--PAGE_BREAK--Испарение– парообразование, происходящее при любой температуре со свободной поверхности жидкости. Неравномерное распределение кинетической энергии теплового движения молекул приводит к тому, что при любой температуре кинетическая энергия некоторых молекул жидкости или твёрдого тела может превышать потенциальную энергию их связи с другими молекулами. Большей кинетической энергией обладают молекулы, имеющие большую скорость, а температура тела зависит от скорости движения его молекул, следовательно, испарение сопровождается охлаждением жидкости. Скорость испарения зависит: от площади открытой поверхности, температуры, концентрации молекул вблизи жидкости. Конденсация – процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое.
Испарение жидкости в закрытом сосуде при неизменной температуре приводит к постепенному увеличению концентрации молекул испаряющегося вещества в газообразном состоянии. Через некоторое время после начала испарения концентрация вещества в газообразном состоянии достигнет такого значения, при котором число молекул возвращающихся в жидкость, становится равным числу молекул, покидающих жидкость за то же время. Устанавливается динамическое равновесие между процессами испарения и конденсации вещества. Вещество в газообразном состоянии, находящееся в динамическом равновесии с жидкостью, называют насыщенным паром. (Паром называют совокупность молекул, покинувших жидкость в процессе испарения.) Пар, находящийся при давлении ниже насыщенного, называют ненасыщенным.
Вследствие постоянного испарения воды с поверхностей водоёмов, почвы и растительного покрова, а также дыхания человека и животных в атмосфере всегда содержится водяной пар. Поэтому атмосферное давление представляет собой сумму давления сухого воздуха и находящегося в нем водяного пара. Давление водяного пара будет максимальным при насыщении воздуха паром. Насыщенный пар в отличие от ненасыщенного не подчиняется законам идеального газа. Так, давление насыщенного пара не зависит от объёма, но зависит от температуры. Эта зависимость не может быть выражена простой формулой, поэтому на основе экспериментального изучения зависимости давления насыщенного пара от температуры составлены таблицы, по которым можно определить его давление при различных температурах.
Давление водяного пара, находящегося в воздухе при данной температуре, называют абсолютной влажностью, или упругостью водяного пара. Поскольку давление пара пропорционально концентрации молекул, можно определить абсолютную влажность как плотность водяного пара, находящегося в воздухе при данной температуре, выраженную в килограммах на метр кубический (r).
Большинство явлений, наблюдаемых в природе, например быстрота испарения, высыхание различных веществ, увядание растений, зависит не от количества водяного пара в воздухе, а от –того, насколько это количество близко к насыщению, т.е. от относительной влажности, которая характеризует степень насыщения воздуха водяным паром.
При низкой температуре и высокой влажности повышается теплопередача и человек подвергается переохлаждению. При высоких температурах и влажности теплопередача, наоборот, резко сокращается, что ведёт к перегреванию организма. Наиболее благоприятной для человека в средних климатических широтах является относительная влажность 40-60%. Относительной влажностью называют отношение плотности водяного пара (или давления), находящегося в воздухе при данной температуре, к плотности (или давлению) водяного пара при той же температуре, выраженное в процентах, т.е. j=r/r×100%.
Относительная влажность колеблется в широких пределах. Причём суточный ход относительной влажности обратен суточному ходу температуры. Днём, с возрастанием температуры и, следовательно, с ростом давления насыщения, относительная влажность убывает, а ночью возрастает. Одно и то же количество водяного пара может либо насыщать, либо не насыщать воздух. Понижая температуру воздуха, можно довести находящийся в нём пар до насыщения. Точкой росы называют температуру, при которой пар, находящийся в воздухе, становится насыщенным. При достижении точки росы в воздухе или на предметах, с которыми он соприкасается, начинается конденсация водяного пара. Для определения влажности воздуха используются приборы, которые называются гигрометрами и психрометрами.
Билет 8.
Вопрос 1. Кристаллические и аморфные тела. Упругие и пластические деформации твёрдых тел.
Каждый может разделить тела на твёрдые и жидкие. Однако это деление будет только по внешним признакам. Для того чтобы выяснить, какими же свойствами обладают твёрдые тела, будем их нагревать. Одни тела начнут гореть (дерево, уголь) – это органические вещества. Другие будут размягчаться (смола) даже при невысоких температурах – это аморфные. Третьи будут изменять своё состояние при нагревании так, как показано на графике (рис.). Это и есть кристаллические тела. Такое поведение кристаллических тел при нагревании объясняется их внутренним строением. Кристаллические тела – это такие тела, атомы и молекулы которых расположены в определённом порядке, и этот порядок сохраняется на достаточно большом расстоянии. Пространственное периодическое расположение атомов или ионов в кристалле называют кристаллической решёткой. Точки кристаллической решётки, в которых расположены атомы или ионы, называют узлами кристаллической решётки.
Кристаллические тела бывают монокристаллами и поликристаллами. Монокристалл обладает единой кристаллической решёткой во всём объёме.
Анизотропия монокристаллов заключается в зависимости их физических свойств он направления. Поликристалл представляет собой соединение мелких, различным образом ориентированных монокристаллов (зерен) и не обладает анизотропией свойств. Большинство твёрдых тел имеют поликристаллическое строение (минералы, сплавы, керамика).
Основными свойствами кристаллических тел являются: определённость температуры плавления, упругость, прочность, зависимость свойств от порядка расположения атомов, т.е. от типа кристаллической решётки.
Аморфныминазывают вещества, у которых отсутствует порядок расположения атомов и молекул по всему объёму этого вещества. В отличие от кристаллических веществ аморфные вещества изотропны. Это значит, что свойства одинаковы по всем направлениям. Переход из аморфного состояния в жидкое происходит постепенно, отсутствует определённая температура плавления. Аморфные тела не обладают упругостью, они пластичны. В аморфном состоянии находятся различные вещества: стёкла, смолы, пластмассы и т.п.
Упругость – свойство тел восстанавливать свою форму и объём после прекращения действия внешних сил или других причин, вызвавших деформацию тел. Для упругих деформаций справедлив закон Гука, согласно которому упругие деформации прямо пропорциональны вызывающим их внешним воздействиям s=E|e|, где s— механическое напряжение, e— относительное удлинение, Е – модуль Юнга (модуль упругости). Упругость обусловлена взаимодействием и тепловым движением частиц, из которых состоит вещество.
Пластичность – свойство твёрдых тел под действием внешних сил изменять, не разрушаясь, свою форму и размеры и сохранять остаточные деформации после того, как действие этих сил прекратится.
Билет 9.
Вопрос 1. Работа в термодинамике. Внутренняя энергия и способы её измерения. Первый закон термодинамики. Применение первого закона термодинамики к изопроцессам. Адиабатный процесс.
Каждое тело имеет вполне определённую структуру, оно состоит из частиц, которые хаотически движутся и взаимодействуют друг с другом, поэтому любое тело обладает внутренней энергией. Внутренняя энергия – это величина, характеризующая собственное состояние тела, т.е. энергия хаотического (теплового) движения микрочастиц системы (молекул, атомов, электронов, ядер и т.д.) и энергия взаимодействия этих частиц. Внутренняя энергия одноатомного идеального газа определяется по формуле U=3/2×m/M×RT.
Внутренняя энергия тела может изменяться только в результате его взаимодействия с другими телами. Существует два способа изменения внутренней энергии: теплопередача и совершение механической работы (например, нагревание при трении или при сжатии, охлаждение при расширении).
Теплопередача – это изменение внутренней энергии без совершения работы: энергия передаётся от более нагретых тел к менее нагретым. Теплопередача бывает трёх видов: теплопроводность (непосредственный обмен энергией между хаотически движущимися частицами взаимодействующих тел или частей одного и того же тела); конвекция (перенос энергии потоками жидкости или газа) и излучение (перенос энергии электромагнитными волнами). Мерой переданной энергии при теплопередаче является количество теплоты (Q).
Эти способы количественно объединены в закон сохранения энергии, который читается так. Изменение внутренней энергии замкнутой системы равно сумме количества теплоты, переданной системе, и работы внешних сил, совершенной над системой. DU=Q+A, где DU – изменение внутренней энергии, Q – количество теплоты, переданное системе, А – работа внешних сил. Если система сама совершает работу, то её условно обозначают А’. Тогда закон сохранения энергии для тепловых процессов, который называется первым законом термодинамики, можно записать так: Q=A’+DU, т.е. количество теплоты, переданное системе, идёт на совершение системой работы и изменение её внутренней энергии.
При изобарном нагревании газ совершает работу над внешними силами A’=p(V2-V1)=pDV, где V1и V2 – начальный и конечный объёмы газа.
Если процесс не является изобарным, величина работы может быть определена площадью фигуры, заключённой между линией, выражающей зависимость p(V)и начальным и конечным объёмами газа (рис.)
Рассмотрим применение первого закона термодинамики к изопроцессам, происходящим с идеальным газом.
В изотермическом процессе температура постоянная, следовательно, внутренняя энергия не меняется. Тогда уравнение первого закона термодинамики примет вид: Q=A’, т.е. количество теплоты, переданное системе, идёт на совершение работы при изотермическом расширении, именно поэтому температура не изменяется.
В изобарном процессе газ расширяется и количество теплоты, переданное газу, идёт на увеличение его внутренней энергии и на совершение им работы:Q=DU+A’.
При изохорном процессе газ не меняет своего объёма, следовательно, работа им не совершается, т.е. А=0, и уравнение первого закона имеет вид Q=DU, т.е. переданное количество теплоты идёт на увеличение внутренней энергии газа.
Адиабатным называют процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой. Q=0, следовательно, газ при расширении совершает работу за счёт уменьшения его внутренней энергии, следовательно, газ охлаждается, A’=DU. Кривая, изображающая адиабатный процесс, называется адиабатной.
Билет 10.
Вопрос 1. Взаимодействие заряжённых тел. Закон Кулона. Закон сохранения электрического заряда.
Законы взаимодействия атомов и молекул удаётся понять и объяснить на основе знаний о строении атома, используя планетарную модель его строения. В центре атома находится положительно заряжённое ядро, вокруг которого вращаются по определённым орбитам отрицательно заряжённые частицы. Взаимодействие между заряжёнными частицами называется электромагнитным. Интенсивность электромагнитного взаимодействия определяется физической величиной – электрическим зарядом, который обозначается q. Единица электрического заряда – кулон (Кл). 1 кулон – это такой электрический заряд, который, проходя через поперечное сечение проводника за 1с, создаёт в нём ток силой 1 А. Способность электрических зарядов как к взаимному притяжению, так и к взаимному отталкиванию объясняется существованием двух видов зарядов. Один вид заряда назвали положительным, носителем элементарного положительного заряда является протон. Другой вид заряда назвали отрицательным, его носителем является электрон. Элементарный заряд равен e=1,6×10-19Кл.
Заряд тела всегда представляется числом, кратным величине элементарного заряда:
q=e(Np-Ne),
где Ne – количество электронов, Np – количество протонов.
Полный заряд замкнутой системы (в которую не входят заряды извне), т.е. алгебраическая сумма зарядов всех тел, остаётся постоянной: q1+q2+…+qn=const. Электрический заряд не создаётся и не исчезает, а только переходит от одного тела к другому. Этот экспериментально установленный факт называется законом сохранения электрического заряда. Никогда и нигде в природе не возникает и не исчезает электрический заряд одного знака. Появление и исчезновение электрических зарядов на телах в большинстве случаев объясняется переходами элементарных заряжённых частиц – электронов – от одних тел к другим.
Электризация – это сообщение телу электрического заряда. Электризация может происходить, например, при соприкосновении (трении) разнородных веществ и при облучении. При электризации в теле возникает избыток или недостаток электронов.
В случае избытка электронов тело приобретает отрицательный заряд, в случае недостатка – положительный.
Законы взаимодействия неподвижных электрических зарядов изучает электростатистика.
Основной закон электростатистики был экспериментально установлен французским физиком Шарлем Кулоном и читается так: модуль силы взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению величин этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними. F=k
×
|q1|
×
|q2|/r2, где q1 и q2 – модули зарядов, r – расстояние между ними, k– коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц, в СИ k=9×109Н×м2/Кл2.
Величина, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия зарядов в вакууме больше, чем в среде, называется диэлектрической проницаемостью среды e. Для среды с диэлектрической проницаемостью eзакон Кулона записывается следующим образом:
F=k
×
|q1|
×
|q2|/(
e
×
r2).
Вместо коэффициента kчасто используется коэффициент, называемый электрической постоянной e. Электрическая постоянная связана с коэффициентом kследующим образом: k=1/4peи численно равна e=8,85×10-12 Кл/Н×м2.
С использованием электрической постоянной закон Кулона имеет вид:
F=1/(4pe)×|q1|
×
|q2|/r2.
Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатистическим, или кулоновским, взаимодействием. Кулоновские силы можно изобразить графически (2 рисунка).
Кулоновская сила направлена вдоль прямой, соединяющей заряжённые тела. Она является силой притяжения при разных знаках зарядов и силой отталкивания при одинаковых знаках.
Билет 11.
Вопрос 1. Конденсаторы. Электроёмкость конденсатора. Энергия заряжённого конденсатора. Применение конденсаторов.
Для накопления значительных количеств разноимённых электрических зарядов применяются конденсаторы. Конденсатор – это система двух проводников (обкладок), разделённых слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников. Так, например, две плоские металлические пластины, расположенных параллельно и разделённые диэлектриком, образуют плоский конденсатор. Если пластинам плоского конденсатора сообщить равные по модулю заряды противоположного знака, то напряжённость между пластинами будет в два раза больше, чем напряжённость одной пластины. Вне пластин напряжённость равна нулю.
Обозначаются конденсаторы на схемах так:
- конденсатор постоянной ёмкости;
- конденсатор переменной ёмкости.
Электроёмкостью конденсатора называют величину, равную отношению заряда одной из пластин к напряжению между ними. Электроёмкость обозначается С.
По определению С=q/U. Единицей электроёмкости является фарад (Ф). 1 фарад – это электроёмкость такого конденсатора, напряжение между обкладками которого равно 1 вольту при сообщении обкладкам разноимённых зарядов по 1 кулону.
Электроёмкость плоского конденсатора находится по формуле:
C=eeS/d,
где e– электрическая постоянная, e— диэлектрическая постоянная среды, S– площадь обкладки конденсатора, d – расстояние между обкладками (или толщина диэлектрика).
Если конденсаторы соединяются в батарею, то при параллельном соединении C0=C1+C2 (рис.) При последовательном соединении 1/C0=1/C1+1/C2 (рис.2)
В зависимости от типа диэлектрика конденсаторы бывают воздушные, бумажные, слюдяные.
Конденсаторы применяются для накопления электроэнергии и использования её при быстром разряде (фотовспышка), для разделения цепей постоянного и переменного тока, в выпрямителях, колебательных контурах и других радиоэлектронных устройствах.
Билет 12.
Вопрос 1. Работа и мощность в цепи постоянного тока. Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи.
В электрическом поле из формулы определения напряжения (U=A/q)легко получить выражение для расчёта работы переноса электрического заряда А=Uq, так как для тока заряд q=It, то работа тока: A=UIt, или A=I2Rt=U2/R×t.
Мощность по определению N=A/t, следовательно, N=UI=I2R=U2/R.
Русский учёный Х. Ленц и английский учёный Джоуль опытным путём в середине прошлого века установили независимо друг от друга закон, который называется законом Джоуля-Ленца и читается так. При прохождении тока по проводнику количество теплоты, выделившейся в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока. Q=I2Rt.
Полная замкнутая цепь представляет собой электрическую цепь, в состав которой входят внешние сопротивления и источник тока (рис.) Как один из участков цепи, источник тока обладает сопротивлением, которое называется внутренним, r.
Для того чтобы ток проходил по замкнутой цепи, необходимо, чтобы в источнике тока зарядам сообщалась дополнительная энергия, она берётся за счёт работы по перемещению зарядов, которую производят силы неэлектрического поля. Источник тока характеризуется энергетической характеристикой, которая называется ЭЛС – электродвижущая сила источника. ЭДС – характеристика энергии неэлектрической природы в электрической цепи, необходимого для поддержания в ней электрического тока. ЭДС измеряется отношением работы сторонних сил по перемещению вдоль замкнутой цепи положительного заряда к этому заряду x=Аст/q.
Пусть за время tчерез поперечное сечение проводника пройдёт электрический заряд q. Тогда работу сторонних сил при перемещении заряда можно записать так: Аст=xq. Согласно определению силы тока q=It, поэтому Aст=xIt. При совершении этой работы на внутреннем и внешнем участках цепи, сопротивления которых R и r, выделяется некоторое количество теплоты. По закону Джоуля-Ленца оно равно: Q=I2Rt+I2rt.Согласно закону сохранения энергии А=Q. Следовательно, x=IR+Ir. Произведение силы тока на сопротивление участка цепи часто называют продолжение
--PAGE_BREAK--падением напряжения на этом участке. Таким образом, ЭДС равна сумме падений напряжений на внутреннем и внешнем участках замкнутой цепи. Обычно это выражение записывают так: I=x/(R+r).Эту зависимость опытным путём получил Георг Ом, называется она законом Ома для полной цепи и читается так: сила тока в полной цепи прямо пропорциональна ЭДС источника тока и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи. При разомкнутой цепи ЭДС равна напряжению на зажимах источника и, следовательно, может быть измерена вольтметром.
Билет 13.
Вопрос 1. Магнитное поле, условие его существования. Действие на электрический заряд; опыты, иллюстрирующие это действие. Магнитная индукция.
В 1920 году датский физик Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка поворачивается при пропускании электрического тока через проводник, находящийся около неё (рис.). В том же году французский физик Ампер установил, что два проводника, расположенные параллельно друг другу, испытывают взаимное притяжение, если ток течёт по ним в одну сторону, и отталкивание, если токи текут в разные стороны (рис. 2). Явление взаимодействия токов Ампер назвал электродинамическим взаимодействием. Магнитное взаимодействие движущихся электрических зарядов, согласно представлениям теории близкодействия, объясняется следующим образом: всякий движущийся электрический заряд создаёт в окружающем пространстве магнитное поле. Магнитное поле – особый вид материи, который возникает в пространстве вокруг любого переменного электрического поля.
С современной точки зрения в природе существует совокупность двух полей – электрического и магнитного – это электромагнитное поле, оно представляет собой особый вид материи, т.е. существует объективно, независимо от нашего сознания. Магнитное поле всегда порождается переменным электрическим, и наоборот, переменное электрическое поле всегда порождает переменное магнитное поле. Электрическое поле, вообще говоря, можно рассматривать отдельно от –магнитного, так как носителями его являются частицы – электроны и протоны. Магнитное поле без электрического не существует, так как носителей магнитного поля нет. Вокруг проводника с током существует магнитное поле, и оно порождается переменным электрическим полем движущихся заряжённых частиц в проводнике.
Магнитное поле является силовым полем. Силовой характеристикой магнитного поля называют магнитную индукцию (В). Магнитная индукция – это векторная физическая величина, равная максимальной силе, действующей со стороны магнитного поля на единичный элемент тока. B=F/Il. Единичный элемент тока – это проводник длиной 1 м и силой тока в нём 1 А. Единицей измерения магнитной индукции является тесла. 1 Н/А×м.
Магнитная индукция всегда порождается в плоскости под углом 900к электрическому полю. Вокруг проводника с током магнитное поле также существует в перпендикулярной проводнику плоскости.
Магнитное поле является вихревым полем. Для графического изображения магнитных полей вводятся силовые линии, или линии индукции, — это такие линии, в каждой точке которых вектор магнитной индукции направлен по касательной. Направление силовых линий находится по правилу буравчика. Если буравчик ввинчивать по направлению тока, то направление вращения рукоятки совпадает с направлением силовых линий. Линии магнитной индукции прямого провода с током представляют собой концентрические окружности, расположенные в плоскости, перпендикулярной проводнику (рис. 3).
Как установил Ампер, на проводнике с током, помещённый в магнитное поле, действует сила. Сила, действующая со стороны магнитного поля на проводник с током, прямо пропорциональна силе тока, длине проводника в магнитном поле и перпендикулярной составляющей вектора магнитной индукции. Это и есть формулировка закона Ампера, который записывается так: FA=IlBsina.
Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки. Если левую руку расположить так, чтобы четыре пальца показывали направление тока, перпендикулярная составляющая вектора магнитной индукции входила в ладонь, то отогнутый на 900большой палец покажет направление силы Ампера (рис. 4). B=Bsina.
Билет 14.
Вопрос 1. Полупроводники. Собственная проводимость и примесная проводимость полупроводников. Полупроводниковые приборы и примеры их практического использования.
Полупроводники – это вещества, удельное сопротивление которых убывает с повышением температуры, наличием примесей, изменением освещённости. По этим свойствам они разительно отличаются от металлов. Обычно к полупроводникам относятся кристаллы, в которых для освобождения электрона требуется энергия не более 1,5-2 эВ. Типичными полупроводниками являются кристаллы германия и кремния, в которых атомы объединены ковалентной связью. Природа этой связи позволяет объяснить указанные выше характерные свойства. При нагревании полупроводников их атомы ионизируются. Освободившиеся электроны не могут быть захвачены соседними атомами, так как все их валентные связи насыщены. Свободные электроны под действием внешнего электрического поля могут перемещаться в кристалле, создавая ток проводимости. Удаление электрона с внешней оболочки одного из атомов в кристаллической решетке приводит к образованию положительного иона. Этот ион может нейтрализоваться, захватив электрон. Далее, в результате переходов от атомов к положительным ионам происходит процесс хаотического перемещения в кристалле места с недостающим электроном. Внешне этот процесс хаотического перемещения воспринимается как перемещение положительного заряда, называемого “дыркой”. При помещении кристалла в электрическое поле возникает упорядоченное движение “дырок” – ток дырочной проводимости.
В идеальном кристалле ток создаётся равным количеством электронов и “дырок”. Такой тип проводимости называют собственной проводимостью полупроводников. При повышении температура (или освещённости) собственная проводимость проводников увеличивается.
На проводимость полупроводников большое влияние оказывают примеси. Примеси бывают донорные и акцепторные. Донорная примесь – это примесь с большей валентностью. При добавлении донорной примеси в полупроводнике образуются лишние электроны. Проводимость станет электронной, а полупроводник называют полупроводником n-типа. Например, для кремния с валентностью n=4 донорной примесью является мышьяк с валентность n=5. Каждый атом примеси мышьяка приведёт к образованию одного электрона проводимости.
Акцепторная примесь– это примесь с меньшей валентностью. При добавлении такой примеси в полупроводнике образуется лишнее количество “дырок”. Проводимость будет “дырочной”, а полупроводник называют полупроводником p-типа. Например, для кремния акцепторной примесью является индий с валентностью n=3. Каждый атом индия приведёт к образованию лишней “дырки”.
Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на свойствах p-n-перехода. При приведении в контакт двух полупроводниковых приборов p-типа и n-типа в месте контакта начинается диффузия электронов из n-области в p-область, а “дырок” – наоборот, из p-в n-область. Этот процесс будет не бесконечным во времени, так как образуется запирающий слой, который будет препятствовать дальнейшей диффузии электронов и “дырок”.
p-n-Контакт полупроводников, подобно вакуумному диоду, обладает односторонней проводимостью: если кp-области подключить “+” источника тока, а к n-области “-”источника тока, то запирающий слой разрушится и p-n-контакт будет проводить ток, электроны из n-области пойдут в p-область, а “дырки” из p-области в n-область (рис.). В первом случае ток не равен нулю, во втором – ток равен нулю. Это означает, что если к p-области подключить “-” источника, а к n-области – “+” источника тока, то запирающий слой расширится и тока не будет.
Полупроводниковый диод состоит из контакта двух полупроводников p- и n- типа . Полупроводниковые диоды имеют: небольшие размеры и массу, длительный срок службы, высокую механическую прочность, высокий коэффициент полезного действия, их недостатком является зависимость сопротивления от температуры.
В радиоэлектронике применяется также ещё один полупроводниковый прибор: транзистор, который был изобретён в 1948 г. В основе триода лежит не один, а два p-n-перехода. Основное применение транзистора – это использование его в качестве усилителя слабых сигналов по току и напряжению, а полупроводниковый диод применяется в качестве усилителя слабых сигналов по току и напряжению, а полупроводниковый диод применяется в качестве выпрямителя тока. После открытия транзистора наступил качественно новый этап развития электроники – микроэлектроники, поднявший на качественно иную ступень развитие электронной техники, систем связи, автоматики. Микроэлектроника занимается разработкой интегральных микросхем и принципов их применения. Интегральной микросхемой называют совокупность большого числа взаимосвязанных компонентов – транзисторов, диодов, резисторов, соединительных проводов, изготовленных в едином технологическом процессе. В результате этого процесса на одном кристалле одновременно создаётся несколько тысяч транзисторов, конденсаторов, резисторов и диодов, до 3500. Размеры отдельных элементов микросхемы могут быть 1-5 мкм. Микропроцессор современной ЭВМ, размещённый на кристалле кремния размером 6х6 мм, содержит несколько десятков или даже сотен тысяч транзисторов.
Однако в технике применяются также полупроводниковые приборы без p-n-перехода. Например, терморезисторы (для измерения температуры), фоторезисторы (в фотореле, аварийных выключателях, в дистанционных управлениях телевизорами и видеомагнитофонами).
Билет 15.
Вопрос 1. Электромагнитная индукция, примеры этого явления. Магнитный поток. Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца.
Явление электромагнитной индукции было открыто Майклом Фарадеем в 1831 году. Он опытным путём установил, что при изменении магнитного поля внутри замкнутого контура в нём возникает электрический ток, который называют индукционным током. Опыты Фарадея можно воспроизвести следующим образом: при внесении или вынесении магнита в катушку, замкнутую на гальванометр, в катушке возникает индукционный ток (рис.). Если рядом расположить две катушки (например, на общем сердечнике или одну катушку внутри другой) и одну катушку через ключ соединить с источником тока, то при замыкании или размыкании ключа в цепи первой катушки во второй катушке появится индукционный ток (рис.2) Объяснение этого явления было дано Максвеллом. Любое переменное магнитное поле всегда порождает переменное электрическое поле.
Для количественной характеристики процесса изменения магнитного поля через замкнутый контур вводится физическая величина под названием магнитный поток. Магнитным потоком через замкнутый контур площадью Sназывают физическую величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции В на площадь контура Sи на косинус угла aмежду направлением вектора магнитной индукции и нормалью к площади контура. Ф=BScosa(рис.3).
Опытным путём был установлен основной закон электромагнитной индукции: ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по величине скорости изменения магнитного потока через контур. x
=
D
Ф/
t
.
Единица магнитного потока Ф – вебер (Вб): 1 Вб=1 В×с.
Из основного закона DФ=xtследует смысл размерности: 1 вебер – это величина такого магнитного потока, который, уменьшаясь до нуля за одну секунду, через замкнутый контур наводит в нём ЭДС индукции 1 В.
Классической демонстрацией основного закона электромагнитной индукции является первый р=опыт Фарадея: чем быстрее перемещать магнит через витки катушки, тем больше возникает индукционный ток в ней, а значит, и ЭДС индукции.
Зависимость направления индукционного тока от характера изменения магнитного поля через замкнутый контур в 1833 году опытным путём установил русский учёный Ленц. Он сформулировал правило, носящее его имя. Индукционный ток имеет такое направление, при котором его магнитное поле стремится скомпенсировать изменение внешнего магнитного потока через контур. Ленцем был сконструирован прибор, представляющий собой два алюминиевых кольца, сплошное и разрезанное, укреплённые на алюминиевой перекладине и имеющие возможность вращаться вокруг оси как коромысло (рис. 4). При внесении магнита в сплошное кольцо оно начинало “убегать” от магнита, поворачивая соответственно коромысло. При вынесении магнита из кольца кольцо стремилось “догнать” магнит. При движении магнита внутри разрезанного кольца никакого эффекта не происходило. Ленц объяснял опыт тем, что магнитное поле индукционного тока стремилось компенсировать изменение внешнего магнитного потока.
Билет 16.
Вопрос 1. Явление самоиндукции. Индуктивность. Электромагнитное поле.
Явление самоиндукции заключается в появлении ЭДС индукции в самом проводнике при изменении тока в нем. Примером явления самоиндукции является опыт с двумя лампочками, подключенными параллельно через ключ к источнику тока, одна из которых подключается через катушку (рис.). При замыкании ключа лампочка 2, включенная через катушку, загорается позже лампочки 1. Это происходит потому, что после замыкания ключа ток достигает максимального значения не сразу, магнитное поле нарастающего тока породит в катушке индукционную ЭДС, которая в соответствии с правилом Ленца будет мешать нарастанию тока.
Для самоиндукции выполняется установленный опытным путём закон: ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения тока в проводнике. x
=
L
D
I/t.
Коэффициент пропорциональности Lназывают индуктивность. Индуктивность – это величина, равная ЭЛС самоиндукции при скорости изменения тока в проводнике 1 А/с. Единица индуктивности – генри (Гн). 1 Гн=1Вс/А. 1 генри – это индуктивность такого проводника, в котором возникает ЭДС самоиндукции 1 вольт при скорости изменения тока 1 А/с. Индуктивность характеризует магнитные свойства электрической цепи (проводника), зависит от магнитной проницаемости среды сердечника, размеров и формы катушки и числа витков в ней.
При отключении катушки индуктивности от источника тока лампа, включенная параллельно катушке, даёт кратковременную вспышку (рис. 2). Ток в цепи возникает под действием ЭДС самоиндукции. Источником энергии, выделяющейся при этом в электрической цепи, является магнитное поле катушки. Энергия магнитного поля находится по формуле WМ=LI2/2.
Энергия магнитного поля зависит от индуктивности проводника и силы тока в нём. Эта энергия может переходить в энергию электрического поля. Вихревое электрическое поле порождается переменным магнитным полем, а переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле, т.е. переменные электрические и магнитное поля не могут существовать друг без друга. Их взаимосвязь позволяет сделать вывод о существовании единого электромагнитного поля. Электромагнитное поле – одно из основных физических полей, посредством которого осуществляется взаимодействие электрически заряжённых частиц или частиц, обладающих магнитным моментом. Электромагнитное поле характеризуется напряжённостью электрического поля и магнитной индукцией. Связь между этими величинами и распределением в пространстве электрических зарядов и токов была установлена в 60-х годах прошлого столетия Дж. Максвеллом. Эта связь носит название основных уравнений электродинамики, которые описывают электромагнитные явления в различных средах и в вакууме. Получены эти уравнения как обобщение установленных на опыте законов электрических и магнитных явлений.
Билет 17.
Вопрос 1. Свободные и вынужденные электромагнитные колебания. Колебательный контур и превращения энергии при электромагнитных колебаниях. Частота и период колебаний.
Электромагнитные колебания – это колебания электрических и магнитных полей, которые сопровождаются периодическим изменением заряда, тока и напряжения. Простейшей системой, где могут возникнуть и существовать электромагнитные колебания, является колебательный контур. Колебательный контур – это система, состоящая из катушки индуктивности и конденсатора (рис. А). Если конденсатор зарядить и замкнуть на катушку, то по катушке потечёт ток (рис. Б). Когда конденсатор разрядится, ток в цепи не прекратится из-за самоиндукции в катушке.Индукционный ток, в соответствии с правилом Ленца, будет течь в ту же сторону и перезарядит конденсатор (рис. В). Ток в данном направлении прекратится, и процесс повторится в обратном направлении (рис. Г). Таким образом, в колебательном контуре будут происходить электромагнитные колебания из-за превращения энергии электрического поля конденсатора (Wэ=CU2/2) в энергию магнитного поля катушки с током (WМ=LI2/2), и наоборот.
Период электромагнитных колебаний в идеальном колебательном контуре (т.е. в таком контуре, где нет потерь энергии) зависит от индуктивности катушки и ёмкости конденсатора и находится по формуле Томпсона T=2pÖLC. Частота с периодом связана обратно пропорциональной зависимостью v=1/T.
В реальном колебательном контуре свободные электромагнитные колебания будут затухающими из-за потерь энергии на нагревание проводов. Для практического применения важно получить незатухающие электромагнитные колебания, а для этого необходимо колебательный контур пополнять электроэнергией, чтобы скомпенсировать потери энергии. Для получения незатухающих электромагнитных колебаний применяют генератор незатухающих колебаний, который является примером автоколебательной системы.
Билет 18.
Вопрос 1. Электромагнитные волны и их свойства. Принципы радиосвязи и примеры их практического использования.
Английский учёный Джеймс Максвелл на основании изучения экспериментальных работ Фарадея по электричеству высказал гипотезу о существовании в природе особых волн, способных распространяться в вакууме. Эти волны Максвелл назвал электромагнитными волнами. По представлениям Максвелла: при любом изменении электрического поля возникает вихревое магнитное поле и, наоборот, при любом изменении магнитного поля возникает вихревое электрическое поле. Однажды начавшийся процесс взаимного порождения магнитного и электрического полей должен непрерывно продолжаться и захватывать все новые и новые области в окружающем пространстве (рис.). Процесс взаимопорождения электрических и магнитных полей происходит во взаимно перпендикулярных плоскостях. Переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное поле, переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле.
Электрические и магнитные поля могут существовать не только в веществе, но и в вакууме. Поэтому должно быть возможным распространение электромагнитных волн в вакууме.
Условием возникновенияэлектромагнитных волн является ускоренное движение электрических зарядов. Так, изменение магнитного поля происходит при изменении тока в проводнике, а изменение магнитного поля происходит при изменении скорости зарядов, т.е. при движении их с ускорением. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме, по расчётам Максвелла, должна быть приблизительно равна 300000 км/с.
Впервые опытным путём получил электромагнитные волны физик Генрих Герц, использовав при этом высокочастотный искровой разрядник (вибратор Герца). Герц опытным путём определил также скорость электромагнитных волн. Она совпала с теоретическим определением скорости волн Максвеллом. Простейшие электромагнитные волны – это волны, в которых электрическое и магнитное поля совершают синхронные гармонические колебания.
Конечно, электромагнитные волны обладают всеми основными свойствами волн.
Они подчиняются закону отражения волн: угол падения равен углу отражения. При переходе из одной среды в другую преломляются и подчиняются закону преломления волн: отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред и равная отношению скорости электромагнитных волн в первой среде к скорости электромагнитных волн во второй среде и называется показателем преломления второй среды относительно первой.
Явление дифракции электромагнитных волн, т.е. отклонение направления их распространения от прямолинейного, наблюдается у края преграды или при прохождении через отверстие. Электромагнитные волны способны к интерференции. Интерференция – это способность когерентных волн к наложению, в результате чего волны в одних местах друг от друга усиливают, а в –других местах – гасят. (Когерентные волны – это волны, одинаковые по частоте и фазе колебания.) Электромагнитные волны обладают дисперсией, т.е. когда показатель преломления среды для электромагнитных волн зависит от их частоты. Опыты с пропусканием электромагнитных волн через систему из двух решеток показывают, что эти волны являются поперечными.
При распространении электромагнитной волны вектора напряжённости Е и магнитной индукции В перпендикулярны направлению распространения волны и взаимно перпендикулярны между собой (рис.2).
Возможность практического применения электромагнитных волн для установления связи без проводов продемонстрировал 7 мая 1895 года русский физик А. Попов. Этот день считается днём рождения радио. Для осуществления радиосвязи необходимо обеспечить возможность излучения электромагнитных волн. Если электромагнитные волны возникают в контуре из катушки и конденсатора, то переменное магнитное поле оказывается связанным с катушкой, а переменное электрическое поле – сосредоточенным между пластинами конденсатора. Такой контур называется продолжение
--PAGE_BREAK--