залежністю енергії є від імпульсу р. Енергія К. р. може змінюватися при народженні або знищенні квазічастинок лише дискретно на величину є (р). При певних умовах К. р. властива надплинність. Розрізняють К. р. двох типів: бозерідини (складаються з бозонів) та фермірідини (складаються з ферміонів). Типовою К. р. є рідкий гелій, який не кристалізується при атм. тиску аж до т-ри абс. нуля. Ізотоп гелію 4Не при т-рі, нижчій за 4,21 К, є бозе-рідиною і переходить у надплинний стан при Т=2,17К. Ізотоп 3Не при Т ≤ 3,19 К — фермі-рідина, надплинні властивості якої проявляються при Т ≈ 0,003 К і тиску ≈ 30 атм. Властивості фермі-рідини мають електрони провідності в металах і ядерна матерія у нейтронних зорях (пульсарах).

№100 Основні характеристики кристалічних і аморфних тіл.

Твердітілаподіляються на двігрупи, щовідрізняються за властивостями.  В одну групувходятьтілакристалічні, в другу - аморфні.

Властивості аморфних тіл

Всі аморфні тіла ізотропні, тобто їх фізичні властивості однакові по всіх напрямах. При зовнішніх діях аморфні тіла виявляють одночасно пружні властивості, подібно до твердих тіл, і текучість, подібно рідині. Так, при короткочасних діях (ударах) вони поводяться як тверді тіла і при сильному ударі розколюються на шматки. Але при дуже тривалій дії аморфні тіла течуть.

Якщо простежити за шматком смоли, який лежить на гладкій поверхні, можна побачити,що поступово смола по ній розтікається, і, чим вище температура, тим швидше це відбувається.

Атоми або молекули аморфних тіл, подібно до молекул рідини, мають час коливань біля положення рівноваги. Але на відміну від рідин це час у них вельми великий. Аморфні тіла близькі до кристалічних, оскільки перескоки атомів з одного положення рівноваги в інше відбуваються рідко.

А морфні тіла при низьких температурах по своїх властивостях нагадують тверді тіла. Текучістю вони майже не володіють, але у міру підвищення температури поступово розм'якшуються і їх властивості все більш і більш наближаються до властивостей рідин. Це відбувається тому, що із зростанням температури поступово частішають перескоки атомів з одного положення в інше.

Певної температури тіл у аморфних тіл, на відмінувід кристалічних, немає. Аморфні тіла займають проміжне положення між кристалічними твердими тілами і рідинами. Їх атоми або молекули розташовуються у відносному порядку. Розуміння структури твердих тіл (кристалічних і аморфних) дозволяє створювати матеріали із заданими властивостями.

Кристали - це тверді тіла, атоми або молекули яких займають певні, впорядковані положення в просторі. Тому кристали мають плоскі грані.Головне - це залежність фізичних властивостей від вибраного в кристалі напряму. Перш за все впадає в очі різна механічна міцність кристалів по різних напрямах.кристалічна решітка графіту має шарувату структуру. Шари утворені поряд паралельних сіток, що складаються з атомів вуглецю. Атоми розташовуються у вершинах правильных шестикутників. Відстань між шарами порівняно велика - зразкове в два рази більше, ніж довжина сторони шестикутника, тому зв'язки між шарами менш міцні, чим зв'язки усередині них.Багато кристалів по-різному проводять теплоту і електричний струм в різних напрямах. Від напряму залежать і оптичні властивості кристалів.Залежність фізичних властивостей від напряму усередині кристала називають анізотропією. Всі кристалічні тіла анізотропні.Кристали: монокристали та полікристали.Монокристал – це одиночний кристал, що має макроскопічні упорядковані кристалічні градки.Полікристал – це тверде тіло, яке являє собою сукупність хаотично орієнтованих монокристалів, що зрослися між собою. Більшість кристалічних тіл - полікристали, оскільки вони складаються з безлічі зрощених кристалів. Одиночні кристали - монокристали мають правильну геометричну форму, і їх властивості різні по різних напрямах (анізотропія).Чим вони відрізняються від кристалів? У аморфних тіл немає строгого порядку в розташуванні атомів. Тільки найближчі атоми - сусіди розташовуються в деякому порядку. Але строгої направленості по всім напрямкам одного і того ж елементу структури, яка характерна для кристалів в аморфних тілах, немає.Часто одна і та ж речовина може знаходитися як в кристалічному, так і в аморфному стані.

№101 Будова кристалу, трансляція.

Кристаламиназиваютьтвердітілазі строго впорядкованоювнутрішньоюбудовою.

Окреміструктурніелементи, з якихпобудованийкристал (іони, атомиабомолекули),утворюютьгеометричноправильнуперіодичнупросторовугратку.

Кристалічна гратка, притаманна кристалічному стану речовини, має регулярне розташування частинок (атомів, іонів, молекул), що характеризується періодичною повторюваністю у трьох вимірюваннях. Для опису кристалічної ґратки ідеального кристала достатньо знати розташування атомів в її елементарній комірці, повторенням якої шляхом паралельних переносів (трансляцій) утворюється кристалічна ґратка.Елементарна комірка має форму паралелепіпеда або призми. Розміри ребер елементарної комірки називають періодами ідентичності або векторами трансляцій. Тип симетрії елементарної комірки визначає кристалографічну систему кристала.В елементарній комірці кристалічної ґратки може розташовуватись від одного до кількох десятків і або тисяч атомів.електронні оболонки атомів, що складають кристалічну ґратку, перекриваються, утворюючи неперервний періодичний розподіл заряду з максимумами біля дискретно розташованих ядер. Ідеалізацією є також нерухомість атомів. Атоми і молекули кристалічної ґратки знаходяться в стані теплових коливань, причому характер коливань залежить від симетрії і взаємодії атомів.

У реальних кристалах внаслідок порушень процесу росту, впливу домішок та інших причин спостерігається велика кількість різних дефектів. Для простоти викладення далі розглядається ідеальний кристал. Елементи, що утворюють кристал, розміщуються у вузлах просторової ґратки,під час нагрівання кристала вони коливаються біля вузлів, причому амплітуда коливання збільшується із підвищенням температури кристала. Якщо знехтувати цими коливаннями, що можна зробити для низьких, наприклад, кімнатних температур, то можна вважати структурні елементи міцно закріпленими у вузлах ґратки на певнійвідстані, названій параметром, або сталою ґратки. Упорядкована будова кристалічних речовин підтверджується характерною для них анізотропією властивостей (різними фізичними та іншими властивостями залежно від напрямку в кристалі).Вузли у кристалічній ґратці розміщуються в різних площинах, що називаються кристалографічними. Зовнішні грані окремих кристалів (монокристалів) паралельні до кристалографічних площин. Оскільки кожна кристалографічна площина має неоднакову кількість структурних елементів на одиниці площі, поведінка різних граней реального кристала під час росту, травлення тощо буде різною.

Трансляція (від лат. Translatio - перенесення, передача) - симетричне перетворення, в результаті якого вузол просторової грати збігається з іншим найближчим ідентичним вузлом. У цьому сенсі вона є окремим випадком паралельного перенесення.

У дещо іншому сенсі, трансляція - найкоротша відстань між однаковими вузлами. Також вживаються терміни період ідентичності, період трансляції або параметр ряду.

№102 Дефекти в кристалах.

Будова кристала. Більшістьтвердихтілнеорганічногопоходженнямаєкристалічнубудову. Кристаламиназиваютьтвердітілазі строго впорядкованоювнутрішньоюбудовою. Окреміструктурніелементи, з якихпобудованийкристал (іони, атомиабомолекули),утворюютьгеометричноправильнуперіодичнупросторовугратку Кристалічнагратка, притаманнакристалічному стану речовини, маєрегулярнерозташуваннячастинок (атомів, іонів, молекул), щохарактеризуєтьсяперіодичноюповторюваністю у трьохвимірюваннях. Для описукристалічноїґраткиідеальногокристаладостатньо знати розташуванняатоміввїїелементарнійкомірці, повтореннямякої шляхом паралельнихпереносів (трансляцій) утворюєтьсякристалічнаґратка. Елементарнакоміркамає форму паралелепіпедаабопризми. Розміри ребер (базиснихвекторів) елементарноїкомірки (рис. 1.8) називаютьперіодамиідентичностіабо (у векторнійформі) векторами трансляцій. Тип симетріїелементарноїкоміркивизначаєкристалографічну систему кристала (сингонію). Атомна структура кристалічноїґратки, розташуваннявсіхїїчастинокописуються так званимипросторовимигрупамисиметріїкристалів, якімістять як операціїпереносів (трансляцій), так і операціїповоротів, відбиття та інверсії та їхкомбінації. Якщо до заданої точки (вузла) кристала, наприклад до будь якого атома, застосуватитількиопераціїперенесенняцієїпросторовоїгрупи, то отримуютьгеометричнутривимірно-періодичну систему вузлів, яка характеризуєтьсякристалічноюґраткою. Загаломмаємо 14 видів, щорізняться за симетрієюпросторовихтрансляційґраток і називаютьсяґраткамиБраве (встановлені у 1848 р. французькимкристалографом О. Браве). ЗалежновідрозташуваннявузліврозрізняютьпримітивніБравеґратки, в якихвузлизнаходятьсятільки у вершинах паралелепіпедів, гранецентровані (у вершинах і в центрах усіх граней), об'ємноцентровані (у вершинах і в центріпаралелепіпедів) і базоцентровані (у вершинах і в центрах двохпротилежних граней).Всіможливіпоєднанняелементівсиметрії в просторіприводять до 230 просторовихгрупсиметрії. Повнийопискристалічноїґраткидаєтьсяпросторовоюгрупоюсиметрії,параметрамиелементарноїкомірки, координатами атомів у комірці.

№103 Теплове розширення твердих тіл. Теплоємність твердих тіл.

Теплове розширення твердих кристалів знаходить фізичне пояснення на основі аналізу форми кривої потенціальної енергії взаємодії частинок твердого тіла.

При

Н агріванні переважна більшість твердих тіл підлягає розширенню, що приводять до зміни їх розмірів. Відмінність коефіцієнтів теплового розширення (КТР) викликаєпоявувнутрішніхнапружень в плівках, покриттях, адгезійнихз'єднаннях, зварних швах і т. д., що не завждибажано і допустимо. Тому практично важливим є узгодження КТР матеріалів, щойдуть на виготовлення РЕА. Для підборуцихматеріалів і направленоїзміниїх КТР потрібнізнанняфізичноїприроди самого явища теплового розширення (thermicexpansion) тіл.Причиною теплового розширеннятіл є несиметричний характер кривоїзалежностіенергіївзаємодіїчастиноквідвідстаніміж ними (рис.4.5). Насправді, якбичастинка 2 здійснювала чисто гармонічніколиваннябіляположеннярівноваги, то сила F, щовиникає при відхиленніїї на відстань х, була б пропорційна х:  F=-bx

а змінапотенційноїенергії  U(x) описувалася б параболою

               U(x)=1/2bx²

показаною на рис. 4.5 кривою. Ця парабола симетричнавідноснопрямої bd, паралельноїосі ординат і віддаленоївіднеї на відстані  .Тому відхиленнячастинки при коливаннях вправо і влівобули б однаковими ( = ) і середина розмахузбігалася б з положеннямрівноваги 0. Нагрівання в цьомувипадку не могло б викликатирозширеннятіла, оскількиіззбільшеннямтемпературивідбувалося б лишезбільшенняамплітудиколиваньчастинок, а середнявідстаньміж ними залишалися б незмінною.

Насправді ж потенційна крива abc є несеметричноющодопрямої bd: їїлівагілка ba підіймаєтьсязначнокрутішеправої bc. Цеозначає,щоколиваннячастинок в твердому тілі не є строго гармонічними, вони ангармонічні. Такаангармонічністьвиявляєтьсятимсильніше, чимсильнішечастинкивідхиляютьсявідположеннярівноваги.

Для розрахункуасиметрії потенційноїкривої (potentialcurve) можна ввести в рівнянні (4.22) додатковий член gx²:

F(x)=-bx+gx²

якийприведе до такого виразу для енергії U(x)

U(x)=1/2bx² –1/3gx²

При відхиленнічастинки 2 вправо (x >0) член 1/3g  віднімається з 1/2b  і гілка  bcйдепологішегілки bс'; при відхиленнівліво (x < 0) член 1/3g  додається до 1/2b  і гілка ba йдекрутіше за гілку ba'.

Несиметричний характер кривої U(x) призводить до того, щочастинка 2, щоколивається, відхиляється вправо на більшувідстаньніжвліво. Внаслідокцьогосереднєположенняцієїчастинкизміщується вправо, щовідповідаєзбільшеннювідстаніміжчастинками на  Це і викликаєрозширеннятіла при нагріванні.

Теплоє́мністьтвердо́готі́ла — кількістьтеплоти, необхідної для підвищеннятемпературитіла на один градус, визначається в основному теплоємністюкристалічноїґратки. Внесокелектронівутеплоємністьбільший за вклад ґраткитільки для металів при дуженизьких температурах.

Існуєдекількатеорійтеплоємності твердого тіла:

1.Закон Дюлонга - Пті і закон Джоуля - Коппа. Обидвазаконививедені з класичнихуявлень і з певноюточністюсправедливілише для нормальних температур (приблизно в межах 15 -100 ° C).

2.КвантоватеоріятеплоємностіЕйнштейна.

3.Квантоватеоріятеплоємності Дебая.

В областінизьких температур, де домінуєвпливелектронного газу теплоємністьлінійнозростає з температурою (дивітьсяТеплоємністьелектронного газу). При вищих температурах, а для неметалевихтвердихтіл при будь-якихнизьких температурах, теплоємністьзростаєпропорційно кубу температури (дивіться Закон Дебая). В ційобласті температур основнийвнесок у теплоємністьздійснюютьнизькочастотніколивання — акустичніфонони.Призбільшеннітемпературипочинаютьвпливатиоптичніфонони. Цейвнесокможнаоцінити, застосувавши модель теплоємностіЕйнштейна.При температурах, вищих за температуру Дебая справедливий закон Дюлонга-Пті — на коженступіньсвободиприпадаєоднаковаенергія.

Теплоємністьсистеминевзаємодіючихчастинок, наприклад газу, визначається числом ступеніввільностічастинок.

№104 Квантово-механічне тлумачення утворення кристалу.

Кристалічнірешіткиможутьматирізнівидисиметрії. Симетріякристалічнихрешіток — їївластивістьсполучатисяіз собою при деякихпросторовихпереміщеннях, наприклад, рівнобіжних переносах, поворотах, чивідображенняхїхніхкомбінаціях і т.д. Кристалічнимрешіткам, як довівросіянинкристалограф Е. С. Федоров ,належить 230 комбінаційелементівсиметрії, чи 230 різнихпросторовихгруп.

З переносною симетрією в тривимірномупросторізв'язуютьпоняттятривимірноїперіодичноїструктури — просторовихрешіток, чирешіткиБраве, представлення про яку уведено французькимкристалографом О. Браве. Усякіпросторовірешіткиможуть бути складеніповторенням у трьохрізнихнапрямках того самого структурного елемента — елементарногоосередку. Усьогоіснує 14 типіврешітокБраве, щорозрізняються по виду переносноїсиметрії. Вони розподіляютьсяпосімохкристалографічнихсистемах, чисингоніям. Для описуелементарнихосередківкористаютьсякристалографічними осями координат, щопроводятьпаралельно ребрам елементарногоосередку, а початок координат вибирають у лівомукутіпередньоїграніелементарногоосередку. Елементарнийкристалічнийосередокявляє собою паралелепіпед, побудований на ребрах a,b,c з кутами α, β, γ між ребрами Величиниa,b,c та α, β, γ називаються параметрами елементарногоосередку й однозначно їївизначають.

У деяких твердих тілах одночасно може здійснюватися кілька видів зв'язку. Прикладом цьому служить графіт (гексагональні решітки). Решітки графіту складаються з ряду рівнобіжних площин, у яких атоми вуглецю розташовані у вершинах правильних шестикутників. Відстань між площинами більш ніж у два рази перевищує відстань між атомами шестикутника. Плоскі шари зв'язані один з одним ван-дер-ваальсовими силами. У межах шаруючи три валентних електрони кожного атома вуглецю утворять ковалентний зв'язок із сусідніми атомами вуглецю, а четвертий електрон, залишаючись «вільним», коллективізуєтся, але не у всіх решітках, як у випадку металів, а в межах одного шару. Таким чином у даному випадку здійснюється три види зв'язку: гомеополярний і металевий — у межах одного шару; ван-дер-ваальсовий — між шарами. Під цим розуміється м'якість графіту, тому що його шари можуть сковзати друг щодо друга.

Розташування атомів у кристалах характеризується також координаційним числом — числом найближчих однотипних з даним атомом сусідніх атомів у кристалічних чи решітках молекул у молекулярних кристалах.

№105 Поле точкового заряду. Силові лінії електричного поля. Геомет­рична інтерпретація полів силовими лініями.

Взаємодія зарядів за законом Кулона є експериментально встановленим фактом. Однак математичний вираз закону взаємодії зарядів не розкриває фізичного змісту самого процесу взаємодії, не пояснює, яким чином відбувається дія заряду q₁ на заряд q₂.

Теорія близькодії, створена на основі дослідження англійського фізика М. Фарадея, пояснює взаємодію електричних зарядів тим, що навколо кожного електричного заряду існує електричне поле - особливий вид матерії, що існує незалежно від наших знань про нього і має енергію. Електричне поле неперервне в просторі і здатне діяти на інші електричні заряди.

Тобто, електричне поле – це матеріальна складова електро-магнітного поля, яка діє на заряд, зумовлене зарядами або змінним у часі магнітим полем. Основною ознакою електричного поля є те, що на будь-який заряд, внесений у це поле діє сила.

Повне уявлення про розподіл поля можна дістати з рисунка, на якому зобразити вектори напруженості, а також показати неперервні лінії, дотичні до яких в кожній точці, через яку вони проходять, збігаються з вектором напруженості. Ці лінії називаються силовими лініями або лініями напруженості (рис.4.1.7). Силова лінія – це математична лінія, напрям дотичної до якої у кожній точці збігається з напрямом напруженості Е у цій точці. Силові лінії можна зробити видимими, якщо довгасті кристалики діелектрика, наприклад, хініну (ліків від малярії) добре перемішати у в'язкій рідині (рициновій олії) і помістити туди заряджені тіла; поблизу цих тіл кристалики "вишикуються" в ланцюжки вздовж ліній напруженості.

Силовим лініям приписують певний напрям, позначаючи його стрілками. За додатній напрям вважають напряв вектора Е. силові лінії позитивно зарядженого тіла виходять із його поверхні і простягаються в нескінченність, а негативно зарядженого – навпаки. У загальному випадку силові лінії починаються на позитивно заряджених тілах і закінчуються на негативно заряджених. Силові лінії однорідноо поля є паралельними між собою і мають однаковий напрям.

Зобразимо поле різних тіл (рис. 4.1.8 - 4.1.11).

Силові лінії електричного поля точкових зарядів незамкнені. Вони починаються на позитивних електричних зарядах і закінчуються на негативних (рис. 4.1.8 - 4.1.11). Віддалік від країв пластин силові лінії паралельні: електричне поле однакове у всіх точках (рис. 4.1.11).

№106 Електричний диполь. Дипольний момент. Поле диполя.

Електричний диполь — це два різнойменних точкових заряди рівних за модулем.

Двополюсник. Розрізняють диполь електричний і магнітний. Електричний диполь — сукупність двох рівних за абсолютною величиною різнойменних зарядів, які знаходяться на певній відстані один від одного. Характеристикою диполя електричного є дипольний момент. Молекули багатьох речовин можна розглядати як диполі. Електричний дипольний момент - векторна фізична величина, що характеризує, поряд з сумарним зарядом (і рідше використовуються вищими мультипольних моментами), електричні властивості системи заряджених частинок (розподілу зарядів) в сенсі створюваного нею поля і дії на неї зовнішніх полів. Головна після сумарного заряду і положення системи в цілому (її радіус-вектора) характеристика конфігурації зарядів системи при спостереженні її здалеку.

Найпростіша система зарядів, що має певний (не залежить від вибору початку координат) ненульовий дипольний момент - це диполь (дві точкові частинки з однаковими по величині різнойменними зарядами). Електричний дипольний момент такої системи за модулем дорівнює добутку величини позитивного заряду на відстань між зарядами і направлений від негативного заряду до позитивного, або: - Де q - величина позитивного заряду, - вектор з початком у негативному заряді і кінцем в позитивному.

Для системи з N частинок електричний дипольний момент дорівнює

Де - заряд частки з номером а - її радіус-вектор, або, якщо підсумовувати окремо по позитивним і негативним зарядам:

де - число позитивно / негативно заряджених частинок, - їх заряди; - сумарні заряди позитивної і негативної підсистем і радіус-вектори їх «центрів тяжіння» [прим 2].

Електричний дипольний момент нейтральної системи зарядів не залежить від вибору початку координат, а визначається відносним розташуванням (і величинами) зарядів в системі.

З визначення видно, що дипольний момент аддитивен (дипольний момент накладення декількох систем зарядів дорівнює просто векторної сумі їх дипольних моментів), а в разі нейтральних систем це властивість набуває ще більш зручну форму в силу викладеного в абзаці вище.

Подробиці визначення та формальні властивості

Електричний дипольний момент (якщо він ненульовий) визначає в головному наближенні електричне [прим 3] поле диполя (або будь обмеженою системи з сумарним нульовим зарядом) на великій відстані від нього, а також вплив на диполь зовнішнього електричного поля.

Фізичний і обчислювальний сенс дипольного моменту полягає в тому, що він дає поправки першого порядку (найчастіше - малі) в положення кожного заряду системи по відношенню до початку координат (яке може бути умовним, але наближено характеризує становище системи в цілому - система при цьому мається на увазі досить компактної). Ці поправки входять в нього на увазі векторної суми, і скрізь, де при обчисленнях така конструкція зустрічається (а в силу принципу суперпозиції і властивості складання лінійних поправок - см.Полний диференціал - така ситуація зустрічається часто), там в формулах виявляється дипольний момент.Електри́чним ди́польним моме́нтом або просто дипольним моментом системи зарядів qi називається сума добутків величин зарядів на їхні радіус-вектори. Зазвичай дипольний момент позначається латинською літерою d або латинською літерою p. Природними одиницями вимірювання дипольного заряду в системі СІ є кулон на метр, хоча така одиниця є надзвичайно великою для практичного використання, тому застосовуються інші одиниці. У атомній фізиці здебільшого використовується одиниця Дебай. Дипольний момент має надзвичайне значення в фізиці при вивченні нейтральних систем. Дія електричного поля на нейтральну систему зарядів й електричне поле створене нейтральною системою визначаються в першу чергу дипольним моментом. Це, зокрема, стосується атомів і молекул.

Нейтральні системи зарядів з відмінним від нуля дипольним моментом називають диполями.

Електричне поле, створене диполем

Здебільшого постає задача визначення електричного поля на віддалі, набагато більшій за віддаль між зарядами. В такому випадку потенціал електричного поля визначається за формулою

,

а його напруженість

,

де d- це радіус-вектор точки, в якій визначається напруженість електричного поля.

Звідси видно, що створене диполем електричне поле спадає із віддаллю як 1/r3. Порівняно із іншими типами полів, які створюються нейтральними атомами й молекулами це спадання дуже повільне. Диполі взаємодіють один із одним навіть на значній віддалі. Поле, створене диполем неізотропне, і навіть міняє знак в залежності від напрямку.

№107 Теорема Гауса. Діелектрики. Вільні і зв'язані заряди.

Теорема Гауса пов’язує потік вектора напруженості електростатичного поля крізь довільну замкнену поверхню із зарядом, який охоплюється цією поверхнею. Теорема Гаусса формулюється так: потік вектора напруженості електростатичного поля у вакуумі Ф_Е через замкнуту поверхню S зсередини назовні дорівнює алгебраїчній сумі зарядів, укладених усередині цієї поверхні, поділеній на електричну постійну ξ₀. Теорема Гаусса:

Отриманий результат не залежить від форми поверхні. Теорема Гаусса є фундаментальним співвідношенням, яке дозволяє вирішувати пряму завдання електростатики.

Розглянемо поле точкового заряду на поверхні, що є сферою деякого радіуса r.

Потік вектора E крізь площадку S дорівнює: Ф = E*dS*cosa.

тоді теорема Гауса прийме вигляд:

Фізичний сенс теореми Гауса - джерелом електростатичного поля є електричні заряди. Позитивному заряду відповідає додатній потік напруженості, негативному – від’ємний.

Теорема Гауса, як одне з основних рівнянь електродинаміки, загалом, справедлива і для середовища, у своїй основній формі. Наприклад, використовуючи систему СГС:

,

якщо під Q розуміти всі заряди, враховуючи мікроскопічні. Однак, присутність зовнішнього заряду призводить до перерозподілу мікроскопічних зарядів у речовині. Тому, якщо внести зовнішній заряд q в діелектрик, то деякі із мікроскопічних зарядів, змістившись, покинуть той об'єм, по якому проводиться інтегрування, інші - увійдуть у цей об'єм зовні - речовина поляризується.

Для врахування цих ефектів в електродинаміці суцільних середовищ усі заряди розділяються на вільні та зв'язані. Вільними вважаються ті заряди, які можна привнести зовні, зяряджаючи тіла, зв'язаними - електричні заряди електронів та ядер речовини, які в зовнішніх полях зміщуються, одні відносно інших, створюючи поляризацію:

,

де - густина зв'язаних зарядів, - густина вільних зарядів. Густина зв'язаних зарядів пов'язана з поляризацією: .

Тоді теорема Гауса записується у вигляді

.

Вводячи вектор електричної індукції

,

отримуємо теорему Гауса для діелектричних середовищ:

,

або в диференціальній формі

.

Діеле́ктрики — це матеріали, в яких заряди не можуть пересуватися з однієї частини тіла в іншу (зв'язані заряди). Зв'язаними зарядами є заряди, що входять в склад атомів або молекул діелектрика, заряди іонів, в кристалах з іонною ґраткою.

На практиці абсолютних діелектриків немає. Розглядання певного тіла як діелектрика залежить від постановки експерименту — якщо заряд, що пройшов через певне тіло малий у порівнянні з зарядами, що пройшли через інше тіло в даному експерименті, то перше тіло можна вважати діелектриком.

Напруженість електричного поля в діелектрику є меншою ніж напруженість такого ж поля у вакуумі. Співвідношення

— визначає діелектричну проникність . Тут Е — напруженість поля, яка створювалася б за одинакових умов у вакуумі, Е0 — напруженість у діелектрику. Очевидно, що у вакуумі .

№108 Основна задача електростатики.

Основною задачею електростатистики є визначення характеристик електричного поля, утвореного системою зарядів на провідниках.

Задачі електростатистики:

1. Відомим є потенціал, як функція просторових координат. Диференціюванням за координатами визначають напруженість електростатичного поля. Знаючи діелектричну проникність вимірюють електроємність конденсатора. Визначають об’ємну густину заряду, а потім і поверхневу густину вільних зарядів.

2. відомою є густина неперервно розподілених вільних електричних зарядів в однорідному діелектрику. Визначають потенціал у точці. Потім всі необхідні величини, інтегрування проводять по всій області розподілу зарядів.

№109 Полярні і неполярні молекули. Поляризація речовини.

Молекули тіл – це електродинамічні системи, які складаються з позитивних ядер і негативних орбітальних електронів. За характером просторового розміщення заряджених частинок у молекулах їх поділяють на полярні та неполярні. За відсутності зовнішнього електричного поля в атомах зберігають у часі сферичну симетрію просторового розміщення відносно ядер, тобто атоми не мають дипольного моменту. Відповідно і молекули можуть мати таке розміщення позитивних і негативних зарядів, отже дипольний момент молекул дорівнює 0. Такі атоми і молекули є неполярними (атоми інертних газів, двохатомні молекули Н₂, О₂, N₂, багатоатомні СО₂, СН₄, CCl₄ тощо). Є речовини, які складаються з атомів чи молекул, центри позитивних і негативних зарядів яких не збігаються, просторово зсунуті на деяку відстань. Якщо зовнішнього електричного поля немає, то молекули цих речовин являють собою елементарні диполі. Такі атоми чи молекули є полярними (СО, SO₂,N₂O,H₂S,NH₃, H₂O, кислоти, ефіри тощо).

Поляризація – процес зміщення зв’язаних заряджених частинок речовини під впливом зовнішнього електричного поля. Поляризований у зовнішньому електричному полі діелектрик сам стає джерелом внутрішнього електричного поля, яке відрізняється від зовнішнього. Розглянемо механізм поляризації залежно від будови діелектрика: орієнтуючу, електронну і іонну.

1. Орієнтуюча характерна для діелектриків з полярними молекулами. Якщо внести діелектрик в електричне поле, то на будь-кий його диполь буде діяти пара сил: F₁=qE і F₂= -qE. Момент цієї пари сил дорівнюватиме: М=рЕsinα. Під дією моменту сил полярні моменти намагаються повернутися так, щоб вектори їх дипольних моментів р встановились у напрямі напруженості зовнішнього електричного поля Е. але під впливом теплового хаотичного руху орієнтація полярних молекул порушується. Внаслідок спільної дії обох факторів (сил поля і хаотичного теплового руху) в діелектрику переважає орієнтація дипольних моментів у напрямі поля. Чим сильніше зовнішнє електричне поле і нижча температура діелектрика, тим більше зорієнтуються дипольні моменти.

2. Електронна поляризація. Якщо в електричне поле внести діелектрик з неполярними молекулами, то електронні орбіти деформуються і молекули стають полярними. Це зміщення пропорційне напруженості зовнішнього електричного поля. Індукований дипольний момент: р=ξ₀βЕ, де β- поляризованість молекули.

3. Іонна поляризація характерна для іонних кристалів. Якщо такий кристал внести в електричне поле, то під дією сил поля позитивні іони зміщуються в напрямі вектора напруженості. А всі негативні іони – в протилежному напрямі. Тому на протилежних напрямах переважатимуть іони одного знака і кристал буде поляризований. Проте всередині кристала, як і раніше буде однакова кількість іонів обох знаків.

№110 Вплив речовини діелектрика на електричне поле.

Діелектриками або ізоляторами називають такі тіла, через які електричні заряди не можуть переходити від зарядженого тіла до незарядженого. Ця властивість діелектриків зумовлена тим, що у них за певних умов немає вільних носіїв заряду. Якщо умови змінюються, наприклад, під час нагрівання, в діелектрику можуть виникнути вільні носії заряду і він почне проводити електрику. До діелектриків належать усі гази за нормальних умов, рідини (гас, спирти, ацетон, дистильована вода та ін.), тверді тіла (скло, пластмаси, сухе дерево, папір, гума тощо).

У діелектриках електричні заряди не можуть (так як і вільні заряди провідника) переміщуватися під дією електричного поля по всьому об'єму тіла. Усередині діелектрика електричне поле може існувати. Притягання незарядженого тіла (діелектрика) до зарядженого тіла пояснюється тим, що в електричному полі відбувається поляризація діелектрика, тобто зміщення в протилежні боки різнойменних зв'язаних зарядів, що входять до складу атомів і молекул таких речовини.

Діелектрики поділяють на два види:

1) полярні, які складаються із молекул, у яких центри розподілу позитивних і негативних зарядів не збігаються (вода, спирти та ін.);

2) неполярні, що складаються з атомів або молекул, у яких центри розподілу позитивних і негативних зарядів збігаються (бензол, інертні гази, поліетилен та ін.).

Якщо полярний діелектрик опустити в електричне поле, то його молекули починають повертатися своїми позитивно зарядженими сторонами до негативно заряджених пластин зовнішнього поля, а негативно зарядженими - до позитивно заряджених пластин. У результаті на поверхні діелектрика виникає досить тонкий шар зарядів протилежних знаків, які й створюють зустрічне поле. Якщо ж в електричне поле помістити неполярний діелектрик, то його молекула деформується, в результаті чого він стає схожим на полярний.

Для характеристики електричних властивостей діелектриків уведено особливу величину, яку називають діелектричною проникністю (безрозмірна величина). Це фізична стала, яка показує у скільки разів модуль напруженості електричного поля ^вн всередині діелектрика менший від модуля напруженості ⁰ у вакуумі:

.

Значення діелектричної проникності можуть суттєво змінюватися навіть за незначної зміни хімічного складу речовини. Завдяки цьому створені численні речовини з унікальними електричними властивостями для застосування в електронній і електротехнічній галузі виробництва.

Вплив речовини на електричне поле призводить до зміни сили, яка діє на електричний заряд. З означення

З останнього випливає, що сила, яка діє на електричний заряд у діелектрику, менша, ніж у вакуумі.

Повітря (за нормальних умов) - 1,000 594; Скло - 8 – 11; Вода – 81; Парафін - 2; Віск бджолиний - 3; Сегнетова сіль - 10 000.

№111 П'єзоелектрики, сегнетоелектрики, піроелектрики.

Сегнетоелектрики – діелектрики, які мають дуже велике значення відносної діелектричної проникливості. Таку назву вони дістали від типового представника – сегнетової солі. Висока діелектрична проникливість сегнетоелектриків пов’язана з наявністю в них самовільних поляризованих областей – доменів. В сусідніх доменах орієнтація дипольних моментів інша, тому вцілому сегнетоелектрик не поляризований. Якщо його внести в зовнішнє електричне поле, то поляризація доменів встановлюється в певному напрямі; сегнетоелектрик поляризується, і відносна діелектрична проникливість набуває великого значення. Для кожного з сегнетомагнетиків існує температура, вище якої сегнетоелектричні властивості істотно послаблюються – точка Кюрі. При досягненні і перевищенні точки Кюрі сегнетоелектрик перетворюється в звичайний діелектрик. Діелектричний гістерезис – залежність вектора поляризації Р (→) від зовнішнього електричного поля Е (→):

При початковому вмиканні поля Е (→) і наступному його зростанні поляризація, що виникла спочатку збільшується, а далі досягає насичення. Зі спаданням поля Е (→) поляризація зменшується. При Е(→)=0 значення Р(→)≠0, що його називають залишковою полярністю. Для того щоб зменшити залишкову поляризацію до 0, треба прикласти електричне поле Е (→) протилежного напряму (коерцитивне поле). При подальшому збільшенні оберненого поля знов збільшується поляризація, досягаючи стану насичення. Повний цикл цього процесу графічно зображується замкненою кривою – петлею гістерезису. Сегнетоелектрики: оксиди металів – титанати, цирконати, фосфатити, сульфати, нітрати; полімери, рідкі кристали.

П’єзоелектрики – це речовини, в яких під дією електричного поля різнойменно заряджені частинки в діелектрику зміщуються в протилежних напрямках, що призводить до його деформації; і навпаки при стисненні яких на певних точках їхніх поверхонь виникає електричне поле. Після припинення деформації кристалічний діелектрик повертається в неполярний стан. Між деформацією і числовим значенням зв’язаних зарядів на гранях кристала існує пряма залежність. Максимальний п’єзоефект виникає тоді, коли деформацію здійснюють у напрямі однієї з полярних осей кристала. Для практичного використання цього явища широко застосовують кварцові пластинки. П’єзоефект пояснюється деформацією елементарних комірок, завдяки чому й утворюються на гранях залишки однойменних заряджених частинок.

Піроелектрики – це явище виникнення електричних зарядів на поверхні деяких кристалічних діелектриків при їх нагріванні або охолодженні у деяких кристалічних діелектриків у стані термодинамічної рівноваги внаслідок дії внутрішніх сил підгратка позитивних іонів зміщена відносно підгратки негативних іонів. Це зумовлює їхню спонтанну макроскопічну поляризацію. При швидкій зміні температури змінюється і зміщення іонних підграток кристалів, завдяки чому на гранях виникають додаткові зв’язані заряди протилежних знаків, тобто змінюється їх поляризованість. Виникнення на поверхні кристалів зв’язаних зарядів при зміні температури називають прямим піроелектричним ефектом, а самі кристали – піроелектриками. Найвідомішим представником є турмалін.

№112 Поведінка провідників в електричному полі. Електроємність провідників. Одиниці вимірювання електроємності.

У металевих провідниках завжди є вільні електрони, тому що в металах валентні електрони слабко пов’язані з позитивно зарядженими ядрами атомів і легко віддаляються від атомів. Вільні електрони перебувають у безперервному хаотичному русі в межах провідника. При внесенні такого провідника в зовнішнє електричне поле (з напруженістю Е (по вектору)) на позитивні і негативні заряди діятиме сила =qЕ і заряджені частинки перерозподіляються: позитивні заряди ця сила зміщуватиме в напрямі Е, а негативні – у протилежному напрямі. Внаслідок цього на одному боці провідника не вистачатиме електронів і буде надлишок позитивних зарядів, а на іншому – навпаки.

Перерозподіл зарядів триватиме доти, поки напруженість поля всередині провідника не дорівнюватиме 0. Явище перерозподілу електричних зарядів у провіднику під дією зовнішнього електричного поля і виникнення внаслідок цього електризації провідника називають електростатичною індукцією. Наданий провідникові електричний заряд розподіляється на його поверхні так, що поверхня провідника стане еквіпотенціальною – лінії напруженості зовнішнього поля будуть перпендикулярні до поверхні провідника. Зміна заряду провідника призводить до відповідної зміни потенціалу, відношення яких є величиною сталою: С=q/φ. Це відношення називають електроємністю провідника. Фізичний зміст електроємності: електроємність провідника чисельно дорівнює зарядові, який потрібний для зміни потенціалу провідника на одиницю. Одиниця вимірювання електроємності: [C]=Кл/В=1 Ф. електроємність у СІ вимірюють у фарадах (Ф). за одиницю електроємності в 1 Ф взято ємність такого відокремленого провідника, в якому зміна заряду в 1 Кл зумовлює зміну потенціалу в 1 В. Фарад – дуже велика одиниця, тому на практиці використовують: 1 мкФ = (10 ^-6) Ф, 1 пФ = (10 ^-12) Ф.

№113 Джерело електрорушійної сили (гальванічний елемент, електро­генератори).

Електрорушійна сила - фізична величина, що характеризує дію сторонніх (непотенційних) сил в джерелах постійного або змінного струму. В замкнутому провідному контурі ЕРС дорівнює роботі цих сил по переміщенню одиничного позитивного заряду уздовж контура.

Потенційні сили електростатичного (або стаціонарного) поля не можуть підтримувати постійний струм в ланцюзі, работа цих сил на замкнутій дорозі дорівнює нулю. Проходження ж струму по провідниках супроводжується виділенням енергії — нагріванням провідників. Сторонні сили приводять в рух заряджені частки усередині джерел струму: генераторів, гальванічних елементів, акумуляторів.

Походження сторонніх сил може бути різним. У генераторах сторонні сили — це сили з боку вихрового електричного поля, що виникає при зміні магнітного поля з часом, або сила Лоренца, що діє з боку магнітного поля на електрони в рухомому провіднику; у гальванічних елементах і акумуляторах — це хімічні сили.

ЕРС визначає силу струму в ланцюзі при її заданому опорі. Вимірюється ЕРС, як і напруга, в вольтах .

Електричне поле створюється електричними зарядами або зміною в часі чи просторі магнітного поля. В будь-якому випадку точка в просторі, яка є джерелом електричного поля, представлена, наприклад, у вигляді абстрактного точкового або розподіленого по електропровідній поверхні заряду, також має потенціал. Отже різницю потенціалів на клемах джерела електроенергії найпростіше отримувати шляхом підтримування на його клемах протилежних за знаком зарядів наперед заданою в часі закономірністю.

Цього можна досягти способами:

- електромагнітної індукції (електромеханічні генератори);

- хімічним (гальванічні елементи, акумулятори);

- термоелектричним (термогенератори, термоелементи, термопари);

-світловим (фотоелектричні джерела енергії або фотоелементи);

- магнітогідродинамічним (МГД - генератори) та ін.

Гальванічний елемент - джерело живлення, в якому використовується різниця електродних потенціалів двох металів, занурених у електроліт.

Принцип дії: найпростішим гальванічним елементом є елемент, в якому використовуються цинковий і мідний електроди, занурені в розчин сірчаної кислоти. Кожен із електродів зокрема разом із електролітом, в який він занурений, утворює напівелемент. На поверхні кожного з металів, занурених в електроліт, виникає подвійний електричний шар внаслідок переходу частини атомів металу в розчин у вигляді йонів. Як наслідок, кожен із металів отримує електричний заряд. Якщо з'єднати електроди провідником, то заряд стікатиме від електрода з більшим потенціалом, до електрода з меншим потенціалом, утворюючи електричний струм. При цьому потенціали електродів вирівнюватимуться, що призведе до порушення рівноваги між електродом і електролітом. Це, в свою чергу, викликає перехід нових атомів із електроду в електроліт. В результаті в замкненому колі підтримується електричний струм, який супроводжується розчиненням електродів.

Активна маса електроду — це суміш, яка складається з речовини, хімічна енергія яких під дією заряду перетворюється на електричну енергію (активна речовина), і речовин, які покращують її провідність і певні физико-хімічні властивості.

№114Конденсатори. Ємність плаского конденсатора.

Конденсáтор— система з двох чи більше електродів (обкладок), які розділені діелектриком, товщина якого менша у порівнянні з розміром обкладок. Така система має взаємну електричну ємність і здатна зберігати електричний заряд.

Прикладання електричної напруги до обкладок конденсатора спричиняє накопичення на них електричного заряду.

Основною характеристикою конденсатора є його електрична ємність (точніше номінальна ємність), яка визначає накопичений заряд. Ємність виражається у фарадах. Типові значення ємності конденсаторів складають від одиниць пікофарад до сотень мікрофарад. Але існують конденсатори з ємністю десятків фарад.

Ємність плоского конденсатора, яка складається з двох паралельних металічних пластин площиною S кожна, які розташовані на відстані d одна від одної, в системі СІ виражена

формулою 

,

де ε — відносна діелектрична проникність середовища, яке заповнює простір між пластинами.

Для отримання великих ємностей конденсатори з`єднують паралельно. Загальна ємність батареї паралельно з`єднаних конденсаторів дорівнює сумі ємностей всіх конденсаторів, які входять у батарею.

При послідовному з`єднанні конденсаторів заряди усіх конденсаторів однакові.

№115 Паралельне та послідовне з'єднання конденсаторів.

Конденсатором називається сукупність двох провідників, в яких накопичуються заряди, рівні по величині і різні за знаком.

Для отримання великих ємностей конденсатори з'єднують паралельно. Загальна ємність батареї паралельно з'єднаних конденсаторів дорівнює сумі ємностей всіх конденсаторів, які входять у батарею.

Заряди розподіляються прямопропорційно ємності конденсаторів.

При послідовному з`єднанні в результаті електростатичної індукції на конденсаторах будуть однакові заряди:Q₁=Q₂=Q

Напруги розподіляються обернено пропорційно величині їх ємностей

Загальна ємність батареї послідовно з'єднаних конденсаторів дорівнює

Ця ємність завжди менша мінімальної ємності конденсатора, який входить в батарею. Але при послідовному з'єднанні зменшується загроза пробою конденсаторів, оскільки на кожний конденсатор надходить лише частина різниці потенціалів джерела напруги.

Еквівалентна ємність

Конденсатори також характеризуються питомою ємністю — відношення ємності до об`єму (або маси) конденсатора.

№116 Енергія плаского конденсатора.

Як і будь-яка система заряджених тіл, конденсатор має енергією. Обчислити енергію зарядженого плоского конденсатора з однорідним полем всередині нього нескладно.     Енергія зарядженого конденсатора. Для того щоб зарядити конденсатор, треба виконати роботу з розділення позитивних і негативних зарядів. Відповідно до закону збереження енергії ця робота дорівнює енергії конденсатора. У тому, що заряджений конденсатор володіє енергією, можна переконатися, якщо розрядити його через ланцюг, що містить лампу розжарювання, розраховану на напругу в кілька вольт (ріс.14.37). При розрядці конденсатора лампа спалахує. Енергія конденсатора перетворюється в тепло та енергію світла

Виведемо формулу для енергії плоского конденсатора.     Напруженість поля, створеного зарядом однієї з пластин, дорівнює Е / 2, де Е-напруженість поля в конденсаторі. В однорідному полі однієї пластини знаходиться заряд q, розподілений по поверхні іншої пластини (ріс.14.38). Відповідно до формули (14.14) для потенційної енергії заряду в однорідному полі енергія конденсатора дорівнює

де q - заряд конденсатора, а d - відстань між пластинами.     Так як Ed = U, де U - різниця потенціалів між обкладками конденсатора, то його енергія дорівнює:     Ця енергія дорівнює роботі, яку здійснить електричне поле при зближенні пластин впритул.     Замінивши у формулі (14.25) різниця потенціалів або заряд за допомогою виразу (14.22) для електроємності конденсатора, отримаємо:     Можна довести, що ці формули справедливі для будь-якого конденсатора, а не тільки для плоского.     Енергія електричного поля. Відповідно до теорії близькодії вся енергія взаємодії заряджених тіл сконцентрована в електричному полі цих тіл. Значить, енергія може бути виражена через основну характеристику поля - напруженість.     Так як напруженість електричного поля прямо пропорційна різниці потенціалів (U = Ed, то згідно з формулою енергія конденсатора прямопропорційна квадрату напруженості електричного поля всередині нього:

№117 Постійний електричний струм. Середня швидкість спрямовано­го руху електронів.

. Електричний струм – це упорядкований потік електрично заряджених частинок. Хаотичний рух заряджених частинок не створює електричного струму. За напрям електричного струму умовно беруть напрям руху позитивно заряджених частинок. Для виникнення електричного струму потрібні такі умови 1) наявність вільно рухомих заряджених частинок; 2) наявність електричного поля, під дією якого утворився б упорядкований потік заряджених частинок. За цих умов на будь-якій ділянці всередині провідника існуватиме електричне поле, напруженість якого Е=-Δφ/Δl. Електричне поле виконуватиме роботу переміщення зарядженої частинки ΔА=qΔφ. Постійний електричний струм - електричний струм, незмінний у часі. Насправді для постійного струму незмінним є перш за все знач. напруги (вимір.у вольтах), а не значення струму,хоча значення струму також може бути незмінним. Тому термін постійний струм, слід розуміти,як постійну напругу. Щоб добути неперервний струм у провіднику, треба весь час поповнювати енергію електричного поля. Для цього до кінців провідника приєднують джерело електричного струму.