Физика (лучшее)

приборов — диоды, транзисторы и т.д. Их важным преимуществом являются

высокая надёжность, большой срок службы и миниатюрность. В настоящее время

на 1 см2 удаётся разместить тысячи таких элементов, в связи с чем и,

появились, например, персональные ЭВМ, размещающиеся на столе и обладающие

огромными вычислительными возможностями. Рассмотрим принцип работы диода.

При соединении полупроводников n- и р-типа получается диод с так называемым

р-n - переходом. В результате такого соединения небольшое количество

электронов около контакта перейдёт из полупроводника n-типа в полупроводник

р-типа, где произойдёт их рекомбинация с дырками. Вследствие этого

полупроводник n-типа заряжается положительно, а р-типа - отрицательно.

Возникает некоторая разность потенциалов, которая препятствует дальнейшему

переходу электронов. Если к диоду подключить источник тока, чтобы минус был

соединён с полупроводником n-типа, а плюс - с полупроводником р-типа, то

под действием внешнего электрического поля электроны и дырки проходят

границу раздела полупроводников и рекомбинируют. В то же время источник

тока поставляет всё новые электроны и дырки. Поэтому через диод протекает

достаточно сильный ток. Если изменить полярность на диоде, то под действием

поля электроны и дырки отходят от границы раздела полупроводников и ток

через диод не течёт. Таким образом, диод обладает односторонней

проводимостью. Это используется для выпрямления тока, т.е. для

преобразования переменного тока в постоянный по направлению ток. Для того

чтобы получить ток постоянный по величине, используют диоды, включённые в

несколько более сложные цепи. Выпрямительные схемы играют важную роль, так

как электростанции вырабатывают ток переменный, а для работы большинства

электронных устройств (радио, телевизоры, ЭВМ) требуется постоянное

напряжение.

Билет № 17

Электромагнитная индукция. Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца

Мы знаем, что электрический ток создаёт магнитное поле. Естественно

возникает вопрос: «,Возможно ли появление электрического тока с помощью

магнитного поля?». Эту проблему решил Фарадей, открывший явление

электромагнитной индукции, которое заключается в следующем: при всяком

изменении Магнитного потока, пронизывающего площадь, охватываемую

проводящим контуром, в нём возникает электродвижущая сила, называемая

э.д.с. индукции. Если контур замкнут, то под действием этой э.д.с.

появляется электрический ток, названный индукционньм. Фарадей установил,

что э.д.с. индукции не зависит от способа изменения магнитного потока и

определяется только быстротой его изменения, т.е.

[pic]

Соотношение называется законом электромагнитной индукции: э.д.с. индукции

в проводнике равна быстроте изменения магнитного потока, пронизывающего

площадь, охватываемую проводником. Знак минус в формуле (68.1) является

математическим выражением правила Ленца. Известно, что магнитный поток

является алгебраической величиной. Примем магнитный поток, пронизывающий

площадь контура,

положительным. При увеличении этого потока ([pic]) возникает з.д.с.

индукции [pic], под действием которой появляется индукционный ток,

создающий собственное магнитное поле, направленное навстречу внешнему полю,

т.е. магнитный поток индукционного тока отрицателен.

Если же поток, пронизывающий площадь контура, уменьшается ([pic]), то

[pic], т.е. направление магнитного поля индукционного тока совпадает с

направлением внешнего поля.

Рассмотрим один из опытов, проведённых Фарадеем, по обнаружению

индукционного тока, а следовательно, и э.д.с. индукции. Если в соленоид,

замкнутый на очень чувствительный электроизмерительный

прибор(гальванометр), вдвигать или выдвигать магнит, то при движении

магнита наблюдается отклонение стрелки гальванометра, свидетельствующее о

возникновении индукционного тока. То же самое наблюдается при движении

соленоида относительно магнита. Если же магнит и соленоид неподвижны

относительно друг друга, то и индукционный ток не возникает. Из

приведённого опыта следует вывод, что при взаимном движении указанных тел

происходит изменение магнитного потока через нитки соленоида, что и

приводит к появлению индукционного тока, вызванного возникающей э.д.с.

индукции.

2.Направление индукционного тока определяется правилом Ленца: индукционный

ток всегда имеет такое направление. что создаваемое им магнитное поле

препятствует изменению магнитного потока, которое вызывает этот ток. Из

этого правила следует, что при возрастании магнитного потока возникающий

индукционный ток имеет такое направление, чтобы порождаемое им магнитное

поле было направлено против внешнего поля, противодействуя увеличению

магнитного потока. Уменьшение магнитного потока, наоборот, приводит к

появлению индукционного тока, создающего магнитное поле, совпадающее по

направлению с внешним полем. Пусть, например, в однородном магнитном поле

находится проволочная квадратная рамка, пронизываемая магнитным полем

Предположим, что магнитное поле возрастает. Это приводит к увеличению

магнитного потока через площадь рамки. Согласно правилу Ленца, магнитное

поле, возникающего индукционного тока, будет направлено против внешнего

поля, т.е. вектор В2 этого поля противоположен вектору Ё. Применяя правило

правого винта (см. § 65, п. З), находим направление индукционного тока Ii.

З. Явление электромагнитной индукции получило широкое применение в

технике: промышленности получение электроэнергии на электростанциях,

разогрев и плавление проводящих материалов (металлов) в индукционных

электропечах и т.д.

2.Магнитный поток. Магнитным потоком через некоторую поверхность называют

число линий магнитной индукции, пронизывающих её. Пусть в однородном

магнитном поле находится плоская площадка площадью S, перпендикулярная к

линиям магнитной индукции. (Однородным магнитным полем называется такое

поле, в каждой точке которого индукция магнитного поля одинакова по модулю

и направлению). В этом случае нормаль n к площадке совпадает с направлением

поля. Поскольку через единицу площади площадки проходит число линий

магнитной индукции, равное модулю В индукции поля, то число линий,

пронизывающих данную площадку будет в S раз больше. Поэтому магнитный поток

равен

[pic]

Рассмотрим теперь случай, когда в однородном магнитном поле находится

плоская площадка, имеющая форму прямоугольного параллелепипеда со сторонами

а и b, площадь которой S = аb. Нормаль n к площадке составляет угол ( с

направлением поля, т.е. с вектором индукции В. Число линий индукции,

проходящих через площадку S и её проекцию Sпр на плоскость,

перпендикулярную к этим линиям, одинаково. Следовательно, поток Ф индукции

магнитного поля через них одинаков. Используя выражение, находим Ф = ВSпр

Из рис. видно, что Sпр= ab*cos ( =Scos(. Поэтому

ф =BScos (.

В системе единиц СИ магнитный поток измеряется в веберах (Вб). Из формулы

следует [pic]т.е. 1 Вб — это магнитный поток через площадку в 1 м2,

расположенную перпендикулярно к линиям магнитно индукции в однородном

магнитном поле с индукцией 1 Тл. Найдем размерность вебера: [pic]

Билет № 19

Свободные и вынужденные колебания. Электрические колебания были открыты в

известной мере случайно. После того как изобрели лейденскую банку (первый

конденсатор) и научились сообщать ей большой заряд от электростатической

машины, начали наблюдать электрический разряд банки. Замыкая обкладки

лейденской банки с помощью проволочной катушки, обнаружили, что стальные

спицы внутри катушки намагничиваются. В это ничего странного не было:

электрический ток и должен намагничивать стальной сердечник катушки.

Удивительным было то, что нельзя было предсказать, какой конец сердечника

катушки окажется северным полюсом, а какой – южным. Повторяя опыт примерно

в одних и тех же условиях, получали в одних случаях один результат, а в

других другой. Далеко не сразу поняли, что при разряде конденсатора через

катушку возникают колебания. За время разрядки конденсатор успевает много

раз перезарядиться и ток меняет направление много раз. Из-за этого

сердечник может намагничиваться различным образом.

Периодические или почти периодические изменения заряда, силы тока и

напряжёния называют электрическими колебаниями.

Получить электрические колебания почти столь же просто, как и заставить

тело колебаться, подвесив его на пружине. Но наблюдать электрические

колебания уже не так просто. Ведь мы непосредственно не видим ни

перезарядки конденсатора, ни тока в катушке. К тому же колебания обычно

происходят с очень большой частотой.

Наблюдают и исследуют электрические колебания с помощью электронного

осциллографа. На горизонтально отклоняющие пластины электроннолучевой

трубки осциллографа подается переменное напряжение развертки Up

“пилообразной» формы. Сравнительно медленно напряжение нарастает, а потом

очень резко уменьшается. Электрическое поле между пластинами заставляет

электронный луч пробегать экран в горизонтальном направлении с постоянной

скоростью и затем почти мгновенно возвращаться назад. После этого весь

процесс повторяется. Если теперь присоединить вертикально отклоняющие

пластины к конденсатору, то колебания напряжения при его разрядке вызовут

колебания луча в вертикальном направлении. В результате на экране

образуется временная «развертка» колебаний, вполне подобная той, которую

вычерчивает маятник с песочницей на движущемся листе бумаги. Колебания

затухают с течением времени

Эти колебания — свободные. Они возникают после того, как конденсатору

сообщается заряд, выводящий систему из состояния равновесия. Зарядка

конденсатора эквивалентна отклонению маятника от положения равновесия.

В электрической цепи можно также получить и вынужденные электрические

колебания. Такие колебания появляются при наличии в цепи периодической

электродвижущей силы. Переменная ЭДС индукции возникает в проволочной рамке

из нескольких витков при вращении ее в магнитном поле (рис. 19). При этом

магнитный поток, пронизывающий рамку, периодически изменяется, В

соответствии с законом электромагнитной индукции периодически меняется и

возникающая ЭДС индукции. При замыкании цепи через гальванометр пойдет

переменный ток и стрелка начнет колебаться около положения равновесия.

2.Колебательный контур Простейшая система, в которой могут происходить

свободные электрические колебания, состоит из конденсатора и катушки,

присоединенной к обкладкам конденсатора (рис. 20). Такая система называется

колебательным контуром.

Рассмотрим, почему в контуре возникают колебания. Зарядим конденсатор,

присоединив его на некоторое время к батарее с помощью переключателя. При

этом конденсатор получит энергию

[pic]

где qm — заряд конденсатора, а С — его электроемкость. Между обкладками

конденсатора возникнет разность потенциалов Um.

Переведем переключатель в положение 2. Конденсатор начнет разряжаться, и в

цепи появится электрический ток. Сила тока не сразу достигает максимального

значения, а увеличивается постепенно. Это обусловлено явлением

самоиндукции. При появлении тока возникает переменное магнитное поле. Это

переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле в

проводнике. Вихревое электрическое поле при нарастании магнитного поля

направлено против тока и препятствует его мгновенному увеличению.

По мере разрядки конденсатора энергия электрического поля уменьшается, но

одновременно возрастает энергия магнитного поля тока, которая определяется

формулой

[pic]

где i сила тока,. L — индуктивность катушки. В момент, когда конденсатор

полностью разрядится (q=0), энергия электрического поля станет равной нулю.

Энергия же тока (энергия магнитного поля) согласно закону сохранения

энергии будет максимальной. Следовательно, в этот момент сила тока также

достигнет максимального значения

Несмотря на то что к этому моменту разность потенциалов на концах катушки

становится равной нулю, электрический ток не может прекратиться сразу.

Этому препятствует явление самоиндукции. Как только сила тока и созданное

им магнитное поле начнут уменьшаться, возникает вихревое электрическое

поле, которое направлено по току и поддерживает его.

В результате конденсатор перезаряжается до тех пор, пока ток, постепенно

уменьшаясь, не станет равным нулю. Энергия магнитного поля в этот момент

также будет равна нулю, а энергия электрического поля конденсатора опять

станет максимальной.

После этого конденсатор вновь будет перезаряжаться и система возвратится

в исходное состояние. Если бы не было потерь энергии, то этот процесс

продолжался бы сколь угодно долго. Колебания были бы незатухающими. Через

промежутки времени, равные периоду колебаний, состояние системы повторялось

бы.

Но в действительности потери энергии неизбежны. Так, в частности, катушка

и соединительные провода обладают сопротивлением R, и это ведет к

постепенному превращению энергии электромагнитного поля во внутреннюю

энергию проводника.

При колебаниях, происходящих в контуре, наблюдается превращение энергии

магнитного поля в энергию электрического поля и наоборот. Поэтому эти

колебания называют электромагнитными. Период колебательного контура

находится по формуле :

[pic]

Билет № 18

1. Индуктивность. Пусть по замкнутому контуру течёт постоянный ток силой

I. Этот ток создаёт вокруг себя магнитное поле, которое пронизывает

площадь, охватываемую проводником, создавая магнитный поток. Известно, что

магнитный поток Ф пропорционален модулю индукции магнитного поля В, а

модуль индукции магнитного поля, возникающего вокруг проводника с током,

пропорционален силе тока 1. Из этого следует

[pic]

Коэффициент пропорциональности L между силой тока и магнитным потоком,

создаваемым этим током через площадь, ограниченную проводником, называют

индуктивностью проводника.

Индуктивность проводника зависит от его геометрических размеров и формы, а

также от магнитных свойств среды, в которой он находится. внутри него.

Необходимо отметить, что если магнитная проницаемость среды, окружающей

проводник, не зависит от индукции магнитного поля, создаваемого током,

текущим по проводнику, то индуктивность данного проводника является

постоянной величиной при любой силе тока, идущего в нём. Это имеет место,

когда проводник находится в среде с диамагнитными или парамагнитными

свойствами. В случае ферромагнетиков индуктивность зависит от силы тока,

проходящего по проводнику.

В системе единиц СИ индуктивность измеряется в генри (Гн). L = Ф/I и 1 Гн

= 1 В6/ 1А, т.е. 1 Гн — индуктивность такого проводника, при протекании по

которому тока силой 1А возникает магнитный поток, пронизываю площадь,

охватываемую проводником, равный 1Вб.

Явление самоиндукции. Явление возникновения э.д.с. в том же

проводнике, по которому течёт переменный ток, называется самоиндукцией, а

саму э.д.с. называют э.д.с. самоиндукции. Это явление объясняется

следующим. Переменный ток, проходящий по проводнику, порождает вокруг себя

переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, создаёт магнитный

поток, изменяющийся со временем, через площадь, ограниченную проводником.

Согласно явлению электромагнитной индукции, это изменение магнитного потока

и приводит к появлению э.д.с. самоиндукции.

Найдём э.д.с. самоиндукции. Пусть по проводнику с индуктивностью L течёт

электрический ток. В момент времени t1 сила этого тока равна I1, а к

моменту времени t2 она стала равной I2. Тогда магнитный поток, создаваемый

током через площадь ограниченную проводником, в моменты времени t1 и t2

соответственно равен Ф1=LI1 и Ф2= LI2 , а изменение (Ф магнитного потока

равно (Ф = LI2 — LI1 = L(I2 — I1) = L(I, где (I =I2— I1 — изменение силы

тока за промежуток времени (t = t2 - t1. Согласно закону электромагнитной

индукции, э.д.с. самоиндукции равна: [pic]Подставляя в это выражения

предыдущую формулу, получаем

[pic]

Итак, э.д.с. самоиндукции, возникающая в проводнике, пропорциональна

быстроте изменения силы тока, текущего по нему. Соотношение представляет

собой закон самоиндукции.

Под действием э.д.с. самоиндукции создаётся индукционный ток, называемый

током самоиндукции. Этот ток, согласно правилу Ленца, противодействует

изменению силы тока в цепи, замедляя его возрастание или убывание.

Энергия магнитного поля. При протекании электрического тока по проводнику

вокруг него возникает магнитное поле. Оно обладает энергией. Можно

показать, что энергия магнитного поля, возникающего вокруг проводника с

индуктивностью L, по которому течёт постоянный ток силой I, равна

[pic]

Билет № 20

Фундаментальные законы природы, к числу которых относятся открытые

Максвеллом законы электромагнетизма, замечательны в следующем отношении:

они могут дать гораздо больше, чем заключено в тех фактах, на основе

которых они получены.

Среди бесчисленных, очень интересных и важных следствий, вытекающих из

максвелловских законов электромагнитного поля, одно заслуживает особого

внимания. Это вывод о том, что электромагнитное взаимодействие

распространяется с конечной скоростью.

Согласно теории дальнодействия кулоновская сила, действующая на

электрический заряд, сразу же изменится, если соседний заряд сдвинуть с

места. Действие передается мгновенно. С точки зрения действия на расстоянии

иначе быть не может:

ведь один заряд непосредственно через пустоту <чувствует» присутствие

другого.

Согласно же представлению о близкодействии обстоит совершенно иначе и

много сложнее. Перемещение заряда меняет электрическое поле вблизи него.

Это переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле в

соседних областях пространства. Переменное же магнитное поле в свою очередь

порождает переменное электрическое поле и т.д.

Перемещение заряда вызывает, таким образом, «всплеск» электромагнитного

поля, который, распространяясь, охватывает все большие и большие области

окружающего пространства, перестраивая по дороге то поле, которое

существовало до смещения заряда. Наконец, этот «всплеск» достигает второго

заряда, что и приводит к изменению действующей на него силы. Но произойдет

это не в тот момент времени, когда произошло смещение первого заряда.

Процесс распространения электромагнитного возмущения, механизм которого был

вскрыт Максвеллом, протекает с конечной, хотя и очень большой, скоростью. В

этом состоит фундаментальное свойство поля, которое не оставляет сомнений в

его реальности.

Максвелл математически показал, что скорость распространения этого

процесса равна скорости света в вакууме.

Электромагнитная волна. Представьте себе, что электрический заряд не

просто сместился из одной точки в другую, а приведен в быстрые колебания

вдоль некоторой прямой. Заряд движется подобно грузу, подвешенному на

пружине, но только колебания его происходят со значительно большей

частотой. Тогда электрическое поле в непосредственной близости от заряда

начнет периодически изменяться. Период этих изменений, очевидно, будет

равен периоду колебаний .заряда. Переменное электрическое поле будет

порождать периодически меняющееся магнитное поле, а последнее в свою

очередь вызовет появление переменного электрического поля уже на большем

расстоянии от заряда и т. д.

Мы не будем в деталях рассматривать сложный процесс образования

электромагнитного поля, порождаемого колеблющимся зарядом. Приведем лишь

конечный результат.

В окружающем заряд пространстве, захватывая все большие и большие области,

возникает система взаимно перпендикулярных, периодически изменяющихся

электрических и магнитных полей. На рисунке 84 изображен «моментальный

снимок» такой системы полей.

Образуется так называемая электромагнитная волна,. бегущая по всем

направлениям от колеблющегося заряда.

Не надо думать, что электромагнитная волна, подобно волне на поверхности

воды, представляет собой возмущение какой-либо среды. На рисунке изображены

в некотором масштабе значения векторов Ё и В в различных точках

пространства, лежащих на линии Os, в фиксированный момент времени. Никаких

гребней и впадин среды, как в случае механических волн на поверхности воды,

здесь нет.

В каждой точке пространства электрические и магнитные поля меняются во

времени периодически. Чем дальше расположена точка от заряда, тем позднее

достигнут ее колебания полей. Следовательно, на разных расстояниях от

заряда колебания происходят с различными фазами.

Колебания векторов Ё и В в любой точке совпадают по фазе. Расстояние между

двумя ближайшими точками, в которых колебания происходят в одинаковых

фазах, есть длина волны (. В данный момент времени значения векторов Е и В

меняются периодически в пространстве с периодом (.

Направления колеблющихся векторов напряженности электрического поля и

индукции магнитного поля перпендикулярны к направлению распространения

волны. Электромагнитная волна является поперечной.

Таким образом, векторы Ё и Й в электромагнитной волне перпендикулярны друг

другу и перпендикулярны направлению распространения волны. Если вращать

буравчик с правой нарезкой от вектора Ё к вектору В то поступательное

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7