Курс лекций по физике

Школьный курс математики

Контольная работа
Понятие натуральных чисел
Сравнения по модулю и признаки делимости
Целые числа
Обыкновенные дроби

Понятие комплексного числа

Контрольная по математике

Справочный материал к выполнению
контрольной работы
Матричные уравнения
Алгебра матриц
Функции нескольких переменных
Вычислить пределы
Найти частные производные
Неопределенный интеграл
Вычисление определенного интеграла 
Вычислить интегралы от функции
комплексного переменного
Вычислить криволинейный интеграл
Двойной интеграл
Тройной интеграл в цилиндрических
координатах
Тройной интеграл в сферических
координатах
Векторная функция скалярного аргумента

Дизайн среды

Русская мебель XIX века
История мебели
Моделирование
Стиль
Ассортимент
Ансамбль
Художественное восприятие произведений
дизайна
Ландшафтная архитектура
Работа с деревом Советы мастера

История мировой культуры

Мусульманская культура
Тибетский буддизм
Традиционная культура Японии
Культура Африки
Культура Византии
Эпоха Возрождения
История русской культуры
Культура Киевской Руси

Курс
лекций по ТОЭ и типовые задания

Курс лекций по физике
Контрольная по электротехнике
Расчет цепей в задачах курсового расчета
Конспект лекций по электротехнике
Источники электрической энергии
Расчет цепей постоянного тока по законам
Кирхгофа
Выполним расчет цепи по методу
контурных токов
Реактивные сопротивления элементов цепи
Найдем комплексные амплитуды токов
Параметры элементов схем реактивных
двухполюсников
Амплитудный и фазовый спектры
напряжения
Расчет переходных процессов
в электрических цепях

Найти токи во всех ветвях

Лабораторные по электронике
Расчет переходных процессов
при импупьсных воздействиях

Курсовой расчет по дисциплине
"Теоретическая механика"

Проекция силы на ось
Уравнения равновесия плоской системы
сходящихся сил
Момент сил относительно точки и оси
Сумма статических моментов
Ускорение точки
Кинематические пары и цепи
Работа и мощность
при вращательном движении
Сила трения качения
Построение эпюр продольных сил
Расчеты на срез и смятие
Расчеты на прочность и жесткость
Понятие о сложном деформированном
состоянии
Понятие о теориях прочности
Основные требования к машинам и деталям
Классификация машин
Храповые механизмы
Ременные передачи
Шпоночные и зубчатые (шлицевые)
соединения
Назначение и классификация муфт
Сварные соединения

Электротехнические материал

Полупроводниковые материалы
Проводники
Магнитные материалы
Диэлектрические потери
Электрический пробой
Диэлектрические материалы
Электропроводность проводников,
полупроводников и диэлектриков
Механические свойства материалов
Электропроводность слабопроводящих
материалов
Диэлектрические вещества
Полимеры

Машиностроение

Курс черчения
Выполнение чертежей

Энергетика

Атомные электрические станции
Реактор БН
 

Физика – в переводе с греческого означает «природа», и как трудно дать краткое внятное определение понятию «природа», так трудно дать определение и предмету «физика» из-за чрезвычайной широты области знания, изучаемой этой наукой.

Приборными (инструментальными) погрешностями средств измерений называют такие, которые принадлежат данному средству измерений (СИ), определены при его испытаниях и занесены в его паспорт. Теоретическая погрешность СИ есть разница между значением величины, полученным при помощи этого средства, и истинным значением. Вместо неизвестного истинного значения на практике обычно используется значение, полученное при помощи более точного СИ. По точности СИ делят на рабочие (серийные), образцовые и эталонные. Для рабочего СИ более точным является образцовое, а для образцового СИ – эталонное.

ПРИМЕР. Будем рассматривать все расчеты и рассуждения применительно к конкретному примеру. Задача – измерение ускорения свободного падения g путем измерения продолжительности свободного падения тела с высоты h.

Используются 2 способа обработки результатов косвенного измерения: метод перенесенной погрешности и выборочный метод, дающие близкие результаты.

  В разделе “механика” применяются две основные модели: материальная точка и абсолютно твердое тело. Материальной точкой или частицей называется тело в тех случаях, когда изучается только поступательное движение тела как целого, при условии, что размеры, форма и другие его структурные свойства, а также протекающие в нем процессы в пределах точности измерений не влияют на движение тела.

Характеристики движения – перемещение, траектория, путь.

Тангенциальное ускорение есть проекция вектора полного ускорения на касательную к траектории, на направление вектора скорости и характеризует быстроту изменения величины скорости (её модуля)

Основы специальной теории относительности (СТО). Предпосылки создания, работы Майкельсона-Морли, Фитцджеральда, Лоренца, Эйнштейна.

 Концепция  Эйнштейна позволяет отказаться от существования эфира и построить теорию, называемую ныне специальной теорией относительности (СТО) и и подтверждаемая всеми известными сегодня опытами.

Широко известным экспериментальным фактом справедливости утверждения о различном ходе времени в движущихся и неподвижных системах является возможность наблюдения на Земле m - мезонов («мюонов»). Они возникают в результате бомбардировки кислорода и азота атмосферы космическими лучами на  высотах 10-30 км. Выяснено, что эти частицы имеют собственное время жизни tо (в собственной системе координат, относительно которой они считаются неподвижными) ~2×10-6 с, после чего распадаются

Основы классической динамики Общей целью механики (а с небольшими оговорками – и всей физики) является создание методов решения задач типа: дана определенная физическая система в определенных внешних условиях; требуется найти, что произойдет с этой системой через какой-то промежуток времени.

Законы Ньютона в классической механике. Роль законов Ньютона в физике необозримо велика. На основе ограниченного числа законов построена целая наука – механика, скоро 300 лет используемая человечеством в своей практической и научной деятельности.

Нефундаментальные взаимодействия. Внутриатомные силы (если не рассматривать внутриядерные) удовлетворительно описываются электромагнитным взаимодействием. Межатомные и межмолекулярные силы бывают довольно разнообразными, но все взаимодействия объясняются электростатическими силами. Конденсированное состояние вещества – твердое тело - характеризуется способностью сопротивляться как силам сжатия, так и силам растяжения. Из ряда фундаментальных сил природы - гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое - лишь электромагнитное взаимодействие способно обеспечить силы, достаточные для обеспечения межатомных и межмолекулярных сил, прочных, жестких и пластичных одновременно.

Контактные силы. Контактными называются силы, возникающие при соприкосновении тел и действующие со стороны одного тела на другое. При этом, конечно, возникают деформации, но они обычно невелики и тела рассматриваются как абсолютно твердые.

Механическая работа. Мощность. Механическая энергия. Физическая величина силы тесно связана с другой очень важной величиной – величиной работы. Из курса физики средней школы известно, что, если на частицу, движущуюся по прямой линии, действует сила F, направленная под углом a к направлению движению

Связь силы и потенциальной энергии. Каждой точке потенциального поля сил соответствует, с одной стороны, некоторое значение силы F, действующей на тело, с другой стороны – некоторое значение потенциальной энергии U для данной конфигурации взаимодействующих тел. Следовательно, между  и U должна существовать какая-то функциональная связь.

Потенциальная энергия тяготения двух тел. Рассмотрим потенциальную энергию физической системы, в которой осуществляется фундаментальное гравитационное взаимодействие, на примере  взаимодействия двух тел

Движение твердого тела Кинематика плоского движения твердого тела. Физической моделью, которую обычно используют для описания движения реальных тел, является уже упомянутая модель абсолютно твердого тела («система материальных точек, расстояние между которыми не меняется в процессе движения тела»).

Основной закон динамики вращательного движения Вывод основного уравнения динамики вращательного движения на простом примере вращения материальной точки, позднее ответ обобщим для любых тел.

Момент инерции стержня. Рассмотрим еще пример определения момента инерции тела относительно оси, проходящей через центр масс, но не являющейся осью симметрии. До сих пор мы вычисляли момент инерции относительно оси симметрии; вычисление же момента инерции относительно любой оси, проходящей через центр масс, представляет более сложную задачу.

Свойства молекул идеального газа. Параметры газового состояния. Идеальный газ рассматривается как совокупность материальных точек нулевого размера, лишенных механических свойств, или, в крайнем случае, как бесконечно малые идеально упругие шарики. Молекулы газа или покоятся или непрерывно и хаотически движутся, причем все направления движения строго равновероятны. Равновероятны не только направления движения, но и виды движения: поступательное, вращательное, колебательное. Известный опыт Перрена подтверждает разумность этих утверждений.

Абсолютная температура Т является фундаментальной термодинамической характеристикой газа. Поэтому для выявления связи с температурой величин скорости и средней кинетической энергии воспользуемся некоторыми представлениями термодинамики.

Реальные газы. Уравнение состояния реального газа. Уравнения идеального газа отлично выполняются для разряженных газов, когда р < 1 атм. Для 1 < р < 10 атм - выполняются хорошо, от 10 атм<р<100 атм – удовлетворительно (например, для азота отклонения в законе Бойля-Мариотта не превышают 7%), если же давление больше 100 атм – плохо (а в «коммерческом» баллоне с кислородом – 150 атм).

Тройная точка. Диаграмма состояния Возьмем вещество в виде жидкости и находящегося с ней в равновесии насыщенного пара и, не изменяя объема, станем отнимать от него тепло. Этот процесс будет сопровождаться понижением температуры вещества и соответствующим уменьшением давления. Поэтому точка К, изображающая состояние вещества на диаграмме (р,Т), перемещается вниз по кривой испарения (рис.9.7). Это продолжается до тех пор, пока не будет достигнута температура кристаллизации вещества, отвечающая равновесному значению давления.

Средняя длина свободного пробега молекул. Вакуум. Рассматривая состояние реального газа, пришлось прийти к убеждению, что молекулы имеют конечные размеры, и, следовательно, при движении будут сталкиваться друг с другом. Молекулы газа, находясь в тепловом движении, непрерывно сталкиваются друг с другом. Из-за хаотичности движения будут наблюдаться различные длины свободного пробега молекул газа, но, оказывается, существует некоторая средняя длина свободного пробега, характерная для данного состояния газа.

Явления переноса в газах. Общие закономерности. Беспорядочность теплового движения молекул газа, непрерывные соударения между ними приводят к постоянному перемешиванию частиц и изменению их скоростей и энергий. Если в газе существует пространственная неоднородность плотности, температуры или скорости упорядоченного перемещения отдельных слоев газа, то движение молекул выравнивает эти неоднородности.

Закон распределения молекул по скоростям Максвелла. При выводе основного уравнения кинетической теории газов мы считали, что молекулы имеют различные скорости. Опыт подтверждает это предположение. Средняя квадратичная скорость, использованная нами выше, является одной из характеристик движения всей совокупности молекул. Она, разумеется, не имеет смысла применительно к одной какой-либо молекуле или к небольшому числу молекул.

Барометрическая формула. Распределение Больцмана. При выводе основного уравнения кинетической теории газов и закона Д. К. Максвелла предполагается, что на молекулы газа не действуют никакие внешние силы. Поэтому молекулы равномерно распределяются по объему сосуда. Фактически молекулы любого газа всегда находятся в поле тяготения Земли. Если бы не было теплового движения молекул атмосферного воздуха, то все они упали бы на Землю. Если бы не было тяготения, то атмосферный воздух рассеялся бы по всей Вселенной. Тяготение и тепловое движение приводят газ в состояние, при котором его концентрация убывает с высотой.

Основы термодинамики При термодинамическом методе изучения процессов не рассматривается поведение и движение отдельных молекул, что свойственно физико-статистическим методам изучения свойств газов. В термодинамике основные понятия – это внутренняя энергия, количество теплоты, совершенная работа, энтропия и другие специфические термодинамические функции, а основными параметрами состояния газа служат температура, плотность.

Первый закон термодинамики Первый закон (или начало) термодинамики является выражением одного из основных законов природы - закона сохранения и превращения энергии, о котором мы уже говорили в разделе «Механика».

Вероятность термодинамического состояния. При анализе путей развития той или иной физической системы общепринято определять вероятности тех или иных состояний и максимально ожидаемой является ситуация с наибольшей вероятностью. Количественной характеристикой вероятности теплового состояния тела является число микроскопических способов, которым это макроскопическое состояние может быть реализовано.

Теплоемкость вещества. Изопроцессы идеального газа Большую роль в изучении тепловых свойств вещества играет понятие теплоемкости. Удельной теплоемкостью с называется физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое надо сообщить единице массы этого вещества для увеличения ее температуры на 1° К

Изотермический процесс происходит при постоянной температуре (Т = const). Из уравнения Менделеева — Клапейрона следует, что для этого процесса справедлив закон Бойля—Мариотта: pV = const. Для практического осуществления изотермического процесса необходимо обеспечить идеальный теплообмен - тепловой контакт между газом и массивным телом, имеющим постоянную температуру. Или процесс нужно вести бесконечно медленно, чтобы постоянно успевало происходить выравнивание температуры во всем объеме. Изотермический процесс сжатия и конденсации отработанного пара осуществляется в конденсаторе паровой машины.

Процессы обратимые и необратимые. Обратимым процессом называется такой процесс, который может быть проведен в обратном направлении таким образом, что система будет проходить через те же состояния, что и при прямом ходе, но в обратной последовательности. Обратимым может быть только равновесный процесс.

Второе начало термодинамики Второе начало термодинамики, как и первое, может быть сформулировано несколькими способами. В наиболее очевидной формулировке второе начало гласит, что невозможен самопроизвольный переход тепла от тела, менее нагретого, к телу, более нагретому.

Энтропия Для описания предсказуемого хода термодинамических процессов, особенно связанных с преобразованием теплоты в работу, Клаузиус предложил специальную термодинамическую функцию состояния – энтропию S (от греческого слова «преобразовывать»). Сама величина энтропии большой роли не играет, важно знать её изменение в том или ином процессе.

Для вычисления энтропии системы в данном состоянии относительно какого-нибудь состояния, принятого за нулевое, нужно вычислить значение  при каком-нибудь обратимом процессе, приводящем систему из данного состояния в нулевое. Энтропия замкнутой системы остается постоянной, если система претерпевает обратимое изменение состояния.

Свойства электрических зарядов. Закон Кулона. Мы приступаем к более подробному рассмотрению очередного фундаментального физического взаимодействия – электромагнитного. Существование электромагнитных сил известно человечеству несколько тысячелетий. Ещё древние греки ввели термин «электрон» («янтарь», «способный притягивать к себе»).

Электрическое поле и его характеристики Взаимодействие между покоящимися зарядами осуществляется через электрическое поле. Всякий электрический заряд изменяет свойства окружающего его пространства – создает в нем электрическое поле, как особый вид материи, опосредствующий взаимодействие электрических зарядов.

Работа электрического поля по перемещению электрического заряда. Самоочевидная связь электрического потенциала поля с потенциальной энергией этого поля требует рассмотрения связанной с ними величины работы электрического поля по перемещению электрического заряда.

Энергия взаимодействия системы электрических зарядов.

Поле электрического диполя В качестве первого примера полей, создаваемых системой зарядов, рассмотрим поле электрического диполя. Используется известный принцип суперпозиции. Электрическим диполем называют систему двух равных по величине и противоположных по знаку электрические зарядов +q и -q, расстояние между которыми мало по сравнению с расстоянием до рассматриваемых точек поля. Оказывается, что молекулы диэлектриков по своим электрическим свойствам подобны диполям. Поэтому изучение поля диполя представляет больше и практический интерес.

Поток вектора напряженности электрического поля. Вектор электрической индукции D и его поток. В предыдущем параграфе был приведен пример вычисления напряженности поля системы электрических зарядов способом суперпозиции полей. Однако геометрическое сложение напряженностей более чем двух зарядов очень громоздко, неудобно и дает погрешности, нарастающие с числом используемых зарядов.

Применения теоремы Остроградского-Гаусса к расчету параметров простейших электрических полей. Теорема Остроградского-Гаусса в ряде симметричных случаев позволяет вести расчет параметров электрических полей, принципу суперпозиции вообще недоступных.

Электростатическое поле бесконечно длинного прямого равномерно заряженного цилиндра. Рассмотрим цилиндр радиусом R, равномерно заряженный с линейной плотностью +t (это, конечно же, может быть электрический кабель). Из условия симметрии следует, что силовые линии лежат в плоскостях, перпендикулярных к образующей цилиндра, и направлены радиально от оси цилиндра (рис.16.14), причем, во всех точках, равноудаленных от оси цилиндра, как электрические смещения D, так и напряженности поля Е одинаковы.

Диэлектрики - вещества, относительно плохо проводящие электрический ток (в 1015¸1020 хуже, чем металлические проводники). Термин “диэлектрики” (от греческого dia¢ - через и английского electric - электрический) введен М. Фарадеем для обозначения сред, через которые проникает электростатическое поле, в отличие от металлов-проводников, экранирующих это поле. Диэлектрики при не слишком высоких температурах практически не содержат свободных электрических зарядов - зарядов, способных двигаться в электрических полях как угодно малой напряженности.

ВЕКТОР ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЙ  ИНДУКЦИИ На границе раздела двух диэлектриков с различными e происходит скачкообразное изменение величины и направления вектора напряженности, обусловленное наличием связанных зарядов.

  По своим электрическим свойствам молекулы диэлектрика эквивалентны электрическим диполям, поэтому для понимания явлений в диэлектриках нужно знать, как ведет себя диполь во внешнем электрическом поле.

 Если диэлектрик внести в электрическое поле, то это поле и сам диэлектрик претерпевают существенные изменения. Необходимо учесть, что в составе атомов и молекул имеются положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны. В зависимости от строения, все диэлектрические вещества можно разделить на три большие группы.

Поместим теперь в однородное электрическое поле диэлектрик с полярными молекулами. Действие однородного электрического поля на полярные молекулы оказывается ориентирующим: поле стремится ориентировать молекулярные диполи так, чтобы их электрические моменты совпали с направлением вектора Е (рис.17.4). Поэтому этот вид поляризации называется ориентационным.

Потребность в материалах с очень высокой диэлектрической проницаемостью - в сотни и тысячи единиц - привела к поиску и созданию особого класса диэлектрических веществ сегнетоэлектриков или ферроэлектриков.

Объяснение сегнетоэлектричества. В сегнетоэлектриках между молекулами существуют весьма сильное взаимодействие, благодаря которому наиболее устойчивым и энергетически выгодным оказывается состояние с параллельной ориентацией молярных диполей.

Прямым пьезоэлектрическим эффектом называется поляризация диэлектриков, обусловленная их механической деформацией. Пьезоэффект наблюдается у кварца, сегнетовой соли, метатитаната бария, турмалина и некоторых других кристаллов с низкой симметрией строения.

Распределение сторонних зарядов в проводнике. Проводником называется тело, в котором носители заряда способны перемещаться под действием как угодно малой силы. Здесь мы будем рассматривать лишь твердые металлические проводники. Речь будет идти о движении избыточных электронов (их еще называют «сторонними») и равновесных валентных электронов.

Проводник во внешнем электрическом поле, электростатическая индукция При внесении незаряженного проводника в электрическое поле носители заряда приходят в движение: положительные в направлении вектора Е, отрицательные - в противоположную сторону. В результате у концов проводника возникают заряды противоположного знака, называемые индуцированными зарядами

Электроемкость уединенного проводящего шара. Потенциал уединенного проводящего шара радиусом R, несущего заряд q и находящегося в однородной среде с диэлектрической проницаемостью e, был рассчитан в соответствующем приложении теоремы Остроградского – Гаусса и равен:

Емкость плоского конденсатора. Плоский конденсатор состоят из двух параллельных металлических пластин площадью S каждая, расположенных на близком расстоянии d одна от другой и несущих заряды + q и - q. Если линейные размеры пластин велики по сравнению с расстоянием d, то электростатическое поле между пластинами можно считать эквивалентным полю между двумя бесконечными плоскостями, заряженными разноименно с численно равными поверхностными плотностями электричества +s и - s.

Энергия заряженного проводника Рассмотрим процесс заряжания уединенного проводника с точки зрения затрат энергии на этот процесс. Перенос из бесконечности на поверхность проводника первой порции заряда Dq1 не сопровождается совершением работы против сил электрического поля, так как потенциал проводника первоначально равен нулю

Постоянный электрический ток Основные понятия и определения Если в проводнике создать электрическое поле, то носители заряда придут в упорядоченное движение: положительные в направлении поля, отрицательные в противоположную сторону. Упорядоченное движение зарядов называется электрическим током. Ток может течь в твердых телах (металлы, полупроводники), в жидкостях (электролиты), в газах (газовый разряд), в вакууме (пучки электронов, ионов, протонов). Его принято характеризовать силой тока - скалярной величиной, равной заряду, переносимому носителями через рассматриваемую поверхность (например, через поперечное сечение проводника) в единицу времени.

Закон Ома для однородного участка цепи в интегральной и дифференциальной форме. Сопротивление проводников Ом экспериментально установил закон, согласно которому сила тока, текущего по однородному металлическому проводнику, пропорциональна падению напряжения U на проводнике:  

Работа и мощность постоянного тока Пусть на концах участка цепи существует и поддерживается напряжение U. Тогда за время t через любое сечение проходит заряд q = I×t, это равносильно переносу силами электрического поля заряда q с одного конца проводника на другой.

Разветвленные цепи. Правила Кирхгофа Расчет разветвленных цепей значительно упрощается, если пользоваться правилами, сформулированными Кирхгофом. Этих правил два. Первое из них относится к узлам цепи. Узлом называется точка, в которой сходится более чем два проводника

Основы классической электронной теории Электронная теория проводимости металлов была впервые создана П. Друде в 1900 г. и получила дальнейшее развитие в работах Г. Лоренца. С точки зрения классической электронной теории высокая электропроводность металлов объясняется наличием огромного числа носителей тока - электронов проводимости, перемещающихся по всему объему проводника. Друде предположил, что электроны проводимости в металле можно рассматривать как электронный газ, обладающий свойствами идеального одноатомного газа.

Магнитное поле До начала 19-го века единственным источником магнитного поля, известным Человечеству, были постоянные магниты. Они применялись в виде магнитных стрелок компаса (древний Китай), священниками («плавающий гроб» Магомета в Мекке), были попытки применения магнитов для лечения болезней (растирали руду в порошок и беспощадно заставляли пить суспензию). Ни о какой физической ясности о природе явления, конечно, не было.

Магнитное поле одиночного движущегося заряда Пространство-вакуум изотропно; если электрический заряд в нем неподвижен, то все направления оказываются равноправными. Поэтому и электрическое поле, создаваемое точечным зарядом, сферически симметрично.

Магнитное поле кругового тока Рассмотрим поле, создаваемое током, текущим по тонкому проводу, имеющему форму окружности радиуса R (круговой ток). Определим магнитную индукцию в центре кругового тока (рис.21.8). Каждый элемент тока создает в центре индукцию, направленную вдоль положительной нормали к контуру. Поэтому векторное сложение dВ сводится к сложению их модулей.

Циркуляция вектора В. Поле соленоида и тороида Возьмем контур, охватывающий прямой ток, и вычислим для него циркуляцию вектора В

Сила Лоренца ДВИЖЕНИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ. Рассмотрим движение в вакууме заряженной частицы. Если в пространстве имеется магнитное поле, то на электрический заряд действует сила, величина которой может быть определена по формуле, предложенной Лоренцем:

Рассмотрим теперь общий случай движения заряженной частицы в однородном магнитном поле, когда ее скорость v направлена под произвольным острым углом а к вектору индукции поля В [an error occurred while processing this directive]

Масс-спектрография и масс-спектрометрия Проводя опыты с пучками одновалентных ионов неона на установке, принципиальная схема которой приведена на рис 22.6 (сконструирована в 1919 году учеником Томсона Ф.Астоном), Томсон обнаружил на фотопластинке изображения ветвей двух разных парабол, соответствующих несколько отличным одно от другого значениям удельного заряда.

Ускорители заряженных частиц Ядерная физика изучает взаимодействие частиц высоких энергий. Для их получения исторически первыми были электростатические ускорители, но при этом требуются ускоряющие напряжения ~ 1 MB, которые никакие конструкции не выдерживают: возникают поверхностные пробои, газовые разряды. Этого же результата можно добиться, если частицы многократно (циклически) пропускать через одну и ту же область ускоряющего электрического поля. Это обеспечивается их круговым движением в магнитном поле.

Сила Ампера Исторически первой была открыта и описана не сила Лоренца, действующая со стороны магнитного поля на отдельные заряды, о величине которых в начале 19 века ничего не было известно, а сила, действующая на макроскопические токи. Представим себе проводник с током как некий канал с движущимися заряженными частицами. В металлах движется облако валентных электронов между узлами решетки, в жидкостях наблюдается встречное движение противоположно заряженных ионов, в газах – встречное движение ионов и электронов, в вакууме можно создать пучки электронов, протонов, a - частиц, ионов и т.п.

Контур с током в магнитном поле Пусть прямоугольный плоский контур с током помещается в однородном магнитном поле. Если контур ориентирован так, что вектор В параллелен его плоскости (рис.23.3), то стороны, имеющие длину b, не будут испытывать действия сил, так как для них в формуле (23/3) sin a = 0.

Рассмотрим влияние магнитного поля на движение электронов в атомах вещества, а точнее, рассмотрим, какие процессы произойдут в орбите движения электрона при наложении внешнего магнитного поля.

Магнитные свойства вещества Определение в начале 19 века движения электрических зарядов в качестве источника магнитного поля и установление ядерно-электронного строения вещества в начале 20 века предопределило современные представления о невозможности индифферентной реакции на внешнее магнитное поле любых веществ в любом агрегатном состоянии - газообразном, жидком или твердом. Таким образом, все вещества в природе являются магнетиками разных типов.

Магнитное поле в веществе. Вектор намагничивания Макроскопически реакция любого вещества на помещение его во внешнее магнитное поле сходна с поляризацией диэлектриков, помещенных в электрическое поле.

Диамагнетики Диамагнетиками называются вещества, полные магнитные моменты атомов или молекул которых при отсутствии внешнего поля равны нулю, т.е. векторная сумма орбитальных и спиновых моментов всех электронов равна нулю:  

Ферромагнетики Помимо уже рассмотренных двух классов веществ - диа- и парамагнетиков, называемых слабомагнитными веществами, существуют еще сильномагнитные вещества - ферромагнетики - вещества, обладающие спонтанной (самопроизвольной) намагниченностью, т.е. они намагничены и при отсутствии внешнего магнитного поля.

 Описательная (феноменологическая) теория ферромагнетизма была разработана П.Вейссом в 1900 - 1911 гг. Позднее Я.И. Френкелем и В.Гейзенбергом была создана последовательная количественная квантово - механическая теория.

Магнитные свойства вещества  Определение в начале 19 века движения электрических зарядов в качестве источника магнитного поля и установление ядерно-электронного строения вещества в начале 20 века предопределило современные представления о невозможности индифферентной реакции на внешнее магнитное поле любых веществ в любом агрегатном состоянии - газообразном, жидком или твердом. Таким образом, все вещества в природе являются магнетиками разных типов.

Гармонические колебания и их характеристики Колебаниями называются движения или процессы, которые характеризуются определенной повторяемостью во времени. Колебательные процессы широко распространены в природе и технике, например качание маятника часов, переменный электрический ток и т. д. При колебательном движении маятника изменяется координата его центра масс, в случае переменного тока колеблются напряжение и ток в цепи.

Электромагнитные колебания Квазистационарные токи Закон Ома и вытекающие из него правила Кирхгофа  были установлены для постоянного тока. Однако они остаются справедливыми и для мгновенных значений изменяющихся тока и напряжения, если только их изменения происходят не слишком быстро. Электромагнитные возмущения распространяются по цепи с огромной скоростью, равной скорости света с.

Гармонический осциллятор. Единая теория колебаний при анализе математически идентичных физических систем использует обобщающее понятие гармонического осциллятора, не различающего в принципе колебательные процессы в электрическом колебательном контуре и в системах, совершающих механические колебания.

Энергия свободных механических колебаний

Квазиупругая сила является консервативной. Поэтому полная энергия гармонического колебания должна оставаться постоянной. В процессе колебаний, как мы выяснили выше, происходит превращение кинетической энергии в потенциальную и обратно, причем в моменты наибольшего отклонения из положения равновесия полная энергия Е состоит только из потенциальной энергии, которая достигает своего наибольшего значения Ерmax

Свободные затухающие механические колебания пружинного маятника.

Вынужденные механические колебания Чтобы в реальной колебательной системе получить незатухающие колебания, надо компенсировать потери энергии. Такая компенсация возможна с помощью какого-либо периодически действующего фактора Х(t), изменяющего по гармоническому закону

Сложение колебаний (колебания в системах с несколькими степенями свободы) Рассмотренные в предыдущих параграфах закономерности колебательных движений являются простейшими в том смысле, что они характеризуют свойства изолированного колебания. Такие колебания происходят в системах с одной степенью свободы (рассматривается движение под действием сил, направленных вдоль единственной оси, например, Х).

Сложение колебаний одинакового направления Возможны случаи, когда тело участвует одновременно в нескольких колебаниях, происходящих вдоль одного и того же направления. Если, например, подвесить шарик на пружине к потолку вагона, качающегося на рессорах, то движение шарика относительно поверхности Земли будет складываться из колебаний вагона относительно Земли и колебаний шарика относительно вагона.

Механические волны Основные понятия и определения Рассмотрим теперь характеристики колебательных движений, происходящих в системах с достаточно большим, в принципе бесконечно большим числом частиц – в сплошных средах с идеально упругими связями между атомами и молекулами.

Эффект Доплера Исследование волновых процессов показало, что частота колебаний не является инвариантной характеристикой. В частности, она изменяется при переходе из одной системы отсчета в другую, если она движется относительно первой. Изменение частоты колебаний вследствие движения источника или приемника волн называется эффектом Доплера.

Стоячие волны Очень важный случай интерференции наблюдается при наложении двух встречных плоских волн с одинаковой амплитудой. Возникающий в результате колебательный процесс называется стоячей волной. Практически стоячие волны возникают при отражении волн от преград. Падающая на преграду волна и бегущая ей навстречу отраженная, налагаясь друг на друга, дают стоячую волну.

Уравнения Максвела в интегральной и дифференциальной форме В 60-65 годах 19 столетия Джеймс Клерк Максвелл, опираясь на идеи Фарадея об электрических и магнитных полях, разработал теорию единого электромагнитного поля. Уравнения, предложенные Максвеллом, составляют основу как электротехники и радиотехники, так и теорий любых электромагнитных явлений в любых средах (но без учета атомно-молекулярной структуры!).

Ток смещения Прежде, чем рассмотреть следующее обобщение теории Максвелла, остановимся на понятии, введенном Максвеллом в электродинамику.

Второе уравнение Максвела С учетом введенного понятия о токе смещения Максвелл обобщил теорему о циркуляции

Электромагнитные волны Получение электромагнитных волн. Шкала электромагнитных волн Существование электромагнитных волн - переменного электромагнитного поля, распространяющегося в пространстве с конечной скоростью, вытекает из уравнений Максвелла. Уравнения Максвелла сформулированы в 1865 т. на основе обобщения эмпирических законов электрических и магнитных явлений. Решающую роль для утверждения максвелловской теории сыграли опыты Герца (1888), доказавшие, что электрические и магнитные поля действительно распространяются в виде волн, поведение которых полностью описывается уравнениями Максвелла.

Дифференциальное уравнение электромагнитной волны Одним из важнейших следствий уравнений Максвелла  является существование электромагнитных волн. Запишем уравнения Максвелла в дифференциальной форме применительно к однородной и изотропной среде (m = const, e = const):

Энергия электромагнитных волн. Вектор Умова – Пойнтинга Возможность обнаружения электромагнитных волн указывает на то, что они переносят энергию. Объемная плотность w энергии электромагнитной волны складывается из объемных плотностей wэл и wм электрического и магнитного полей

Законы преломления и отражения электромагнитных волн Исторически эти законы были первыми, которые человечество изучило в оптике, в диапазоне видимого света. Будем и мы рассматривать эти законы для т.н. «естественных лучей».

Принцип Ферма В однородной среде свет распространяется прямолинейно. В неоднородной среде световые лучи искривляются. Путь, по которому распространяется свет в неоднородной среде, может быть найден с помощью принципа, установленного французским математиком Ферма в 1679 г. Принцип Ферма гласит, что свет распространяется по такому пути, для прохождения которого ему требуется минимальное время.

Тонкие линзы. Изображение предметов с помощью линз Вообще геометрической оптикой называется раздел оптики, в котором законы распространения света рассматриваются на основе представления о световых лучах. Под световыми лучами понимают нормальные к волновым поверхностям линии, вдоль которых распространяется поток световой энергии. Геометрическая оптика, оставаясь приближенным методом построения изображений в оптических системах, позволяет разобрать основные явления, связанные с прохождением через них света, и является поэтому основой теории оптических приборов – призм и линз.

Естественный и поляризованный свет Следствием теории Максвелла является поперечность световых воли: векторы напряженностей электрического Е и магнитного Н полей волны взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости v распространения волны (перпендикулярно лучу). Поэтому для описания закономерностей поляризации света достаточно знать поведение лишь одного из векторов. Обычно все рассуждения ведутся относительно светового вектора - вектора напряженности Е электрического поля (это название обусловлено тем, что при действии света на вещество основное значение имеет электрическая составляющая поля волны, действующая на электроны в атомах вещества).

Интерференция света Когерентность и монохроматичность световых волн и источников Экспериментально человек легче всего может наблюдать явление интерференции электромагнитных волн в оптическом диапазоне длин.

Методы наблюдения интерференции света Для осуществления интерференции света необходимо получить когерентные световые пучки, для чего применяются различные приемы. До появления лазеров, дающих «естественно-когерентное» и очень мощное излучение,  во всех приборах для наблюдения интерференции света когерентные пучки получали разделением и последующим сведением световых лучей, исходящих из одного и того же источника. Практически это можно осуществить с помощью экранов и щелей, зеркал и преломляющих призм. Рассмотрим некоторые из этих методов.

Интерференция света в тонких пленках В природе часто можно наблюдать радужное окрашивание тонких пленок (масляные пленки на воде, мыльные пузыри, оксидные пленки на металлах), возникающее в результате интерференции света, отраженного двумя поверхностями пленки.

Кольца Ньютона, являющиеся классическим примером полос равной толщины, наблюдаются при отражении света от воздушного зазора, образованного плоскопараллельной пластинкой и соприкасающейся с ней плосковыпуклой линзой с большим радиусом кривизны

Дифракция света Дифракцией называется отклонение распространения волн вблизи препятствий от законов геометрической оптики. Явление легко наблюдается для длинноволновых объектов – звуковых и радиоволн, играет важную роль в области видимого света и рентгеновских лучей.

Дифракция Френеля от простейших преград Рассмотренный в предыдущем параграфе метод алгебраического сложения амплитуд (существует и способ графического сложения, подробно изложенный, например, в учебнике И.В Савельева) позволяют решить простейшие задачи на дифракцию света.

Дифракция от круглого диска.

Дифракция Фраунгофера на дифракционной решетке Большое практическое значение имеет дифракция, наблюдаемая при прохождении света через одномерную дифракционную решетку — систему параллельных щелей равной ширины, лежащих в одной плоскости и разделенных равными по ширине непрозрачными промежутками. Рассматривая дифракцию Фраунгофера на щели, мы видели, что распределение интенсивности на экране определяется направлением дифрагированных лучей. Это означает, что перемещение щели параллельно самой себе влево или вправо не изменит дифракционной картины. Следовательно, если перейти от одной щели ко многим (к дифракционной решетке), то дифракционные картины, создаваемые каждой щелью в отдельности, будут одинаковыми

Поляризация света Ранее были рассмотрены различия естественного и поляризованного света.  Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы же излучают световые волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, характеризуется всевозможными равновероятными колебаниями светового вектора

Двойное лучепреломление Все прозрачные кристаллы (кроме кристаллов кубической системы, которые оптически изотропны) обладают способностью двойного лучепреломления, т. е. раздваивания каждого падающего на них светового пучка. Это явление, в 1669 г. впервые обнаруженное датским ученым Э. Бартолином (1625—1698) для исландского шпата (разновидность кальцита СаСО3), объясняется особенностями распространения света в анизотропных средах и непосредственно вытекает из уравнений Максвелла.

Поляризационные призмы и поляроиды В основе работы поляризационных приспособлений, служащих для получения поляризованного света, лежит явление двойного лучепреломления. Наиболее часто для этого применяются призмы и поляроиды. Призмы делятся на два класса: призмы, дающие только плоскополяризованный луч (поляризационные призмы); призмы, дающие два поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях (двоякопреломляющие призмы).

Дисперсия света называется зависимость показателя преломления п вещества от частоты n (длины волны l) света или зависимость фазовой скорости v световых волн от его частоты n.

Поглощением (абсорбцией) света называется явление уменьшения энергии световой волны при ее распространении в веществе вследствие преобразования энергии волны в другие виды энергии. В результате поглощения интенсивность света при прохождении через вещество уменьшается.

Излучение и поглощение энергии. Если на какое-либо тело падает поток излучения Фо, то часть потока Фотр<Фо отражается от поверхности тела обратно: от матовой поверхности – диффузно во все стороны, от гладкой поверхности – зеркально. При не слишком большой толщине слоя часть падающего излучения пройдет насквозь и за телом будет наблюдаться поток излучения Фпрох<Фо. Наконец, часть потока, проникающего в тело, будет поглощаться и превращаться в другие формы энергии, в конечном счете – в тепло

Характеристики теплового излучения Электромагнитные волны, испускаемые атомами, которые возбуждаются за счет теплового движения, представляют собой тепловое излучение. Тела, нагретые до достаточно высоких температур, светятся. Тепловое излучение, являясь самым распространенным в природе, совершается за счет энергии теплового движения атомов и молекул вещества (т. е. за счет его внутренней энергии) и свойственно всем телам при температуре выше 0 К. Тепловое излучение характеризуется сплошным спектром, положение максимума которого зависит от температуры.

  Следствия закона Кирхгофа Всякое тело наиболее энергично излучает то, что оно наиболее интенсивно поглощает. Абсолютно черное тело является наиболее эффективным излучателем при всех длинах волн и всех температурах.

Квантовые явления Свойства фотонов. Масса и импульс фотона. Давление света До сих пор при объяснении квантовых оптических явлений мы использовали только одну характеристику фотона - его энергию e = hn. Помимо энергии, фотон обладает также массой и импульсом (количеством движения).

При изучении вольт-амперных характеристик разнообразных материалов (важна чистота поверхности, поэтому измерения проводятся в вакууме и на свежих поверхностях) при различных частотах падающего на катод излучения и различных энергетических освещенностях катода и обобщения полученных данных были установлены следующие три закона внешнего фотоэффекта

Применение фотоэффекта На явлении фотоэффекта основано действие фотоэлектронных приборов, получивших разнообразное применение в различных областях науки и техники. В настоящее время практически невозможно указать отрасли производства, где бы не использовались фотоэлементы — приемники излучения, работающие на основе фотоэффекта и преобразующие энергию излучения в электрическую.

Теория атома водорода по Бору Модели атома Томсона и Резерфорда Представление об атомах как неделимых мельчайших частицах вещества («атомос» — неразложимый) возникло еще в античные времена (Демокрит, Эпикур, Лукреций). В средние века, во времена безграничного господства церкви, учение об атомах, будучи материалистическим, естественно, не могло получить признания, а тем более - дальнейшего развития. К началу XVIII в. атомистическая теория приобретает все большую популярность, так как к этому времени в работах А. Лавуазье (1743—1794, французский химик), М. В. Ломоносова и Д. Дальтона была доказана реальность существования атомов. Однако в это время вопрос о внутреннем строении атомов даже не возникал, так как атомы по-прежнему считались неделимыми.

Постулаты Бора Первая попытка построить качественно новую — квантовую — теорию атома была предпринята в 1913 г. датским физиком Нильсом Бором (1885—1962). Он поставил перед собой цель связать в единое целое эмпирические закономерности линейчатых спектров, ядерную модель атома Резерфорда и квантовый характер излучения и поглощения света. В основу своей теории Бор положил два постулата.

Основы квантовой механики Корпускулярно-волновой дуализм вещества

Соотношения неопределенностей Гейзенберга. Согласно двойственной корпускулярно-волновой природе частиц вещества, для описания микрочастиц используются то волновые, то корпускулярные представления. Поэтому приписывать им все свойства частиц и все свойства волн нельзя. Естественно, что необходимо внести некоторые ограничения в применении к объектам микромира понятий классической механики.

Волновая Y-функция и ее статистический смысл Экспериментальное подтверждение идеи де Бройля об универсальности корпускулярно-волнового дуализма, ограниченность применения классической механики к микрообъектам, диктуемая соотношением неопределенностей, а также противоречие целого ряда экспериментов с применяемыми в начале XX в. теориями привели к новому этапу развития квантовой теории — созданию квантовой механики, описывающей законы движения и взаимодействия микрочастиц с учетом их волновых свойств.

УРАВНЕНИЕ ШРЁДИНГЕРА И ЕГО РЕШЕНИЯ В квантовой механике возникает важнейшая проблема об отыскании такого уравнения, которое явилось бы тем же, чем являются уравнения движения Ньютона для классической механики. Как известно, уравнения Ньютона позволяют для макроскопических тел решать основную задачу механики — по заданным силам, действующим на тело (или систему тел), и определенным начальным условиям (начальным значениям координат и скорости тела) найти для любого момента времени координаты тела и его скорость, т. е. описать движение тела в пространстве и во времени.

Прохождение частицы сквозь потенциальный барьер. Туннельный эффект

Современная физика атомов и молекул Атом водорода в квантовой механике Решение задачи об энергетических уровнях электрона для атома водорода (а также водородоподобных систем: иона гелия Не+, двукратно ионизованного лития Li++ и др.) сводится к задаче о движении электрона в кулоновском поле ядра.

Спектр. Квантовые числа п, l и ml позволяют более полно описать спектр испускания (поглощения) атома водорода, полученный в теории Бора

Спин электрона. Спиновое квантовое число О. Штерн и В. Герлах, проводя прямые измерения магнитных моментов, обнаружили в 1922 г., что узкий пучок атомов водорода, заведомо находящихся в s-состоянии, в неоднородном магнитном поле расщепляется на два пучка. В этом состоянии момент импульса электрона равен нулю. Магнитный момент атома, связанный с орбитальным движением электрона, пропорционален механическому моменту, поэтому он равен нулю и магнитное поле не должно оказывать влияния на движение атомов водорода в основном состоянии, т. е. расщепления быть не должно.

Рентгеновские спектры Большую роль в выяснении строения атома, а именно распределения электронов по оболочкам, сыграло излучение, открытое в 1895 г. немецким физиком К. Рентгеном (1845—1923) и названное рентгеновским. Самым распространенным источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка, в которой сильно ускоренные электрическим полем электроны бомбардируют анод (металлическая мишень из тяжелых металлов, например W или Pt), испытывая на нем резкое торможение. При этом возникает рентгеновское излучение, представляющее собой электромагнитные волны с длиной волны примерно 10-12 – 10-8 м.

Квантовая статистика - раздел статистической физики, исследующий системы, которые состоят из огромного числа частиц, подчиняющихся законам квантовой механики. В отличие от исходных положений классической статистической физики, в которой тождественные частицы различимы (частицу можно отличить от всех таких же частиц), квантовая статистика основывается на принципе неразличимости тождественных частиц. При этом оказывается, что коллективы частиц с целым и полуцелым спинами подчиняются разным статистикам.

Физика атомного ядра Состав атомных ядер, их классификация Э. Резерфорд, исследуя прохождение a-частиц с энергией в несколько мегаэлектронвольт через тонкие пленки золота, пришел к выводу о том, что атом состоит из положительно заряженного ядра и сгружающих его электронов. Проанализировав эти опыты, Резерфорд также показал, что атомные ядра имеют размеры около 10-14–10-15 м (линейные размеры атома примерно 10-10 м).

Радиоактивное излучение и его виды Французский физик А. Беккерель (1852—1908) в 1896 г. при изучении люминесценции солей урана случайно обнаружил самопроизвольное испускание ими излучения неизвестной природы, которое действовало на фотопластинку, ионизировало воздух, проникало сквозь тонкие металлические пластинки, вызывало люминесценцию ряда веществ. Продолжая исследование этого явления, супруги Кюри - Мария (1867—1934) и Пьер - обнаружили, что беккерелевское излучение свойственно не только урану, но и многим другим тяжелым элементам, таким, как торий и актиний. Они показали также, что урановая смоляная обманка (руда, из которой добывается металлический уран) испускает излучение, интенсивность которого во много раз превышает интенсивность излучения урана.

Закономерности a-распада В настоящее время известно более двухсот a-активных ядер, главным образом тяжелых (А>200, Z>82). Только небольшая группа a-активных ядер приходится на область с А= 140—160 (редкие земли). a-Распад подчиняется правилу смещения (44.9). Примером a-распада служит распад изотопа урана 238 U с образованием Th:

Гамма-излучение и то свойства Экспериментально установлено, что g-излучение не является самостоятельным видом радиоактивности, а только сопровождает a- и b-распады и также возникает при ядерных реакциях, при торможении заряженных частиц, их распаде и т. д. g-Спектр является линейчатым. g-Спектр — это распределение числа g-квантов по энергиям. Дискретность g-спектра имеет принципиальное значение, так как является доказательством дискретности энергетических состояний атомных ядер.

Методы наблюдения и регистрации радиоактивных излучений и частиц Практически все методы наблюдения и регистрации радиоактивных излучений (a,b,g) и частиц основаны на их способности производить ионизацию и возбуждение атомов среды. Заряженные частицы вызывают эти процессы непосредственно, а g-кванты и нейтроны обнаруживаются по ионизации, вызываемой возникающими в результате их взаимодействия с электронами и ядрами атомов среды быстрыми заряженными частицами. Вторичные эффекты, сопровождающие рассмотренные процессы, такие, как вспышка света, электрический ток, потемнение фотопластинки, позволяют регистрировать пролетающие частицы, считать их, отличать друг от друга и измерять их энергию.

Ядерные реакции - это превращения атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами (в том числе и с g-квантами) или друг с другом. Наиболее распространенным видом ядерной реакции является реакция, записываемая символически следующим образом:

Мирное применение реакций деления Очевидно, что для созидательного использования ядерной энергии нужно уметь регулировать ее выделение, т. е. получить управляемую реакцию деления. Это осуществляется в ядерных реакторах. Первый реактор создан в США в 1942 г., в России — в 1946 г., а в 1954 г. введена первая промышленная АЭС мощностью 5000 кВт.

Спектральное разложение

Спектральное разложение как математическая операция

Спектральное разложение несинусоидального периодического воздействия. Пусть на резонатор действует несинусоидальная, но периодическая внешняя сила f(t). Теорема Фурье, доказываемая в курсе математики, утверждает, что функция f(t) может быть представлена во всем интервале - ¥ £ t £ +¥ виде суперпозиции бесконечного множества синусоид, имеющих частоты, кратные w = 2p/T, где Т— период функции f(t)

Законы сохранения в механике Мировоззренческая, методологическая и практическая ценность законов сохранения Среди всех законов природы законы сохранения занимают особое место. Исключительная общность и универсальность законов сохранения определяет их научное, методологическое и философское значение. В законах сохранения находит свое отображение важнейший диалектико-материалистический принцип качественной и количественной неуничтожимости материи и движения, взаимосвязь между видами движущейся материи и специфика превращения одного вида движения материи в другой.

Рассмотрим  основные свойства тензора инерции (для более детального ознакомления со свойствами тензоров отсылаем студентов к специальным учебникам по математике)

Какие же воздействия на тело приводят к изменению положения в пространстве вектора L при свободном вращении (модуль |L| = const)? Первые две строки в формулах (46.12) говорят, что должны существовать Mx и My - компоненты вектора момента силы в плоскости XOY. Прежде всего отметим,  что эти компоненты могут создаваться реакциями подшипников при фиксации в пространстве оси вращения

Основы термодинамики неравновесных процессов Основные понятия: кинетические потоки Всякий необратимый процесс вызывается внешними условиями, в которых состояние тела оказывается неравновесным. Если течение процесса со временем не изменяется, то процесс называется стационарным. В противном случае процесс называется нестационарным.

Рассмотрим, от чего зависит изменение во времени плотности r любой из аддитивных величин. Для простоты ограничимся одномерными явлениями переноса. При этом в каждом случае будем выбирать систему отсчета так, чтобы ее ось х была ориентирована в направлении переноса. Тогда поток будет иметь отличной от нуля только х-компоненту, которую, следуя избранной ранее системе обозначений, мы будем записывать через j. Кроме того, и r, и j будут зависеть только от х и t.

Помимо состояний локального равновесия, хотя и редко, но все же встречаются состояния, очень далекие от равновесных. Они называются сильно неравновесными, существуют, как правило, очень короткое время и “приготавливаются” в специальных условиях. Здесь мы не имеем в виду биологические (живые) системы, для которых как раз типичным является пребывание в сильно неравновесных состояниях за все время жизнедеятельности.

Вспомним, как мы рассматривали диффузию газов с микроскопической точки зрения. Пусть в смеси двух газов давление Р и температура Т везде одинаковы, а состав меняется в х-направлении. Обозначим через no полное число частиц обоих газов в единице объема, а через n(x,t)—плотность одного из них.

 Рассмотрев уже известные нам физические явления – теплопроводности и диффузии – с позиции представлений неравновесной термодинамики, обратимся теперь к изложению основных законов и теорем этой отрасли физического знания.

Уравнение эволюции есть уравнение баланса гидродинамического типа. Как уже отмечалось, s определяли как величину энтропии на единицу массы. Уравнения баланса в то же время выписывали как уравнения для плотностей соответствующих величин (на единицу объема)

Итак, в рамках приближения локального квазиравновесия мы фактически построили формализм неравновесной термодинамической теории, дающей обобщенную формулировку первого и второго законов термодинамики с помощью уравнений гидродинамического типа. Однако, как мы уже указали, есть определенный произвол в выборе потоков и сопряженных им сил. Хотя полностью от этого произвола в рамках феноменологических представлений освободиться невозможно, но допустимо сделать существенные уточнения в так называемом линейном приближении.

Сильно неравновесные состояния Пока здесь все рассуждения проводились в рамках линейной термодинамики. Возникает вопрос: что будет, если стационарное состояние существует, но соответствует большому перепаду интенсивного параметра в пределах рассматриваемой системы, когда не имеет смысла вводить некоторое мыслимое равновесное состояние с фиксированным значением (скажем) То и, значит, описание процесса достижения стационарного состояния, а также процесса в стационарном состоянии нельзя выполнить в рамках линейной термодинамики с постоянными Lij и необходимо учитывать нелинейные процессы?

Квантовые усилители и генераторы. Лазеры. Индуцированное излучение До сих пор мы рассматривали лишь такое взаимодействие излучения с веществом, в результате которого происходит ослабление потока вследствие рассеяния и поглощения. Однако, возможны такие процессы, при которых поток излучения, проходя через вещество, будет не ослабляться, но усиливаться, на что впервые указал Фабрикант в 1939 г. Подобные процессы реализуются в приборах, получивших название квантовых усилителей и квантовых генераторов, рассматриваются они в недавно родившейся области науки - квантовой электронике.

Гелий-неоновый лазер. Газовые лазеры могут быть созданы на основе различных рабочих тел – газов: СО2 для самых мощных промышленных и боевых лазеров, азота, аргона, смеси Не и Ne для медицинских и «прицелочных» лазеров, на парах металлов и др.

 

На главный раздел сайта: Учебники, курсовые и задачи