Шпаргалка: Физика, основы теории

Из схемы видно, что тепловой двигатель совершает работу только за счет передачи теплоты в одном направлении, а именно от более нагретых тел к менее нагретым, причем вся теплота, взятая от нагревателя, не может быть

превращена в механическую работу. Это не случайность, а результат объективных закономерностей, существующих в природе, которые отражены во втором начале термодинамики. Второе начало термодинамики показывает, в каком направлении могут протекать термодинамические процессы, и имеет несколько равнозначных формулировок. В частности, формулировка Кельвина такова: невозможен такой периодический процесс, единственным результатом которого является превращение теплоты, полученной от нагревателя, в эквивалентную ей работу.

КПД теплового двигателя. Цикл Карно.

Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называют величину, равную отношению количества теплоты, превращенной двигателем в механическую работу, к количеству теплоты, полученной от нагревателя:

КПД теплового двигателя всегда меньше единицы.

Для определения максимально возможного значения КПД теплового двигателя французский инженер С. Карно рассчитал идеальный обратимый цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Он доказал, что максимальное значение КПД идеальной тепловой машины, работающей без потерь на обратимом цикле

.

Любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем при температуре  и холодильником при температуре  не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины с теми же температурами.

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

1. Электризация тел. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона

Многие частицы и тела способны взаимодействовать между собой с силами, которые, как и силы тяготения пропорциональны квадрату расстояния между ними, но во много раз больше сил тяготения. Этот вид взаимодействия частиц называют электромагнитным.

Принято считать, что элементарные частицы, способные к электромагнитным взаимодействиям, имеют электрический заряд.

Следовательно, электрический заряд есть количественная мера способности частиц к электромагнитным взаимодействиям.

Существует два вида электрических заряда, условно называемых положительными и отрицательными. Одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются.

Экспериментально установлено, что заряд любого тела состоит из целого числа элементарных зарядов, т.е. электрический заряд дискретен. Элементарный заряд обычно обозначают буквой е. Заряд всех элементарных частиц (если он не равен нулю) одинаков по абсолютной величине.

|e| = 1,6·10 –19 Кл

Любой заряд, больше элементарного, состоит из целого число элементарных зарядов

q = ± Ne (N = 1, 2, 3, …)

Электризация тел всегда сводится к перераспределению электронов. Если тело имеет избыток электронов, то оно заряжено отрицательно, если - недостаток электронов, то тело заряжено положительно.

В изолированной системе алгебраическая сумма электрических зарядов остается постоянной (закон сохранения электрического заряда):

q1 + q2 +…+ qN = ∑qi = const

Закон, которому подчиняется сила взаимодействия точечных неподвижных зарядов установлен Кулоном (1785 г.)

Точечным зарядом называют заряженное тело, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстояниями от этого тела до других тел, несущих электрический заряд.

Согласно закону Кулона сила взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

 k – коэффициент пропорциональности.

k = 9·109 Н·м2/Кл2 ε0 = 8,85·10-12 Кл2/Н·м2 (ε0 – электрическая постоянная).

2. Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции электрических полей

Электрическое поле – вид материи, посредством которого происходит взаимодействие электрических зарядов.

Силовой характеристикой электрического поля является напряженность электрического поля.

Напряженность электрического поля в данной точке равна отношению силы, с которой поле действует на пробный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда.

.

Напряженность электрического поля измеряется в  или в .

Напряженность поля точечного заряда .

Согласно принципу суперпозиции (наложения) полей напряженность поля системы зарядов равна векторной сумме напряженностей полей, которые создавал бы каждый из зарядов системы в отдельности.

Электрические поля могут быть изображены графически с помощью линий напряженности (силовых линий) электрического поля.

Линией напряженности электрического поля называют линию, касательная к которой в каждой точке совпадает с направлением вектора напряженности в этой точке.

3. Работа сил электростатического поля. Потенциал электростатического поля

= .

Из данной формулы следует, что силы, действующие на заряд  в поле неподвижного заряда , являются консервативными, т.к. работа по перемещению заряда  действительно определяется начальным и конечным положением заряда.

Из курса механики известно, что работа консервативных сил на замкнутом пути равна нулю.

Потенциал

Тело, находящееся в потенциальном поле сил, обладает энергией, за счет которой совершается работа силами поля

.

Следовательно, потенциальная энергия заряда  в поле неподвижного заряда

.

Величина, равная отношению потенциальной энергии заряда к величине этого заряда, называется потенциалом электростатического поля

.

Потенциал является энергетической характеристикой электрического поля.

Потенциал электрического поля точечного заряда

.

Потенциал поля, создаваемого системой заряженных тел равен алгебраической сумме потенциалов, создаваемых каждым зарядом в отдельности

.

Заряд , находящийся в точке поля с потенциалом , обладает энергией

.

Работа сил поля над зарядом

Величина  называется напряжением. Потенциал и разность потенциалов (напряжение) измеряются в вольтах (В).

4. Связь между напряженностью электростатического поля и потенциалом

Работа сил электрического поля над зарядом  на отрезке пути

.

С другой стороны , поэтому .

Отсюда следует, что

. ; ; .

.

.

Величина, стоящая в скобках, называется градиентом потенциала.

Следовательно, напряженность электрического поля равна градиенту потенциала, взятому с противоположным знаком .

Для однородного электростатического поля , в то же время . Следовательно, , .

Для наглядного изображения электрического поля наряду с линиями напряженности пользуются поверхностями равного потенциала (эквипотенциальными поверхностями). Линии напряженности электростатического поля перпендикулярны (ортогональны) эквипотенциальным поверхностям.

5. Проводники в электростатическом поле. Явление электростатической индукции. Диэлектрики в электростатическом поле

Проводники в электростатическом поле. Электростатическая индукция.

К проводникам относят вещества, у которых имеются свободные заряженные частицы, способные двигаться упорядоченно по всему объему тела под действием электрического поля. Заряды таких частиц называют свободными.

Проводниками являются металлы, некоторые химические соединения, водные растворы солей, кислот и щелочей, расплавы солей, ионизированные газы.

Рассмотрим поведение в электрическом поле твердых металлических проводников. В металлах носителями свободных зарядов являются свободные электроны, называемые электронами проводимости.

Такой вид электризации, при котором под действием внешнего электрического поля происходит перераспределение зарядов между частями данного тела, называют электростатической индукцией.

Появившиеся вследствие электростатической индукции на противоположных частях проводника нескомпенсированные электрические заряды создают своё собственное электрическое поле, его напряженность Ес внутри проводника направлена против напряженности Ео внешнего поля, в которое помещен проводник. По мере разделения зарядов в проводнике и накопления их на противоположных частях проводника напряженность Ес внутреннего поля увеличивается и становится равной Ео. Это приводит к тому, что напряженность Е результирующего поля внутри проводника становится равной нулю. При этом наступает равновесие зарядов на проводнике.

Весь нескомпенсированный заряд в этом случае находится только на наружной поверхности проводника, а внутри проводника электрическое поле отсутствует.

Данное явление используют при создании электростатической защиты, сущность которой состоит в том, что для предохранения чувствительных приборов от влияния электрических полей их помещают в металлические заземленные корпуса или сетки.

Диэлектрики в электростатическом поле.

К диэлектрикам относят вещества, в которых при обычных условиях (т.е. при не слишком высоких температурах и отсутствии сильных электрических полей) нет свободных электрических зарядов.

В отличие от проводников в диэлектриках заряженные частицы не способны двигаться по всему объему тела, а могут лишь смещаться на небольшие расстояния (порядка атомных) относительно своих постоянных положений. Следовательно, электрические заряды в диэлектриках являются связанными.

В зависимости от строения молекул все диэлектрики можно разбить на три группы. К первой группе относятся диэлектрики, молекулы которых имеют асимметричное строение (вода, спирты, нитробензол). У таких молекул центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Такие молекулы можно рассматривать как электрические диполи.

Молекулы, представляющие собой электрические диполи называю полярными. Они обладают электрическим моментом p = q l даже при отсутствии внешнего поля.

Ко второй группе относят диэлектрики, молекулы которых симметричны (например, парафин, азот, кислород). У таких молекул центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают. При отсутствии внешнего электрического поля такие молекулы не обладают электрическим моментом. Их называют неполярными молекулами.

Во внешнем электрическом поле центры распределения положительных и отрицательных зарядов неполярных молекул смещаются в противоположные стороны. Молекулы становятся диполями и приобретают дополнительный электрический момент p = q l.

К третьей группе относят кристаллические диэлектрики, имеющие ионное строение (NaCl, CaCl2 и другие).

 Если диэлектрик неполярный, то при отсутствии внешнего электрического поля его молекулы вообще не имеют электрических моментов. Если же диэлектрик полярный, но не находится в электрическом поле, то тепловое движение создает полный беспорядок в расположении его молекул-диполей, вследствие чего их электрические моменты ориентированы по всевозможным направлениям и их векторная сумма равна нулю. Следовательно, диэлектрик в целом не обладает электрическим моментом.

+σ -σ´ Е0 +σ´ -σ

Пусть образец из диэлектрика находится в однородном электрическом поле. Поскольку молекулы и полярных и неполярных диэлектриков в электрическом поле являются диполями, а диполи ориентируются вдоль внешнего поля, векторы электрических моментов молекул в основном ориентированы упорядоченно. В этом случае векторная сумма электрических моментов не равна нулю. Следовательно, диэлектрик в целом обладает электрическим моментом. Внутри диэлектрика, находящегося в электрическом поле, разноименные заряды соседних диполей расположены вблизи друг друга и взаимно компенсируются. Поэтому диэлектрик остается незаряженным. А на противоположных поверхностях диэлектрика,

перпендикулярных линиям напряженности внешнего поля, появляются нескомпенсированные и равные по значению поляризационные заряды, т.е. диэлектрик поляризуется.

Если в электрическое поле внести диэлектрик ионного типа, то в нем происходит небольшое смещение ионов кристаллической решетки (положительных - по полю, отрицательных - против поля). Это приводит к тому, что ионный диэлектрик в электрическом поле обладает электрическим моментом.

Таким образом, сущность процесса поляризации диэлектрика любого типа состоит в том, что в электрическом поле каждый элемент объема диэлектрика и весь диэлектрик в целом приобретает отличный от нуля электрический момент.

Поляризационные заряды создают в диэлектрике собственное электрическое поле, направленное против внешнего электрического поля. В результате суперпозиции двух этих полей напряженность поля, создаваемого зарядами, внесенными в диэлектрик, становится в нем в ε раз меньше, чем в вакууме (ε - диэлектрическая проницаемость среды).

6. Электроемкость. Конденсаторы. Емкость плоского конденсатора

Потенциал уединенного проводника пропорционален сообщенному ему заряду, поэтому отношение заряда проводника к его потенциалу не зависит от заряда и является характеристикой данного проводника.

Электроемкостью уединенного проводника называют величину, равную отношению заряда проводника к потенциалу этого проводника.

 .

На практике применяются

Электроемкость проводника не зависит от вещества, из которого он изготовлен, а зависит от его формы, размеров и диэлектрической проницаемости среды, в которой находится этот проводник.

Используя формулу потенциала электрического поля, созданного равномерно заряженным шаром

, для емкости шара получим .

КОНДЕНСАТОРЫ

Уединенные проводники обладают малой емкостью. На практике возникает потребность в устройствах, которые при небольшом относительно окружающих тел потенциале накапливали бы на себе значительные заряды.

Конденсатором называют систему, состоящую из двух разделенных диэлектриком проводников, на которых могут накапливаться заряды противоположных знаков.

Проводники, образующие конденсатор, называют обкладками.

Чтобы внешние тела не влияли на емкость конденсатора, обкладкам придают такую форму и так располагают их друг относительно друга, чтобы поле, создаваемое накапливаемыми на них зарядами, было полностью сосредоточено внутри конденсатора. Этому условию удовлетворяют две близко расположенные пластины, два коаксиальных цилиндра и две концентрические сферы.

Емкостью конденсатора называют величину, равную отношению заряда конденсатора к разности потенциалов (напряжению) между его обкладками

=.

ЕМКОСТЬ ПЛОСКОГО КОНДЕНСАТОРА

Напряженность поля между обкладками плоского конденсатора

.

Для однородного поля справедливо соотношение

.

Следовательно, емкость плоского конденсатора

(S – площадь обкладок, d – расстояние между обкладками).

7. Соединение конденсаторов. Энергия заряженного конденсатора

При параллельном соединении конденсаторов напряжения на каждом конденсаторе одинаковы и равны напряжению на клеммах батареи

.

Заряд батареи

.

Исходя из того, что , имеем

,

 поэтому

.

При последовательном соединении конденсаторов

, .

Учитывая, что , имеем

,

поэтому при последовательном соединении конденсаторов

.

ЭНЕРГИЯ ЗАРЯЖЕННОГО КОНДЕНСАТОРА

При зарядке конденсатора совершается работа по перемещению электрических зарядов против сил электрического поля. При перемещении заряда  совершается работа . Учитывая, что , получим . Следовательно,

.

По закону сохранения энергии эта работа равна энергии заряженного конденсатора, т.е.

.

Используя формулы  и , получим

 и .

8. Закон Ома для однородного участка цепи. Сопротивление проводников

Участок цепи, на котором не действуют сторонние силы, приводящие к возникновению ЭДС, называется однородным.

Согласно закону Ома для однородного участка цепи постоянного тока: сила тока в однородном проводнике пропорциональна напряжению на его концах и обратно пропорциональна сопротивлению данного проводника.

.

Опыты показывают, что сопротивление R проводника пропорционально его длине, обратно пропорционально площади его поперечного сечения и зависит от вещества, из которого изготовлен проводник. Для однородного проводника длиной l и неизменной площадью поперечного сечения S эту зависимость выражают формулой

,

где  - коэффициент пропорциональности, называемый удельным электрическим сопротивлением. Удельное сопротивление равно сопротивлению проводника, изготовленного из данного вещества и имеющего единичную длину и единичную площадь поперечного сечения. Удельное сопротивление есть свойство проводника и зависит от его состояния.

Сопротивление цепи, состоящей из последовательно соединенных проводников, равно сумме сопротивлений этих проводников.

.

Сопротивление цепи, состоящей из параллельно соединенных проводников можно определить из формулы

9. Закон Джоуля - Ленца. Закон Ома для неоднородного участка цепи. Разветвленные цепи. Правила Кирхгофа

В замкнутой электрической цепи, по которой идет ток, происходят процессы превращения энергии из одного вида в другой. В источнике тока не электрическая энергия превращается в электрическую, а на потребителях энергии, включенных во внешнюю часть цепи, энергия электрического тока может превращаться в любой другой вид энергии (в зависимости от типа потребителя).

Если движущихся проводников на данном участке цепи нет, энергия электрического тока переходит во внутреннюю энергию этого участка, увеличивая её. Если участок однородный, то увеличение его внутренней энергии приводит к повышению температуры участка. Проводник, по которому идет ток, нагревается и отдает теплоту окружающим телам. Закон, определяющий количество теплоты, выделяемое в проводнике, был установлен экспериментально Джоулем и Ленцем. Согласно закону Джоуля - Ленца, количество теплоты, выделившееся при прохождении по нему тока, пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени, в течение которого в проводнике поддерживается постоянный ток.

Формула закона Джоуля – Ленца имеет следующий вид .

Постоянный ток в замкнутой цепи вызывается стационарным электрическим полем, которое должно непрерывно поддерживаться источником тока. В источнике тока действуют не электростатические силы, называемые сторонними. Эти силы совершают работу против электростатических сил по разделению положительных и отрицательных зарядов, что и приводит к поддержанию электрического поля в цепи и разности потенциалов между любыми её точками. Работа сторонних сил связана с превращением энергии не электрической в энергию электрического тока. Количественной мерой работы сторонних сил является величина, называемая электродвижущей силой (ЭДС).

ЭДС источника равна отношению работы сторонних сил, совершаемой при перемещении по замкнутой цепи заряда к величине этого заряда, т.е.

ЭДС выражают в вольтах (В).

Сторонние силы могут действовать не только в источнике тока, но и на отдельных участках цепи. Такие участки называют неоднородными. ЭДС неоднородного участка цепи численно равна работе сторонних сил при перемещении единичного заряда по данному участку.

Согласно закону Ома для неоднородного участка цепи

.

В этой формуле  - ЭДС, действующая на данном неоднородном участке,

 - разность потенциалов между концами участка, - полное сопротивление участка (равно сумме внешнего и внутреннего сопротивления).

В случае замкнутой цепи закон Ома имеет следующий вид:

.

Для расчета разветвленных цепей постоянного тока используют законы (правила) Кирхгофа.

Если считать токи, входящие в узел, положительными, а выходящие из узла – отрицательными, то первое правило Кирхгофа может быть сформулировано так:

в любом узле замкнутой электрической цепи алгебраическая сумма токов равна нулю, т.е.

.

Второе правило Кирхгофа является обобщением закона Ома на разветвленные цепи и может быть сформулировано так: в любом неразветвленном контуре алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме падений напряжений, т.е.

.

На основе правил Кирхгофа составляют систему уравнений, решение которой позволяет вычислить силы токов в ветвях цепи.

10. Взаимодействие токов. Магнитное поле. Магнитная индукция

Если по двум тонким прямолинейным проводникам текут токи одного направления, то проводники притягиваются, если направления токов противоположны, то проводники отталкиваются.

Сила взаимодействия для прямолинейных проводников, приходящаяся на единицу длины, определяется по формуле:

,

где а – расстояние между проводниками, - магнитная постоянная, .

Взаимодействие токов, осуществляется посредством магнитных полей создаваемых токами.

Подобно тому, как для исследования электростатического поля используют пробный точечный заряд, для исследования магнитного поля используют пробный ток, циркулирующий в пробном замкнутом контуре очень малых размеров. Ориентацию контура в пространстве характеризуют направлением нормали  к контуру, связанной с направлением тока правилом правого винта. Такую нормаль называют положительной.

Если внести пробный контур в магнитное поле, то поле оказывает на контур ориентирующее действие, устанавливая его положительной нормалью в определенном направлении. Это направление принимают за направление магнитного поля в данной точке.

Магнитным моментом контура называют величину

,

где I – сила тока в контуре, S – площадь контура.

Физическую величину, равную отношению максимального вращательного момента , действующего на контур, к магнитному моменту контура называют магнитной индукцией

Магнитная индукция в системе СИ измеряется в теслах (Тл).

Наряду с магнитной индукцией для описания магнитного поля вводится величина, называемая напряженностью магнитного поля. Для вакуума

.

11. Магнитное поле в веществе. Магнитные свойства вещества

Гипотеза Ампера

Если проводники, по которым течет ток, находятся не в вакууме, а в среде, то магнитное поле может существенно изменяться. Это обусловлено тем, что всякое вещество является магнетиком, т.е. способно намагничиваться. Намагниченное вещество создает магнитное поле , которое накладывается на поле , обусловленное токами. Индукция результирующего поля: .

Причина магнитных свойств вещества была объяснена Ампером. Он пришел к выводу, что магнитные свойства любого тела определяются замкнутыми электрическими токами внутри него. Согласно гипотезе Ампера внутри молекул и атомов циркулируют элементарные электрические токи. Если плоскости, в которых циркулируют эти токи, расположены хаотично вследствие теплового движения молекул, то вещество не обнаруживает магнитных свойств. Если вещество намагничено, то токи ориентированы так, что их действия складываются.

Магнитные свойства вещества

Намагничение магнетика характеризуют магнитным моментом единицы объема. Эту величину называют вектором намагничения

Формула справедлива для неоднородно намагниченного магнетика.

- бесконечно малый объем, взятый в окрестности рассматриваемой точки,

- магнитный момент отдельной молекулы. Суммирование производится по всем молекулам, заключенным в объеме .

Вектор намагничения связан с напряженностью магнитного поля в той же точке соотношением , где - магнитная восприимчивость вещества (безразмерная величина).

Часто вместо восприимчивости единицы объема  пользуются отнесенной к одному киломолю вещества киломолярной (для химически простых веществ – килоатомной) восприимчивостью .

, где - объем киломоля вещества (измеряется в ).

В зависимости от знака и величины магнитной восприимчивости все магнетики подразделяются на три группы:

1)  диамагнетики, у которых - отрицательна и мала по абсолютной величине (~ ).

2)  парамагнетики, у которых  тоже невелика, но положительна (~ ).

3)  Ферромагнетики, у которых  положительна и достигает больших значений (~ ).

Кроме того, в отличие от диа- и парамагнетиков, для которых  постоянна, магнитная восприимчивость ферромагнетиков является функцией напряженности магнитного поля.

Таким образом, вектор намагничения  может как совпадать по направлению с  (у пара- и ферромагнетиков), так и быть направленным в противоположную сторону (у диамагнетиков).

Описание поля в магнетиках

Для описания поля в магнетиках часто пользуются величиной

.

напряженность магнитного поля.

В вакууме вектор намагничения , поэтому .

В магнетиках , или .

Величину  называют относительной магнитной проницаемостью вещества.

Следовательно, .

ДИАМАГНЕТИКИ

У диамагнетиков магнитная проницаемость  чуть меньше единицы. К ним относят, например, медь, золото, серебро, ртуть, хлор, инертные газы и другие вещества.

Страницы: 1, 2, 3