Можна показати, що 5 страница

3. Струм у газі при атмосферному тиску.

4. Види розрядів.

5. Тліючий розряд.

6. Випромінюваний і поглинання енергії атомом.

1. Всі гази у звичайних умовах - ізолятори. При нагріванні, за рахунок збільшення кінетичної енергії, під час зіткнень з молекул газу вириваються електрони, які можуть приєднуватись до нейтральних атомів.

Явище утворення іонів у газі під дієто іонізатора називають іонізац ією газу.

Іонізаторами газу можуть бути висока температура, рентгенівські та ультрафіолетові промені, α - промені.

іони

_ При іонізації газу утворюються позитивні і
негативні іони та вільні електрони. Поряд з

+ іонізацією відбувається рекомбінація повернення іонів у стан молекул.

електрон

Створимо електричне поле в газі через обкладки конденсатора. Розглянемо залежність сили струму в газі від напруги на конденсаторі на графіку вольт-амперної характеристики.

На ділянці О А- зміна сили струму і напруги підлягають закону Ома. При малій малу швидкість. Частина долетівши до електродів.

При напрузі, що відповідає точці А -всі утворені іони долітають до пластин (рекомбінація атомів відсутня). При цьому на ділянці АВ сила струму більше не змінюється при збільшенні напруги, оскільки у газі вже утворилися всі можливі іони. Такий струм є струмом насичення. При напрузі, що відповідає точці В починають утворюватись нові іони за рахунок ударної іонізації - сила струму знову росте.

Виникнення струму в газі називається електричним розрядом. Розряд в газі, що відбувається під дією іонізатора називається несамостійним.

Розряд в газі, що відбувається без дії стороннього іонізатора називають самостійним. Самостійний розряд може відбуватися при ударній іонізації, яка наступає при високій напрузі. При цьому під час удару електрона по молекулі газу з неї вилітають нові іони та електрони, що також викликають іонізацію газу. При лавинному рості носіїв заряду наступає електричний пробій газу.

Самостійний розряд може відбуватися і за меншої напруги при нагріванні катода. Під час цього за рахунок термоелектронної емісії утворюються вільні електрони. Які і здійснюють ударну іонізацію при русі до аноду.

Види розрядів:

1. Дуговий розряд відбувається при розжареному катоді або високій напрузі між електродами.

2. Іскровий розряд відбувається при високій напрузі. Велика сила струму при цьому знижує напругу і розряд припиняється. Після цього напруга знову зростає і розряд повторюється. Приклад, блискавка.

3. Коронний розряд (свічення навколо проводів з високим потенціалом, зумовлене розрядом на навколишні предмети).

4. Розряд у розрідженому газі, що супроводясується свіченням, називають тліючим. В розрідженому газі електрони мають більшу довжину вільного пробігу, а тому встигають набрати більшу швидкість за час руху під дією електричного поля. Тому ці електрони за рахунок своєї кінетичної енергії здатні іонізувати більшу кількість атомів газу. Отже, при розрідженні газу його провідність повинна збільшуватись. Тліючий розряд використовується у лампах денного світла.

У звичайних умовах у газі відсутні вільні електрони та іони, тому він є діелектриком. Іонізований газ є провідником хоча в цілому залишається електрично нейтральним, оскільки кількість позитивно і негативно заряджених частинок рівна.

ЛЕКЦІЯ ХХІХ

ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ В РІЗНИХ СЕРЕДОВИЩАХ

ПЛАН

1. Напівпровідники та їх властивості.

2. Власна т а домішкова провідність напівпровідників

3. Електронно – дірковий перехід.

4. Діод.

1. Вивчення електропровідності речовин привело до відкриття напівпровідників - речовин у яких провідність виявилась проміжна між провідниками та діелектриками. До них належать елементи IV групи періодичної таблиці Менделєєва (германій, кремній, селен) та сполуки елементів III групи з елементами V групи.

2. Чистими напівпровідниками є бездомішкові елементи (IV групи таблиці Менделєєва) германій, кремній. Чотири валентні електрони кожного атома поєднані ковалентним зв'язком з електронами сусідніх атомів. В підсумку вільних електронів у чистому напівпровіднику немає.

При зростанйі температури за рахунок збільшення енергії валентні електрони відриваються від атомів і стають вільними, тому електропровідність зростає. Місце, де був електрон називають діркою, а сам атом стає позитивно зарядженим. Умовно вважають, що дірка має позитивний заряд.

Вільні електрони та дірки хаотично "переміщуються" по напівпровіднику. Коли вони зустрічаються відбувається рекомбінація (сумарний заряд стає рівний нулю).

В електричному полі вільні електрони і дірки рухаються у протилежних напрямках. Провідність таких провідників називають власною.

Власна провідність напівпровідників дуже мала, тому на практиці застосовують домішкові напівпровідники. Розглянемо кристал Cr (Si), який складається з чотирьох валентних атомів, і введемо в нього, наприклад, As. У цьому випадкові один валентний електрон As (миш'яку) не буде задіяний в утворенні ковалентного зв'язку й стане електроном провідності.

Це напівпровідник п- типу(допорного типу). В напівпровіднику з'явилися вільні електрони.

Якщо добавити у чистий напівпровідник домішки індію (III група), то утвориться у суміші недостача електронів. Провідність буде дірковою р типу, а домішки є акцепторами. Провідність напівпровідників пов'язана з наявністю у них домішок інших елементів називається домішковою.

3. Широко відоме застосування напівпровідників як підсилювачів та випрямлячів струму, які замінюють електронні прегради, для цього застосовують кристали, що мають р-перехід.

P-n-перехід можна отримати із розплаву кристалу германію (напівпровідників р-типу), добавляючи у цей розчин кристалу індію.

Розглянемо схематично, до чого приведе контакт двох напівпровідників із різним типом провідності.

Нехай напівпровідники не контактують (а). Якщо їх привести у контакт (б), то невеличка кількість електронів із зони провідності п-кристалу перейде в р-кристал, а невелика кількість дірок перейде з р-кристалу в n-кристал, унаслідок чого n-провідник зарядиться позитивно, а напівпровідник р-типу негативно "-". Внаслідок цього енергетичні зони напівпровідника n-типу знизяться, а зони напівпровідника р-типу підвищаться. На межі контакту виникне контактна різниця потенціалів Wk-Цей процес буде відбуватися до тих пір, поки не зрівняються швидкості електронних перехідів. Але в п-області електронів більше, але їм треба для переходу в р-область отримати енергію W=qU_к. Однак імовірність отримати таку енергію дуже мала: в р-області, у якій елетронів мало, електрони легко можуть “скотитись з гірки^”.

Прикладемо тепер електронне поле до р-переходу напругу U. "-" на n, a "+" на р. Унаслідок цього зони n-області піднімуться, а р-області опустяться, і потенціальний бар'єр зміниться. Зміна потенціального бар'єру приведе до збільшення спроможності електронів переходити із n-області в р-область, у той час як потік електронів із £ в п не зміниться. Це призведе до порушення стану рівноваги електронних переходів і тому через р-n- контакт у напрямку від п до р (-») тече струм, тим більший, ніж більша величина прикладеної напруги (U). При оберненій полярності бар'єр W не зміниться, а збільшиться і буде становити:

Прилад, що містить один р-п перехід називається напівпровідниковим діодом.

Він пропускає струм лише в одному напрямку і використовується як випрямляч змінного струму.

На електричних схемах має позначення

Залежність сили струму в діоді від прикладеної напруги подають графічно і називають вольт-амперною характеристикою. Додатне значення напруги відповідає пропускному режиму роботи діода, а від'ємне -запірному.

Вольт – амперна характеристика діода.

ЛЕКЦІЯ ХХХ

МАГНІТНЕ ПОЛЕ

ПЛАН

1.Взаємодія провідників із струмом.

2.Магнітне поле.

3.Як виявити магнітне поле.

4.Вихрове поле.

5.Взаємодія полюсів магніту.

6.Теорія Ампера.

Досліди показали, що провідники із струмом однакового напрямку притягуються, а протилежного -відштовхуються.

Цю взаємодію не можна пояснити наявністю електричного поля, оскільки при проходженні струму, провідники залишаються нейтральними щодо заряду.

Поле, що створюється рухомими зарядами і діє тільки на рухомі заряди називається магнітним.

Щоб виявити наявність магнітного поля треба внести в простір провідник із струмом або магнітну стрілку.

Магнітне поле можна показати графічно у вигляді силових ліній. За напрямок ліній беруть напрямок північного полюса магнітної стрілки.

Магнітне поле, лінії якого мають форму замкнених кривих називається вихровим.

Напрямок ліній поля визначають за правилом свердлика або правила правої руки (якщо провідник охопити правою рукою так, щоб великий палець вказував напрямок струму, то чотири пальці покажуть па напрямок ліній магнітного поля).

Напрямок струму через переріз провідника показують у вигляді,, якщо стум направлений на нас. В протилежному випадку -

Тоді для випадків, коли струм йде на нас (мал. а) і від нас

(мал. б), напрямок ліній магнітного поля навколо провідника матиме вигляд

Постійні магніти мають два полюси: північний N та південний S.

Однойменні полюси відштовху­ються, а різнойменні притягуються.

Принцип дії магніту пояснює теорія Ампера: рух електрона навколо ядра атома є мікрострумом. що й створює магнітне поле атома.

У звичайних умовах атоми речовини розташовуються хаотично, тому їх магнітні поля компенсуються (мал. І). В магнітному полі орбіти електронів у атомах переорієнтовуються(,иал. 2), а речовина намагнічується (мал. 3).

мал. 1

Головна характеристика магнітного поля - вектор магнітної індукції .

Його напрямок збігається з силою, яка діє на відповідний полюс магнітної стрілки, що поміщена в цю точку поля.

Опис магнітного поля за допомогою вектора - це аналітичний підхід.

В - вектор магнітної індукції, що є силовою характеристикою магнітного поля.

ЛЕКЦІЯ ХХХІ

МАГНІТНЕ ПОЛЕ

ПЛАН

1. Взаємодія ел струмів.

2. Сила Ампера.

3. Робота магнітного поля.

1. Магнітне поле в якому вектор індукції у всіх точках має однакову величину і напрямок називається однорідним.

Скалярною енергетичною характеристикою магнітного поля є магнітний потік Ф, що визначається з формули:

Ф – магнітний потік (Вб) – вебер

S – площа (м²)

α - кут, який вимірюється між нормаллю до площини та вектором індукції.

2. Числове значення сили, діючої на провідник зі струмом у магнітному полі, встановив Ампер, який показав, що для однорідного магнітного поля чисельне значення цієї сили визначається за формулою

= I ·× × sina (1)

a = (B,^Ù l)

l

a

F     B     l Якщо l || В то F= 0

sina = 1; якщо l ^ B;   B = (2)

Вектор магнітної індукції чисельно дорівнює максимальній силі, яка діє на провідник одиничної довжини зі струмом, рівним одному амперу.

[ B ] = Tл (тесла); Tл = Н /(А × м)

Напрямок сили Ампера визначають за правилом лівої руки: якщо ліву руку розмістити так, щоб вектор індукції входив у долоню, а чотири пальці вказували напрямок струму у провіднику, то відігнутий на кут 90⁰ великий палець покаже напрямок сили, що діє па провідник.

Взаємодія про­відників із струмом використовується для означення ампера: ампер - це сила струму при якій два пара­лельні провідники, що знаходяться на відстані

1 м, взаємодіють із силою 2·10⁷ Н.

3. Оскільки на провідник зі струмом у магнітному полі буде діяти F_амп, то він буде переміщуватись, а ця сила діє з боку магнітного поля, виконує роботу з переміщення провідника зі струмом у магнітному полі.

A = F l = І B l· l= І B S = І ΔФ A = І DФ = І (Ф₂ - Ф₁) A = І_DФ

ЛЕКЦІЯ ХХХІІ

МАГНІТНЕ ПОЛЕ

ПЛАН

1. Сила Лоренца.

2. Постійне та змінне магнітне поле

1. Нідерландський учений Г.А.Лоренц пояснював наявність сили Ампера, дією магнітного поля на рухомі заряди у провіднику. Оскільки заряди з провідника не виходять, то ця дія передається через їх на весь провідник.

Сила що діє з боку магнітного поля на рухомий заряд називається силою Лоренца.

Сила Ампера дорівнює = N·F_л, де N - число зарядів у

провіднику.

Звідси

Оскільки = I ·× × sina I= vneS;

Враховуючи nV=N, маємо

- сила Лоренца. Сила Лоренца співнаправлеиа із силою Ампера та перпендикулярна швидкості руху зарядів, тому роботу вона не виконує.

Якщо заряд влітає в магнітне поле, то починає рухатись по колу. Тоді сила Лоренца рівна доцентровій силі:

Звідси та

Сильне магнітне поле може виштовхнути заряди з нього. Такі поля використовують для утримання плазми.

Магнітне поле Землі захищає її від потоку космічних та сонячних заряджених частинок.

В моменти сонячної активності (раз на 11 років) збільшуються корпускулярні потоки (частинки плазми), які проникають у магнітне поле Землі змінюючи його. Виникають магнітні бурі. Частина зарядів захоплюється магнітним полем та рухається вздовж його ліній, створюючи радіаційні пояси. Заряди, що проникають в атмосферу у полюсів, викликають полярне сяйво.

2. Постійним називається магнітне поле у якому вектор магнітної індукції не змінюється з часом, а в змінному магнітному полі він змінюється. Ця зміна відбувається при зміні відстані до провідника із струмом, що породжує поле та величини сили струму в ньому. Зміна магнітного поля провідника відбувається також в момент замикання й розмикання кола.

ЛЕКЦІЯ ХХХІІІ

МАГНІТНЕ ПОЛЕ

ПЛАН

1. Електромагнітна індукція.

2. Явище самоіндукції

3. Енергія магнітного поля.

1. Досліди Фарадея довели, що змінним магнітним полем можна створити електричний струм. Цей струм називається індукційним (наведення).

Виникнення у замкненому провіднику індукційного струму під дією змінного магнітного поля називається явищем електромагнітної індукції.

При русі провідника у магнітному полі виникає сила Лоренца, що і спричиняє рух зарядів по провіднику (виникає струм).

Електрорушійна сила індукції провідника дорівнює:,

де v - швидкість руху провідника.

Величина електрорушійної сили індукції контуру залежить від швидкості зміни магнітного потоку у контурі.

Індукційний струм можна створити:

1.переміщуючи магніт або електромагніт відносно замкненого контуру;

2. Змінюючи у котушці електромагніту величину сили струму.

У свою чергу індукційний струм створює своє магнітне поле. Закон Ленца: електрорушійна сила індукції створює у замкненому контурі такий струм, що своїм магнітним полем протидіє зміні зовнішнього магнітного поля.

Електрорушійна сила індукції ε_інд прямо пропорційна швидкості зміні магнітного потоку у цьому колі:

Причиною руху зарядів є дія на них електричного поля. Отже змінне магнітне поле створює у провіднику індукційне електричне поле.

На досліді з алюмінієвим кільцем та котушкою із змінним струмом, можна показати нагрівання кільця. Знаючи про теплову дію струму, можна стверджувати, що у кільці виникли вихрові струми.

2. Досліди показують, що величина магнітного потоку залежить від сили струму у провіднику, що створює його.

Оскільки величина вектора індукції В прямоиропорційпа силі струму І, а Ф =ВS, то величина магнітного потоку Ф також пропорційна силі струму І або

де L - індуктивність провідника. (Гн) – генрі.

При зміні сили струму у провіднику змінюється і його магнітне поле. Отже при цьому у провіднику повинен виникнути індукційний струм.

Виникнення електрорушійної сили індукції у провіднику через зміну магнітного поля струму цього провідника називається явищем самоіндукції.

При замиканні (розми­канні) кола сила струму різко змінюється, а отже виникає індукційний струм, що за законом Ленца протидіє такій зміні. Внаслідок цього зміна струму сповільнюється, що і показано на графіках.

Оскільки індукційний струм за правилом Ленца спрямований так, щоб протидіяти проти причини, яка його викликає, то це приводить до того, що струм не миттєво збільшується при замиканні ланцюга і зменшується при розмиканні.

I замкнені

I₀

розімкнені

t

Величину електро­рушійної сили індукції визначимо з формули:

Оскільки , то ΔФ = L·ΔІ тому

3. Електрорушійна сила самоіндукції у колі прямопропорційна швидкості зміни сили струму у ньому.

Енергія магнітного поля провідника дорівнює роботі по подоланню електрорушійної сили самоіндукції, тобто

Оскільки то

Оскільки струм у колі наростає від 0 до І, то зміна струму дорівнює ΔІ = І – 0 =І

Середнє значення сили струму І_ср за час Δt, коли сила струму змінювалась від 0 до І дорівнює:

Отже, енергія магнітного поля:

Лекція ХХХІV

ТЕМА: КОЛИВАННЯ І ХВИЛІ

ПЛАН

1. Поняття про коливальний процес.

2. Кiнематика гармонiчних коливань.

1. Пiд коливаннями в самому загальному випадкові розумiють рухи або процеси, якi мають певну повторюванiсть із часом.

Найбiльше значення у фiзицi мають механiчнi та електромагнiтні коливання.

Власнi, або вiльнi, коливання - це такi коливання, якi виникають у системi, на яку не дiють зовнiшнi змiннi сили, а система приходить у коливання внаслiдок початкового вiдхилення вiд положення рiвноваги.

А якщо цi коливання виникають у консервативнiй системi, то вони будуть незатухаючими.

Коливальний рух є перiодичним, якщо значення фiзичної величини повторюється через певний промiжок часу.

Коливання рiзної фiзичної природи мають однаковi закономiрностi i тому описуються єдиним математичним апаратом.

2. Найбільш простий тип механiчних коливань - гармонiчнi коливання. Це такi коливання, якi вiдбуваються за законом sin або cos.

Математично це можна представити так:

(1)

Х

t

Х -змiщення точки вiд положення рiвноваги у момент часу t;

A - амплiтуда коливань;

- фаза коливань у момент часу t;

- початкова фаза;

- циклiчна (кругова) частота;

- частота коливань - кiлькiсть коливань за одиницю

часу.

Амплiтуда - величина максимального змiщення коливальної величини вiд положення рiвноваги.

Початкова фаза - значення фази у момент часу t = 0.

T - перiод коливань - час одного повного коливання.

[T] = c.

Лекція ХХХV

ТЕМА: КОЛИВАННЯ І ХВИЛІ

ПЛАН

1. Пружинний маятник.

2. Математичний маятник.

3. Фізичний маятник

1. Розглянемо коливання пружинного маятника.

Пружинний маятник - це тiло масою m, з`єднане з нерухомою пружиною з коефiцiєнтом пружностi k, що коливається в горизонтальній площинi пiд дiєю сили ;

m_np. m

Опишемо математично цей рух:

тоді

(2)

- диференцiйне рiвняння гармонiчних коливань.

m – маса тіла (кг)

k – жорсткість пружини (Н/м)

(3)

Дата добавления: 2014-01-04