Билет #3.

1. Определение скорости молекул. Опыт Штерна.

Молекулы газов движутся с большими скоростями прямолинейно до столкновения. При комнатной температуре скорость молекул воздуха достигает нескольких сотен метров в секунду. Расстояние, которое в среднем пробегают молекулы от одного столкновения до другого, называют средней длиной свободного пробега молекул. У молекул воздуха при комнатной температуре средняя длина свободного пробега порядка 10^-7 м. Вследствие хаотичности движения молекулы обладают самыми разными скоростями. Но при данной температуре можно определить скорость, близкой к которой обладает наибольшее число молекул. Скорость _в, близкой к которой обладает наибольшее число молекул, называется наиболее вероятной скоростью.

Лишь очень малое количество молекул обладает скоростью, близкой к нулю, или близкой к бесконечно большой величине, во много раз превосходящей наиболее вероятную скорость. И, конечно, отсутствуют молекулы, скорость которых равна нулю или бесконечно велика. Зато большинство молекул обладает скоростью, близкой к наиболее вероятной.

С увеличением температуры скорости молекул увеличиваются. Но количество молекул, обладающих скоростью, близкой к наиболее вероятной, уменьшается, так как возрастает разброс в скоростях, возрастает количество молекул, скорости которых существенно отличаются от наиболее вероятной. Число молекул, движущихся с большими скоростями, возрастает, а с меньшими, - уменьшается. И з-за огромного количества молекул в любом объеме газа их направления движения вдоль любой оси координат равновероятны, если газ находится в состоянии равновесия, т. е. в нем нет потоков. Это значит, что любому направленному движению одной молекулы соответствует антинаправленное движение другой молекулы с такой же скоростью, т. е. если одна молекула движется, например, вперед, то обязательно найдется другая молекула, которая движется с такой же скоростью назад. Поэтому быстроту движения молекул с учетом их направления нельзя охарактеризовать средней скоростью всех молекул, она всегда будет равна нулю, ведь положительная скорость, сонаправленная с одной из осей координат будет складываться с отрицательной скоростью, антинаправленной этой оси. Если же значения скоростей всех молекул возвести в квадрат, то все минусы исчезнут. Если, затем сложить квадраты скоростей всех молекул, а затем разделить на число молекул N, т. е. определить среднюю, величину квадратов скоростей всех молекул, а затем извлечь квадратный корень из этой величины, то он уже не будет равен нулю и им можно будет охарактеризовать быстроту движения молекул. Корень квадратный из среднего значения квадратов скоростей всех молекул называется их средней квадратичной скоростью . Из уравнений молекулярной физики следует что .

Опыт Штерна.

Первое экспериментальное определение скорости молекул было сделано в 1920 г. немецким физиком О. Штерном. В нем определялась средняя скорость движения атомов. Схема эксперимента изображена на рис.

На плоском горизонтальном основании закреплены две коаксиальные цилиндрические поверхности 1 и 2, которые вместе с основанием могут вращаться вокруг вертикальной оси ОО₁. Поверхность 1 сплошная, а п оверхность 2 имеет узкую щель 4, параллельную оси ОО₁. Этой осью является платиновая посеребренная проволочка 3, через которую пропускают электрический ток. Вся система находится в камере, из которой откачан воздух (т.е. в вакууме). Проволоку нагревают до высокой температуры. Атомы серебра, испаряясь с ее поверхности, заполняют внутренний цилиндр 2. Узкий пучок этих атомов, прошедший сквозь щель 4 в стенке цилиндра 2, долетает до внутренней поверхности цилиндра 1. Если цилиндры неподвижны, атомы серебра откладываются на этой поверхности в виде узкой полоски, параллельной щели (точка В), (сечение цилиндров горизонтальной плоскостью).

Когда цилиндры приводят во вращение с постоянной угловой скоростью  вокруг оси ОО₁ за время t, в течение которого атомы летят от щели до поверхности внешнего цилиндра (т. е. проходят расстояние АВ, равное разности радиусов этих цилиндров), цилиндры поворачиваются на угол , и атомы осаждаются в виде полоски в другом месте (точка С, рис. б). Расстояние между местами осаждения атомов в первом и во втором случаях равно s.

Обозначим среднюю скорость движения атомов, а v = R - линейную скорость наружного цилиндра. Тогда . Зная параметры установки и измерив экспериментально s, по можно определить среднюю скорость движения атомов. В опыте Штерна было установлено, что средняя скорость атомов серебра равна 650 м/с.

2. Приборы магнитоэлектрической системы

Принцип действия: вращающий момент возникает в результате взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и магнитного поля катушки (рамки), по которой протекает ток

1 – постоянный магнит, 2 – полюсные наконечники, 3 – неподвижный сердечник, 4 – подвижная катушка, 5 – полуоси, связанные с рамкой

6-спиральная пружинка, 7 – стрелка, 8 – противовесы.

В зазоре между полюсными наконечниками и сердечником создается МП, в котором находится подвижная прямоугольная рамка, намотанная тонким медным или алюминиевым проводом на каркас. Спиральные пружинки, предназначенные для создания противодействующего момента, одновременно используются и для подачи тока в рамку. Рамка жестко соединена со стрелкой.

Достоинства: Угол отклонения стрелки прибора – прямо пропорционален току, проходящему через рамку – шкала равномерная. Недостатки: Может измерять только постоянные токи.

Приборы электродинамической системы

Вращающий момент возникает в результате взаимодействия магнитных полей неподвижной и подвижной катушек с током. В основе их работы – явление динамического взаимодействия двух проводников с током.

1 – неподвижная катушка; 2 –подвижная катушка, 3 – ось;

4 –спиральная пружина; 5 – стрелка; 6 – шкала.

Угол поворота пропорционален произведению токов в катушках, а шкала электродинамического прибора – не равномерная.

Назначение электродинамических приборов измерение переменных и постоянных токов и напряжений(амперметры, вольтметры), измерение мощности (ваттметры), частотомеры и фазометры

Достоинства: обладают высокой точностью, пригодность для работы на постоянном и переменном токе

Недостатки: плохо переносят удары, тряску и вибрацию, неравномерная шкала, большое самопотребление мощности, чувствительны к влиянию внешних МП, частоты и температуры

Приборы электромагнитной системы

1 – ферромагнитный сердечник, укрепленный на оси прибора, 2 – спиральная пружинка, 3 – грузики-противовесы,

4 – неподвижная катушка, 5 – воздушный успокитель.

Для создания вращающего момента используется действие магнитного поля, создаваемого током в неподвижной катушке, на подвижный ферромагнитный сердечник

Назначение

Измерение переменных и постоянных токов и напряжений (амперметры, вольтметры), измерение мощности (ваттметры), измерение частоты и фазового сдвига между током и напряжением, диапазон измерений: токи – 0…200 А , напряжения – 0…600 В

Достоинства: Большая перегрузочная способность, простота конструкции, высокая надежность ,невысокая стоимость ,возможность непосредственного измерения больших токов и напряжений, работа в цепях постоянного и переменного тока.

Недостатки: Неравномерная шкала, большое самопотребление энергии, подверженность влиянию внешних МП и температуры.

Приборы электростатической системы

Основаны на принципе взаимодействия электрически заряженных проводников (конденсатор).

1 – неподвижные камеры, 2 – спиральная пружинка, 3 – ось с указателем, 4 – две подвижные пластины.

Непосредственно они могут измерять только напряжение. Пригодны для измерения постоянного и переменного напряжения

Достоинства: не чувствительны к влиянию частоты, при измерении на постоянном токе их собственное потребление практически равно нулю, пригодны для измерения в цепях постоянного и переменного тока, большой вращающий момент (позволяет использовать их в качестве самопишущих приборов).