Применения газового разряда

Дуговой разряд для сварки и освещения.

Сверхвысокочастотный разряд

Тлеющий разряд как источник света в люминесцентных лампах и плазменных экранах.

Искровой разряд для зажигания рабочей смеси в двигателях внутреннего сгорания.

Коронный разряд для очистки газов от пыли и других загрязнений, для диагностики состояния конструкций.

Плазмотроны для резки и сварки.

Разряды для накачки лазеров, например гелий-неонового лазера, азотного лазера, эксимерных лазеров и т. д.

А также

в счётчике Гейгера,

в ионизационных вакуумметрах,

в тиратронах,

в крайтронах,

в гейслеровой трубке.

13 Ток в полупроводниках. Полупроводниковые приборы

… По значению удельного электрического сопротивления полупроводники занимают промежуточное положение между хорошими проводниками и диэлектриками. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др.), огромное количество сплавов и химических соединений. Почти все неорганические вещества окружающего нас мира – полупроводники. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры.

Качественное отличие полупроводников от металлов проявляется прежде всего в зависимости удельного сопротивления от температуры. С понижением температуры сопротивление металлов падает (см. рис. 1.12.4). У полупроводников, напротив, с понижением температуры сопротивление возрастает и вблизи абсолютного нуля они практически становятся изоляторами (рис. 1.13.1).

Рисунок 1.13.1. Зависимость удельного сопротивления ρ чистого полупроводника от абсолютной температуры T

Такой ход зависимости ρ (T) показывает, что у полупроводников концентрация носителей свободного заряда не остается постоянной, а увеличивается с ростом температуры. Механизм электрического тока в полупроводниках нельзя объяснить в рамках модели газа свободных электронов. Рассмотрим качественно этот механизм на примере германия (Ge). В кристалле кремния (Si) механизм аналогичен.

Атомы германия на внешней оболочке имеют четыре слабо связанных электрона. Их называют валентными электронами. В кристаллической решетке каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. Связь между атомами в кристалле германия является ковалентной, т. е. осуществляется парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам (рис. 1.13.2). Валентные электроны в кристалле германия связаны с атомами гораздо сильнее, чем в металлах; поэтому концентрация электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках на много порядков меньше, чем у металлов. Вблизи абсолютного нуля температуры в кристалле германия все электроны заняты в образовании связей. Такой кристалл электрического тока не проводит.

Рисунок 1.13.2. Парно-электронные связи в кристалле германия и образование электронно-дырочной пары

При повышении температуры некоторая часть валентных электронов может получить энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. Тогда в кристалле возникнут свободные электроны (электроны проводимости). Одновременно в местах разрыва связей образуются вакансии, которые не заняты электронами. Эти вакансии получили название дырок. Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары, тогда дырка переместится на новое место в кристалле. При заданной температуре полупроводника в единицу времени образуется определенное количество электронно-дырочных пар. В то же время идет обратный процесс – при встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами германия. Этот процесс называется рекомбинацией. Электронно-дырочные пары могут рождаться также при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения. В отсутствие электрического поля электроны проводимости и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении.

Если полупроводник поместить в электрическое поле, то в упорядоченное движение вовлекаются не только свободные электроны, но и дырки, которые ведут себя как положительно заряженные частицы. Поэтому ток I в полупроводнике складывается из электронного In и дырочного Ip токов: 

I = In + Ip.

Концентрация электронов проводимости в полупроводнике равна концентрации дырок: nn = np. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у чистых (т. е. без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

При наличии примесей электрическая проводимость полупроводников сильно изменяется. Например, добавка в кристалл кремния примесей фосфора в количестве 0,001 атомного процента уменьшает удельное сопротивление более чем на пять порядков. Такое сильное влияние примесей может быть объяснено на основе изложенных выше представлений о строении полупроводников.

Необходимым условием резкого уменьшения удельного сопротивления полупроводника при введении примесей является отличие валентности атомов примеси от валентности основных атомов кристалла.

Проводимость полупроводников при наличии примесей называется примесной проводимостью. Различают два типа примесной проводимости – электронную и дырочную.

Электронная проводимость возникает, когда в кристалл германия с четырехвалентными атомами введены пятивалентные атомы (например, атомы мышьяка, As).

Рисунок 1.13.3. Атом мышьяка в решетке германия. Полупроводник n-типа

На рис. 1.13.3 показан пятивалентный атом мышьяка, оказавшийся в узле кристаллической решетки германия. Четыре валентных электрона атома мышьяка включены в образование ковалентных связей с четырьмя соседними атомами германия. Пятый валентный электрон оказался излишним; он легко отрывается от атома мышьяка и становится свободным. Атом, потерявший электрон, превращается в положительный ион, расположенный в узле кристаллической решетки. Примесь из атомов с валентностью, превышающей валентность основных атомов полупроводникового кристалла, называется донорной примесью. В результате ее введения в кристалле появляется значительное число свободных электронов. Это приводит к резкому уменьшению удельного сопротивления полупроводника – в тысячи и даже миллионы раз. Удельное сопротивление проводника с большим содержанием примесей может приближаться к удельному сопротивлению металлического проводника.

В кристалле германия с примесью мышьяка есть электроны и дырки, ответственные за собственную проводимость кристалла. Но основным типом носителей свободного заряда являются электроны, оторвавшиеся от атомов мышьяка. В таком кристалле nn >> np. Такая проводимость называется электронной, а полупроводник, обладающий электронной проводимостью, называется полупроводником n-типа.

Рисунок 1.13.4. Атом индия в решетке германия. Полупроводник p-типа

Дырочная проводимость возникает, когда в кристалл германия введены трехвалентные атомы (например, атомы индия, In). На рис. 1.13.4 показан атом индия, который с помощью своих валентных электронов создал ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами германия. На образование связи с четвертым атомом германия у атома индия нет электрона. Этот недостающий электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов германия. В этом случае атом индия превращается в отрицательный ион, расположенный в узле кристаллической решетки, а в ковалентной связи соседних атомов образуется вакансия. Примесь атомов, способных захватывать электроны, называется акцепторной примесью. В результате введения акцепторной примеси в кристалле разрывается множество ковалентных связей и образуются вакантные места (дырки). На эти места могут перескакивать электроны из соседних ковалентных связей, что приводит к хаотическому блужданию дырок по кристаллу.

Наличие акцепторной примеси резко снижает удельное сопротивление полупроводника за счет появления большого числа свободных дырок. Концентрация дырок в полупроводнике с акцепторной примесью значительно превышает концентрацию электронов, которые возникли из-за механизма собственной электропроводности полупроводника: np >> nn. Проводимость такого типа называется дырочной проводимостью. Примесный полупроводник с дырочной проводимостью называетсяполупроводником p-типа. Основными носителями свободного заряда в полупроводниках p-типа являются дырки.

Следует подчеркнуть, что дырочная проводимость в действительности обусловлена эстафетным перемещением по вакансиям от одного атома германия к другому электронов, которые осуществляют ковалентную связь.

Для полупроводников n- и p-типов закон Ома выполняется в определенных интервалах сил тока и напряжений при условии постоянства концентраций свободных носителей.

Полупроводниковые приборы

К простейшим полупроводниковым приборам относятся те, которые состоят из одного полупроводника с собственной проводимостью (см. § 8-к). Этотерморезисторы и фоторезисторы – устройства, изменяющие своё сопротивление в зависимости от температуры и/или освещённости. Более сложно устроены термоэлементы и фотоэлементы, а также диоды итриоды, так как состоят из нескольких полупроводниковых веществ и уже не с собственной, а с примесной проводимостью. Термо- и фоторезисторы не создают электрический ток, а лишь меняют своё сопротивление току, идущему через них. Под влиянием тепла или света увеличивается число свободных электронов и дырок, в результате чего возрастает электропроводность (или, что то же самое, уменьшается сопротивление). Напротив, термо- и фотоэлементы способны создавать электрический ток, то есть быть источниками электроэнергии. Полупроводниковый фотоэлемент состоит из кремниевого кристалла n-типа, в котором путём добавления примесей создана p-область (см. рисунок). В § 8-к мы отметили, что на концах p-n-перехода самостоятельно возникает разноимённая электризация. То есть его можно рассматривать как источник кратковременного тока. Если же к p-n-переходу постоянно подводить световую энергию (то есть вызывать образование всё новых и новых пар «электрон-дырка»), получится постоянно действующий источник электроэнергии с напряжением около 1 В. Полупроводниковый термоэлемент состоит из двух полупроводников p-типа и n-типа, не образующих p-n-переход (см. рисунок). Они соединены металлической пластиной, к которой подводится тепло от нагревателя (показана желтым цветом). Другие концы полупроводников касаются отдельных металлических контактов, которые охлаждают (показаны зелёным цветом). Это приводит к тому, что в них уменьшается количество свободных электронов и дырок, так как при более низкой температуре «примесные» электроны реже покидают атомы, значит и реже образуются дырки. Под действием тепла в верхних концах полупроводников, наоборот, увеличивается количество свободных электронов и, соответственно, дырок. И те, и другие, отталкиваясь от своих «братьев» или «сестёр», перемещаются в нижние части своих кристалов, заряжая их разноимённо. Строго говоря, наличие двух полупроводников в термоэлементе не обязательно, так как они не касаются друг друга. Пару используют лишь для того, чтобы создать встречные потоки электронов и дырок, то есть более высокое напряжение. Наряду с этим, теплота, получаемая от источника тепла, используется полнее, что ведёт и к значительному росту КПД элемента. Полупроводниковый диод (см. рисунок) – прибор с одним p-n-переходом и двумя контактами для включения в цепь. Диоды применяются для пропускания тока только в одном направлении, что необходимо для преобразования переменного тока в постоянный (см. § 09-й), а также для детектирования радиосигналов (см. § 11-й). Как правило, диоды изготавливают из кристалла германия или кремния, с проводимостью n-типа. В одну из поверхностей кристалла вплавляют каплю индия. Вследствие диффузии атомов индия в глубь второго кристалла, в нём образуется область p-типа. Остальная часть кристалла по-прежнему имеет проводимость n-типа. Между ними и возникает p-n-переход. Для предотвращения воздействия влаги и света, а также для прочности кристалл заключают в корпус, снабжая контактами. Германиевые и кремниевые диоды могут работать в разных интервалах температур и с токами различной силы и напряжения. Полупроводниковый триод или, что то же самое, транзистор (см. схему) – прибор с двумя p-n-переходами и тремя контактами для включения в цепь. Рассмотрим пример устройства и работы p-n-p-транзистора. Его средняя прослойка n-типа называется базой и изготавливается очень тонкой для облегчения прохождения электронов и дырок. Крайние прослойки называются эмиттером и коллектором. Включим транзистор по схеме. Обратите внимание: эмиттер (он p-типа, то есть с положительной проводимостью) подключён к «+» первого источника тока. Однако коллектор (он также с положительной проводимостью) подключен наоборот: к «–» второго источника тока. По причине тонкости базы, дырки из эмиттера «засасываются» электрическим полем коллектора (его отрицательным зарядом) и проходят транзистор «насквозь». Пренебрегая малым током через базу, можно записать, что Iэ » Iк. Первый источник обычно берут с напряжением 1–10 В, а второй с напряжением 10–100 В. Тогда при указанном равенстве сил токов мы получим усиление тока по мощности в »10 раз  14. Проводники, полупроводники, диэлектрики  По способности проводить электрический ток вещества можно разделить на -проводники -полупроводники -диэлектрики Эта способность обусловлена особенностью строения веществ.    В проводниках присутствуют свободные носители заряда - это часть электронов сравнительно слабо связанных с ядром, которые могут перемещаться с орбиты одного ядра на орбиту другого под воздействием внешнего электрического поля. Такие электроны называются свободными. К проводникам относятся такие вещества, как медь, алюминий.    Диэлектриками называются вещества, основным электрическим свойством которых является их способность поляризоваться в электрическом поле. Строение диэлектриков характеризуется наличием незначительного количества свободных электронов и молекул, вытянутых по форме (полярные диполи). Суть явления поляризации заключается в том, что под воздействием внешнего электрического поля связанные заряды диэлектрика смещаются в направлении действующих на них сил и тем больше, чем выше напряженность поля.    В дипольных диэлектриках воздействие электрического поля вызывает соответствующую ориентацию дипольных молекул в направлении поля. При отсутствии поля диполи расположены беспорядочно вследствие теплового движения. В результате поляризации на поверхности диэлектрика образуются заряды разных знаков. Проводимость диэлектриков обусловлена наличием незначительного числа свободных зарядов. Диэлектрические материалы обладают очень большим электрическим сопротивлением, которое находится в пределах 106... 1011 Ом*м.    Диэлектрические материалы классифицируют по: -агрегатному состоянию: жидкие; газообразные; твердые. -по способу получения: естественные; синтетические. -по химическому составу: органические; неорганические. -по строению молекул: нейтральные; полярные.    К диэлектрикам относятся воздух, азот, элегаз, лаки, слюда , керамика, полэтилен.    Промежуточное положение между проводниками и диэлектриками занимают полупроводники. К полупроводникам относятся элементы IV группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева, которые на внешней оболочке имеют четыре валентных электрона. Типичные полупроводники - германийGe и кремний Si.    Чистые полупроводники обладают удельным сопротивлением в пределах 10-5 — 108 Ом * м. Для снижения высокого удельного сопротивления в чистые полупроводники вводят примеси - проводят легирование, такие полупроводники называются легированными. В качестве легирующих примесей применяют элементы III (бор В) и V (мышьяк As) групп периодической системы элементов Д. И. Менделеева.    Чистые полупроводники кристаллизируются в виде решетки. Каждая валентная связь содержит два электрона, оболочка атома имеет восемь электронов и находится в состоянии равновесия.    Элементы III группы (бор В) имеют на внешней оболочке три электрона. Поэтому хотя атом бора и «встанет» в кристалл, одного электрона не будет хватать. Отсутствие электрона проводит к образованию «дырки» в кристалле, что равносильно появлению положительного заряда. Если к такому полупроводнику приложить напряжение, электроны начнут двигаться к положительному контакту, а «дырки» - в обратном направлении. Двигающиеся «дырки» рассматриваются как положительно заряженные носители и полупроводники называются полупроводниками р-типа, а примеси - акцепторными.    Элементы V группы (мышьяк As) имеют на внешней оболочке пять электронов. Поэтому в кристалле один электрон окажется лишним. Примеси, при добавлении которых к полупроводнику образуются свободные электроны, называются донорными. Проводимость в полупроводнике с донорной примесью осуществляется за счет свободных электронов. Такой проводник называется полупроводником n-типа.    Область на границе двух полупроводников, один из которых имеет дырочную, а другой - электронную проводимость, называют р-n - переходом. Её свойства проводить ток при приложении напряжения в определенном направлении используют в работе полупроводниковых приборов (полупроводниковых диодов, биполярных транзисторов).

15… Техническое применение тока в различных средах В начале 19 века Ганс Христиан Эрстед сделал открытие совершенно нового электрического явления, заключавшегося в том, что при прохождении тока через проводник вокруг него образуется магнитное поле.

Спустя несколько лет, в 1831 году, Фарадей сделал ещё одно открытие, равное по своей значимости открытию Эрстеда. Фарадей обнаружил, что когда движущийся проводник пересекает силовые линии магнитного поля, в проводнике наводится электродвижущая сила, вызывающая ток в цепи, в которую входит этот проводник.

Наведённая ЭДС меняется прямо пропорционально скорости движения, числу проводников, а также напряжённости магнитного поля. Иначе говоря, наведённая ЭДС прямо пропорциональна числу силовых линий, пересекаемых проводником в единицу времени.

Более эффективным способом является намотка провода на большую катушку или изготовление катушки в виде барабана. Катушку затем насаживают на вал, располагаемый между полюсами магнита и вращаемый силой воды или пара. Так, в сущности, и устроен генератор электрического тока, который относится к механическим источникам электрического тока, и активно используется человечеством в настоящее время.

Солнечную энергию люди используют с древнейших времён. Ещё в 212 г. до н. э. с помощью концентрированных солнечных лучей они зажигали священный огонь у храмов. Согласно легенде приблизительно в то же время греческий учёный Архимед при защите родного города поджёг паруса кораблей римского флота. Использование тока в солнечных батареях.

16. Проводники с током действуют друг на друга посредством магнитных сил. Магнитная сила проявляется также в опытах с магнитной стрелкой. Опыт показывает, что движущиеся электрические заряды (токи) создают магнитное поле.

Рисунок 3.4.1. Магнитное взаимодействие проводников с током.

Магнитное поле действует на находящийся в нем проводник с током. Характеристика магнитного поля, определяющая силу действия магнитного поля, называется магнитной индукцией В Единицей магнитной индукции в СИ является тесла (Тл).Магнитная индукция – это векторная величина. Направление магнитной индукции поля, создаваемого током, можно определить по правилу буравчика: направление вращения рукоятки буравчика при его движении вдоль тока указывает направление вектора В. Графически направление магнитной индукции часто указывается магнитными линиями: направление магнитной линии в каждой точке совпадает с направлением вектора магнитной индукции в этой точке. В отличие от силовых линий электрического поля линии магнитной индукции замкнуты или уходят в бесконечность; это связано с тем, что магнитных зарядов не существует, а само магнитное поле – вихревое по природе. Магнитное поле не обладает свойством консервативности.

Рисунок 3.4.2. Силовые линии полосового магнита.

Сила, действующая со стороны магнитного поля на элемент проводника длиной l с током I, определяется законом Ампера: 

F = IBl sin α,

где α – угол между направлениями тока и магнитной индукции.

Рисунок 3.4.3. Правило левой руки.

Ее направление можно определить по правилу левой руки: если левую руку расположить так, чтобы вектор магнитной индукции входил в ладонь, а вытянутые пальцы были направлены вдоль тока, то отведенный большой палец укажет направление действия силы.

Магнитное поле действует не только на проводники с током, но и на отдельные движущиеся электрические заряды. Силу, действующую на движущиеся заряды в магнитном поле, называют силой Лоренца: 

F = qvB sin α.

Здесь υ – скорость заряда q, α – угол между направлением движения заряда и магнитной индукцией. Направление силы Лоренца, как и направление силы Ампера, может быть найдено по правилу левой руки. При движении заряженной частицы в магнитном поле сила Лоренца работы не совершает, так как она всегда направлена перпендикулярно скорости заряженной частицы.

Рисунок 3.4.4. Сила Лоренца.

В однородном магнитном поле частица будет двигаться по спирали, ось которой совпадает с направлением магнитной индукции.

Магнитная индукция, вектор магнитной индукции В, основная характеристика магнитного поля (см. Индукцияэлектрическая и магнитная). Единицей М. и. в Международной системе единиц служит тесла (тл), в СГС системе единиц — гаусс (гс), 1 тл = 104 гс. Магнитометры, применяемые для измерения М. и., называют тесламетрами.

Магнитное поле и его свойства

Магнитное поле представляет собой особую форму материи и проявляется в пространстве в виде определенного рода сил, которые легко обнаруживаются по своему действию на намагниченные тела. Действие этих сил на намагниченные тела объясняется наличием в телах быстро движущихся внутримолекулярных электрических зарядов.

Согласно определению, магнитная индукция и магнитный поток связаны соотношением

Для характеристики намагниченности вещества в магнитном поле используется магнитный момент рm, который численно равен механическому моменту, испытываемому веществом в магнитном поле с индукцией в 1 Тл

Магнитный момент можно определить из уравнения

где М - механический момент, испытываемый веществом; α - угол между вектором индукции и вектором магнитного момента.

Магнитный момент единицы объема вещества определяет интенсивность его намагничивания или намагниченность I

где V - объем вещества.

Магнитное поле характеризуется напряженностью H. Напряженностью магнитного поля в данной точке называется сила, с которой поле действует на единицу положительной магнитной массы, помещенную в эту точку поля.

Магнитная индукция В связана с напряженностью магнитного поля соотношением

где μ - относительная магнитная проницаемость среды; μ0 - магнитная постоянная.

Неоднородность магнитного поля в данной его точке характеризуется градиентом его напряженности grad H:

Для однородных полей dH/dx=0, для неоднородных dH/dx>0. Силой магнитного поля Fп(А2/м3) в данной его точке называют произведение градиента его напряженности на напряженность поля в данной точке

Магнитные свойства вещества характеризуются магнитной восприимчивостью х и удельной магнитной восприимчивостью

где δ - плотность вещества.

Магнитная сила  м, действующая на минеральное зерно с массой т, помещенное в магнитное поле, оценивается зависимостью

где удельная магнитная сила 

Одно из важнейших свойств магнитного поля - явление электромагнитной индукции. Его суть состоит в том, что при всяком изменении магнитного потока, пронизывающего какой-либо контур, в нем наводится электродвижущая сила. Другим свойствоммагнитного поля является механическое взаимодействие его с электрическим током. Минеральные частицы, попадая в магнитноеполе, влияют на расположение его силовых линий. Магнитные частицы оказывают небольшое сопротивление магнитным силовым линиям, поэтому последние в них концентрируются. Устремляясь по кратчайшему пути, силовые линии втягивают магнитные частицы в пространство между полюсами. Немагнитные частицы ухудшают проводимость, поэтому силовые линии обходят их и выталкивают из поля.

Физическая сущность магнитной сепарации состоит в том, что магнитное поле искажает гравитационную траекторию минералов, обладающих соответствующими магнитными свойствами, чем вызывает их извлечение из потока других минералов, которые таких свойств не имеют.

17. Из опыта известно, что магнитное поле оказывает действие не только на проводники с током, но и на отдельные заряды, которые движутся в магнитном поле. Сила, которая действует на электрический заряд Q, движущийся в магнитном поле со скоростью v, называется силой Лоренца и задается выражением   (1)  где В — индукция магнитного поля, в котором заряд движется.  Чтобы определить направление силы Лоренца используем правило левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы в нее входил вектор В, а четыре вытянутых пальца направить вдоль вектора v (для Q>0 направления I и v совпадают, для Q<0 — противоположны), то отогнутый большой палец покажет направление силы, которая действует на положительный заряд. На рис. 1 продемонстрирована взаимная ориентация векторов v, В (поле имеет направление на нас, на рисунке показано точками) и F для положительного заряда. Если заряд отрицательный, то сила действует в противоположном направлении. Модуль силы Лоренца, как уже известно, равен    где α — угол между v и В.  Подчеркнем еще раз, что магнитное поле не оказывает действия на покоящийся электрический заряд. Этим магнитное поле существенно отличается от электрического. Магнитное поле действует только на движущиеся в нем заряды.  Зная действие силы Лоренца на заряд можно найти модуль и направление вектора В, и формула для силы Лоренца может быть применена для нахождения вектора магнитной индукции В.  Поскольку сила Лоренца всегда перпендикулярна скорости движения заряженной частицы, то данная сила может менять только направление этой скорости, не изменяя при этом ее модуля. Значит, сила Лоренца работы не совершает. Другими словами, постоянноемагнитное поле не совершает работы над движущейся в этом поле заряженной частицей и, следовательно, кинетическая энергия этой частицы при движении в магнитном поле не изменяется.  В случае, если на движущийся электрический заряд вместе с магнитным полем с индукцией В действует еще и электрическое поле с напряженностью Е, то суммарная результирующая сила F, которая приложена приложенная к заряду, равна векторной сумме сил — силы, действующей со стороны электрического поля, и силы Лоренца:    Это выражение носит название формулы Лоренца. Скорость v в этой формуле есть скорость заряда относительно магнитного поля. 

АМПЕРА

На проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует сила, равная

F = I·L·B·sina

I - сила тока в проводнике; B - модуль вектора индукции магнитного поля; L - длина проводника, находящегося в магнитном поле; a - угол между вектором магнитного поля инаправлением тока в проводнике.

Силу, действующую на проводник с током в магнитном поле, называют силой Ампера.

Максимальная сила Ампера равна:

                                                                       F = I·L·B

Ей соответствует a = 900.

Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки: если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная составляющая вектора магнитной индукции В входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению тока, то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление силы, действующей на отрезок проводника с током, то есть силы Ампера.

ЛОРЕНСА

Сила Лоренца — сила, с которой, в рамках классической физики, электромагнитное поле действует на точечную заряженную частицу. Иногда силой Лоренца называют силу, действующую на движущийся со скоростью   заряд   лишь со стороны магнитного поля, нередко же полную силу — со стороны электромагнитного поля вообще[1], иначе говоря, со стороны электрического   и магнитного   полей. Выражается в СИ как:

Названа в честь голландского физика Хендрика Лоренца, который вывел выражение для этой силы в 1892 году. За три года до Лоренца правильное выражение было найдено Хевисайдом[2].

Макроскопическим проявлением силы Лоренца является сила Ампера.

18.

Электроизмерительные   приборы   различаются   по   следующим признакам:

по роду измеряемой величины;

по роду тока;

по степени точности;

по принципу действия;

по способу получения отсчета;

по характеру применения.

Кроме этих признаков, электроизмерительные приборы можно также отличать:

по способу монтирования;

по способу защиты от внешних магнитных или электрических полей;

по выносливости в отношении перегрузок;

по пригодности к применению при различных   температурах;

по габаритным размерам и другим признакам.

Для измерения электрических величин применяются различные электроизмерительные приборы, а именно: тока — а м пер м е т р; напряжения — вольтметр; электрического сопротивления — омметр, мосты сопротивлений; мощности — ват т м е т р; электрической энергии — с ч е т ч и к; частоты перемен­ного   тока — частотомер;   коэффициента  мощности — ф а з о м е т р.

По роду тока приборы делятся на приборы постоянного тока, приборы переменного тока и приборы постоянного и переменного тока.

По степени точности приборы делятся на восемь классов: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5 и 4. Цифры указывают значение допустимой приведенной погрешности в процентах.

По принципу действия приборы подразделяются на магнито­электрические, электромагнитные, электродинамические (ферро-динамические), индукционные, тепловые, вибрационные, термо­электрические, детекторные и др.

По способу получения отсчета приборы могут быть с непо­средственным отсчетом и самозаписывающие.

По характеру применения приборы делятся на стационарные, переносные и для подвижных установок.

Амперметры и вольтметры Э47 относятся к приборам с электромагнитной системой. В составе имеют круглую катушку с помещенными внутрь подвижным и неподвижным сердечниками. При протекании тока через витки катушки, создается магнитное поле, намагничивающее оба сердечника. Вследствие чего, одноименные полюса сердечников отталкиваются, и подвижный сердечник поворачивает ось со стрелкой. Для защиты от негативного влияния внешних магнитных полей, катушка и сердечники защищены металлическим экраном.

19. Магнитные свойства вещества

 8.1. Всякое вещество является магнетиком, т.е. способно под действием магнитного поля приобретать магнитный момент (намагничиваться). По величине и направлению этого момента, а также по причинам, его породившим, все вещества делятся на группы. Основные из них – диа- и парамагнетики.

 8.1.1. Молекулы диамагнетика собственного магнитного момента не имеют. Он возникает у них только под действием внешнего магнитного поля и направлен против него. Таким образом результирующее магнитное поле в диамагнетике меньше, чем внешнее поле, правда, на очень малую величину. Это приводит к тому, что при перемещении диамагнетика в неоднородное магнитное поле он стремится сместиться в ту область, где напряжение магнитного поля меньше.

  8.1.2. Молекулы (или атомы) парамагнетика имеют собственные магнитные моменты, которые под действием внешних полей ориентируются по полю и тем самым создают результирующее поле, превышающее внешнее. Парамагнетики втягиваются в магнитное поле. Так, например, жидкий кислород - парамагнетик, он притягивается к магниту.

 Магнитная проницаемость конкретного вещества зависит от многих факторов: напряженности магнитного поля, формы рассматриваемого поля (так как конечные размеры любого магнетика приводят к появлению встречного поля, уменьшающего первоначальное), температуры, частоты изменения магнитного поля, наличия дефектов структуры и т.д.

8.1.3. Наиболее интересное свойство - ферромагнетизм. Оно характерно для группы веществ в твердом кристаллическом состоянии (ферромагнетиков), характеризующихся параллельной ориентацией магнитных моментов атомных носителей магнетизма.

 Параллельная ориентация магнитных моментов существует в довольно больших участках вещества - доменах. Суммарные магнитные моменты отдельных доменов имеют очень большую величину, однако сами домены обычно ориентированы в веществе хаотично. При наложении магнитного поля происходит ориентация доменов, что приводит к возникновению суммарного магнитного момента у всего объема ферромагнетика, и, как следствие, к его намагничиванию.

 8.1.3.1. Существование доменов в ферромагнетиках возможны только ниже определенной температуры (ТОЧКА КЮРИ). Выше точки Кюри тепловое движение нарушает упорядоченную структуру доменов и ферромагнетик становится обычным парамагнетиком.

 8.1.4. У некоторых веществ (хром, марганец) собственные магнитные моменты электронов ориентированы антипараллельно (навстречу) друг другу. Такая ориентация охватывает соседние атомы и их магнитные моменты компенсируют друг друга. В результате антиферромагнетики обладают крайне малой магнитной восприимчивостью и ведут себя как очень слабые парамагнетики.

 8.1.4.1. Для антиферромагнетиков также существует температура, при которой антипараллельная ориентация спинов исчезает. Эта температура называется антиферромагнитной точкой Кюри или точкой Нееля.

 У некоторых ферромагнетиков (эрбин, диоброзин, сплавов марганца и меди) таких температур две (верхняя и нижняя точка Нееля), причем антиферромагнитные свойства наблюдаются только при промежуточных температурах. Выше верхней точки вещество ведет себя как парамагнетик, а при температурах меньших нижней точки Нееля, становится ферромагнетиком.

 8.1.5. Необратимое изменение намагниченности ферромагнитного образца, находящегося в слабом постоянном магнитном поле, при циклическом изменении температуры называется температурным магнитным гистерезисом. Наблюдается два вида гистерезиса, вызванных изменением доменной и кристаллической структуры. Во втором случае точка Кюри при нагреве лежит выше, чем при охлаждении.

  8.1.6. Ферримагнетизм - (или антиферромагнетизм нескомпенсированный) совокупность магнитных свойств веществ (ферромагнетиков) в твердом состоянии, обусловленных наличием внутри тела межэлектронного обменного взаимодействия, стремящегося создать антипараллельную ориентацию соседних атомных магнитных моментов. В отличии от антиферромагнетиков, соседние противоположно направленные магнитные моменты в силу каких-либо причин не полностью компенсируют друг друга. Поведение ферромагнетика во внешнем поле во многом аналогично ферромагнетику, но температурная зависимость свойств имеет иной вид: иногда существует точка компенсации суммарного магнитного момента при температуре ниже точки Нееля. По электрическим свойствам ферромагнетики - диэлектрики или полупроводники.

 8.1.7. Суперпарамагнетизм - квазипарамагнитное поведение систем, состоящих из совокупности экстремально малых ферро- или ферримагнитных частиц. Частицы этих веществ при определенно малых размерах переходят в однодоменное состояние с однородной самопроизвольной намагниченностью по всему объему частицы. Совокупность таких веществ ведет себя по отношению к воздействию внешнего магнитного поля и температуры подобно парамагнитному газу (сплавы меди с кобальтом, тонкие порошки никеля и т.д.)

 Очень малые частицы антиферромагнетиков также обладают особыми свойствами, похожими на суперпарамагнетизм, поскольку в них происходит нарушение полной компенсации магнитных моментов. Аналогичными свойствами обладают и тонкие ферромагнитные пленки.

 Супермагнетизм применяется в тонких структурных исследованиях, в методах неразрушающего определения размеров, форм, количества и состава магнитной фазы и т.п.

 8.1.8. Пьезомагнетики - вещества, у которых при наложении упругих напряжений возникает спонтанный магнитный эффект, пропорциональный первой степени величины напряжений. Этот эффект весьма мал и легче всего его обнаружить в антиферромагнетиках.

 8.1.9. Магнитоэлектрики - вещества, у которых при помещении их в электрическое поле возникает магнитный момент, пропорциональный значению поля.

 8.2. Магнитокалорический эффект - изменение температуры магнетика при его намагничивании. Для парамагнетика увеличение поля приводит к увеличению температуры. что используется для получения сверхнизких температур методом адиабатического размагничивания парамагнитных солей.

 8.3. Изменение размеров тела, вызванное изменениями его намагниченности, называют - магнитострикцией (объемной или линейной). Величина эффекта для объемной магнитострикции -3.10 в минус пятой степени, а для линейной - 10 в минус четвертой степени.

 8.3.1. Термострикция - магнитострикционная деформация ферро и антиферромагнитных тел при нагревании их в отсутствии магнитного тела. Эта деформация сопутствует изменению самопроизвольной намагниченности с нагревом. Она особенно велика в близи точек Кюри и Нееля, т.к. здесь особенно сильно изменяется намагниченность.

 Наложение термострикции на обычное тепловое расширение приводит к аномалии в ходе теплового расширения. В некоторых ферромагнитах и антиферромагнитах эти аномалии очень велики.

 8.4. Магнитоэлектрический эффект - явление намагничивания ряда веществ в антиферромагнитном состоянии электрическим полем и их электрически поляризация магнитным полем. (Открытие N'123). Этот эффект обусловлен специфической симметрией расположения магнитных моментов в кристаллической решетке вещества.

 Этот эффект позволяет получать сведения о магнитной структуре веществ без сложных нейтронографических последствий и применяется в волноводных устройствах СВЧ.

 8.5. В основе гиромагнитных или магнитомеханических явлений лежит вращение электрона вокруг ядра. Суть этих явлений заключается в том, что намагничение магнетика приводят к его вращению (Эффект Энштейна и де Хаасе), и наоборот вращение магнетика вызывает его намагничивание.

  8.6. Магнитоакустические эффекты - (магнитоупругие взаимодействия) в ферритах-гранатах возникают в результате взаимодействия между спинами магнитных ионов и упругими колебаниями решетки, т.е. в результате тех же взаимодействий, что и магнитострикционные эффекты.

8.7. Ферромагнитный резонанс - электронный магнитный резонанс в ферромагнетиках - совокупность явлений, связанных с избирательным поглощением ферромагнетиками энергии электромагнитного поля при частотах совпадающих с собственными частотами процессии магнитных моментов электронной системы во внутреннем эффективном магнитном поле. (Поглощение на несколько порядков больше, чем в ВПР).

 8.8. Вблизи точек Кюри и Нееля у магнетиков наблюдается сильные аномалии в изменении различных свойств при изменении температуры. Для ферромагнетиков это - эффекты Гопкинса (возрастание магнитной восприимчивости вблизи точки Кюри и Баркгаузена) ступенчатый ход кривой намагниченности образца вблизи температуры Кюри при изменении температуры, упругих напряжений или внешнего магнитного поля.

20. Явление электромагнитной индукции было открыто выдающимся английским физиком М. Фарадеем в 1831 г. Оно заключается в возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении во времени магнитного потока, пронизывающего контур.

Магнитным потоком Φ через площадь S контура называют величину 

Φ = B · S · cos α,

где B – модуль вектора магнитной индукции, α – угол между вектором   и нормалью   к плоскости контура (рис. 1.20.1).

Рисунок 1.20.1. Магнитный поток через замкнутый контур. Направление нормали n и выбранное положительное направление l обхода контура связаны правилом правого буравчика

Определение магнитного потока нетрудно обобщить на случай неоднородного магнитного поля и неплоского контура. Единица магнитного потока в системе СИ называется вебером (Вб). Магнитный поток, равный 1 Вб, создается магнитным полем с индукцией 1 Тл, пронизывающим по направлению нормали плоский контур площадью 1 м2: 

1 Вб = 1 Тл · 1 м2.

Фарадей экспериментально установил, что при изменении магнитного потока в проводящем контуре возникает ЭДС индукции  инд, равная скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, взятой со знаком минус: 

Эта формула носит название закона Фарадея.

Опыт показывает, что индукционный ток, возбуждаемый в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток. Это утверждение, сформулированное в 1833 г., называется правилом Ленца.

Рис. 1.20.2 иллюстрирует правило Ленца на примере неподвижного проводящего контура, который находится в однородном магнитном поле, модуль индукции которого увеличивается во времени.

Правило Ленца отражает тот экспериментальный факт, что  инд и   всегда имеют противоположные знаки (знак «минус» в формуле Фарадея). Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии.

Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум причинам.

1. Магнитный поток изменяется вследствие перемещения контура или его частей в постоянном во времени магнитном поле. Это случай, когда проводники, а вместе с ними и свободные носители заряда, движутся в магнитном поле. Возникновение ЭДС индукции объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы.

Рассмотрим в качестве примера возникновение ЭДС индукции в прямоугольном контуре, помещенном в однородное магнитное поле  перпендикулярное плоскости контура. Пусть одна из сторон контура длиной l скользит со скоростью   по двум другим сторонам /

На свободные заряды на этом участке контура действует сила Лоренца. Одна из составляющих этой силы, связанная с переносной скоростью  зарядов, направлена вдоль проводника. Эта составляющая указана на рис. 1.20.3. Она играет роль сторонней силы. Ее модуль равен 

FЛ = eυB

Работа силы FЛ на пути l равна 

A = FЛ · l = eυBl.

По определению ЭДС 

В других неподвижных частях контура сторонняя сила равна нулю. Соотношению для  инд можно придать привычный вид. За время Δt площадь контура изменяется на ΔS = lυΔt. Изменение магнитного потока за это время равно ΔΦ = BlυΔt. Следовательно, 

Для того, чтобы установить знак в формуле, связывающей  инд и   нужно выбрать согласованные между собой по правилу правого буравчика направление нормали   и положительное направление обхода контура   как это сделано на рис. 1.20.1 и 1.20.2. Если это сделать, то легко прийти к формуле Фарадея.

Если сопротивление всей цепи равно R, то по ней будет протекать индукционный ток, равный Iинд =  инд/R. За время Δt на сопротивлении R выделитсяджоулево тепло

Возникает вопрос: откуда берется эта энергия, ведь сила Лоренца работы не совершает! Этот парадокс возник потому, что мы учли работу только одной составляющей силы Лоренца. При протекании индукционного тока по проводнику, находящемуся в магнитном поле, на свободные заряды действует еще одна составляющая силы Лоренца, связанная с относительной скоростью движения зарядов вдоль проводника. Эта составляющая ответственна за появление силы Ампера  . Для случая, изображенного на рис. 1.20.3, модуль силы Ампера равен FA = I B l. Сила Ампера направлена навстречу движению проводника; поэтому она совершает отрицательную механическую работу. За время Δt эта работа Aмех равна 

Движущийся в магнитном поле проводник, по которому протекает индукционный ток, испытывает магнитное торможение. Полная работа силы Лоренца равна нулю. Джоулево тепло в контуре выделяется либо за счет работы внешней силы, которая поддерживает скорость проводника неизменной, либо за счет уменьшения кинетической энергии проводника.

2. Вторая причина изменения магнитного потока, пронизывающего контур, – изменение во времени магнитного поля при неподвижном контуре. В этом случае возникновение ЭДС индукции уже нельзя объяснить действием силы Лоренца. Электроны в неподвижном проводнике могут приводиться в движение только электрическим полем. Это электрическое поле порождается изменяющимся во времени магнитным полем. Работа этого поля при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна ЭДС индукции в неподвижном проводнике. Следовательно, электрическое поле, порожденное изменяющимся магнитным полем, не является потенциальным. Его называют вихревым электрическим полем. Представление о вихревом электрическом поле было введено в физику великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1861 г.

Явление электромагнитной индукции в неподвижных проводниках, возникающее при изменении окружающего магнитного поля, также описывается формулой Фарадея. Таким образом, явления индукции в движущихся и неподвижных проводниках протекают одинаково, но физическая причина возникновения индукционного тока оказывается в этих двух случаях различной: в случае движущихся проводников ЭДС индукции обусловлена силой Лоренца; в случае неподвижных проводников ЭДС индукции является следствием действия на свободные заряды вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля.

21.  Плазмой называется ионизованный газ, в котором атомы (все или значительная часть из них) потеряли по одному или по несколько принадлежавших им электронов и превратились в положительные ионы. Это - предварительное определение плазмы как особого состояния вещества; более точное определение дано несколько ниже.                В общем случае плазма представляет собой смесь трех компонент и содержит свободные электроны, положительные ионы и нейтральные атомы (или молекулы).                 Плазма - это наиболее распространенное состояние вещества в природе. Солнце и звезды можно рассматривать как гигантские сгустки горячей плазмы. Внешняя поверхность земной атмосферы прикрыта плазменной оболочкой - ионосферой. Радиационные пояса, расположенные в околоземном пространстве, за пределами ионосферы, представляют собой весьма разреженные плазменные образования. В земных природных условиях, в лабораториях и в технике мы встречаемся с плазмой при различных газовых разрядах, так как любой газовый разряд (молния, искра, дуга и т. д.) связан с возникновением плазмы.                Роль главных стимулов в развитии исследований по физике плазмы всегда играли перспективы практических применений. Сначала плазма интересовала физиков как своеобразный проводник электрического тока и как источник света. В настоящее время новые методы подхода к изучению поведения плазмы органически связаны с большими техническими проблемами наших дней, для которых физика плазмы служит научным фундаментом. Важнейшими из этих проблем являются управляемый ядерный синтез и магнитогидродинамическое преобразование тепловой энергии в электрическую. Возможно, что в недалеком будущем физика плазмы глубоко проникнет также в ускорительную технику.                 Исследование явлений, происходящих в плазме, представляет, однако, интерес не только в связи с различными практическими применениями. Плазма - это материальная среда, образованная коллективом частиц, взаимодействующих друг с другом по наиболее простым законам с помощью электростатических кулоновских сил. До сих пор программа теоретического анализа плазменных процессов выполнена лишь частично и в ней остается много белых пятен.                Электрические силы, связывая разноименные заряды в плазме, обеспечивают ее квазинейтральность, т. е. приблизительное равенство концентраций электронов и ионов. Всякое разделение зарядов, обусловленное смещением группы электронов относительно ионов, должно приводить к возникновению электрических полей, стремящихся скомпенсировать созданное возмущение. Поля растут с увеличением концентрации частиц и в случае плотной плазмы могут достигнуть очень больших значений. Для того чтобы оценить напряженность полей, возникающих при нарушении нейтральности плазмы, предположим, что в некотором объеме произошло полное разделение зарядов и внутри этого объема остались заряды только одного знака. Приведем пример. Пусть полностью ионизованная плазма получена из водорода, находившегося первоначально при нормальной температуре и давлении в 1 мм рт. ст. В каждом кубическом сантиметре такой плазмы будет примерно по 7*1011 ионов и электронов. В этом случае E ~ 1010 в/см. Поэтому, если резкое нарушение квазинейтральности происходит в объеме с диаметром порядка 1 мм, то электрические поля превзойдут 109 в/см и в пределах этого объема возникнет разность потенциалов порядка 108 в. Ясно, что подобное разделение зарядов совершенно нереально. Даже в гораздо более разреженной плазме резкое нарушение квазинейтральности в объемах указанной величины будет немедленно ликвидироваться возникающими электрическими полями. Поле будет выталкивать из объема, где произошла декомпенсация зарядов, частицы одного знака и втягивать в эту область частицы противоположного знака. Однако, если выделить в плазме достаточно малый объем, то в нем квазинейтральность может и не сохраняться вследствие того, что поле, созданное избытком частиц одного знака, окажется слишком слабым для того, чтобы существенно повлиять на движение частиц.

Два замечания о введенных нами параметрах плазмы: концентрации и температуре 1. Электронная и ионная концентрации в общем случае не должны быть равны друг другу, так как в плазме могут присутствовать не только однозарядные, но также многозарядные ионы.

2. Введение величины Т в качестве температуры плазмы оправдано только в том случае, если средняя кинетическая энергия электронов и ионов одинакова. В общем случае в плазме следует различать по меньшей мере две температуры: электронную Тe, и ионную Тi.

22. С удалением от центра Солнца температура падает быстро - на 20° на каждый километр. В этой области происходит перенос лучистой энергии излучением. Не доходя одной десятой по радиусу до фотосферы, температура падает медленнее, и в переносе энергии в ней принимает участие конвекция в виде вертикального подъема горячих газов и опускания холодных газов. Происходит перемешивание вещества, которое, однако, неравномерно по разным направлениям. В фотосфере водородные атомы в основной своей массе нейтральны, в хромосфере, являющейся переходным слоем, они ионизуются и в короне наступает полная ионизация. Толщина фотосферы только 200-300 км, т. е. около V300 радиуса Солнца. Таким образом атмосфера Солнца состоит из плазмы - смеси ионов и свободных электронов. Хромосфера, в сотни тысяч раз менее плотная, чем фотосфера, переходит в корону. За счет облучения энергией, испускаемой фотосферой, при ее температуре в 6000° термометр в хромосфере показал бы 5000°, а в короне еще меньше. Частицы разреженного газа хромосферы и короны налетали бы на термометр так редко, что не могли бы его нагреть. Однако скорости движения частиц в хромосфере и короне очень велики. Известно, что температуру газа можно измерять кинетической энергией его частиц. Это так называемая кинетическая температура. В фотосфере температуры излучения и кинетическая соответствуют друг другу, а в хромосфере и короне различаются резко - в хромосфере кинетическая температура составляет десятки тысяч градусов, а в короне - около миллиона градусов. «Нагревание» хромосферы происходит эа счет энергии распространяющихся в ней волн, порождаемых движением гранул в фотосфере. В короне, простирающейся на расстояние до 10 радиусов Солнца, число атомов в 1 см3 в 100 миллиардов раз меньше, чем число молекул в 1 см3 воздуха у поверхности Земли. При такой же плотности, как воздух, вещества в короне хватило бы на слой, окружающий Солнце при толщине всего в несколько миллиметров. В ней возникает основное» радиоизлучение Солнца. С такой же интенсивностьто, как корона, нагретое тело такого же размера излучало бы при температуре в миллион градусов, а такой кинетической температуры требуют, как мы видели, и наблюдаемые в спектре короны яркие линии многократно ионизованных металлов. Изучение взаимодействия магнитного поля и плазмы показало, что на плазму в целом движение вдоль силовых линий магнитного поля не влияет. При движении же электрически заряженных частиц поперек линий поля (т. е. при течении тока) возникает дополнительное магнитное поле. Сложение этих магнитных полей вызывает искривление и вытягивание силовых линий вслед за движением вещества. Между тем у магнитных силовых линий есть натяжение, стремящееся их выпрямить. Это создает магнитное давление, и поле, мешая плазме пересекать силовые линии, его тормозит и даже может увлечь за собой, если поле сильно. Если оно слабо, то плазма перемещает силовые линии вместе с собой. Итак, во всех случаях можно говорить о том, что силовые линии как бы «вморожены» в плазму. Эти сведения, а также регулярные измерения напряжения магнитного поля в разных местах на Солнце позволили подойти к объяснению многих явлений на нем. Общее магнитное поле Солнца очень слабо, но оно, видимо, играет большую роль. Лучи короны, особенно в полярных областях Солнца, располагаются подобно силовым линиям, выходящим и входящим у полюсов намагниченного шара. Изменение направления поля в каждом полушарии Солнца от одного цикла солнечной активности к следующему также очень важно. Причина этого изменения еще не ясна, но известны звезды с очень мощными магнитными полями, у которых полярность поля также периодически меняется. При вращении Солнца самые быстрые (экваториальные) слои увлекают за собой силовые линии слабого общего поля Солнца, которые в них «вморожены». Эти линии вытягиваются под фотосферой и за три года обвиваются вокруг Солнца шесть раз, образуя тугую спираль. Если силовые линии расположились при этом теснее, то, значит, тут общее (и искаженное здесь) магнитное поле Солнца усилилось. Ближе к полюсам силовые линии общего поля выходят из фотосферы вверх, и поэтому поле здесь не усиливается. Впрочем, на самом экваторе, где угловая скорость вращения в некоторой зоне меняется мало, поле также не усиливается, а на широтах +30°, где скорость вращения меняется быстрее всего, усиление поля максимально. Так под фотосферой образуются подобия трубок из сгущенных силовых линий. Давление газа в них складывается с давлением магнитного поля, перпендикулярным к его линиям. Газ в «трубке» расширяется и становится как бы легче и может «всплыть» наверх. В этом месте, где она приближается к поверхности, на Солнце наблюдается усиление магнитного поля, а затем и появление факела, а за ним и поля факелов. Их горячие газы поднимаются выше, чем соседние места фотосферы, потому что слабое магнитное поле вокруг них гасит мелкие турбулентные движения, стремящиеся тормозить поток горячего выходящего газа. Над факелами в хромосфере также происходит нагрев и возникают горячие флоккулы. Наконец, над флоккулами в короне начинается более яркое свечение. Так развивается активная область на Солнце. Всплывая к поверхности и пересекая ее, трубка со сгущенными силовыми линиями образует местные усиления магнитного поля и возникают солнечные пятна. Их пониженная температура обусловлена тем, что очень сильное магнитное поле в этой области подавляет не только турбулентность, но и сильные конвективные движения. Поэтому здесь приток снизу горячих газов прекращается, тогда как вокруг пятна, в области факелов и флоккул, конвекция слабым магнитным полем усилена, так как оно подавляет слабую турбу-ленцию и там приток горячих газов снизу облегчен. Понятно, что пересечение изогнутой трубки с этой поверхностью в двух местах обусловливает у двух главных пятен противоположные магнитные полярности. Выход трубки из фотосферы и рассеивание ее линий ведут к дроблению и исчезновению двух главных пятен, образованных пересечением силовой трубки с поверхностью Солнца. Выход - силовых линий трубки в разреженные хромосферу и корону, где давление газа меньше, чем давление магнитного поля, ведет к тому, что линии расходятся, образуя петли и дуги. Хромосферные вспышки на Солнце образуются вблизи нейтральных точек магнитных полей в активных областях, где с удалением от этих точек напряжение поля быстро возрастает. Здесь происходит крайне быстрое сжатие магнитного поля вместе с плазмой, в которую оно «вморожено», и энергия магнитного поля переходит при этом в излучение газа. Плазма сжимается в тонкий шнур и температура ее резко возрастает - до нескольких десятков тысяч градусов. Плотность хромосферы возрастает здесь за несколько минут в сотни тысяч раз. Кроме огромного повышения температуры, а с нею и излучения, особенно ультрафиолетового и рентгеновского, хромосферная вспышка состоит и в так называемом всплеске радиоизлучения. На метровых волнах последнее усиливается до десятков миллионов раз.

Источник этого радиоизлучения перемещается из хромосферы в корону со скоростью около 1000 км/сек. Вероятно, он возникает в результате выброса космических лучей, порожденных вспышкой, и бомбардировки плазмы этими лучами, что и вызывает колебания плазмы, порождающие всплеск радиоизлучения. Наблюдаемые в короне лучи, видимо, порождаются этими потоками быстрых, электрически заряженных частиц, тянущих за собой силовые линии магнитного поля. И это поле, и плазма короны тормозят потоки частиц, но часть их вырывается из атмосферы Солнца и, попадая в земную атмосферу, производит полярные сияния.

23. 1)Диэлектрики – вещества, обладающие малой электропроводностью, т.к. у них очень мало свободных заряженных частиц – электронов и ионов. Эти частицы появляются в диэлектриках только при нагреве до высоких температур. Существуют диэлектрики газообразные (газы, воздух), жидкие (масла, жидкие органические вещества) и твердые (парафин, полиэтилен, слюда, керамика и т.п.).

Поляризация диэлектриков

Происходит вследствие смещения электрических зарядов в диэлектрике атомов, молекул, ионов под действием приложенного напряжения. С поляризацией диэлектрика связана одна из важнейших характеристик - диэлектрическая проницаемость вещества e.

Диэлектрическая проницаемость показывает во сколько раз электрическое поле в диэлектрике меньше электрического поля в вакууме и дает возможность судить об интенсивности процессов поляризации и качестве диэлектрика. Поляризация диэлектрика определяется суммарным действием различных механизмов поляризации. Температурная и частотная зависимость диэлектрической проницаемости несут информацию о механизмах поляризации и их относительном вкладе в поляризацию диэлектрика.

-Смещенные электроны с положительными зарядами ядер атомов образуют пары связанных друг с другом электрических зарядов, которые называются упругими диполями. Образование их происходит мгновенно (10-15 с). Они исчезают, если с диэлектрика снято напряжение. Этот процесс образования упругих диполей называетсяэлектронной поляризацией.

- Ионная поляризация (или поляризация ионного смещения). Поляризация обусловлена смещением упруго связанных ионов.

- Дипольная релаксационная поляризация (ориентационная).

Поляризация определяется поворотом и ориентацией диполей в направлении поля и связана с тепловым движением частиц.

Электронно – релаксационная поляризация.

Поляризация возникает за счет возбужденных тепловой энергией избыточных «дефектных» электронов или дырок. Характерна для диэлектриков с высоким показателем преломления и электронной электропроводностью, а также полупроводников.

- Упруго – дипольная поляризация

Поляризация наблюдается у дипольных молекул некоторых кристаллов, закрепленных и только ограниченно поворачивающихся на небольшой угол.

- Междуслойная поляризация

Поляризация обусловлена проводящими и полупроводящими включениями и наличием слоев с различной проводимостью. Поляризация проявляется в твердых телах неоднородной структуры (слоистые пластики) в области низких частот, и связана со значительными потерями электрической энергии.

-Самопроизвольная (спонтанная) поляризация

Поляризация характерна для сегнетоэлектриков, веществ, разбивающихся на области (домены), обладающие спонтанным дипольным моментом в отсутствие внешнего поля. Взаимная ориентация дипольных моментов доменов в отсутствие поля такова, что суммарный дипольный момент вещества равен нулю. Наложение поля ориентирует дипольные моменты доменов, что вызывает очень сильную поляризацию.

-Остаточная поляризация

Поляризация существует длительное время в диэлектрике после снятия напряжения. Этот тип поляризации наблюдается в электретах. Обладает сильной зависимостью от напряженности электрического поля и температуры.

Влажностные свойства диэлектриков

Влагостойкость – это надежность эксплуатации изоляции при нахождении ее в атмосфере водяного пара близкого к насыщению. Влагостойкость оценивают по изменению электрических, механических и других физических свойств после нахождения материала в атмосфере с повышенной и высокой влажностью; по влаго- и водопроницаемости; по влаго- и водопоглощаемости.

 

Влагопроницаемость – способность материала пропускать пары влаги при наличии разности относительных влажностей воздуха с двух сторон материала.

Влагопоглощаемость – способность материала сорбировать воду при длительном нахождении во влажной атмосфере близкой к состоянию насыщения.

Водопоглощаемость – способность материала сорбировать воду при длительном погружении его в воду.

Тропикостойкость и тропикализация оборудования – защита электрооборудования от влаги, плесени, грызунов.

 Тепловые свойства диэлектриков

Для характеристики тепловых свойств диэлектриков используются следующие величины.

Нагревостойкость – способность электроизоляционных материалов и изделий без вреда для них выдерживать воздействие высокой температуры и резких смен температуры. Определяют по температуре, при которой наблюдается существенное изменение механических и электрических свойств, например, в органических диэлектриках начинается деформация растяжения или изгиба под нагрузкой.

Теплопроводность – процесс передачи тепла в материале. 

2) Свойства ферри магнетиков во многом схожи со свойствами ферромагнетиков, однако они обладают и рядом особенностей.  Свойства ферри магнетиков во многом подобны свойствам ферромагнетиков, однако они обладают и рядом особенностей.  Однако многие свойства магнетиков можно понять, используя нашу картину локальных дипольных моментов, взаимодействующих друг с другом. При этом сложную структуру зон в таких кристаллах можно просто не принимать во внимание. Отличие в свойствах различных магнетиков ( кроме того что для диамагнетиков к m 0) проявляется в характере зависимости к m и / л от температуры. Для классических ланжевеновских парамагнетиков, справедлив закон Кюри и к m обратно пропорциональна температуре. Для разреженных диамагнитных газов восприимчивость при постоянной плотности не зависит от температуры; это объясняется тем, что тепловое движение не препятствует и не способствует возникновению индуцированных магнитных моментов. В кристаллических магнетиках характер зависимости х m и / и от температуры может быть существенно иным: с повышением температуры атомы или молекулы переходят в возбужденные состояния, в которых и постоянные магнитные моменты ( парамагнетизм), и индуцированные магнитные моменты ( диамагнетизм) могут стать существенно иными, чем в нормальных состояниях. Поэтому температурный ход величин к m и / и зависит от конкретных свойств вещества, и % m ( Т) и / и ( Т) могут быть и положительными, и отрицательными.  Слабые дипольные силы резко меняют свойства плоского гейзенберговского магнетика. Во-первых, они приводят к эффективной анизотропии типа легкая плоскость.  Таким образом, направление вектора В зависит от свойств магнетика, а его значение - от вектора В0 намагничивающего поля, а также размеров и формы магнетика. В некоторых частных случаях - например, когда магнетик заполняет очень длинный соленоид, внутри которого магнитное поле однородно, влиянием размеров и формы магнетика можно пренебречь. Уравнения магнитного поля были получены нами в начале главы из представления, что свойства магнетиковобусловливаются наличием в них молекулярных токов. Не изменяя этих уравнений и лишь введя формально понятие плотности магнитных зарядов, определяемое уравнением (73.8), мы показали, что теория постоянных магнитов может быть представлена в форме, соответствующей представлению о существовании реальных магнитных зарядов в молекулах магнетиков. Если вещество не заполняет всего пространства, занимаемого магнитным полем, или если свойства магнетика меняются от точки к точке, то учет влияния среды представляет собой сложную задачу. Уравнения магнитного поля были получены нами в начале главы из представления, что свойства магнетиковобусловливаются наличием в них молекулярных токов.Уравнения магнитного поля были получены нами в начале главы из представления, что свойства магнетиковобусловливаются наличием в них молекулярных токов. Уравнения магнитного поля были получены нами в начале главы из представления, что свойства магнетиковобусловливаются наличием в них молекулярных токов. Не изменяя этих уравнений и лишь введя формально понятие плотности магнитных зарядов, определяемое уравнением (73.8), мы показали, что теория постоянных магнитов может быть представлена в форме, соответствующей представлению о существовании реальных магнитных зарядов в молекулах магнетиков. Взаимодействия микрочастиц в магнитоупорядоченных веществах, ответственные за существование самого магнитного порядка и за свойства магнетиков, могут быть для различных таких веществ весьма разнообразными по природе и различными по величине. Выше мы условно подразделили их на два типа - обменные и магнитоанизо-тропные, но конкретных механизмов того и другого типа в настоящее время известно очень много, причем как для соединений ( диэлектриков и полупроводников), так и для металлов и сплавов эти механизмы обычно носят сложный квантовомеханический характер. 

3) Сверхпроводник — материал, который при определенных условиях приобретает сверхпроводящие свойства. Это достигается понижением температуры до Tc, при которой сопротивление материала понижается до нуля. Фазовый переход в сверхпроводящее состояние

Переход вещества в сверхпроводящее состояние сопровождается изменением его тепловых свойств. Однако, это изменение зависит от рода рассматриваемых сверхпроводников. Так, для сверхпроводников Ι рода в отсутствие магнитного поля теплота перехода (поглощения или выделения) из сверхпроводящего состояния в обычное равна нулю, а следовательно терпит скачок теплоёмкость, что характерно для фазового перехода ΙΙ рода.

Эффект Мейсснера

Даже более важным свойством сверхпроводника, чем нулевое электрическое сопротивление, является так называемый эффект Мейсснера, заключающийся в выталкивании сверхпроводником магнитного потока   . Из этого экспериментального наблюдения делается вывод о существовании незатухающих токов внутри сверхпроводника, которые создают внутреннее магнитное поле, противоположно направленное внешнему, приложенному магнитному полю и компенсирующее его.

24. Колебаниями называются движения или процессы, которые характеризуются определенной повторяемостью во времени. Колебания широко распространены в окружающем мире и могут иметь самую различную природу. Это могут быть механические (маятник), электромагнитные (колебательный контур) и другие виды колебаний.  Свободными, или собственными колебаниями, называются колебания, которые происходят в системе предоставленной самой себе, после того как она была выведена внешним воздействием из состояния равновесия. Примером могут служить колебания шарика, подвешенного на нити. Особую роль в колебательных процессах имеет простейший вид колебаний - гармонические колебания. Гармонические колебания лежат в основе единого подхода при изучении колебаний различной природы, так как колебания, встречающиеся в природе и технике, часто близки к гармоническим, а периодические процессы иной формы можно представить как наложение гармонических колебаний.

Гармоническими колебаниями называются такие колебания, при которых колеблющаяся величина меняется от времени по закону синуса или косинуса. Уравнение гармонических колебаний имеет вид:

,  где A - амплитуда колебаний (величина наибольшего отклонения системы от положения равновесия);   - круговая (циклическая) частота. Периодически изменяющийся аргумент косинуса   - называется фазой колебаний. Фаза колебаний определяет смещение колеблющейся величины от положения равновесия в данный момент времени t. Постоянная φ представляет собой значение фазы в момент времени t = 0 и называется начальной фазой колебания. Значение начальной фазы определяется выбором начала отсчета. Величина x может принимать значения, лежащие в пределах от -A до +A. Промежуток времени T, через который повторяются определенные состояния колебательной системы, называется периодом колебаний. Косинус - периодическая функция с периодом 2π, поэтому за промежуток времени T, через который фаза колебаний получит приращение равное 2π, состояние системы, совершающей гармонические колебания, будет повторяться. Этот промежуток времени T называется периодом гармонических колебаний. Период гармонических колебаний равен: T = 2π/ . Число колебаний в единицу времени называется частотой колебаний ν. Частота гармонических колебаний равна: ν = 1/T. Единица измерения частоты герц (Гц) - одно колебание в секунду.

Таким образом, длина вектора равна амплитуде гармонического колебания, направление вектора в начальный момент образует с осью x угол равный начальной фазе колебанийφ, а изменение угла направления от времени равно фазе гармонических колебаний. Время, за которое вектор амплитуды делает один полный оборот, равно периоду Т гармонических колебаний. Число оборотов вектора в секунду равно частоте колебаний ν.

Сложение двух гармонических колебаний одинакового направления и частоты При сложении двух гармонических колебаний одинакового направления и частоты, результирующее смещение будет суммой ( ) смещений   и  , которые запишутся следующими выражениями: ,  , Сумма двух гармонических колебаний также будет гармоническим колебанием той же круговой частоты:   =   . Значения амплитуды А и начальной фазы φ этого гармонического колебания будет зависеть от амплитуд исходных колебаний и их начальных фаз.

Если угол (разность фаз: Δφ = φ1 - φ2) между векторами А1 и А2 равен 0, то исходные колебания находятся в фазе и суммарная амплитуда (А =А1 +А2) будет максимальна. Если угол (разность фаз: Δφ = φ1 - φ2) между векторами А1 и А2 равен - π или π, то исходные колебания находятся в противофазе и суммарная амплитуда (А =  А1 -А2 ) будет минимальна.

25.  Колебания, происходящие под действием внешней периодической силы, называются вынужденными колебаниями. Внешняя периодическая сила, называемая вынуждающей, сообщает колебательной системе дополнительную энергию, которая идет на восполнение энергетических потерь, происходящих из-за трения. Если вынуждающая сила изменяется во времени по закону синуса или коси­нуса, то вынужденныеколебания будут гармоническими и незатухающими.

В отличие от свободных колебаний, когда система получает энергию лишь один раз (при выведении системы из со­стояния равновесия), в случае вынужден­ных колебаний система поглощает эту энергию от источника внешней периодической силы непрерывно. Эта энергия восполняет потери, расходуемые на пре­одоление трения, и потому полная энергия колебательной системы no-прежнему ос­тается неизменной.

Частота вынужденных колебаний равна частоте вынуждающей силы. В случае, когда частота вынуждающей силы υ совпадает с собственной частотой колебательной системы υ0, происходит рез­кое возрастание амплитуды вынужденных колебаний — резонанс. Резонанс возникает из-за того, что при υ = υ0  внешняя сила, действуя в такт со свободными колебаниями, все время сонаправлена со скоростью колеблющегося тела и совершает по­ложительную работу: энергия колеблющегося те­ла увеличивается, и амплитуда его колебаний становится большой. График зависимости амплитуды вынужденных колебаний Ат от частоты вынужда­ющей силы υ  представлен на рисунке, этот график называется резонансной кривой:

 Явление резонанса играет большую роль в ря­де природных, научных и производственных процессов. Например, необходимо учитывать явление резонанса при проектировании мостов, зданий и других сооружений, испытывающих вибрацию под нагрузкой, в противном случае при определенных условиях эти сооружения могут быть разрушены.

26. Волна́ — изменение состояния среды или физического поля (возмущение), распространяющееся либо колеблющееся в пространстве и времени или в фазовом пространстве. Другими словами, «…волнами или волной называют изменяющееся со временем пространственное чередование максимумов и минимумов любой физической величины — например, плотности вещества, напряжённости электрического поля, температуры[1]».

В связи с этим волновой процесс может иметь самую разную физическую природу: механическую, химическую (реакция Белоусова — Жаботинского, протекающая в автоколебательном режиме каталитического окисления различных восстановителей бромисто-водородной кислотой HBrO3 ), электромагнитную (электромагнитное излучение), гравитационную (гравитационные волны), спиновую (магнон), плотности вероятности (ток вероятности) и т. д.

Многообразие волновых процессов приводит к тому, что никаких абсолютных общих свойств волн выделить не удаётся[2]. Одним из часто встречающихся признаков волн считаетсяблизкодействие, проявляющееся во взаимосвязи возмущений в соседних точках среды или поля, однако в общем случае может отсутствовать и она[2].

Среди всего многообразия волн выделяют некоторые их простейшие типы, которые возникают во многих физических ситуациях из-за математического сходства описывающих ихфизических законов[2]. Об этих законах говорят в таком случае как о волновых уравнениях. Для непрерывных систем это обычно дифференциальные уравнения в частных производныхв фазовом пространстве системы, для сред часто сводимые к уравнениям, связывающим возмущения в соседних точках через пространственные и временные производные этих возмущений[2]. Важным частным случаем волн являются линейные волны, для которых справедлив принцип суперпозиции.

По своему характеру волны подразделяются на:

По признаку распространения в пространстве: стоячие, бегущие.

По характеру волны: колебательные, уединённые (солитоны).

По типу волн: поперечные, продольные, смешанного типа.

По законам, описывающим волновой процесс: линейные, нелинейные.

По свойствам субстанции: волны в дискретных структурах, волны в непрерывных субстанциях.

По геометрии: сферические (пространственные), одномерные (плоские), спиральные.

Подобно волнам океана электромагнитные волны распространяются цугом. Представьте, что вы парите над океаном, наблюдая за волнами с высоты. Вы могли бы тогда увидеть на воде последовательность гребней. Более светлым областям на воде соответствовали бы гребни волн, более темным — провалы между ними. Такие последовательности волн называют цугом. Направление распространения цуга указывают проведением луча через волновые пики. Если гребни и впадины двух волн прибывают в какую-то точку в одно и то же время, то они, как говорят, находятся в фазе по отношению друг к другу, или, иными словами, находящиеся в фазе волны имеют симметричный вид. Аналогичным образом, если две точки волны разделены целым числом периодов или длин волн, то они также находятся в фазе.

Другим важным свойством света является его скорость. Скорость волны получается умножением частоты на длину волны. Поскольку все электромагнитные волны распространяются со скоростью света, которая для вакуума составляет 299792458 м/с, т.е. приблизительно 300000 км/с, то всегда достаточно знать величину только одного из этих параметров, ибо в результате постоянства скорости света между ними существует обратно пропорциональная зависимость. Чем выше частота, тем короче длина волны.

27. Так как общий ток равен нулю, то подводящие провода можно отключить от источника переменного напряжения.  В замкнутом контуре, образованном идеальной катушкой и конденсатором, будет протекать  переменный ток. Частота  колебаний,   происходящих в колебательном контуре, определяется формулой

Эта частота называется   собственной   частого й   коле­баний контура. Период электромагнитных колебаний

 

Это выражение называется формулой Томсона.

Периодические колебания энергии, происходящие з колебатель­ном контуре, могли бы продолжаться бесконечно долго в виде незатухающих колебаний, если бы отсутствовали потери I2r  в са­мом колебательном контуре. Однако наличие активного сопротив­ления приводит к тому, что запас энергии контура с каждым пери­одом уменьшается за счет потерь на тепло в активном сопротивлении, в результате  чего колебания затухают.

Таким образом, изменить частоту колебаний контура можно двумя способами — изменением индуктивности катушки или ем кости конденсатора. Тот и другой способы используются для этой цели в радиотехнике. Для поддержания незатухающих колебаний к контуру от внешнего источника (высокочастотного генератора), присоединенного к колебательному контуру, периодически пода­ется электрическая энергия, компенсирующая потери в активном сопротивлении.

Колебательный контур является основной частью схемы любого радиоприемника и радиопередатчика.

В настоящее время существует большое количество самых разнообразных схем генераторов высокой частоты с самовозбуждением. Считается, что все они сводятся к индуктивной или'емкост-ной трехточке. Однако еще в 1971 г. я разработал схему, которую затрудняюсь отнести к одному из двух вышеуказанных типов. На мой взгляд, в данном случае более уместна аналогия с физическим маятником, который имеет источник пополнения энергии и, в свою очередь, часть энергии расходует на управление этим источником (не считая, разумеется, внешних потерь). Особенностью схемы является то, что колебательный LC-контур, определяющий генерируемую частоту, не связан со схемой никакими проводниками и конденсаторами. То есть имеет место только индуктивная связь, причем колебательный контур выполняет не только селективную, но и фазовращающую роль. Устройство было экспериментально проверено, подтверждена его работоспособность.

Все катушки (L1 ...L3) намотаны на одном общем каркасе-диаметром 19 мм в один слой проводом ПЭЛ 0,4 мм. Намотка - сплошная, виток к витку. L1 содержит 20 витков; L2 - 3 витка; L3 - 8 витков. Начала обмоток показаны на схеме. L2 и L3 расположены по разные стороны от L1. Расстояние между L1 и L2 составляет 7 мм, между L1 и L3 - 6 мм. При данных параметрах емкостью С1 перекрывается диапазон частот 14...30 МГц.

Интересно, что связь между L3 и L2 при показанном на схеме включении и отсутствии контура С1, L1 - отрицательная, поскольку каскад с общим катодом поворачивает фазу на 180°. Вдобавок, это слабая связь (при отсутствии ферромагнитного сердечника), поскольку катушки пространственно разнесены достаточно далеко. Таким образом, генерация без контура L1, С1 невозможна (влиянием паразитных параметров пренебрегаем).

Напряжения и поля по разную сторону от резонансной частоты у параллельного контура L1, С1 противофазны, следовательно, внесение его в промежуток между L2 и L3 приводит к выполнению условия баланса фаз, т.е. общий фазовый сдвиг оказывается равным 360°. При достаточном петлевом усилении, которое определяется усилением каскада VL1, величиной связи L3-L1, L1-L2 и потерями, наступает генерация.

Понятно, что при двух усилительных каскадах, каждый из которых поворачивает фазу на 180°, концы одной из катушек связи (L2 или L3) следует поменять местами.

Физика работы данной схемы весьма наглядна по сравнению со схемами "трехточек", и действительно напоминает "физический маятник". В то же время, данная схема по принципу работы отличается от некоторых похожих схем с затягиванием частоты. Реализация такого генератора возможна и на транзисторах, причем генерацию проще получить при применении двух усилительных каскадов.

28. Электромагнитные колебания, взаимосвязанные колебания электрического (Е) и магнитного (Н) полей, составляющих единое электромагнитное поле. Распространение Электромагнитные колебания происходит в виде электромагнитных волн, скорость которых в вакууме равна скорости света с, а длина волны l связана с периодом Т и частотой w соотношением: l = cT = 2pс/w. По своей природе Электромагнитные колебанияпредставляют собой совокупность фотонов, и только при большом числе фотонов их можно рассматривать как непрерывный процесс.   Различают вынужденные Электромагнитные колебания, поддерживаемые внешними источниками, и собственные Электромагнитныеколебания, существующие и без них. В неограниченном пространстве или в системах с потерями энергии (диссипативных) возможны собственныеЭлектромагнитные колебания с непрерывным спектром частот. Пространственно ограниченные консервативные (без потерь энергии) системы имеют дискретный спектр собственных частот, причём каждой частоте соответствует одно или несколько независимых колебаний (мод). Например, между двумя отражающими плоскостями, отстоящими друг от друга на расстояние l, возможны только синусоидальные Электромагнитныеколебания с частотами wn = пpс/l, где п — целое число. Собственно моды имеют вид синусоидальных стоячих волн, в которых колебаниявекторов Е и Н сдвинуты во времени на T/4, а пространственные распределения их амплитуд смещены на l/4, так что максимумы (пучности) Есовпадают с нулями (узлами) Н и наоборот. В таких Электромагнитные колебания энергия в среднем не переносится в пространстве, но внутри каждого четвертьволнового участка между узлами полей происходит независимая периодическая перекачка электрической энергии в магнитную и обратно.   Представление Электромагнитные колебания в виде суперпозиции мод с дискретным или непрерывным спектром допустимо для любой сложной системы проводников и диэлектриков (см. Радиоволновод, Объёмный резонатор, Открытый резонатор), если поля, токи, заряды в них связаны между собой линейными соотношениями. В квазистационарных системах, размеры которых значительно меньше длины волны, области, где преобладают электрические или магнитные поля, могут быть пространственно разделены и сосредоточены в отдельных элементах: Е — в ёмкостях С, Н — в индуктивностях L. Типичный пример такой системы с сосредоточенными параметрами — колебательный контур, где происходят колебаниязарядов на обкладках конденсаторов и токов в катушках самоиндукции. Электромагнитные колебания в системах с распределёнными параметрами L и С, имеющие дискретный спектр собственных частот, могут быть представлены как Электромагнитные колебания в связанных колебательных контурах (электромагнитных осцилляторах), число которых равно числу мод.   В средах Электромагнитные колебания взаимодействуют со свободными и связанными заряженными частицами (электронами, ионами), создавая индуцированные токи. Токи проводимости обусловливают потери энергии и затухание Электромагнитные колебания; токи, обусловленные поляризацией и намагниченностью среды, определяют значения её диэлектрической проницаемости и магнитной проницаемости, а также скорость распространения в ней электромагнитных волн и спектр собственных частот Электромагнитные колебания Если индуцированные токи зависят от Е и Н нелинейно, то период, форма и другие характеристики Электромагнитные колебания зависят от их амплитуд (см.Нелинейные колебания); при этом принцип суперпозиции недействителен, и может происходить перекачка энергии Электромагнитныеколебания от одних частот к другим. На этом основаны принципы работы большинства генераторов, усилителей и преобразователей частотыЭлектромагнитные колебания (см. Генерирование электрических колебаний, Автоколебания). Возбуждение Электромагнитные колебания в устройствах с сосредоточенными параметрами, как правило, осуществляется путем прямого подключения к ним генераторов, в высокочастотных устройствах с распределёнными параметрами — путём возбуждения Электромагнитные колебания при помощи различных элементов связи (вибраторов, петель связи, рамок, отверстий и др.), в оптических устройствах — с применением линз, призм, отражающих полупрозрачных зеркал и т. д.

29. Получение, использование переменного тока

Простейшим генератором переменного тока может служить виток, вращающийся в равномерном магнитном поле (рис. 168, а). Пользуясь правилом правой руки, легко определить, что в процессе вращения витка направление э. д.с. е, индуцированной в рабочих участках 1 и 2 витка, непрерывно изменяется (показано стрелками), следовательно, изменяется и направление проходящего по замкнутой цепи тока i. В современных генераторах переменного тока магниты или электромагниты, создающие магнитное поле, обычно располагаются на вращающейся части машины — роторе, а витки, в которых индуцируется переменная э. д. с,— на неподвижной части генератора — статоре. Однако с точки зрения принципа действия генератора переменного тока безразлично, на какой части машины — роторе или статоре — расположены витки, в которых индуцируется переменная э. д. с.

Самое важное - трансформаторы, позволяющие передавать  электроэнергию на большие расстояния с малыми потерями  благодаря высокому напряжению. Хотя метод сопротивлений использует теорию постоянного тока, технологически удобнее применять низкочастотный переменный электрический ток. Это возможно, потому что в ближней зоне распределение переменного электромагнитного поля не зависит от частоты и совпадает с полем постоянного тока.  Использование переменного электрического тока позволяет повысить точность наблюдений. Между двумя заземленными электродами всегда существует некоторая разность потенциалов (5-500 мВ), которая обусловлена в первую очередь естественной поляризацией заземленных электродов. Чтобы отфильтровать эту постоянную составляющую, а также подавить помехи, используют переменный ток и узкополосную фильтрацию при измерении разности потенциалов. Обычно используется частота 4.88 Гц (АНЧ-3) и ниже.  Выбор частоты зависит от интервала разносов и методики наблюдений. При использовании очень низких частот увеличивается время измерений, так как необходимо измерить несколько периодов. Оптимально работать на максимально высоких допустимых частотах. На больших разносах (при дипольных зондированиях), необходимо контролировать выполнение условий ближней зоны. Для этого на каждом разносе проводят измерения на нескольких частотах. Если с увеличением частоты наблюденное поле уменьшается (из-за поглощения электромагнитного поля в проводящей среде), то нужно переходить на более низкие частоты.  Другая проблема при использовании переменного тока - это наводки в приемной линии, благодаря электромагнитной индукции между проводами. Величина ЭДС индукции прямо пропорциональна частоте тока и обратно пропорциональна расстоянию между проводами. Индукционные искажения максимальны для установок с совмещенными линиями AB и MN (Шлюмберже, Веннера). ЭДС индукции для них практически не зависит от разноса (R), а полезный сигнал убывает как квадрат R. Увеличение тока в питающей линии и длины приемной линии не изменяет соотношение между сигналом и индукционной помехой, поскольку пропорционально увеличивается и индукционная наводка. Таким образом на больших разносах индукционная наводка вносит все больший вклад и, начиная с некоторого разноса, весь сигнал в линии MN определяется только индукционной помехой. В этом случае на кривой ВЭЗ появляется характерная индукционная асимптота под углом 63 градуса к оси разносов. Причем, чем меньше значения наблюдаемого  , тем раньше проявляется индукционная помеха. Для борьбы с этой помехойнеобходимо на больших разносах уменьшать рабочую частоту и / или увеличивать расстояние между приемной и питающей линиями.

30. Трансформа́тор (от лат. transformo — преобразовывать) — электрическая машина, состоящая из набора индуктивно связанных обмоток на каком-либо магнитопроводе или без него и предназначенный для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока без изменения частоты систем(системы) переменного тока.

Трансформатор осуществляет преобразование напряжения переменного тока и/или гальваническую развязку в самых различных областях применения — электроэнергетике, электронике и радиотехнике.

Братья Гопкинсоны разработали теорию электромагнитных цепей.[2]

В 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем было открыто явление электромагнитной индукции, лежащее в основе действия электрического трансформатора, при проведении им основополагающих исследований в области электричества.

Схематичное изображение будущего трансформатора впервые появилось в 1831 году в работах Фарадея и Генри. Однако ни тот, ни другой не отмечали в своём приборе такого свойства трансформатора, как изменение напряжений и токов, то есть трансформирование переменного тока[3].

В 1848 году французский механик Г. Румкорф изобрёл индукционную катушку особой конструкции. Она явилась прообразом трансформатора.[2]

30 ноября 1876 года, дата получения патента Яблочковым Павлом Николаевичем, считается датой рождения первого трансформатора. Это был трансформатор с разомкнутым сердечником, представлявшим собой стержень, на который наматывались обмотки.

Устройство для преобразования напряжения и силы переменного тока при неизменной частоте называется трансформатором.Датой рождения первого трансформатора считается 30 ноября 1876 г.,когда русский электротехник П.Н. Яблочков получил на него патент.Трансформатор его конструкции имел разомкнутый сердечник и представлял собой стержень,на который были намотаны обмотки.Перве трансформаторы с замкнутыми сердечниками были созданы в Англии в 1884 г. Братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсон.Изобретение трансформатора способствовало прогрессу в использовании переменноготока.                                                                                

     Конструкция трансформатора в значительной степени определяется его назначением.Различают такие виды трансформаторов:

       . силовой трансформатор;

       . трансформатор тока;

       . автотрансформатор

       . трансформатор напряжения;

       . импульсный трансформатор;

       . разделительный трансформатор;

       . пик-трансформатор.

  Наибольшее применение в электротехнических установках,а также в энергетических системах передачи и распределения электроэнергии находят силовые трансформаторы,посредством которых изменяют величинупеременного напряжения и тока.При этом число фаз,форма кривой напряжения (тока) и чистота остаются неизменными.

    Простейший силовой трансформатор состоит из магнитопровода сердечника,выполненного из ферромагнитного материала (обычно из листовой электротехнической стали),и двух обмоток (катушек),расположенных на стержнях магнитопровода.Одна обмотка,присоединенная к  источникупеременного тока,называется первичной,а другая,подключенная к потребителю,-вторичной.

    По конструкции сердечники однофазного трансформатора бывают стержневые и броневые.Стержневой трансформатор содержит две одельно намотанные первичную и вторичную катушки,которые расположены на разных стержнях однооконного сердечника.У броневого трансформатора катушки наматывают на одном каркасе,сначала идет первичная обмотка,а потом вторичная и располагают на одном среднем стержне двухоконного сердечника.

  Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. На первичную обмотку трансформатора подается напряжение от внешнего источника переменного тока. Протекающий по  первичной обмотке переменный ток создает переменный магнитный поток   в сердечнике трансформатора. В результате электромагнитной индукции , переменный магнитный поток в сердечнике трансформатора возбуждает во вторичной обмотке переменную ЭДС индукции. Если теперь подключить к вводам вторичной обмотки нагрузку, например лампу накаливания, то по ней  потечет переменный ток и лампа загорится.

    С помощью трансформатора можно получить высокое напряжение  и малую силу тока, а также низкое напряжение и больщую силу тока. Обмотки высокого напряжения выполняют из более тонкого провода, чем обмотки низкого напряжения, т.к. через них проходит ток.

31. Характеристики переменного тока

Средняя мощность переменного тока за период T равна:

Pср. = Im*Umcos(f)/2, где f - сдвиг фаз между током и напряжением,       Um и Im - максимальные (амплитудные) значения напряжения и силы тока.

Устройства, необратимо и полностью преобразующие электрическую энергию в другие виды энергии, называют активной нагрузкой, а их сопротивление - активным сопротивлением. В цепи переменного тока с активной нагрузкой колебания силы тока совпадают по фазе с колебаниями напряжения. Если U = Umsin(wt), то I = Imsin(wt) и cos(f) =1.

Действующие (эффективные) значения силы тока и напряжения рассчитываются по формулам:

Iд = Im/(2)1/2,                   Uд = Um/(2)1/2.

Постоянный ток со значениями тока и напряжения, равными действующим значениям, приводит к выделению в электрической цепи с активной нагрузкой за период точно такой же энергии, как и переменный ток с амплитудными значениями Um и Im.

Мгновенная мощность в цепи переменного тока с активным сопротивлением равна:  P = I*U.

32. Сопротивление, включенное в цепь переменного тока, в котором происходит превращение электрической энергии в полезную рабо­ту или в тепловую энергию, называется активным сопротивлением.

К активным сопротивлениям при промышленной частоте (50 гц) относятся, например, электрические лампы накаливания и электро­нагревательные устройства.

 

Рассмотрим цепь переменного тока (рис. 53), в которую вклю­чено активное сопротивление. В такой цепи под действием перемен­ного напряжения протекает переменный ток. Изменение тока в Цепи, согласно закону Ома, зависит только от изменения напряже­ния, подключенного к ее зажимам. Когда напряжение равно нулю, ток в цепи также равен нулю. По мере увеличения напряжения ток в Цепи возрастает и при максимальном значении напряжения ток становится наибольшим. При уменьшении напряжения ток убывает. Когда напряжение изменяет свое направление, ток также изменяет свое направление и т. д.

Из сказанного следует, что в цепи переменного тока с актив­ным сопротивлением по мере изменения по величине и направлению напряжения одновременно пропорционально меняются величина и Направление тока. Это значит, что ток и напряжение совпадают по фазе.

Построим векторную диаграмму действующих величин тока и  напряжения для цепи с активным сопротивлением. Для этого отлов жим в выбранном масштабе по горизонтали вектор напряжения   Чтобы на векторной диаграмме показать, что напряжение и ток в  цепи совпадают по фазе (j=0), откладываем вектор тока I по направлению вектора напряжения.

Сила тока в такой цепи определяется по закону Ома:

 

В этой цепи среднее значение мощности, потребляемой активным сопротивлением, выражается произведением действующих значения тока и напряжения.

Реактивное сопротивление создают индуктивности и емкости. Под индуктивностью L будем понимать идеализированный элемент электрической цепи (идеализированную катушку индуктивности), способный запасать энергию в своем магнитном поле, который не имеет активногосопротивления R и емкости С. Аналогично под емкостью С будем понимать идеализированный элемент электрической цепи (идеализированный конденсатор), способный запасать энергию в своем электрическом поле, который не имеет активного сопротивления R и индуктивности L.

При проведении расчетов реальные катушки индуктивности и конденсаторы, в которых имеются потери мощности (из-за наличия активного сопротивления R), часто могут быть заменены с некоторым приближением этими идеализированными элементами, так как переменный ток, проходящий через реальную катушку индуктивности при заданном напряжении и частоте, определяется в основном ее индуктивностью L, а ток, проходящий через реальный конденсатор,—его емкостью С. На рис. 174, а—г стрелками показаны условные положительные направления в идеализированных элементах электрической цепи тока i, напряжения и и э. д. с.

33. Электромагнитное поле, электромагнитные волны и их свойства.

- это порождающие друг друга переменные электрические и магнитные поля. Известно, что электрический ток порождает магнитное поле (опыт Эрстеда), изменяющееся магнитное поле порождает электрический ток (опыт Фарадея). Имея в виду эти экспериментальные факты, английский физик Дж. Максвелл создал теорию электромагнитных волн. По Максвеллу: переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое (явление электромагнитной индукции), а переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное (магнитоэлектрическая индукция). В результате в соседних областях пространства возникает единое электромагнитное поле.

Источниками электромагнитного поля могут быть: - движущийся магнит; - электрический заряд, движущийся с ускорением или колеблющийся            Электромагнитное поле в каждой точке пространства характеризуется напряженностью Е и индукцией В. Возникновение электромагнитной волны можно представить так: в некоторой области пространства возникают колебания электрического заряда, например между контактами электрической цепи проскакивает искра. Это повлечет за собой колебания вектора напряженности Е, т. е. его модуль и направление станут периодически меняться. Согласно теории Максвелла, в этой же области будут происходить колебания вектора магнитной индукции Б. Эти колебания порождают электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве. Моментальный «снимок» электромагнитной волны показан на рисунке 41.           Теория Максвелла показала, что электромагнитные волны — волны поперечные, их скорость распространения в вакууме примерно равна 300 000 км/с, эта волна несет энергию.           С помощью искрового разрядника и аналогичного ему приемника немецкий физик Г. Герц получил и зарегистрировал электромагнитные волны, обнаружил их отражение и преломление. Заслуга по практическому использованию электромагнитных волн в радиосвязи принадлежит русскому физику А. С. Попову.

34. Радиосвязь, электросвязь посредством радиоволн. Для осуществления Радиосвязи в пункте, из которого ведётся передача сообщений (радиопередача), размещают радиопередающее устройство, содержащее радиопередатчик и передающую антенну, а в пункте, в котором ведётся приём сообщений (радиоприём), - радиоприёмное устройство, содержащее приёмную антенну и радиоприёмник. Генерируемые в передатчике гармонические колебания с несущей частотой, принадлежащей какому-либо диапазону радиочастот, подвергаются модуляции в соответствии с передаваемым сообщением. Модулированные радиочастотные колебания представляют собой радиосигнал. От передатчика радиосигнал поступает в передающую антенну, посредством которой в окружающем антенну пространстве возбуждаются соответственно модулированные электромагнитные волны. Распространяясь, радиоволны достигают приёмной антенны и возбуждают в ней электрические колебания, которые поступают далее в радиоприёмник. Принятый т. о. радиосигнал очень слаб, т.к. в приёмную антенну попадает лишь ничтожная часть излученной энергии. Поэтому радиосигнал в радиоприёмнике поступает в электронный усилитель, после чего он подвергается демодуляции, или детектированию; в результате выделяется сигнал, аналогичный сигналу, которым были модулированы колебания с несущей частотой в радиопередатчике. Далее этот сигнал (обычно дополнительно усиленный) преобразуется при помощи соответствующего воспроизводящего устройства в сообщение, адекватное исходному. В месте приёма на радиосигнал могут накладываться электромагнитные колебания от посторонних источников радиоизлучений, способные помешать правильному воспроизведению сообщения и называемые поэтому помехами радиоприёму. Неблагоприятное влияние на качество радиосвязи могут оказывать также изменение во времени затухания радиоволн на пути распространения от передающей антенны к приёмной  и распространение радиоволн одновременно по двум или нескольким траекториям различной протяжённости; в последнем случае электромагнитное поле в месте приёма представляет собой сумму взаимно смещенных во времени радиоволн, интерференция которых также вызывает искажения радиосигнала. Поэтому и эти явления относят к категории помех радиоприёму. Их влияние на приём радиосигналов особенно велико при связи на больших расстояниях. Широкое распространение радиосвязи и использование радиоволн в радиолокации, радионавигации и др. областях техники потребовали обеспечения одновременного функционирования без недопустимых взаимных помех различных систем и средств, использующих радиоволны, - обеспечения их электромагнитной совместимости. Распространение радиоволн в открытом пространстве делает возможным в принципе приём радиосигналов, передаваемых по линиям радиосвязи, лицами, для которых они не предназначены (радиоперехват, радиоподслушивание); в этом - недостаток радиосвязи по сравнению с электросвязью по кабелям, радиоволноводам и др. закрытым линиям. Тайна телефонных переговоров и телеграфных сообщений, предусматриваемая  соответствующими правилами международными соглашениями, обеспечивается в необходимых случаях применением автоматических средств засекречивания радиосигналов (кодирование и др.).

35.

Радиолокация и ее применение
Обнаружение и точное определение местонахождения объек­тов с помощью радиоволн называется радиолокацией. В основе принципа радиолокации лежит свойство отражения электромаг­нитных волн.
Устройство радиолокационной станции 1 — передатчик; 2 — антенна; 3 — антенный переключатель; 4 — приемник; 5 — блок развертки; 6 — электронно-лучевая трубка; 7—индикатор направления. Работа всех элементов станции синхронизирована. Принцип действия В передатчике генерируются колебания (108—1011 Гц), кото­рые в виде коротких импульсов поступают в антенну направлен­ного действия. Промежуток времени Δtмежду отправлением и возвращением электромагнитной волны больше приблизитель­но в 103 раз короткого импульса. Во время пауз принимаются от­раженные волны. Часть радиоимпульсов, отраженных от объ­екта, улавливается антенной, которая при помощи переключате­ля подключается к приемнику, где слабые отраженные импуль­сы усиливаются в 1012 раз. Ультракороткие волны применяют в радиолокации, в связи с тем что мощность излучаемого сигнала ~w4. Важно, чтобы длина волны была сравнима с размерами предмета, от которого отражается сигнал. Принципы радиолокации и эхолокации одинаковы.
Измерения в радиолокации 1. Расстояние от передатчика до объекта (дистанциометрия):  , где с — скорость света; S — расстояние от передатчика до объекта. 2. Пеленгация. Диапазон расстояний, в котором может работать локатор, определяется длительностью импульса и паузы:  , а  .
Применение 1. Авиация, космонавтика, флот: безопасность движения су­дов при любой погоде и в любое время суток, предотвращение их столкновения, безопасность взлета и. посадки самолетов. 2. Военное дело: своевременное обнаружение самолетов или ракет противника, автоматическая корректировка зенитного огня.  3. Радиолокация планет: измерение расстояния до них, уточ­нение параметров их орбит, определение периода вращения, на­блюдение рельефа поверхности. В бывшем Советском Союзе (1961)—радиолокация Венеры, Меркурия, Марса, Юпитера. В США и Венгрии (1946)—эксперимент по приему сигнала, от­раженного от поверхности Луны.
Телевидение Схема телевидения в основном совпадает со схемой радиове­щания. Разница заключается в том, что в передатчике колеба­ния модулируются не только звуковыми сигналами, но и сигна­лами изображения. Оптические сигналы в передающей телека­мере преобразуются в электрические. Модулированная электромагнитная волна переносит информацию на большие расстоя­ния. В телевизионном приемнике высокочастотный сигнал де­лится на три сигнала: сигнал изображения, звуковой сигнал и сигнал управления. После усиления эти сигналы поступают в свои блоки и используются по назначению.
Для воспроизведе­ния движения используют принцип кино: изображение движуще­гося объекта (кадра) передают десятки раз в секунду (в телеви­дении 50 раз). Преобразование изображения кадра в электриче­ские сигналы производится с помощью иконоскопа. На экран иконоскопа проецируется изображение объекта с помощью опти­ческой системы (объектива). Такой же сигнал получается в теле­визионном приемнике, где сигнал преобразуется в видимое изоб­ражение на экране кинескопа. Телевизионные радиосигналы пе­редаются в диапазоне ультракоротких волн, т. е. в пределах прямой видимости антенны.

36. В современном мире есть разные средства связи, которые постоянно развиваются и совершенствуются. Даже таковой обычный вид связи как почтовое сообщение (доставка сообщений в письменном виде) претерпел значительные конфигурации. С развитием науки и техники возникают новейшие виды связи. Так в XIX веке возник проволочный телеграф, по которому информация передавалась с помощью азбуки Морзе, а потом был изобретен телеграф, в котором точки и тире были изменены знаками. Но этот вид связитребовал протяженных линий передач, прокладки кабелей под землей и водой, в которых информация передавалась посредством электрических сигналов. Необходимость в линиях передач осталась и при передаче информации посредством телефона. В конце XIX века возникла радиосвязь - беспроволочная передача электрических сигналов на огромные расстояния с помощью радиоволн Но для развития этого вида связи нужно было увеличить её дальность, а для этого требовалось увеличить мощность передатчиков и чувствительность приемников, получающих слабый радиосигнал. Эти трудности равномерно решались с появлением новейших изобретений - электронных ламп в 1913 году, а после второй мировой войны они стали заменяться полупроводниковыми интегральными схемами. Возникли массивные передатчики и чувствительные приемники, их размеры уменьшались, а характеристики улучшались. Как вынудить радиоволны обогнуть земной шар. И было использовано свойство электромагнитных волн частично отражаться на границе раздела двух сред. В качестве таковой отражающей поверхности стал употребляться слой ионосферы земли, верхний слой атмосферы состоящий из ионизированных газов). Многократно и попеременно отражаясь от иона сферы и поверхности земли, короткие радиоволны огибают земной шар, передавая информацию в самые отдаленные части планеты. После того как был изобретен телефон и найдены методы воплощения дальней радиосвязи естественно возникло желание объединить эти два заслуги. Существенными достижениями в развитии средств связи явились изобретения фототелеграфа и телевизионной связи. Естественно, для воплощения телевизионной связи нужно уже два передатчика: один для звуковых, другой для видеосигналов. Следующим шагом совершенствования телевизионных средств связи было изобретение цветного телевидения. Но современные требования, предъявляемые к средствам связи, все время требуют их дальнейшего усовершенствования, сейчас начинается внедрение цифровых систем передачи информации, изображения, звука, которые в будущем заменят сейчас действующие аналоговое телевидение. Телевизионные приемники нового поколения разрешают воспринимать передачи цифровые и аналоговые. Привычные экраны телевизоров и мониторов заменяются жидкокристаллическими. Современный мир, эфир которого заполнен обилием каналов связи, продолжает находить остальные методы передача информации. Один из таковых способов - передача сигнала с помощью света. В базе этого метода лежит то, что форму световых лучей можно изменить под действием электрических колебаний звуковой частоты. Свет переносит сигнал быстрее радиоволн. Частота световых волн во много раз выше радиоволн - у радиоволн это сотни и тыщи колебаний в секунду, а у света миллионы и миллиарды. Свет может доставить существенно больше информации за одно и тоже время, чем радиоволны. В качестве световодов употребляется оптическое стекловолокно создается из тонкой нити тяжелого стекла с огромным показателем преломления, окруженной трубкой из стекла с низким показателем преломления. Яркость света до и после пробега по такому стекловоду фактически не меняется, так как световой луч испытывая на границе с трубкой полное отражение, отражаясь от стен беспрепятственно достигает цели. В настоящее время идет интенсивное внедрение линий телефонной и телеграфной связи с внедрением волоконно-оптических кабелей. В 1997 году по линиям электропередач проложено уже 1,3 тыс. Км таковых кабелей. С развитием техники совершенствуется аппаратура средств связи. Но настоящей революцией в развитии средств связи можно считать появление глобальной системы общедоступных электронных сетей, которая носит обобщающее заглавие веб. Компьютерный мир уже давно стал сетевым.

37. Развитие взглядов на природу света

Два способа передачи воздействий. От источника света, например лампочки, свет распространяется во все стороны и падает на окружающие предметы, вызывая, в частности, их нагревание. Попадая в глаз, свет вызывает зрительное ощущение — мы видим. Можно сказать, что при распространении света происходит передача воздействий от одного тела (источника) к другому (приемнику). Вообще же действие одного тела на другое может осуществляться двумя различными способами: либо по средством переноса вещества от источника к приемнику, либо же по средством изменения состояния среды между телами (без переноса вещества). Можно, например, заставить зазвенеть колокольчик, находящий на некотором расстоянии, удачно попав в него шариком Здесь мы имеем дело с переносом вещества. Но можно поступить иначе: привязать шнур к языку колокольчика и заставить колокольчик звучать, посылая по шнуру волны раскачивающие его язык  В этом случае переноса вещества не будет. По веревке распространяется волна, т.е. происходит изменение состояния (формы) веревки Таким образом, передача действия от одного тела к другому может происходить посредством волн. Корпускулярная и волновая теории света. В соответствии с двумя возможными способами передачи действия от источника к приемнику возникли и начали развиваться две совершенно различные теории о том, что такое свет, какова его природа. Причем возникли они почти одновременно в XVII веке.  Одна из этих теорий связана с именем Ньютона, а другая — с именем Гюйгенса. Ньютон придерживался так называемой корпускулярной теории света, согласно которой свет — это поток частиц, идущих от источника во все стороны (перенос вещества). Согласно же представлениям Гюйгенса свет — это волны, распространяющиеся в особой, гипотетической среде — эфире, заполняющем все пространство и проникающем внутрь всех тел. Обе теории длительное время существовали параллельно. Ни одна из них не могла одержать решающей победы. Лишь авторитетНьютона заставлял большинство ученых отдавать предпочтение корпускулярной теории. Известные в то время из опыта законы распространения света более или менее успешно объяснялись обеими теориями. На основе корпускулярной теории было трудно объяснить, почему световые пучки, пересекаясь в пространстве, никак не действуют друг на друга. Ведь световые частицы должны сталкиваться и рассеиваться. Волновая же теория эго легко объясняла. Волны, например на поверхности воды, свободно проходят друг сквозь друга, не оказывая взаимного влияния. Однако прямолинейное распространение света, приводящее к образованию за предметами резких теней, трудно объяснить, исходя из волновой теории. По корпускулярной же теории прямолинейное распространение света является просто следствием закона инерции. Такое неопределенное положение относительно природы света длилось до начала XIX века, когда было впервые изучено явление огибания светом препятствий (дифракция) и явление усиления или ослабления света при наложении световых пучков друг на друга (интерференция). Эти явлении присущи исключительно волновому движению. Объяснить их с помощью корпускулярной теории нельзя. По этому казалось, что волновая теория одержала окончательную и полную победу. Такая уверенность особенно окрепла, когда Максвелл во второй половине XIX века показал, что свет есть частный случай электромагнитных волн. Работами Максвелла были заложены основы электромагнитной теории света. После экспериментального обнаружения электромагнитных волн Герцем никаких сомнений в том, что при распространении свет ведет себя как волна, не осталось. Нет их и сейчас. Однако в начале XX века представления о природе света начали коренным образом изменяться. Неожиданно выяснилось, что отвергнутая корпускулярная теория все же имеет отношение к действительности. Оказалось, что при излучении и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц. Были обнаружены прерывистые, или, как говорят, квантовые, свойства света. Возникла необычная ситуация: явления интерференции и дифракции по-прежнему можно было объяснить, считая свет волной, а явления излучения и поглощения — считая свет потоком частиц. Мы сначала познакомимся с волновыми свойствами света. О корпускулярно-волновом дуализме (двойственности) свойств света будет рассказано в дальнейшем. Но прежде всего кратко напомним, что говорилось о свете в курсе физики VIII класса. Геометрическая и волновая оптика. При первоначальном ознакомлении с оптическими явлениями было введено понятие светового луча. Лучи указывают направление распространения света. Чтобы определить это направление, мы выделяем узкие световые пучки, диаметр которых значительно превышает длину волны. Затем мы заменяем эти пучки линиями, которые являются осями световых пучков. Эти линии и изображают световые лучи. Основная польза от введения понятия светового луча заключается в том, что поведение лучей в пространстве определяется простыми законами — законами геометрической оптики Геометрической оптикой называется раздел оптики, в котором изучаются законы распространения световой энергии в прозрачных средах на основе представления о световом луче. Эти законы были установлены экспериментально задолго до выяснения природы света. Но они вытекают из волновой теории света как приближение, справедливое, если длина волны много меньше размеров препятствий, которые расположены не очень далеко от места наблюдения В VIII классе были сформулированы два закона геометрической оптики: закон прямолинейного распространения света в однородной среде и закон отражения. О преломлении светаговорилось качественно. Закон преломления не был сформулирован. Мы получим законы отражения и преломления света с помощью представления о свете как о волновом процессе.

Опыты по определению скорости света

Скорость света в свободном пространстве (вакууме) - скорость распространения любых электромагнитных волн, в том числе и световых. Представляет собой предельную скорость распространения любых физических воздействий и инвариантна при переходе от одной системы отсчета к другой. 

Скорость света в среде зависит от показателя преломления среды n, различного для разных частот ? излучения: с'(?) = c/n(?). Эта зависимость приводит к отличию групповой скорости от фазовой скорости света в среде, если речь идет не о монохроматическом свете (для скорости света в вакууме эти величины совпадают. Экспериментально определяя с', всегда измеряют групповую скорость света. Впервые скорость света определил в 1676 году О. К. Рёмер по изменению промежутков времени между затмениями спутников Юпитера. В 1728 году её установил Дж. Брадлей, исходя из своих наблюдений аберрации света звезд. В 1849 году А. И. Л. Физо первым измерил скорость света по времени прохождения светом точно известного расстояния (базы), так как показатель преломления воздуха очень мало отличается от 1, то наземные измерения дают величину весьма близкую к скорости.  В опыте Физо пучок света от источника света S, отраженный полупрозрачным зеркалом 3, периодически прерывался вращающимся зубчатым диском 2, проходил базу 4-1 (около 8 км) и, отразившись от зеркала 1, возвращался к диску. Попадая на зубец, свет не достигал наблюдателя, а попавший в промежуток между зубцами свет можно было наблюдать через окуляр 4. По известным скоростям вращения диска определялось время прохождения светом базы. Физо получил значение c = 313300 км/с.В 1862 году Ж. Б. Л. Фуко реализовал высказанную в 1838 году идею Д. Арго, применив вместо зубчатого диска быстровращающееся зеркало (512 оборотов в секунду). Отражаясь от зеркала пучок света направлялся на базу и по возвращении вновь попадал на то же зеркало, успевшее повернуться на некоторый малый угол. При базе всего 20 м Фуко нашёл, что скорость света равна 298000 500 км/с. Схемы и основные идеи методов Физо и Фуко были многократно использованы в последующих работах по определению скорости света.Определение скорости света методом вращающегося зеркала (Метод Фуко): S- источник света; R - быстровращающееся зеркало; C - неподвижное вогнутое зеркало, центр которого совпадает с осью вращения R (поэтому свет, отраженный C, всегда попадает обратно на R); M - полупрозрачное зеркало; L- объектив; E - окуляр; RC - точно измеренное расстояние (база). Пунктиром показаны положение R, изменившееся за время прохождения светом пути RC и обратно, и обратный ход пучка лучей через объектив L, который собирает отраженный пучок в точке S', а не в точке S, как это было бы при неподвижном зеркале R. Скорость света устанавливается, измеряя смещение SS'.Полученное А. Майкельсоном в1926 году значение c = 299796 4 км/с было тогда самым точным и вошло в интернациональные таблицы физических величин.  Измерение скорости света в 19 веке сыграли большую роль в физике, дополнительно подтвердив волновую теорию света. Выполненное Фуко в 1850 году сравнение скорости света одной и той же частоты в воздухе и воде показало, что скорость в воде u = c/n(?) в соответствии с предсказанием волновой теории. Была так же установлена связь оптики с теорией электромагнетизма: измеренная скорость света совпала со скоростью электромагнитных волн, вычисленной из отношения электромагнитных и электростатических единиц электрического заряда.  В современных измерениях скорости света используется модернизированный метод Физо с заменой зубчатого колеса на интерференционный или какой-либо другой модулятор света, полностью прерывающий или ослабляющий световой пучок. Приемником излучения служит фотоэлемент или фотоэлектрический умножитель. Применение лазера в качестве источника света, УЗ - модулятора со стабилизированной частотой и повышение точности измерения длины базы позволит снизить погрешности измерений и получить значение с = 299792,5 0,15 км/с. Помимо прямых измерения скорости света по времени прохождения известной базы, широко применяются косвенный методы, дающие большую точность. Скорость света в вакууме принять считать 2999792458 1,2 м/с. Как можно более точное измерение величины с чрезвычайно важно не только в общетеоретическом плане и для определения значений других физических величин, но и для практических целей. К ним, в частности. Относится определение расстояний во времени прохождения радио- или световых сигналов в радиолокации, оптической локации, светодальнометрии и др. 

38. Явления на границе раздела 2х сред.

На границе раздела двух сред наблюдаются: отражение, преломление и поглощение света. Отражение, преломление и поглощение падающего на тело излучения зависит от рода вещества, состояния поверхности, состава излучения и угла падения. Угол между падающим лучом и перпендикуляром, восставленным в точку падения луча, называется углом падения (α). Угол между перпендикуляром, восставленным в точку падения луча, и отраженным лучом  называется углом отражения (γ). Угол между перпендикуляром, восставленным в точку падения луча, и преломленным лучом  называется углом преломления (β).
Отражение света. Отражение, при котором пучок параллельных лучей преобразуется врасходящийся, называется диффузным. Диффузное, или рассеян­ное, отражение позволяет нам видеть тела.
Отражение, при котором пучок параллельных лучей остается параллельным, называется зеркальным.
Законы отражения света. Луч падающий и луч отраженный лежат в одной плоскости с перпендикуляром к отражающей поверхности. Угол отражения луча равен углу его падения Δα=Δγ.

Огромное значение для геометрической оптики имел принцип Ферма, названный так по имени сформулировавшего его французского ученого Пьера Ферма (1601—1665). Этот принцип устанавливал, что свет меж двумя точками распространяется по такому пути, на прохождение которого затрачивает минимум времени.  В базе геометрической оптики лежат законы –закон о прямолинейном распространении света. Понятие о световом луче, как о нескончаемо узком пучке света, распространяющемся прямолинейно составляет противоречие с представлениями о волновой природе света, согласно которым отклонение от прямолинейного распространения будет тем больше, чем более узенький световой пучок (явление дифракции).Закон независимости распространения световых пучков. Законы отражения и закон преломления света разрешают объяснить и обрисовать многие физические явления, а также проводить расчеты и конструирование оптических устройств. Законы отражения и преломления света были вначале установлены как бывалые законы. Но волновая теория объясняет их элементарным образом, исходя из принципа Гюйгенса, приложимого к волнам с неограниченными фронтами.

39.Глаз, как оптическая система. Оптические приборы

глаз окружен снаружи тремя оболочками:Внешняя твердая и прочная оболочка 1, называемая склерой или белковой оболочкой, защищает внутренность глаза от механических повреждений. Склера на передней части глаза прозрачна и называется роговой оболочкой или роговицей ; на всей остальной части глаза она непрозрачна, имеет белый цвет и называется белком. С внутренней стороны к склере прилегает сосудистая оболочка , состоящая из сложного сплетения кровеносных сосудов, питающих глаз. Эта вторая оболочка в передней части глаза переходит в радужную оболочку, окрашенную у разных людей в различный цвет. Радужная оболочка имеет в середине отверстие, называющееся зрачком . Радужная оболочка способна деформироваться и таким образом менять диаметр зрачка. Изменение это происходит рефлекторно (без участия сознания) в зависимости от количества света, попадающего в глаз. Промежуток между роговой и радужной оболочками называется передней камерой 9; он заполнен камерной влагой. Внутри глаза, непосредственно за зрачком, расположен хрусталик 5, представляющий собой прозрачное упругое тело, имеющее форму двояковыпуклой линзы. Кривизна поверхностей хрусталика может меняться в результате действия облегающей его со всех сторон мышцы. Посредством изменения кривизны поверхностей хрусталика достигается приведение изображения предметов, лежащих на различных расстояниях, точно на поверхность чувствительного слоя сетчатки; этот процесс называется аккомодацией. Вся полость глаза за хрусталиком заполнена прозрачной студенистой жидкостью, образующей стекловидное тело. По своему устройству глаз как оптическая система сходен с фотоаппаратом. Роль объектива выполняет хрусталик совместно с преломляющей средой передней камеры и стекловидного тела. Изображение получается на светочувствительной поверхности сетчатки. Наводка на резкость изображения осуществляется путем аккомодации. Наконец, зрачок играет роль изменяющейся по диаметру диафрагмы. Способность глаза к аккомодации обеспечивает возможность получения на сетчатке резких изображений предметов, находящихся на различных расстояниях. Нормальный глаз в спокойном состоянии, т. е. без какого-либо усилия аккомодации, дает на сетчатке отчетливое изображение удаленных предметов (например, звезд). С помощью мышечного усилия, увеличивающего кривизну хрусталика и, следовательно, уменьшающего его фокусное расстояние, глазосуществляет наводку на нужное расстояние. Наименьшее расстояние, на котором нормальный глаз может отчетливо видеть предметы, меняется в зависимости от возраста от 10 см (возраст по 20 лет) до 22 см (возраст около 40 лет). В более пожилом возраст: способность глаза к аккомодации еще уменьшается: наименьшее расстояние доходит до 30 см и более — возрастная дальнозоркость.

40. Линзы. Построение изображений в линзах

Линзой называется прозрачное тело, ограниченное двумя криволинейными (чаще всего сферическими) или криволинейной и плоской поверхностями. Линзы делятся на выпуклые и вогнутые.

Линзы, у которых середина толще, чем края, называются выпуклыми. Линзы, у которых середина тоньше, чем края, называются вогнутыми.

Если показатель преломления линзы больше, чем показатель преломления окружающей среды, то в выпуклой линзе параллельный пучок лучей после преломления преобразуется в сходящий пучок. Такие линзы называются собирающими (рис. 89, а). Если в линзе параллельный пучок преобразуется в расходящийся пучок, то эти линзы называются рассеивающими (рис. 89, б). Вогнутые линзы, у которых внешней средой служит воздух, являются рассеивающими.

Если на собирающую линзу падает пучок лучей, параллельных главной оптической оси, то после преломления в линзе они собираются в одной точке F, которая называется главным фокусом линзы.

Для построения изображения в линзе достаточно взять по два луча от каждой точки предмета и найти их точку пересечения после преломления в линзе. Удобно пользоваться лучами, ход которых после преломления в линзе известен. Так, луч, падающий на линзу параллельно главной оптической оси, после преломления в линзе проходит через главный фокус; луч, проходящий через оптический центр линзы, не преломляется; луч, проходящий через главный фокус линзы, после преломления идет параллельно главной оптической оси; луч, падающий на линзу параллельно побочной оптической оси, после преломления в линзе проходит через точку пересечения оси с фокальной плоскостью.

41. Интерференция, ее применение в технике

Интерференция - изменение в характере звуковых, тепловых, световых и электрических явлений, объясняемое колебательным движением: в первом случае частиц звучащего тела, в остальных трех — колебанием.применения интерференции: Проверка качества обработки поверхностей, Просветление оптики. Интерферометры – измерительные приборы, в которых используется интерференция волн. Применения интерференции очень важны и обширны. света имеет самое широкое применение для измерения длины волны излучения, исследования тонкой структуры спектральной линии, определения плотности, показателей преломления и дисперсионных свойств веществ, для измерения углов, линейных размеров деталей в длинах световой волны, для контроля качества оптических систем и многого другого. На использовании интерференции света основано действие интерферометров и интерференционных спектроскопов; метод голографии также основан на интерференции света. Интерференцию поляризованных лучей широко используют в кристаллооптике для определения структуры и ориентации осей кристалла, в минералогии для определения минералов и горных пород, для обнаружения и исследования напряжений и деформаций в твердых телах, для создания особо узкополосных светофильтров и др.  

42. Устройства, позволяющие наблюдать интерференционную картину

Вспомогательный микроскоп, применяемый для настройки освещения по методу фазового контраста, полезно использовать и при настройке всех других методов освещения, так как он облегчает наблюдение выходного зрачка объектива. После совмещения колец вспомогательный микроскоп заменяется обычным окуляром.Кроме объективов и конденсора с диафрагмами, в комплект устройства входит вспомогательный микроскопдля центрирования диафрагм. Для реализации коноскопического способа наблюдения в ход лучей в микроскопе вводится вспомогательная линза , которая вместе с окуляром 11 образует вспомогательный микроскоп малого увеличения, позволяющий наблюдать интерференционную картину.

43. Дифракция световых волн. Понятие о голографии

Основы явления дифракции можно понять, если обратиться к принципу Гюйгенса, согласно которому каждая точка на пути распространения светового луча может рассматриваться как новый независимый источниквторичных волн, и дальнейшая дифракционная картина оказывается обусловленной интерференцией этих вторичных волн. При взаимодействии световой волны с препятствием часть вторичных волн Гюйгенса блокируется. Например, при падении световой волны сверху под острым углом на бритву на верхней плоскости бритвы вторичные волны Гюйгенса образовываться будут, а на нижней нет. Однако в результате конструктивной интерференции вторичные волны всё равно обогнут бритву, и мы увидим там сплошной световой луч, как если бы на пути его распространения ничего не стояло. Подобное же «огибание» волной препятствия можно наблюдать и в морском порту в шторм: суда, стоящие на якоре за волнорезом, который, казалось бы, должен полностью гасить волны, тем не менее «гуляют» вверх-вниз благодаря вторичным волнам.

Если источник света и точка наблюдения удалены от препятствия на незначительное расстояние, исходные и результирующие лучи света не параллельны друг другу — и мы наблюдаем дифракцию Френеля (дифракцию в ближней зоне). Если же источник и точка наблюдения находятся на значительном расстоянии от препятствия (точки дифракции), лучи практически параллельны, и мы наблюдаем дифракцию Фраунгофера (дифракцию в дальней зоне). Фраунгофер, кстати, изобрел целый ряд важных прецизионных оптических приборов, включаядифракционную решетку. Она представляет собой систему расположенных на небольшом расстоянии друг от друга микроскопических линий, отражающих свет. Изначально это была затемненная стеклянная пластина с тщательно нанесенными на нее параллельными штрихами. Каждый такой штрих отражает свет, и его можно считать вторичным источником волн Гюйгенса, которые вступают в интерференцию и взаимно усиливаются под определенными углами после рассеяния на решетке.

--- Голография — безлинзовое получение оптических изображений путем так называемого восстановления волнового фронта. Применим метод Рэлея для уяснения идеиголографии. В принципе идея голографии была выдвинута и экспериментально проверена польским физиком М. Вольфке (1883-1947). Его работа была опубликована еще в 1920 г., но была забыта. Эту идею независимо от Вольфке вновь предложил и обосновал в 1947 г. английский инженер и физик Габор (р. 1900), который по праву считается изобретателем голографии. Однако понадобилось 15 лет, чтобы стало возможно практическое осуществление голографии. Причина столь длительной задержки заключается в том, что в голографии требуются источники света, обладающие высокойстепенью временной и пространственной когерентности. Таких источников в 1947 г. еще не существовало. Положение изменилось в 1960 г. с изобретением лазеров и проникновением их в лабораторную технику. Первые изображения по методу голографиибыли получены американцами Лейтом и Упат-ниексом в 1962 г.

При освещении, или просвечивании предмета от него распространяется рассеянная или прошедшая волна. Отделившись от предмета, рассеянная волна сохраняет в дальнейшем независимое существование и несет полную информацию о форме и прочих свойствах предмета, какая может быть получена путем освещения его световыми лучами. Попадая в глаз или объектив фотоаппарата, эта волна образует на сетчатке или на фотопластинке изображение предмета. Если любым путем создать такую же волну, то, очевидно, она сможет вызвать в точности такие же эффекты, что и исходная волна, рассеянная предметом. На этом замечании и основана идея голографии..

Процесс получения изображения в голографии распадается на две стадии. На первой стадии изготовляется голограмма, т. е. фотопластинка, с помощью которой можно восстанавливать световую волну, рассеянную телом. Вторую стадию составляет самовосста­новление этой волны и получение оптического изображения.

44. Дисперсия света. Спектры. Спектральный анализ

Спектр – распределение значений физической величины.

Спектральный анализ - совокупность методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на изучении спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения, акустических волн, распределения по массам и энергиям элементарных частиц и др.

Линейчатые спектры играют особо важную роль, потому что их структура прямо связана со строением атома. Ведь эти спектры создаются атомами, не испытывающими внешних воздействий. Поэтому, знакомясь с линейчатыми спектрами, мы тем самым делаем первый шаг к изучению строения атомов. Наблюдая эти спектры, ученые получили возможность "заглянуть" внутрь атома. Здесь оптика вплотную соприкасается с атомной физикой. Главное свойство линейчатых спектров состоит в том, что длины волн (или частоты) линейчатого спектра какого-либо вещества зависят только от свойств атомов этого вещества, но совершенно не зависят от способа возбуждения свечения атомов. Атомы любого химического элемента дают спектр, не похожий на спектры всех других элементов: они способны излучать строго-определенный набор длин волн. На этом основан спектральный анализ - метод определения химического состава вещества по его спектру. Подобно отпечаткам пальцев у людей линейчатые спектры имеют неповторимую индивидуальность. Неповторимость узоров на коже пальца помогает часто найти преступника. Точно так же благодаря индивидуальности спектров имеется возможность определить химический состав тела. С помощью спектрального анализа можно обнаружить данный элемент в составе сложного вещества если даже его масса не превышает 10^-10. Это очень чувствительный метод.

Количественный анализ состава вещества по его спектру затруднен, так как яркость спектральных линий зависит не только от массы вещества, но и от способа возбуждения свечения. Так, при низких температурах многие спектральные линии вообще не появляются. Однако при соблюдении стандартных условий возбуждения свечения можно проводить и количественный спектральный анализ.  В настоящее время определены спектры всех атомов и составлены таблицы спектров. С помощью спектрального анализа были открыты многие новые элементы: рубидий, цезий и др. Элементам часто давали названия в соответствии с цветом наиболее интенсивных линий спектра. Рубидий дает темно-красные, рубиновые линии. Слово цезий означает «небесно-голубой». Это цвет основных линий спектра цезия. Именно с помощью спектрального анализа узнали химический состав Солнца и звезд. Другие методы анализа здесь вообще невозможны. Оказалось, что звезды состоят из тех же самых химических элементов, которые имеются и на Земле. Любопытно, что гелий первоначально открыли на Солнце и лишь затем нашли в атмосфере Земли. Название этого элемента напоминает об истории его открытия: слово гелий означает в переводе «солнечный». Благодаря сравнительной простоте и универсальности спектральный анализ является основным методом контроля состава вещества в металлургии, машиностроении, атомной индустрии. С помощью спектрального анализа определяют химический состав руд и минералов. Состав сложных, главным образом органических, смесей анализируется по их молекулярным спектрам. Спектральный анализ можно производить не только по спектрам испускания, но и по спектрам поглощения. Именно линии поглощения в спектре Солнца и звезд позволяют исследовать химический состав этих небесных тел. Ярко светящаяся поверхность Солнца - фотосфера - дает непрерывный спектр. Солнечная атмосфера поглощает избирательно свет от фотосферы, что приводит к появлению линий поглощения на фоне непрерывного спектра фотосферы. 

---Свет, проходя через трехгранную призму, преломляется и при выходе из призмы отклоняется от своего первоначального направления к основанию призмы. Величина отклонения луча зависит от показателя преломления вещества призмы, и, как показывают опыты, показатель преломления зависит от частоты света. Зависимость показателя преломления вещества от частоты (длины волн) света называетсядисперсией.О чень просто наблюдать явление дисперсии при пропускании белого света через призму (рис. 102). При выходе из призмы белый свет разлагается на семь цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Меньше всех отклоняется красный свет, больше - фиолетовый. Это говорит о том, что стекло имеет для фиолетового света наибольший показатель преломления, а для красного - наименьший. Свет с разными длинами волн распространяется в среде с разными скоростями: фиолетовый с наименьшей, красный - наибольшей, так как n= c/v ,

В результате прохождения света через прозрачную призму получается упорядоченное расположение монохроматических электромагнитных волн оптического диапазона - спектр.

Все спектры делятся на спектры испускания и спектры поглощения. Спектр испускания создается светящимися телами. Если на пути лучей, падающих на призму, поместить холодный, неизлучающий газ, то на фоне непрерывного спектра источника появляются темные линии. При этом получим спектр поглощения газа. Немецкий физик Г. Кирхгоф (1824-1887) открыл закон, согласно которому спектральный составсвета, который излучается телами в горячем состоянии, поглощается ими в холодном состоянии (атомы данного элемента поглощают те длины волн, которые излучают при высокой температуре).

Спектры испускания делятся на сплошные, линейчатые и полосатые. Сплошной спектр дают раскаленные твердые и жидкие тела. Линейчатый спектр - это совокупность определенных спектральных линий (на черном фоне). Такой спектр дают возбужденные газы, находящиеся в атомарном состоянии. Изолированные атомы данного химического элемента излучают строго определенные длины волн. Полосатый спектр представляет собой отдельные спектральные полосы, разделенные темными промежутками. В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры создаются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом.

45. Спектры испускания и поглощения света. Закон Кирхгофа

Спектр испускания  1) Сплошной спектр  Такие спектры получают от нагретых твердых тел, жидкостей и газов под большим давлением.  2) Линейчатый спектр  Такой спектр получают при свечении атомарных газов или паров. Это набор отдельных спектральных линий на темном фоне. Каждый химический элемент дает не повторяющийся линейчатый спектр.  Спектр поглощения  Спектр возникает, если вещество поглощает из белого света отдельные спектральные линии. Получают сплошной спектр с черными полосками. 

Закон излучения Кирхгофа — физический закон, установленный немецким физиком Кирхгофом в 1859 году.

В современной формулировке закон звучит следующим образом:

Отношение излучательной способности любого тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел при данной температуре для данной частоты и не зависит от их формы и химической природы.

Спектры, полученные от самосветящих тел, называются спектрами испускания. Спектры испускания бывают трех типов: сплошные, линейчатые и полосатые. Сплошные спектры наблюдаются при разложении света, излучаемого нагретыми твердыми и жидкими телами. Линейчатые спектры состоят из узких линий разного цвета. Они получаются от светящих атомарных газов. Каждый химический элемент имеет свой характерный линейчатый спектр. Полосатыеспектры состоят из ряда светлых полос, разделенных темными промежутками. Они возникают при излучении молекулярных газов.

Прозрачные вещества поглощают часть падающего на них излучения, и в спектре, полученном после прохождения белого света через такие вещества, появляются темные линии, или полосы поглощения. Такой спектр называетсяспектром поглощения. Объяснение возникновения спектров поглощения дано в законе Кирхгофа: всякое вещество поглощает преимущественно свет тех длин волн, который оно само может испускать. Спектром поглощения является солнечный спектр. При прохождении света через газовую оболочку Солнца возникают многочисленные линии поглощения, которые называются фраунгоферовыми линиями.

46. Поляризация света – процесс упорядочения колебаний вектора напряжённости электрического поля световой волны при прохождениисвета сквозь некоторые вещества (при преломлении) или при отражении светового потока.

Поляризатор – вещество (или устройство) служащее для преобразования естественного света в плоскополяризованный.

Плоскость поляризации – плоскость, проходящая через направление колебаний светового вектора плоскополяризованной волны и направление распространения этой волны.

    Квант света, излучённый атомом, поляризован всегда. Однако излучение макроскопического источника света (электрической лампочки, Солнца, свечи) является суммой излучений огромного числа атомов. Каждый из них излучает квант примерно за 10-8секунды, и если все атомы будут излучать свет с различной поляризацией, то поляризация всего пучка будет меняться на протяжении таких же промежутков времени. Поэтому, в естественном свете все эффекты, связанные с поляризацией усредняются, и его называют неполяризованным. Для выделения из неполяризованного света части, обладающей желаемой поляризацией, используют поляризаторы (например, исландский шпат или турмалин, а также искусственные поляризаторы).

Разберём принцип действия поляризатора на простом механическом примере. Мы создаём волну с помощью верёвки, а в качестве препятствия имеем решётку.   Если волна поляризована параллельно, то она беспрепятственно проходит сквозь препятствие. Напротив, поляризованная в перпендикулярном направлении бегущая волна сквозь преграду уже не пройдёт, а распадётся на две отдельные стоячие волны, отражающиеся в обе стороны от преграды. Таким образом, преграда в виде решётки случит поляризатором для бегущих по верёвке поперечных волн, пропуская лишь волны, поляризованные в узком диапазоне углов в вертикальной плоскости.

Особенности взаимодействия поляризованного света с веществом обусловили его исключительно широкое применение в научных исследованиях кристаллохимической и магнитной структуры твёрдых тел, строения биологических объектов (например, поляризационная микроскопия, см. Микроскоп), состояний элементарных излучателей и их отдельных центров, ответственных за квантовые переходы, для получения информации о чрезвычайно удалённых (в частности, астрофизических) объектах. Вообще, Поляризация света как существенно анизотропное свойство излучения позволяет изучать все виды анизотропии вещества — поведение газообразных, жидких и твёрдых тел в полях анизотропных возмущений (механических, звуковых, электрических, магнитных, световых), в кристаллооптике — структуру кристаллов (в подавляющем большинстве — оптически анизотропных), в технике (например, в машиностроении) — упругие напряжения в конструкциях (см. Поляризационно-оптический метод исследования напряжений) и т.д. Изучение Поляризация света, испускаемого или рассеиваемого плазмой, играет важную роль в диагностике плазмы. Взаимодействие поляризованного света с веществом может приводить к оптической ориентации или т. н. выстраиванию атомов, генерации мощного поляризованного излучения в лазерах и пр.

47. Шкала электромагнитных волн

48,49,50 в тетради.

51.

54. Фотоны - элементарная частица, переносчик электромагнитного взаимодействия, квант электромагнитного поля. Фотоны обозначаются буквой γ, поэтому их часто называют гамма-квантами,это кванты света.не имеют массы покоя и электрического заряда, стабильны. Спин фотона равен=1.

Фотон означает свет (от греч.).

Согласно закону пропорциональности массы и энергии и гипотезе Планка, энергия фотона определяется формулой:

 

Основные закономерности фотоэффекта:

Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты света ν и не зависит от его интенсивности.

Для каждого вещества существует так называемая красная граница фотоэффекта, т. е. наименьшая частота νmin, при которой еще возможен внешний фотоэффект.

Число фотоэлектронов, вырываемых светом из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности света.

Фотоэффект практически безынерционен, фототок возникает мгновенно после начала освещения катода при условии, что частота света ν > νmin.

Все эти закономерности фотоэффекта в корне противоречили представлениям классической физики о взаимодействии света с веществом. Согласно волновым представлениям при взаимодействии с электромагнитной световой волной электрон должен был бы постепенно накапливать энергию, и потребовалось бы значительное время, зависящее от интенсивности света, чтобы электрон накопил достаточно энергии для того, чтобы вылететь из катода. Как показывают расчеты, это время должно было бы исчисляться минутами или часами. Однако, опыт показывает, что фотоэлектроны появляются немедленно после начала освещения катода. В этой модели также было невозможно понять существование красной границы фотоэффекта. Волновая теория света не могла объяснить независимость энергии фотоэлектронов от интенсивности светового потока и пропорциональность максимальной кинетической энергии частоте света.

Таким образом, электромагнитная теория света оказалась неспособной объяснить эти закономерности.

три закона фотоэффекта.          1. Сила тока насыщения прямо пропорциональна интенсивности светового излучения, падающего на поверхность тела.          2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и зависит от его интенсивности.          3. Если частота света меньше некоторой определенной для данного вещества минимальной частоты, то фотоэффекта не происходит.

 Теорию фотоэффекта создал немецкий ученый А. Эйнштейн в 1905 г. В основе теории Эйнштейна лежит понятие работы выхода электронов из металла и понятие о квантовом излучении света. По теории Эйнштейна фотоэффект имеет следующее объяснение: поглощая квант света, электрон приобретает энергию. При вылете из металла энергия каждого электрона уменьшается на определенную величину, которую называют работой выхода (Авых). Работа выхода — это работа, которую необходимо затратить, чтобы удалить электрон из металла. Максимальная энергия электронов после вылета (если нет других потерь) имеет вид:   . Это уравнение носит название уравнения Эйнштейна.

Приборы, принцип действия которых основан на явлении фотоэффекта,называют фотоэлементами. Простейшим таким прибором является вакуумный фотоэлемент. Недостатками такого фотоэлемента являются: слабый ток, малая чувствительность к длинноволновому излучению, сложность в изготовлении, невозможность использования в цепях переменного тока. Применяется в фотометрии для измерения силы света, яркости, освещенности, в кино для воспроизведения звука, в фототелеграфах и фототелефонах, в управлении производственными процессами.          Существуют полупроводниковые фотоэлементы, в которых под действием света происходит изменение концентрации носителей тока. Они используются при автоматическом управлении электрическими цепями (например, в турникетах метро), в цепях переменного тока, в качестве невозобновляемых источников тока в часах, микрокалькуляторах, проходят испытания первые солнечные автомобили, используются в солнечных батареях на искусственных спутниках Земли, межпланетных и орбитальных автоматических станциях.          С явлением фотоэффекта связаны фотохимические процессы, протекающие под действием света в фотографических материалах. Фотоэлементы, действие которых основано на внешнем фотоэффекте, преобразуют в электрическую энергию лишь незначительную часть энергии излучения. Поэтому в качестве источников электроэнергии их не используют, зато широко применяют в различных схемах автоматики для управления электрическими цепями с помощью световых пучков. С помощью фотоэлементов осуществляется воспроизведение звука, за-писанного на кинопленке, а также передача движущихся изображений (телевидение). Таким образом, фотоэффект - это явление, связанное с освобождением электронов твердого тела (или жидкости) под действием электромагнитного излучения. Различают:

1) внешний фотоэффект - испускание электронов под действием света (фотоэлектронная эмиссия), излучения и др.;

2) внутренний фотоэффект - увеличение электропроводности полупроводников или диэлектриков под действием света (фотопроводимость);

3) вентильный фотоэффект - возбуждение светом электродвижущей силы на границе между металлом и полупроводником или между разнородными полупроводниками. Фотоионизацию газов иногда также называют фотоэффектом.

55. Впервые гипотеза о существовании светового давления была высказана И. Кеплером в XVII веке для объяснения поведения хвостов комет при пролете их вблизи Солнца. В 1873 г. Максвелл дал теорию давления света в рамках своей классической электродинамики. Экспериментально световое давление впервые исследовал П. Н. Лебедев в 1899 г. В его опытах в вакуумированном сосуде на тонкой серебряной нити подвешивались крутильные весы, к коромыслам которых были прикреплены тонкие диски из слюды и различных металлов. Главной сложностью было выделить световое давление на фоне радиометрических и конвективных сил (сил, обусловленных разностью температуры окружающего газа с освещённой и неосвещённой стороны). Кроме того поскольку в то время не были разработаны вакуумные насосы, отличные от простых механических, Лебедев не имел возможности проводить свои опыты в условиях даже среднего, по современной классификации, вакуума.

Путем попеременного облучения разных сторон крылышек Лебедев нивелировал радиометрические силы и получил удовлетворительное (±20 %) совпадение с теорией Максвелла. Позднее, в 1907—1910 гг. Лебедев провёл более точные опыты по изучению давления света в газах и также получил приемлемое согласие с теорией. Любое превращение молекул есть химический процесс. Химические процессы, протекающие поддействием видимого света и ультрафиолетовых лучей, называются фотохимическими реакциями. Световой энергии достаточно для расщепления многих молекул. В этом проявляется химическоедействие света. \\\\\\\\     К фотохимическимреакциям относятся:  фотосинтез углеводов в растениях, распад бромистогосеребра на светочувствительном слое фотопластинки, взаимодействие хлора сводородом на свету с образованием HCl  и многое другое. Выцветание тканей на солнце и образование загара (потемнение кожи человека под воздействием ультрафиолетовых лучей) – это тожепримеры химического действия света.

Процесс фотосинтеза : Важнейшие химическиереакции под действием света и солнца происходят во многих микроорганизмах,траве,  зеленых листьях деревьев и растений , дающих нам пищу и кислород длядыхания. Листья поглощают из воздуха углекислый газ и расщепляют его молекулына составные части: углерод и кислород. Происходит это в молекулах хлорофиллапод действием красных лучей солнечного спектра. Этот процесс называется фотосинтезом.  Хлорофилл – зеленыйпигмент, сосредоточенный в хлоропластах и находящийся в непрочном состоянии сбелковыми веществами. Наличие хлорофилла является необходимым условием фотосинтеза, т.е. создания органического вещества из углекислоты и воды приучастии солнечного света. Эти богатые энергией органические вещества служатпищей для всех других организмов и обеспечивают существование на Земле всегоорганического мира.  В результате фотосинтетической деятельности растений впрошлые геологические эпохи в недрах и на поверхности Земли накопилисьгромадные запасы восстановленного углерода и органических продуктов в видекаменного угля, нефти, горючих газов, сланцев, торфа, а атмосфера обогатиласькислородом. Фотосинтез может протекать только под действием светаопределенногоспектрального состава.

56. Различные оптические (световые) явления в атмосфере обусловливаются тем, чтосветовые лучи солнца и других небесных светил, проходя через атмосферу, испытывают рассеяние и дифракцию. В связи с этим в атмосфере возникает ряд удивительных по красоте оптических явлении: цвет неба, окраска зари, сумерки, мерцание звезд, круги около видимого местоположения солнца и луны, радуга, мираж и др. Все они, отражая определенные физические процессы в атмосфере, очень тесно связаны с изменением и состоянием погоды и потому могут сложить хорошими местными признаками для ее предсказания. Зарей называется цветовая окраска небесного свода при восходе и заходе солнца Разнообразие красок зари вызывается различным состоянием атмосферы. Так как циклоны движутся преимущественно от западных румбов, то признаком приближения циклона обычно служит появление облаков на западной половине небосвода, и если это происходит вечером, то солнце заходит в облака. Так называют пучок отдельных светлых лучей или полос, вы­ходящих из-за облаков, закрывающих солнце. Лучи солнца проходят через просветы между облаками, освещают водяные капельки, парящие в воздухе во взвешенном состоянии, и дают пучок светлых полос в виде лент . Наблюдая небесный свод с открытого места (например, в море), можно заметить, что он имеет форму полушария, но сплюснутого по вертикальному направлению. Часто кажется, что расстояние от наблюдателя до горизонта в три четыре раза больше, чем до зенита. Объясняется это следующим. При взгляде вверх, не откидывая головы назад, предметы представляются нам укороченными по сравнению с теми, которые находятся в горизонтальном положении. Свет имеет двойственную, корпускулярно-волновую природу: с одной стороны, он обладает волновыми свойствами, обуславливающими явления интерференции, дифракции, поляризации, с другой стороны, представляет собой поток частиц - фотонов, обладающих нулевой массой покоя и движущихся со скоростью, равной скорости света в вакууме. Фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называется процесс взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, в результате которого энергия фотонов передается электронам веществам. В кристаллических полупроводниках и диэлектриках помимо внешнего фотоэффекта наблюдается внутренний фотоэффект (фотопроводимость), заключающийся в увеличении электропроводности этих веществ за счет возрастания в них числа свободных носителей тока ( электронов проводимости и дырок). Вентильный фотоэффект (фотоэффект в запирающем слое) состоит в возникновении электродвижущей силы вследствие внутреннего фотоэффекта вблизи поверхности контакта между металлом и полупроводником или двумя полупроводниками и типа. Свет как волна проявляется в таких эффектах, как интерференция, дифракция, рефракция, дисперсия, поляризация.  Каждый цвет - это свет определенной длины волны, от 350 нм у фиолетового до 700 нм у красного.  Практическое применение интерференции света разнообразно: контроль качества поверхностей, создание светофильтров, просветляющих покрытий, измерение длины световых волн, точное измерение расстояния и др. На явлении интерференции светаоснована голография. Известно, что приборы, построенные на принципах интерференции, дисперсии, дифракции, поляризации света, нашли широкоеприменение в самых разнообразных областях физики и техники. Интерферометры различных типов применяются для весьма тонких метрологических измерений, для изучения оптических неоднородностей прозрачных объектов и воздушных потоков, для исследования температурных полей, для измерения микро- и макро-рельефов и т. д.  На основе дифракционных и интерференционных явлений построены спектральные приборы с дифракционными решётками и приборы высокой разрешающей способности.  Поляризационные свойства света используются для изучения характеристик кристаллов, для исследования статистических и динамических напряжений, для определения концентраций примесей и т. д. 57. Эрнест Резерфорд, проделав ряд экспериментов, пришёл к выводу, что атом представляет собой подобие планетной системы, в которой электроны движутся по орбитам вокруг расположенного в центре атома тяжёлого положительно заряженного ядра («модель атома Резерфорда»). Однако такое описание атома вошло в противоречие с классической электродинамикой. Дело в том, что, согласно классической электродинамике, электрон при движении с центростремительным ускорением должен излучать электромагнитные волны, а, следовательно, терять энергию. Расчеты показывали, что время, за которое электрон в таком атоме упадёт на ядро, совершенно ничтожно. Для объяснения стабильности атомов Нильсу Бору пришлось ввести постулаты, которые сводились к тому, что электрон в атоме, находясь в некоторых специальных энергетических состояниях, не излучает энергию («модель атома Бора-Резерфорда»). Постулаты Бора показали, что для описания атома классическая механика неприменима. Дальнейшее изучение излучения атома привело к созданию квантовой механики, которая позволила объяснить подавляющее большинство наблюдаемых фактов. 1-й постулат Бора. В устойчивом атоме электрон может двигаться лишь по стационарным орбитам, не излучая энергии. 2-й постулат Бора: излучение света атомом происходит при его переходе из стационарного состояния с большей энергией Еk в стационарное состояние с меньшей энергией Еn: hkn = Ek – En. Для того чтобы излучить фотон, атом должен обладать избыточной энергией по сравнению с энергией основного состояния, т.е. быть возбуждённым. Свои представления об особых свойствах атомов Бор сформулировал в виде постулатов следующего содержания: Атомная система может находиться только в особых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия En. В стационарном состояние атом не излучает. При переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается квант электромагнитного излучения. Энергия фотона равна разности энергий атома в двух стационарных состояниях. hv = E m - E n, где h — постоянная Планка. Все стационарные состояния, кроме одного, являются стационарными лишь условно. Бесконечно долго каждый атом может находиться лишь в стационарном состоянии с минимальным запасом энергии. Это состояние атома называется основным. Все остальные стационарные состояния атома называются возбужденными. В результате соударения с другим атомом, с заряженной частицей или при поглощении фотона атом может перейти из стационарного состояния с меньшим запасом энергии в стационарное состояние с большим запасом энергии. Из любого возбужденного состояния атом самопроизвольно может переходить в основное состояние; этот переход сопровождается излучением фотонов. Время жизни атомов в возбужденных состояниях обычно не превышает 10-8 — 10-7 с. Основное изменение, внесенное в физику атома постулатами Бора, заключалось в отказе от представлений о непрерывности изменения всех физических величин и в принятии идеиквантования физических величин, которыми описывается внутреннее состояние атома. Вместо непрерывного изменения расстояний между ядром и электроном в атоме оказывается возможным только дискретный ряд значений таких расстояний. Дискретными оказываются возможные значения кинетической и потенциальной энергии электрона в атоме, скорости его движения по круговой орбите.

58.В 1911 году Резерфорд в своём докладе «Рассеяние α- и β-лучей и строение атома» в философском обществе Манчестера заявил]:

Рассеяние заряженных частиц может быть объяснено, если предположить такой атом, который состоит из центрального электрического заряда, сосредоточенного в точке и окружённого однородным сферическим распределением противоположного электричества равной величины. При таком устройстве атома α- и β-частицы, когда они проходят на близком расстоянии от центра атома, испытывают большие отклонения, хотя вероятность такого отклонения мала.

Таким образом Резерфорд открыл атомное ядро, с этого момента и ведёт начало ядерная физика, изучающая строение и свойства атомных ядер.

После обнаружения стабильных изотопов элементов, ядру самого лёгкого атома была отведена роль структурной частицы всех ядер. С 1920 года ядро атома водорода имеет официальный термин — протон. После промежуточной протон-электронной теории строения ядра, имевшей немало явных недостатков, в первую очередь она противоречила экспериментальным результатам измерений спинов и магнитных моментов ядер, в1932 году Джеймсом Чедвиком была открыта новая электрически нейтральная частица, названная нейтроном. В том же году Иваненко и, независимо, Гейзенберг выдвинули гипотезу о протон-нейтронной структуре ядра. Эта гипотеза была полностью подтверждена всем последующим ходом развития ядерной физики и её приложений.В настоящее время твердо установлено, что атомные ядра различных элементов состоят из частиц двух видов – протонов и нейтронов.