Тепловое расширение

Тепловым расширением называется увеличение линейных размеров и объемов твердых тел и жидкостей при повышении температуры. При этом увеличение линейных размеров тел называется линейным тепловым расширением, а увеличение объема – объемным тепловым расширением.

Для жидкостей в основном характерно объемное расширение, а для твердых тел можно говорить как об объемном, так и о линейном расширении. Можно говорить также и о тепловом расширении газов, но оно описывается газовыми законами.

Для характеристики теплового расширения можно использовать величину деформации. Следует, однако, заметить, что в этом случае деформации не приводят к появлению сил упругости. Тепловое расширение связано не с отклонением частиц вещества от положений равновесия, а со смещением самих положений равновесия.

Экспериментально установлено, что в не очень большом диапазоне изменения температур относительное удлинение прямо пропорционально изменению температуры. То есть можно написать:

Здесь α – коэффициент линейного теплового расширения. Он численно равен относительному удлинению при увеличении температуры на 1 К. Строго говоря, α зависит от температуры, но при не очень больших изменениях температуры (не более нескольких сотен градусов) его значение можно считать постоянным. В таблицах дается значение α для температуры 0 °С. Единица измерения коэффициента линейного теплового расширения [К^-1]. Эффекты теплового расширения весьма малы. Так для большинства твердых тел значения α составляют 10^-5 – 10^-6 К^-1.

Так как , а , где l₀ – длина образца при температуре Т₀, а l – длина образца при температуре Т, то можно написать:

Аналогично коэффициенту линейного теплового расширения можно ввести коэффициент объемного теплового расширения – β:

Отсюда получаем:

Коэффициент β связан с коэффициентом α. Рассмотрим куб. Пусть при температуре Т₀ длина ребра куба равна l₀, а при температуре Т – l. Можно написать:

Но , а . Значит , или . Так как , то для не очень больших ΔТ слагаемыми можно пренебречь. Тогда получаем:

Увеличение объема приводит к уменьшению плотности тел, а именно:

Электричество и магнетизм электростатика Электрический заряд

Все тела в природе способны электризоваться. При этом они приобретают свойство взаимодействовать друг с другом. Причем это взаимодействие не объясняется никакими известными из механики силами. Это взаимодействие не описывается силами трения и упругости так как оно происходит без непосредственного контакта тел. Оно не описывается силой гравитационного взаимодействия так как оно может быть как взаимодействием притяжения так и отталкивания. Это новое, до сих пор не рассматриваемое нами взаимодействие.

В результате электризации тела приобретают некоторое свойство, приводящее к такому взаимодействию. Это свойство называется электрическим зарядом. То есть при электризации тела приобретают электрический заряд. Экспериментально известно, что электрические заряды бывают двух типов. Условно этим двум типам зарядов присвоили знаки «плюс» и «минус».

Для возникновения электрического взаимодействия необходимо, чтобы оба взаимодействующих тела были заряжены. Если два тела заряжены зарядами одного знака (оба положительно или оба отрицательно), то тела отталкиваются, а если одно тело заряжено положительно, а другое отрицательно, то тела притягиваются.

Источниками электрического заряда являются элементарные частицы - электроны и протоны, входящие в состав всех атомов. При этом заряды всех электронов и всех протонов по модулю одинаковы, но протоны заряжены положительно, а электроны отрицательно. Заряды тел обусловлены избытком одних частиц по сравнению с другими. Если электронов в теле больше чем протонов, то тело заряжено отрицательно, а если протонов больше – то положительно.

Кроме электронов и протонов существует множество других элементарных частиц, многие из которых электрически заряжены. Но величина заряда всех элементарных частиц равна заряду электрона или протона. Это значит, что самый маленький заряд, которым может обладать тело, равен заряду электрона или протона. Величина заряда электрона или протона называется элементарным электрическим зарядом и обозначается е. Величина заряда тела, а также изменение заряда должны быть кратны элементарному заряду. Заряд электрона равен –е, а заряд протона +е. Заряд любого тела равен , где N – целое число.

Тела, не имеющие электрического заряда, называются электрически нейтральными. Однако это не означает, что нейтральные тела вообще не имеют зарядов. Все тела содержат очень большое количество протонов и электронов. В нейтральных телах количества протонов и электронов равны и суммарный заряд равен нулю.

Одним из самых фундаментальных физических законов является закон сохранения электрического заряда: в электрически изолированной системе суммарный электрический заряд не изменяется. Если система тел содержит как положительные, так и отрицательные заряды, то суммарный заряд системы равен:

Электрический заряд может быть распределен в какой-то области пространства. В этом случае заряд называется распределенным. Заряд также может быть сосредоточен в пренебрежимо малом объеме, который можно считать точкой. В этом случае заряд называется точечным.

Для распределенного заряда можно ввести понятие плотности заряда. Если заряд q распределен по объему V, то величина

называется объемной плотностью заряда.

Если заряд q распределен по поверхности площадью S, то величина

называется поверхностной плотностью заряда.

Если заряд q распределен вдоль линии длиной L, то величина

называется линейной плотностью заряда.