Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
174
Добавлен:
19.03.2016
Размер:
644.64 Кб
Скачать

50 Физи́ческая кине́тика (др.-греч.κίνησις — движение) — микроскопическая теория процессов в неравновесных средах. В кинетике методами квантовой или классическойстатистической физикиизучают процессы переноса энергии,импульса, заряда и вещества в различных физических системах (газах,плазме,жидкостях, твёрдых телах) и влияние на них внешних полей. В отличие оттермодинамикинеравновесных процессов иэлектродинамики сплошных сред, кинетика исходит из представления о молекулярном строении рассматриваемых сред, что позволяет вычислить из первых принциповкинетические коэффициенты,диэлектрическиеимагнитные проницаемостии другие характеристики сплошных сред. Физическая кинетика включает в себякинетическую теорию газовиз нейтральных атомов или молекул, статистическую теорию неравновесных процессов в плазме, теорию явлений переноса в твёрдых телах (диэлектриках,металлахиполупроводниках) и жидкостях, кинетику магнитных процессов и теорию кинетических явлений, связанных с прохождением быстрых частиц через вещество. К ней же относятся теория процессов переноса в квантовых жидкостях и сверхпроводниках и кинетика фазовых переходов.

Если известна функция распределениявсех частиц системы по их координатам и импульсам в зависимости от времени (в квантовом случае —матрица плотности), то можно вычислить все характеристики неравновесной системы. Вычисление полной функции распределения является практически неразрешимой задачей, но для определения многих свойств физических систем, например, потока энергии или импульса, достаточно знать функцию распределения небольшого числа частиц, а для газов малой плотности — одной частицы.

В кинетике используется существенное различие времён релаксации в неравновесных процессах; например, для газа из частиц или квазичастиц, время свободного пробега значительно больше времени столкновения между частицами. Это позволяет перейти от полного описания неравновесного состояния функцией распределения по всем координатам и импульсам к сокращённому описанию при помощи функции распределения одной частицы по её координатам и импульсам.

ПЕРЕНОСА ЯВЛЕНИЯ

- неравновесные процессы, в результате к-рых в физ. системе происходит пространственный перенос электрич. заряда, вещества, импульса, энергии, энтропии или к.-л. <др. физ. величины. Общую феноменологич. теорию П. я., применимую к любой системе (газообразной, жидкой или твёрдой), даёт термодинамика неравновесных процессов. Более детально П. я. изучает кинетика физическая. П. <я. в газах рассматриваются на основе кинетической теории газов с помощью кинетического уравнения Больцмана для ф-цни распределения молекул; П. я. в металлах- на основе кинетич. ур-ния для электронов в металле; перенос энергии вне проводящих кристаллах - с помощью кинетич. ур-ния для фононов кристаллич. <решётки. Общая теория П. я. развивается в неравно-весной статистич. Механи кена основе Лиувилля уравнения для ф-ции распределения всех частиц, <из к-рых состоит система (см. Грина - Кубо формулы). Причина П. я. - возмущения, нарушающие состояние термо динамич. равновесия: действие внеш. элек-трич. поля, наличие пространств. неоднородностей состава, темп-ры или ср. скорости движения частиц системы. Перенос физ. величины происходит в направлении, обратно меё градиенту, в результате чего изолированная от внеш. воздействий система приближается к состоянию термо динамич. равновесия. Если внеш. Воздействия поддерживаются постоянными, П. я. протекают стационарно. П. я. характеризуются необратимыми потоками Ji физ. величины, напр. диффузионным потоком вещества, <тепловым потоком или тензором потока импульса, связанного с градиентам искоростей. При малых отклонениях системы от термодинамич. равновесия потоки линейно зависят от термодинамич. сил Хk, вызывающих отклонение от термодинамич. равновесия, и описываются феноменологич. ур-ниями

где Lik - феноменологич. <коэф. переноса (в термодинамике неравновесных процессов) или кинетические коэффициенты (в физ. кинетике), вычисляемые с помощью решения кинетич. <ур-ний. Термо динамич. силы Хk вызывают необратимыепотоки; напр., градиент темп-ры вызывает поток теплоты ( теплопроводность), градиент концентрации вещества - поток компонента смеси ( диффузия), градиент массовой скорости - поток импульса (вязкое течение; см. Вязкость). Перенос вещества, вызванный градиентом темп-ры, - термодиффузию и обратный ей процесс переноса тепла вследствие градиента концентрации (Дюфура эффект )называют перекрёстными процессами. <Для перекрёстных процессов в отсутствии магн. поля имеет место соотношение симметрии Lik = Lki( Онсагера теорема), являющееся следствием микроскопич. обратимости ур-ний, описывающих движение частиц. Если магн. поле отлично от нуля, то при замене ik нужно изменить направление магн. поля на противоположное. П. я. обычно сопровождаются производство мэнтропии в единицу времени:

Диффу́зия (лат.diffusio — распространение, растекание, рассеивание, взаимодействие) — процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму[1]. В некоторых ситуациях одно из веществ уже имеет выравненную концентрацию и говорят о диффузии одного вещества в другом. При этом перенос вещества происходит из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией (по градиенту концентрации).

Примером диффузии может служить перемешивание газов (например, распространение запахов) или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной). Другой пример связан с твёрдым телом: атомы соприкасающихся металлов перемешиваются на границе соприкосновения. Важную роль диффузия частициграет вфизике плазмы.

Обычно под диффузией понимают процессы, сопровождающиеся переносом материи, однако иногда диффузионными называют также другиепроцессы переноса:теплопроводность,вязкое трениеи т. п.

Первый Ф. з. устанавливает пропорциональность диффузионного потока j в идеальных растворах градиенту концентрации ?c:j =-D?c (D — коэфф. диффузии). Второй Ф. з. получается из первого и ур-ния непрерывности:

где t — время, х, у, z — пространств. координаты. Если D = const, то второй Ф. з. имеет вид

дc/дt=D?c

и наз. ур-нием диффузии. Открыты нем. учёным А. Фиком (A. Fick) в 1855.

51 Теплопрово́дность — это процесс переноса внутренней энергииот более нагретых частей тела (или тел) к менее нагретым частям (или телам), осуществляемый хаотически движущимися частицами тела (атомами,молекулами,электронамии т. п.). Такой теплообмен может происходить в любыхтелахс неоднородным распределениемтемператур, но механизм переноса теплоты будет зависеть отагрегатного состояниявещества.

Иногда теплопроводностью называется также количественная характеристика способности конкретного веществапроводитьтепло. Численно эта характеристика равнаколичеству теплоты, проходящей через материал площадью 1кв.мза единицу времени (секунду) при единичном температурном градиенте.

Исторически считалось, что передача тепловой энергиисвязана с перетеканиемтеплородаот одного тела к другому. Однако болеепоздние опыты, в частности, нагрев пушечных стволов при сверлении, опровергли реальность существования теплорода как самостоятельного вида материи. Соответственно, в настоящее время считается, что явление теплопроводности обусловлено стремлением объектов занять состояние более близкое ктермодинамическому равновесию, что выражается в выравнивании их температуры.

Вя́зкость (вну́треннее тре́ние) — одно из явлений переноса, свойство текучих тел (жидкостейигазов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. В результате происходит рассеяние в виде тепла работы, затрачиваемой на это перемещение.

Механизм внутреннего трения в жидкостях и газах заключается в том, что хаотически движущиеся молекулы переносят импульс из одного слоя в другой, что приводит к выравниванию скоростей — это описывается введением силы трения. Вязкость твёрдых тел обладает рядом специфических особенностей и рассматривается обычно отдельно.

Различают динамическую вязкость (единицы измерения: Па·с = 10 пуаз) и кинематическую вязкость (единицы измерения:стокс, м²/с, внесистемная единица —градус Энглера). Кинематическая вязкость может быть получена как отношение динамической вязкости к плотности вещества и своим происхождением обязана классическим методам измерения вязкости, таким как измерение времени вытекания заданного объёма через калиброванное отверстие под действием силы тяжести.

Переход вещества из жидкого состояния в стеклообразное обычно связывают с достижением вязкости порядка 1011−1012 Па·с

Прибор для измерения вязкости называется вискозиметром

52 Диффу́зия (лат.diffusio — распространение, растекание, рассеивание, взаимодействие) — процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму[1]. В некоторых ситуациях одно из веществ уже имеет выравненную концентрацию и говорят о диффузии одного вещества в другом. При этом перенос вещества происходит из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией (по градиенту концентрации).

Примером диффузии может служить перемешивание газов (например, распространение запахов) или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной). Другой пример связан с твёрдым телом: атомы соприкасающихся металлов перемешиваются на границе соприкосновения. Важную роль диффузия частициграет вфизике плазмы.

Обычно под диффузией понимают процессы, сопровождающиеся переносом материи, однако иногда диффузионными называют также другиепроцессы переноса:теплопроводность,вязкое трениеи т. п.

Теплопрово́дность — это процесс переноса внутренней энергииот более нагретых частей тела (или тел) к менее нагретым частям (или телам), осуществляемый хаотически движущимися частицами тела (атомами,молекулами,электронамии т. п.). Такой теплообмен может происходить в любыхтелахс неоднородным распределениемтемператур, но механизм переноса теплоты будет зависеть отагрегатного состояниявещества.

Иногда теплопроводностью называется также количественная характеристика способности конкретного веществапроводитьтепло. Численно эта характеристика равнаколичеству теплоты, проходящей через материал площадью 1кв.мза единицу времени (секунду) при единичном температурном градиенте.

Исторически считалось, что передача тепловой энергиисвязана с перетеканиемтеплородаот одного тела к другому. Однако болеепоздние опыты, в частности, нагрев пушечных стволов при сверлении, опровергли реальность существования теплорода как самостоятельного вида материи. Соответственно, в настоящее время считается, что явление теплопроводности обусловлено стремлением объектов занять состояние более близкое ктермодинамическому равновесию, что выражается в выравнивании их температуры.

Вя́зкость (вну́треннее тре́ние) — одно из явлений переноса, свойство текучих тел (жидкостейигазов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. В результате происходит рассеяние в виде тепла работы, затрачиваемой на это перемещение.

Механизм внутреннего трения в жидкостях и газах заключается в том, что хаотически движущиеся молекулы переносят импульс из одного слоя в другой, что приводит к выравниванию скоростей — это описывается введением силы трения. Вязкость твёрдых тел обладает рядом специфических особенностей и рассматривается обычно отдельно.

Различают динамическую вязкость (единицы измерения: Па·с = 10 пуаз) и кинематическую вязкость (единицы измерения:стокс, м²/с, внесистемная единица —градус Энглера). Кинематическая вязкость может быть получена как отношение динамической вязкости к плотности вещества и своим происхождением обязана классическим методам измерения вязкости, таким как измерение времени вытекания заданного объёма через калиброванное отверстие под действием силы тяжести.

Переход вещества из жидкого состояния в стеклообразное обычно связывают с достижением вязкости порядка 1011−1012 Па·с

Прибор для измерения вязкости называется вискозиметром.

53Зако́н Куло́на — это закон, описывающий силывзаимодействиямеждуточечными электрическими зарядами.

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 поледвижущегося 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.[1]

В векторном виде в формулировке Ш. Кулона закон записывается следующим образом:

где — сила, с которой заряд 1 действует на заряд 2;— величина зарядов;— радиус-вектор (вектор, направленный от заряда 1 к заряду 2, и равный, по модулю, расстоянию между зарядами —);— коэффициент пропорциональности. Таким образом, закон указывает, что одноимённые заряды отталкиваются (а разноимённые — притягиваются

Напряжённость электри́ческого по́ля — векторнаяфизическая величина, характеризующаяэлектрическое полев данной точке и численно равная отношениюсилыдействующей на неподвижный[1] 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[2] множителе).

В каждой точке пространства в данный момент времени существует свое значение вектора (вообще говоря - разное[3] в разных точках пространства), таким образом, - этовекторное 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 полемвектора магнитной индукциипредставляет собойэлектромагнитное поле[4], и законы, которым оно подчиняется, есть предмет электродинамики.

Напряжённость электрического поля в СИизмеряется ввольтахнаметр[В/м] или в ньютонах на кулон.

При́нцип суперпози́ции — один из самых общих законовво многих разделахфизики. 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, чтонапряженность 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 взаимодействиймежду всеми возможными парами частиц. В системе нетмногочастичных взаимодействий.

  • Уравнения, описывающие поведение многочастичной системы, являются линейнымипо количеству частиц.

Именно линейностьфундаментальной теории в рассматриваемой области физики есть причина возникновения в ней принципа суперпозиции.

54 поток векторного поля через поверхность — поверхностный интегралпервого рода поповерхности. По определению

где — векторное поле (вектор-функция векторного аргумента — точки пространства),—единичный векторположительнойнормалик поверхности (положительное направление выбирается для ориентируемой поверхности условно, но одинаково для всех точек — то есть для дифференцируемой поверхности — так, чтобыбыло непрерывно; для неориентируемой поверхности это не важно, так как поток через неё всегда ноль),— элемент поверхности.

Физическая интерпретация

Пусть движение несжимаемой жидкости единичной плотности в пространстве задано векторным полем скорости течения . Тогда объем жидкости, который протечёт за единицу времени через поверхность, будет равен потоку векторного полячерез поверхность

Теорема Гаусса (закон Гаусса) — один из основных законов электродинамики, входит в системууравнений Максвелла. Выражает связь (а именно равенство с точностью до постоянного коэффициента) между потоком напряжённости электрического поля сквозь замкнутую поверхность и зарядом в объёме, ограниченном этой поверхностью. Применяется отдельно для вычисления электростатических полей.

Аналогичная теорема, также входящая в число уравнений Максвелла, существует и для магнитного поля (см. ниже).

Также теорема Гаусса верна для любых полей, для которых верен закон Кулонаили его аналог (например, для ньютоновской гравитации). При этом она является, как принято считать, более фундаментальной, так как позволяет в частности вывести степень расстояния[1] в законе Кулона «из первых принципов», а не постулировать ее (или не находить эмпирически).

В этом можно видеть фундаментальное значение теоремы Гаусса (закона Гаусса) в теоретической физике.

Существуют аналоги (обобщения) теоремы Гаусса и для более сложных полевых теорий, чем электродинамика

Общая формулировка: Поток векторанапряжённости электрического полячерез любую произвольно выбранную замкнутую поверхность пропорционален заключённому внутри этой поверхностиэлектрическому заряду.

где

  • — поток вектора напряжённости электрического поля через замкнутую поверхность.

  • — полный заряд, содержащийся в объёме, который ограничивает поверхность.

  • —электрическая постоянная. 57Если поместить проводник во внешнее электростатическое поле или его зарядить, то на заряды проводника будет действовать электростатическое поле, в результате чего они начнут перемещаться. Перемещение зарядов (ток) продолжается до тех пор, пока не установится равновесное распределение зарядов, при котором электростатическое поле внутри проводника обращается в нуль. Это происходит в течение очень короткого времени. В самом деле, если бы поле не было равно нулю, то в проводнике возникло бы упорядоченное движение зарядов без затраты энергии от внешнего источника, что противоречит закону сохранения энергии. Итак, напряженность поля во всех точках внутри проводника равна нулю:

Отсутствие поля внутри проводника означает, согласно, что потенциал во всех точках внутри проводника постоянен ( = const), т. е. поверхность проводника в электростатическом поле является эквипотенциальной. Отсюда же следует, что вектор напряженности поля на внешней поверхности проводника направлен по нормали к каждой точке его поверхности. Если бы это было не так, то под действием касательной составляющей Е заряды начали бы по поверхности проводника перемещаться, что, в свою очередь, противоречило бы равновесному распределению зарядов.

Если проводнику сообщить некоторый заряд Q, то нескомпенсированные заряды располагаются только на поверхности проводника. Это следует непосредственно из теоремы Гаусса (89.3), согласно которой заряд Q, находящийся внутри проводника в некотором объеме, ограниченном произвольной замкнутой поверхностью, равен

так как во всех точках внутри поверхности D=0.

Электростатическая индукция — явление наведения собственного электростатического поля, при действии на тело внешнего электрического поля. Явление обусловлено перераспределениемзарядоввнутри проводящих тел, а также поляризацией внутренних микроструктур[1] у непроводящих тел. Внешнее электрическое поле может значительно исказиться вблизи тела с индуцированным электрическим полем.

58 Электри́ческий ди́польный моме́нт — векторнаяфизическая величина, характеризующая, наряду с суммарным зарядом (и реже используемыми высшими мультипольными моментами), электрические свойства системызаряженных частиц(распределениязарядов) в смысле создаваемого ею поля и действия на нее внешних полей. Главная после суммарного заряда и положения системы в целом (ее радиус-вектора) характеристика конфигурации зарядов системы при наблюдении ее издали.

Дипольный момент — первый мультипольный момент.

Простейшая система зарядов, имеющая определенный (не зависящий от выбора начала координат) ненулевой дипольный момент — это диполь(две точечные частицы с одинаковыми по величине разноимёнными зарядами). Электрический дипольный момент такой системы по модулю равен произведению величины положительного заряда на расстояние между зарядами и направлен от отрицательного заряда к положительному, или:

— где q — величина положительного заряда, — вектор с началом в отрицательном заряде и концом в положительном.

Для системы из N частиц электрический дипольный момент равен

где — заряд частицы с номерома— её радиус-вектор; или, если суммировать отдельно по положительным и отрицательным зарядам:

где — число положительно/отрицательно заряженных частиц,— их заряды;— суммарные заряды положительной и отрицательной подсистем и радиус-векторы их «центров тяжести».

момент и потенциальная энергия диполя ???

59 Поляризация диэлектриков — явление, связанное с ограниченным смещением связанных зарядоввдиэлектрикеили поворотом электрическихдиполей, обычно под воздействием внешнегоэлектрического поля, иногда под действием других внешних сил или спонтанно.

Поляризацию диэлектриков характеризует вектор электрической поляризации. Физический смысл вектора электрической поляризации — это дипольный момент, отнесенный к единице объема диэлектрика. Иногда вектор поляризации коротко называют просто поляризацией.

  • Вектор поляризации применим для описания макроскопического состояния поляризации не только обычных диэлектриков, но и сегнетоэлектриков, и, в принципе, любых сред, обладающих сходными свойствами. Он применим не только для описания индуцированной поляризации, но и спонтанной поляризации (у сегнетоэлектриков).

Поляризация — состояние диэлектрика, которое характеризуется наличием электрического дипольного момента у любого (или почти любого) элемента его объема.

Различают поляризацию, наведенную в диэлектрике под действием внешнего электрического поля, и спонтанную (самопроизвольную) поляризацию, которая возникает в сегнетоэлектрикахв отсутствие внешнего поля. В некоторых случаях поляризация диэлектрика (сегнетоэлектрика) происходит под действием механических напряжений, сил трения или вследствие изменения температуры.

Поляризация не изменяет суммарного заряда в любом макроскопическом объеме внутри однородного диэлектрика. Однако она сопровождается появлением на его поверхности связанных электрических зарядов с некоторой поверхностной плотностью σ. Эти связанные заряды создают в диэлектрике дополнительное макроскопическое поле с напряженностью Е1, направленное против внешнего поля с напряженностью Е0. Результирующая напряженность поля Е внутри диэлектрика Е=Е01.

Соседние файлы в папке 1й семестр Физика