2.2 Розподіл молекул ідеального газу за їхніми швидкостями

Розпо́діл Ма́ксвелла-Бо́льцмана визначає ймовірність того, що частинка ідеального газу перебуває в стані з певною енергією.

Ймовірність того, що частинка перебуває в стані з енергією   згідно з розподілом Больцмана визначається формулою:

,

де μ — хімічний потенціал, T — температура, k_B — стала Больцмана.

Хімічний потенціал μ визначається з умови

де N — число частинок.

Розподіл Больцмана справедливий тільки в тих випадках, коли  . Ця умова реалізується при високих температурах.

Барометрична формула, розподіл Больцмана

Барометри́чна фо́рмула (рос. барометрическая формула; англ. barometric height formula; нім. barometrische Formel) — формула, за якою визначають залежність тиску або густини газу від висоти. Ця залежність зумовлена дією поля тяжіння Землі і тепловим рухом молекул газу (повітря). Припускаючи, що газ є ідеальним газом сталої температури, і вважаючи поле тяжіння Землі однорідним, отримують барометричну формулу такого вигляду:

,

де p₀ — тиск на нульовому рівні (на рівні вибою в газових свердловинах, біля поверхні Землі або на рівні моря), Па;

p — тиск на висоті h, м над цією поверхнею, Па;

m — маса молекули (для повітря дорівнює масі молекули азоту), кг;

g — прискорення вільного падіння, м/с²;

k — стала Больцмана, Дж/К;

T — абсолютна температура повітря, К.

Розподіл Больцмана

В класичній статистиці частка ідеального газу має лише кінетичну енергію.

Число часток з імпульсами в проміжку   визначається формулою:

,

де m — маса частки.

У випадку коли дана формула виражена через швидкості, а не через імпульси, вона носить назву розподілу Максвелла

.

Зіткнення молекул, середня довжина вільного пробігу молекул

 – середня кількість зіткнень між молекулами.

,

Вакуумна техніка

Вакуумна техніка, сукупність методів і апаратури для здобуття, підтримки і контролю вакууму.

  Історія розвитку фізики і хімії, а також ряду галузей промисловості нерозривно пов'язана з розвитком Ст т. Герон з Александрії (ймовірно, 1 ст) описує пристосування ( мал. 1 і 2 ), які можна вважати прототипами пневматичних механізмів, використаних пізніше для створення розрідження. Перші досліди з вакуумом відносяться до 40-м-коду рр. 16 ст У 1654 німецький учений О. фон Геріке поставив досвід з Магдебурзькими півкулями, наочно показавши існування атмосферного тиску. Насос, яким він користувався, був першим насосом для здобуття вакууму

2.3 Основи термодинаміки. Перше та друге начало термодинаміки. Теплота та робота. Внутрішня енергія системи як функція стану. Перше начало термодинаміки. Термодинамічні діаграми. Ізопроцеси в газах. Адіабатичний процес. Теплоємність газів.

Термодинáміка - розділ теоретичної фізики, що стосується законів явищ поширення та збереження тепла. Розрізняють феноменологічну та статистичну термодинаміки. Остання в свою чергу поділяється на класичну й квантову.

Пе́рший зако́н термодина́міки — одне з основних положень термодинаміки, є, по суті, законом збереження енергії у застосуванні до термодинамічних процесів

Дру́гий закон термодина́міки — один із основних законів фізики, закон про неспадання ентропії в ізольованій системі.

Вн́утрішня ене́ргія тіла (позначається як E або U) — повна енергія термодинамічної системи за винятком її кінетичної енергії як цілого і потенціальної енергії тіла в полі зовнішніх сил. Внутрішня енергія складається з кінетичної енергії хаотичного руху молекул, потенціальної енергії взаємодії між ними і внутрішньомолекулярної енергії.

Ізопроцеси є рівноважними термодинамічними процесами, які відбуваються в газі постійної маси () при незмінному значенні одного з термодинамічних параметрів

2.4 Круговым процессом (или циклом) назы­вается процесс, при котором система, пройдя через ряд состояний, возвращает­ся в исходное. На диаграмме процессов цикл изображается замкнутой кривой

Если за цикл совершается положительная ра­бота (цикл протекает по часовой стрелке), то он называется пря­мым (а), если за цикл совершает­ся отрицательная работа (цикл протекает против часовой стрел­ки),он обратний (б)

Прямой цикл используется в тепловых двигателях — периодически действующих двигателях, совершающих работу за счет полученной извне теплоты. Обратный цикл

используется в холодильных машинах периодически действующих установках, в которых за счет работы внешних сил теплота переносится к телу с более высокой температурой.

В результате кругового процесса система может теплоту как получать, так и отдавать, поэтому Q=Q₁+Q₂

где Q₁— количество теплоты, полученное системой, Q₂— количество теплоты, от­данное системой. Поэтому термический коэффициент полезного действия для кру­гового процесса

Термодинамический процесс называется обратимым, если он может происходить как в прямом, так и в обратном направле­нии, причем если такой процесс происхо­дит сначала в прямом, а затем в обратном направлении и система возвращается в ис­ходное состояние, то в окружающей среде и в этой системе не происходит никаких изменений. Всякий процесс, не удовлетво­ряющий этим условиям, является необра­тимым.

Ентропия Функция состояния, дифференциалом которой является , называется энтропией и обозначается S.

обратимый процесс -

необратимый процесс -

Термодина­мическая вероятность W состояния систе­мы — это число способов, которыми может быть реализовано данное состояние мак­роскопической системы

Формула Больцмана

где k — постоянная Больцмана.

энтропия являет­ся мерой неупорядоченности системы. В самом деле, чем больше число микросостояний, реализующих данное макрососто­яние, тем больше энтропия.

Второе начало термодинамики

в процессах, происходящих в замкнутой системе, энтропия не убывает: Статистическое понимание Возрастание энтропии в замкнутой системе при необратимых процессах: возрастание энтропии означает переход системы из менее вероятных в более вероятные состояния.

т ретьим началом термодинамики, или теоремой Нернста — Планка: энтропия всех тел в со­стоянии равновесия стремится к нулю по мере приближения температуры к нулю Кельвина:

К

изотерма

T=const

P₁V₁=P₂V₂

адіабата

відсутній обмін між системою та навк.середовищем

арно теоретически проанализировал обратимый наиболее экономичный цикл стоящий из двух изотерм и двух адиабат. называемый циклом Карно.

2.5 Фізична кінетика – розділ фізики що вивчає процеси при порушенні рівноваги

явлениями переноса-

в результате которых происходит пространственный перенос энергии, массы, импульса. К явлениям переноса относятся теплопроводность (переносом энергии), диффузия (перено­сом массы) внутреннее трение(переносом импульса).

Теплопроводность. Если в одной об­ласти газа средняя кинетическая энергия молекул больше, чем в другой, то с течени­ем времени вследствие постоянных стол­кновений молекул происходит процесс вы­равнивания средних кинетических энергий молекул, т. е., иными словами, выравнива­ние температур.

Перенос энергии в форме теплоты под­чиняется закону Фурье:

где j_Е — плотность теплового потока, λ — теплопроводность, - градиент температуры, Знак минус показывает, что при теплопроводности энергия переносит­ся в направлении убывания температуры.

Дифузія – це взаємне проникнення молекул однієї речовини, між молекулами іншої речовини

D – коеф. дифузії; - градієнт густини газу; D-це фіз.. величина, що чисельно=масі

реч-ни що переноситься через площ.1м² при град. густини 1.

В’язкість – передача імпульсу

2.6 Рівновага фаз і фазові перетворення

Ф аза – однорідна частина середовища відокремлена від нього межею поділу.

Умови рівноаги фаз:

- питомі об’єми фаз

Фазовий перехід 1 роду-перехід при якому або поглинається або виділяється тепло(пл..льоду, конденсація,кристаліз.)

При рассмотрении реальных газов надо учитывать силы межмолекулярного взаимод. Силы отталкивания +, а силы -. Элементарная работа силы F при увеличении расстояния между молекула­ми на dr совершается за счет уменьше­ния взаимной потенциальной энергии мо­лекул, т. е.

любое вещество в за­висимости от температуры может нахо­диться в газообразном, жидком или твер­дом агрегатном состоянии, причем темпе­ратура перехода из одного агрегатного состояния в другое зависит от значения П_min для данного вещества. Агрегатні стани – рідкий, твердий, газоподібний.Реальні гази –гази, властивості яких залежать від взаємодії молекул. Рівняння Ван-дер-Ваальса для моля газа

b — объем, занимаемый молекулами

а — постоянная Ван-дер-Ваальса,

урав­нение состояния реальных газов.

Неустойчивые со­стояния называются метастабильными. Изотерма Ван-дер-Ваальса участок 2—3 изображает перегретую жидкость, 5—6 — пересыщенный пар. Обе фазы ограниченно устойчивы.

Критична температура(своя для кожної речовини) це температура, коли при будь якому тиску вагомим є тільки один розв’язок.

Вещество в газообразном со­стоянии при температуре ниже критиче­ской называется паром, а пар, находящий­ся в равновесии со своей жидкостью, на­зывается насыщенным.

Точка роси – це температура при якій ненасичена пара стає насиченою.

Точка при якій існують три термодинамічні фази називається потрійною точкою.

зрідження газів –перетворення будьяких газів в рідину, можливе тільки при температурі нижче за критичну.

Вологість повітря

- відносна вологість

Вологість виміряють психометрами та гігрометрами

2.7 Уявлення про близький порядок розташування молекул у рідинах та аморфних речовинах.характер расположения частиц жидкости промежуточен между га­зом и твердым телом. молекулы жидкости довольно медленно перемеща­ются по всей массе жидкости и диффузия происходит гораздо медленнее, чем в газах. С повышением температуры жидкости уменьшается вязкось. радиус молекулярного действия r -минимальное расстояние где силами притяжения между моле­кулами можно пренебречь а сфера радиу­са r — сферой молекулярного действия. результирующие силы всех молекул поверхностного слоя оказывают на жид­кость давление, называемое молекуляр­ным (внутренним). поверхностная энергия- энергия, которой облада­ют молекулы в поверхностном слое жидкости. она пропорциональна площади слоя ΔS:

где — поверхностное натяжение – равно силе поверхностного натяжения, приходя­щейся на единицу длины контура, ограни­чивающего поверхность. Вещества, ослабляющие поверхностное натяжение жидкости, называются поверхностно-активными. Адсорбция – поглощение вещества из газообразной среды или раствора поверхностным слоем жидкости или твердого тела. На­иболее известным поверхностно-активным веществом по отношению к воде является мыло.

Капилляр- трубка алого диаметра.

Явление изменения высоты уровня жидкости в капиллярах называется капиллярностью.

Полимеры — органические аморфные тела, молекулы которых состоят из большого числа одинаковых длинных молекулярных цепочек, соединенных химическими связями. К полимерам относят­ся как естественные(крахмал, белок, каучук)так и искусственные (пластмасса, резина, капрон) органические вещества. Полимерам присущи прочность и эластичность некоторые полимеры выдерживают растяжение, в 5—10 раз превышающее их первоначальную длину.

2.8 Структура, для которой харак­терно регулярное расположение частиц с периодической повторяемостью в трех измерениях, называется кристаллической решеткой.Точки, в которых расположены частицы называются узлами кристаллической ре­шетки.Монокристаллы — твер­дые тела, частицы которых образуют еди­ную кристаллическую решетку.

Поликристалли-состоят из множества беспорядочно ориентированных мелких кристаллических зерен Анизотропность-зависимость физических свойств от направления.

Класифікація елементарних кристалчних комірок

Т риклінна

Моноклінна

Ромбічна ;Кубічна

Види кристалічних решіток:1)Іонна-в вузлах іони.2)Атомна-взаємодія між двома нейтральними атомами.3)Молекулярна-в вузлах молекули.4)Металічна-в вузлах іони металів.

Дефекти кристалів:1)Вакансія,2)заміна атома на атом іншого сорту,3)в міжвузлових відстанях-додатковий атом.

Зниж. фізико механічні власт кристалів.

Рідкі кристали-проміжне між рідинами і твердими тілами.Види:

Нематик Смектик

Х олестерик

2.9 Фазовые переходы I и ІІ рода Фазовые диаграмы, уравнению Клапейрона — Клаузиуса, Тройная точка

Фазой называется термодинамически равновесное состояние вещества, отличающееся физическим свойствам от других возможных равновесных состояний того же вещества. Если, например, в закрытом сосуде находится вода, то эта система является двухфазной: жидкая фаза — вода; газообразная фаза — смесь воздуха с водяными парами. Если в воду бросить кусочки льда, то эта система станет трехфазной, в кото­рой лед является твердой фазой. Переход вещества из одной фазы в другую — фазовый переход. Всегда связан с качественными измене­ниями свойств вещества. Примером фазового перехода могут служить изменения агрегатного состояния вещества или переходы, связанные с изменениями в составе, строении и свойствах вещества (например, переход кристаллического вещества из одной модификации в другую).

Различают фазовые переходы двух родов. Фазовый переход I рода (например, плавление, кристаллизация) сопровождается поглощением или выделением теплоты, называемой теплотой фазового перехода. Фазовые переходы I рода харак­теризуются постоянством температуры, изменениями энтропии и объема. Объяснение этому можно дать следующим образом. Например, при плавлении телу нужно сооб­щить некоторое количество теплоты, чтобы вызвать разрушение кристаллической решетки. Подводимая при плавлении теплота идет не на нагрев тела, а на разрыв межатомных связей, поэтому плавление протекает при постоянной температуре. В по­добных переходах — из более упорядоченного кристаллического состояния в менее упорядоченное жидкое состояние — степень беспорядка увеличивается, согласно второму началу термодинамики, этот процесс связан с возрастанием энтропии систе­мы изменением теплоемкости Фазовые переходы, не связанные с поглощением или выделением теплоты и изменением объема, называются фазовыми переходами ІІ рода. Эти переходы характеризуются постоянством объема и энтропии, но скачкообразным изменением теплоемкости, фазовые переходы II рода связаны с изменени­ем симметрии: выше точки перехода система, как правило, обладает более высокой симметрией, чем ниже точки перехода. Примерами фазовых переходов II рода являються: переход ферромагнитных веществ (железа, никеля) при определенных давлении и температуре в парамагнитное состояние; переход металлов и некоторых сплавов при температуре, близкой к 0 К, в сверхпроводящее состояние, характеризуемое скачкообразным уменьшением электрического сопротивления до нуля;. Для наглядною изображении фазовых превращений используется диаграми (рис 1), на которой координат р t задаеться зависимость между температурой фазового перехода и давлением в виде кривых испарения (КИ). плавления(КП) исублимации(КС), разделяющих поле диаграммы на три области, соответст­вующие условиям существования твердой (ТГ) жидкой (Ж) и газообразной (Г) фаз. Кривые на диаграмме называются кривыми фазового равновесии, каждая точка на них соответствует условиям равновесия двух сосуществующих фаз: КП — твердого тела и жидкости, КИ — жидкости и газа, КС — твердого тела и газа.Точка, в которой пересекаются эти кривые и которая, следовательно, определяет условия одновремен­ного равновесного сосуществования трех фаз вещества, называется тройной точкой. Каждое вещество имеет только одну тройную точку. Тройная точка воды соответству-т температуре 273,16 К (или температуре 0,01°С по шкале Цельсия) и является сковной реперной точкой для построения термодинамической температурной шкалы. Согласно уравнению Клапейрона — Клаузиуса, производная от равновесного явления по температуре равна dp/dt=L/T(V2 –V1) де L-теплота фазового перехода, (V2 –V1) изменение объема вещества при персходе его из первой фазы во вторую, т — температура перехода

давлении диаграмма состояния, , позволяет судить, в каком состоянии находится данное вещество при определенных р и Т,а также какие фазовые переходы будут происходить при том или ином процессе.

3.1 Електричне поле в вакуумі, в речовині,елекричний заряд Закон Кулона Вектор напруженості. теорему Гаусса. Электрический заряд — величина релятивистские инвариантная, не зависит от системы отсчета, а значит, не зависит от того, движется этот заряд или покоится. Единица электрического заряда— кулон (Кл) — электрический заряд, проходящий через попереч­ное сечение проводника при силе тока 1 А за время 1 с. Закон Кулона: сила взаимодействия F между двумя неподвижными точечными зарядами, находящимися в вакууме, пропорциональна зарядам Q₁ и Q₂ и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними где к — коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц. Эта сила называется кулоиовской склой. Величина ε₀ есть електрической постоянной и раина ε₀=8,85 • 10 ^-12 Кл2/(Нм2), или Ф/м, где фарад (Ф) — единица электрической емкости Напряженность электростатического поля в данной точке есть физическая величина, определяемая силой, действующей на пробный единичный положительный заряд помещенный в эту точку поля: Е = F/Qo

напряженность поля точечного заряда в вакууме Направление вектора Е совпадает с направлением силы, действующей на положитеный заряд. Если поле создается положительным зарядом, то вектор Е направлен вдоль радиуса-вектора от заряда во внешнее пространство если поле создается отрицательным зарядом, то вектор Е направле к заряду Величина

Називаеться потоком вектора напряженности через площадку dS.

Е=ΣЕ, Формула выражает принцип суперпозиции (наложении) электростат полей, согласно которому напряженность Е результирующего поля, создаваема системой зарядов, равна геометрической сумме напряженностей полей, создаваем» в данной точке каждым из зарядов в отдельности. Принцип суперпозиции применим для расчета электростатического поля электрического диполя. Электрический диполь — система двух равных по модулю разнименных точечных зарядов. Упрощение вычисления: В соответствии с формулой Гаусса поток вектора напряженности сквозь сферичес­кую поверхность радиуса r, охватывающую точечный заряд Q, находящийся в ее центре равенЭтот результат справедлив для замкнутой поверхности любой формы. Действительно, если окружить сферу произвольной замкнутой поверхностью, то каждая линия напряженности, пронизывающая сферу, пройдет и сквозь эту поверхность. Если замкнутая поверхность произвольной формы охватывает заряд то при пересечении любой выбранной линии напряженности с поверхностью она то входит в нее, то выходит из нее. напряженности, выходящих из нее. Таким образом, для поверхности любой формы, если она замкнута и заключает в себя точечный заряд Q, поток вектора Е будет равен Q/ε_0.

Формула выражает теорему Гаусса для электростатического поля в вакууме:Напрямок вектора напряженности электростатического поля в вакууме сквозь произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме заключенных внутри этой поверхности зарядов, деленной на ε. Эта теорема выведена математическии векторного поля любой природы русским математиком М. В. Остроградским

3.2 Робота сил електростатичного поля. Звязок між напруженістю і потенціалом Циркуляция вектора напряженности электростатического поля. Если в электростатическом поле точечного заряда Q из точки 1 в точку 2 вдоль произвольной траектории перемещается другой точечный заряд QQ₀, то сила, приложенная к заряду, совершает работу. Работа силы F на элементарном перемеще­нии dl равна:

Работа при перемещении заряда Qo из точки 1в точку 2

не зависит от траектории перемещения, а определяется только положениями начальной 1 и конечной 2 точек.

Если в качестве заряда, переносимого в электростатическом поле, взять единичный точечный положительный заряд, то элементарная работа сил поля на пути dl равна Edl=Eldl где E=Elcosά — проекция вектора Е на направление элементарного переме­щения. Тогда формулу можно записать в виде

циркуляция вектора напряженности. Она, как и в механике, определяется неоднозначно, а с точностью до произвольной постоянной С. Если считать, что при удалении заряда в бесконечность потенци­альная энергия обращается в нуль (U=0) то С=О и потенциальная энергия заряда находящегося в поле заряда Q на расстоянии r от него, равна

Потенциальна энергия U заряда Qq, находящегося в этом поле, равна сумме потенциальных энергий каждого из зарядов:

Потенциал в какой-либо точке электростатического поля есть физическая величина, определяемая потенциальной энергией единичного положительного заряда, помещен­ного в эту точку поля

Работа, совершаемая силами электростатического поля при перемещении заряда, Qo из точки 1 в точку 2 может быть представлена как добуток

заряда на разность потенциалов.

Единица потенциала — вольт (В): 1 В ето потен­циал такой точки поля, в которой заряд в 1 Кл обладает потенциальной энергией 1 Дж (1 В = 1 Дж/Кл). вытекает, что если поле создается несколькими зарядами, то потенциал поля системы зарядов равен алгебраической сумме потенциалов полей. всех этих зарядов:

напряженность E поля равна градиенту потенциала со знаком минус.E=-grad φ Знак определяется тем, что вектор напряженности Е поля направлен в сторону убывания потенциала. Эквипотенциальная поверхность - во всех точках которой потенциал имеет одно и тоже значение. Напряженностью электростатического поля, являющейся его силовой характеристикой, и потенциалом — энергетической характеристикой поля.

3.3 Электрический диполь- система двух равных по модулю разноименных точечных зарядов (+Q, -Q), расстояние l между которыми значительно меньше расстояния до рассматриваемых точек поля. Вектор, направленный по оси диполя (прямой, проходящей через оба заряда) от “-“ к “+” и равный расстоянию между ними, называется плечом диполя 1. Вектор P=lQll, совпадающий по направлению с плечом диполя и равный произведению заряда Q на плечо 1, называется электрическим дипольным моментом. Согласно принципу суперпозиции напряженность Е поля диполя в произ­вольной точке где Е+ и Е - напряженности полей, создаваемых соответственно положительным и отрицательным зарядами. Напряженность поля на продолжении оси диполя в точке А

Согласно определению диполя, поэтому

Напряженность поля на перпендикуляре, восставленном к оси на его середины, точке В Точка В равноудалена от зарядов, поэтому

где r — расстояние от точки В до середины плеча диполя. Из подобия равнобедренных треугольников, опирающихся на плечо диполя и вектор Ев, получим

Диэлектрик состоит из атомов и молекул. Так как положитель­ный заряд всех ядер молекулы равен суммарному заряду электронов, то молекула в целом электрически нейтральна. Если заменить положительные заряды ядер молекул суммарным зарядом + Q, находящимся в центре положительных зарядов, а заряд всех электронов — суммарным отрицательным зарядом — Q, находящимся в центре отрицательных зарядов, то молекулу можно рассматривать как электрический диполь с электрическим моментом, определяемым формулой ионов разных знаков.Таким образом, внесение всех трех групп диэлектриков во внешнее электрическое ноле приводит к поляризации диэлектрика. Поляризацией диалектрика называется процесс ориентации диполей или появления под воздействием внешнего электрического поля ориентированных по полю диполей.

Три вида поляризации: электронная, или деформационная, поляризация диэлектрика с неполярным молекулами,заключающаяся в возникновения у атомов индуцированного дипольного момента за счет деформации электронных. орбитдипольная, поляризация диэлектрика с полярными молекулами, имеющихся дипольных моментов молекул по полю тепловое движение препятствует полной ориентации молекул,но в результате совместного действия обоих факторов возникает преимущественная ориентация дипольных моментов молекул. Эта ориентация тем сильнее, чем больше ментов. Поляризованность. Напряженность поля в диэлектрике

При помещении диэлектрика во внешнее электрическое поле он поляризуется, т. е. приобретает отличный от нуля дипольный момент некомпенсированные заряды, появляющиеся в результате поля­ризации диэлектрика, называются связанными. Поляризация диэлектрика вызывает уменьшение в нем поля по сравнению с первоначальным внеш­ним полем. Вне диэлектрика Е=Ео. Появление связанных зарядов приводит к возникновению допол­нительного электрического поля Е' (созд. связанными зарядами), кото­рое направлено против внешнего поля Eq (созд. свободными зарядами) и ослабляет его. Результирующее поле внутри диэлектрика E=Eq—Е. Полный дипольный момент пластинки диэлектрика PV=PV=PSd, где S — площадь грани пластинки, d — ее толщина. напряженность результирующего поля внутри диэлектрика

Электрическое смещение.

еденица(Кл/м²).

Теорема Гаусса для електростатического поля в диелектрике:

поток вектора смещения электроста­тического поля в диелектрике ктрике сквозь произвольную замкнутую поверхность = алгебраической суме заключенных внут­ри этой поверхности свободных электриче­ских зарядов.

3. 4

Провідники в електричному полі Провідники - речовини, які мають вільні електрони, що рухаються по всьому об'єму провідника. До провідників належать всі метали, у яких носіями за­рядів є електрони провідності. У водних розчинах солі, кис­лоти, лугу носіями заряду є іони, в іонізованих газах - елек­трони та іони.

Всі носії зарядів беруть участь у хаотичному русі, а під дією електричного поля виникає їх упорядкований рух. П ри внесенні металевого провідника в зовнішнє поле відбувається перерозподіл зарядів у £ провіднику: вільні електрони зміщу­ються назустріч полю так, що на одній поверхні виникає їх надлишок, а на другій - рівний по величині, але про­тилежний за знаком позитивний заряд . Електричне поле, що виникає при цьому в се­редині провідника Е_е, компенсує зовнішнє Е_е і тому резуль­туюче поле в провіднику дорівнює нулю: Перерозподіл зарядів у провіднику відбувається прак­тично миттєво.Електростатичною індукцією називається процесі пере­розподілу електричних зарядів у провіднику під впливом зовнішнього електричного поля.Через те, що заряди після перерозподілу знаходяться тільки на зовнішній поверхні провідника, електричне поле всередині провідника, а також і всередині сфери, дорівнює нулю. Відсутність поля всередині провідника дає змогу створити електростатичний захист приладів. Для електро­статичного захисту використовують заземлений мідний ек­ран, суцільний або сітку з дроту. Досліди показують, що між зарядом тіла і його потенці­алом існує прямо пропорційна залежність:

q = C , де С - коефіцієнт, який залежить від форми і розмірів тіла. Електрична ємність (електроємність) провідника С є фізична величина, чисельно рівна відношенню величини за­ряду q провідника до потенціалу цього провідника:

3.5

Перше правило Кирхгофа каже, що алгебраїчна сума потоків, що сходяться у вузлі, дорівнює нулю: Це правило випливає з рівняння безперервності, тобто, в остаточному підсумку, із закону збереження заряду. Для постійного струму VI усюди дорівнює нулю . Отже, потік вектора j повинен бути дорівнює нулю.Рівняння можна написати для кожного з N вузлів ланцюга. Однак незалежними є тільки N — 1 рівнянь, N-t буде наслідком з них. Друге правило ставиться до будь-якому виділеному в розгалуженому ланцюзі замкнутому контуру (див., наприклад, контур 1—2—3--4—1 . Задамося напрямком обходу (наприклад, по годинній стрілці, як зазначено на

і застосуємо до кожного з нерозгалужених ділянок контуру закон Ома:

При додаванні цих виражень потенціали скорочуються й виходить рівняння

яке виражає друге правило Кирхгофа.

Рівняння може бути складене для всіх замкнутих контурів, які можна виділити подумки в даному розгалуженому ланцюзі. Однак незалежними будуть тільки рівняння для тих контурів, які не можна одержати накладенням інших контурів один на одного. Так, наприклад, для ланцюга, зображеної на мал. 36.3, можна скласти три рівняння:

1. для контуру 1—2—3—6—1

2. для контуру 3—4-5--6—3,

3. для контуру 1—2—3—4—5—6—1.

Останній контур виходить накладенням перших двох. Тому рівняння не будуть незалежними. У якості незалежних можна взяти будь-які два рівняння із трьох. При складанні рівнянь другого правила Кирхгофа струмам й Е. Р. С. потрібно приписувати знаки відповідно до обраного напрямку обходу. Наприклад, струм 1± 3 потрібно вважати негативним, тому що він тече назустріч обраному напрямку обходу. Е.Р.С.

Напрямку обходу в кожному з контурів можна вибирати зовсім довільно й незалежно від вибору напрямків в інших контурах. При цьому може трапитися, що той самий струм або та сама Е. Р. С.. увійде в різні рівняння з різними знаками. Це, однак, не має ніякого значення, тому що зміна напрямку обходу викликає лише зміна всіх знаків у рівнянні. Число незалежних рівнянь, складених відповідно до першого й другого правил Кирхгофа, виявляється рівним числу різних струмів, що течуть у розгалуженому ланцюзі. Тому, якщо задані Е. Р. С. й опору для всіх нерозгалужених ділянок, то можуть бути обчислені всі струми. Закон Ома для повного (замкнутого) кола: Сила стру­му в замкнутому електричному кот пропорцшна ЕРС дже­рела та обернено пропорційна cyмi oпopiв цього кола:

Добуток сили струму на oпip ділянки кола IR називають спадом напруги на цій ділянці кола.

Якщо R « r (коротке замикання), струм буде нaйбiльший:

джерело струму руйнується.

Корисна робота постійного струму

Закон Ома для однорідної ділянки кола:

Сила струму в однорідному

провіднику прямо пропор­ційна різниці потенціалів на його кінцях і обернено про­порційна опору цієї ділян­ки:

де - питомий опір, залежить температури, l - довжина провідника S - переріз провідника

Опір при паралельному сполученні провідників

Для постійного струму

Сила постійного струму у металевому провіднику:

Опір при послідовному сполученні провідників

де п - концентрація зарядів; v - швидкість упорядкованого руху зарядів; S - переріз провідника

Одиниця СІ сили струму - ампер:[I]=А.

Ампер - сила незмінного струму, який при проходженні по двох паралельних прямолінійних провідниках нескінчен­ної довжини та нескінченно малої площі поперечного пе­рерізу, розташованих у вакуумі на відстані 1 м один від од­ного, викликає між цими провідниками силу взаємоді,

3.6 Робота і потужність струму.^{Нехай через час t через поперечний переріз провідника проходить заряд q. Тоді робота струму}A = q(ф₁-ф₂)=qU=I²Rt=tU²/R

Якщо на ділянці кола не виконується механічна робота, то відбувається тільки нагрівання провідника. Згідно із за­коном збереження енергії, кількість теплоти дорівнює роботі струму: Закон Джоуля - Ленца: Кількість теплоти, яка виділя­ється в провіднику зі струмом, дорівнює добутку квадрата сили струму, опору провідника і часу проходження струму по провіднику.

^{Відношення роботи струму за час t до цього інтервалу} часу називається потужністю струму:

Одиниці СІ: роботи - джоуль: [А]=А В с =Дж; потужності - ват: [P]=AB =Вт.

Співвідношення між одиницями: роботи - 1 кВттод=3,6*10⁶Дж; потужності - 1 к.с.=736 Вт.

Для того, щоб струм у колі був постійним, потрібно в ньому підтримувати постійну напругу. Для цього потрібен пристрій, в якому неелектричні сили (сторонні сили) визивають рух зарядів проти кулонівських сил (електронів від позитивно зарядженого електрода до негативного). Ці при­строї називаються джерелами струму (генератори, акумуля­тори, гальванічні елементи). Відношення роботи сторонніх сил по переміщенню заряду до величини цього заряду нази­вається електрорушійною силою (ЕРС): Опір повного кола дорівнює R+r, де r - внутрішній опір, R - опір зовнішньої ділянки кола. Якщо за час t через поперечний переріз провідника пройшов заряд q, то робота сторонніх сил

за рахунок якої на внутрішній і зовнішній ділянках кола виділя­ється кількість теплоти: _Q=I2Rt+I2rt.

Згідно з законом збереження енергії A=Q, тоді

Закон Ома для повного (замкнутого) кола:

Сила стру­му в замкнутому електричному колі пропорційна ЕРС дже­рела та обернено пропорційна сумі опорів цього кола:

Добуток сили струму на опір ділянки кола IR називають спадом напруги на цій ділянці кола.

Якщо R « r (коротке замикання), струм буде найбіль­ший: ^{джерело струму руйнується.}

^{Корисна робота постійного струму}

_{Електричний струм в електролітах.}

^{Закони електролізу. Застосування електролізу}

Електролітами називаються рідкі речовини (розчини солей, кислот, лугів), молекули яких часткою або повністю іонізовані в процесі електролітичної дисоціації. Електролітична дисоціація - розпад молекул розчиненої речовини на позитивні і негативні іони внаслідок взаємодії з розчином. Іонною провідністю називається упорядкований рух іонів під впливом зовнішнього електричного поля. Нега­тивні аніони рухаються до аноду, а позитивні катіони - до катоду, де вони перетворюються у нейтральні атоми та мо­лекули. Електроліз - процес виділення речовини на елект­родах при проходженні електричного струму крізь елект­роліт.Перший закон Фарадея для електролізу: Маса речови­ни, яка виділяється при електролізі, пропорційна величині засяду, який пройшов через електроліт

Відношення молярної маси іона до його валентності М/п називається хімічним еквівалентом.

Другий закон Фарадея: Електрохімічні еквіваленти k речовин прямо пропорційні їхнім хімічним еквівалентам х:

де F=eN_A - стала Фарадея, М молярна маса; п ва­лентність; N_А - число Авагадро.

Фізичне значення електрохімічного еквівалента: він дорівнює відношенню маси іона м_0|- до його заряду q_Qi:

Об'єднаний закон Фарадея для електролізу:

Застосування електролізу:

• покривання тонким шаром одного метала іншим (нікелювання, хромування) - гальваностегія;

• виготовлення металевих рельєфних копій зображень електролізом - гальванопластика;

• очищення металів від домішок;

• здобування алюмінію, цинку, нікелю.

3.7

Несамостійні і самостійні розряди у газах. Плазма, її використання

Гази в звичайних умовах - добрі ізолятори; носіїв за­рядів у них майже немає. Іонізувати газ, зробити його провідним можна під дією високої температури або якогось випромінювання. При цьому електрони вириваються з ато­ма, утворюється позитивний іон і електрон. При наявності електричного поля в газі виникає струм. Процес проходжен­ня електричного струму в газі називається газовим розрядом. Несамостійний газовий розряд - розряд, зумовлений на­явністю зовнішнього джерела іонізації ( ділянка ОАВ). Із збільшенням різниці потенціалів між електродами

Ц зростає і сила струму в колі (ділянка О А). Настає момент (ділянка АВ), коли струм стає незмінним при збільшенні на­пруги - наступає насичення, тобто всі носії зарядів, що утво­рюються в тазі за секунду, дося­гають електродів. Якщо припи­нити дію іонізатора, то припи­ниться і газовий розряд. При подальшому зростанні напруги на електродах сила струму знову зростає (ділянка ВС). Це обумовлене ударною іонізацією. Ударною іонізацією нази­вається відрив електронів від атома (молекули) газу, що ви­никає при зіткненнях з атомами (молекулами) газу іонів або електронів з великою енергією, яку вони придбали під впли­вом сильного електричного поля. Якщо припинити дію зовнішнього іонізатора на цій ділянці, розряд не припинить­ся. Розряд, причиною якого є ударна іонізація, називається самостійним.

Типи самостійного розряду.

Тліючий розряд - струм малої густини, який виникає при низькому тиску та напрузі декількох сотень вольт. Викорис­товується у газосвітних трубках та лампах денного світла.Коронний розряд - слабкий струм при нормальному тис­ку і сильно неоднорідному електричному полі, виникає по­близу загострених провідників.

Іскровий розряд - електричний пробій газу при великій напруженості електричного поля, який супроводжується ви­сокою температурою та яскравим світінням (блискавки, іскрове різання металів).Дуговий розряд - струм великої густини при невеликій напрузі; використовується для електрозварювання металів, в електрометалургії, а також як джерело світла. Плазма - часткою або повністю іонізований газ з одна­ковою густиною позитивних та негативних зарядів.

Високотемпературна плазма - плазма, що виникає іскри надвисоких температурах (більше 10^а К), коли відбувається іонізація газу за рахунок зіткнення атомів і молекул; які швидко рухаються.

Низькотемпературна (газоподібна) плазма виникає при температурах до 10⁴ К при самостійному розряді в газах та бомбардуванні атомів газу швидкими зарядженими частин­ками.

Властивості плазми:

• сильна взаємодія із зовнішніми електричними та маг­нітними полями, що обумовлено її високою електропровід­ністю, яка зростає при збільшенні ступеня іонізації;

• особлива колективна взаємодія частинок плазми: кож­на частинка взаємодіє одночасно з великою кількістю інших;

• пружні властивості плазми дають можливість збуджу­ вати і розповсюджувати в плазмі різні коливання. Плазмою оточена наша планета (іоносферою). У стані плазми перебуває біля 99% речовини Всесвіту. Плазма виникає при всіх типах газових розрядів. Вона називається газорозрядною. Газорозрядну плазму використо­вують в неонових трубках для реклами, в лампах денного світла, в газових лазерах. Плазмотрони, в яких створюють потужні струмені густої плазми, використовують для зварю­вання, плавлення, різання металів, здійснення хімічних ре­акцій.Плазма використовується у магнітогідродинамічних (МГД) генераторах, а також для створення реакторів для ке­рованих термоядерних реакцій.

Електричний струм у вакуумі. Електронна емісія. Електронно-променева трубка. Принцип роботи осцилографа. Вакуумом називається такий стан розрідженого газу, при якому середня довжина вільного пробігу молекул пере­вищує розміри посудини і співударами між молекулами можна знехтувати. Електричний струм у вакуумі може протікати тоді, коли у ньому є носії заряду (електрони).Найчастіше для цього застосовується термоелектронна емісія - випромінювання електронів з поверхні твердих і рідких тіл при їх нагріванні. Термоелектронна емісія вико­ристовується в електронних лампах та

лектронно-промене­вих трубках. Найпростішою електронною лампою є двоелектродна лампа - діод. Нагрітий металевий катод безперерв­но випускає електрони, які рухаються до позитивно заряд­женого анода, підключеного до джерела ЕРС. Електричне коло замикається і в ньому встановлюється електричний струм. Якщо поміняти полярність катоду і аноду, струму не буде. Діод пропускає струм тільки в одному напрямі і засто­совується для випрямлення змінного струму.

Електронно-променева трубка - вакуумний пристрій, в якому за рахунок термоелектронної емісії створюються еле­ктронні пучки, що керуються електричними та магнітними

полями.Електронні пучки - це потоки електронів. Властивості електронних пучків:1)вони визивають світіння деяких твердих та рідких ре­човин;2)при гальмуванні швидких електронів в пучках виника­ють рентгенівські промені; 3)електронні пучки відхиляються електричними та магнітними полями;4)під дією електронних пучків деякі речовини нагріва­ються.