Физика в МГУ (билеты-вопросы-ответы) по лекциям Ремезовой Н.И. и лекторов из МГУ

Последовательное: Iоб=I1=I2; Uоб=U1+U2; Rоб=R1+R2.

Параллельное: Iоб=I1+I2; Uоб=U1=U2; 1/Rоб=1/R1+1/R2.

Закон Ома для полной цепи.

Сила тока в электрической цепи прямо пропорциональна ЭДС источника и

обратно пропорциональна полному сопротивлению данной цепи: I=Е/(R+r).

Источники тока, их соединение.

Источники тока- различные устройства, в которых могут возникать сторонние

силы. Сторонние силы- силы, отличные от сил электростатического поля и

способные перенести свободные электроны от меньшего потенциала к большему.

Источники тока создают электрическое поле в проводнике и поддерживают его

достаточно длительное время. Последовательное соединение источников: E=nE1.

Параллельное соединение: E=E1=E2.

Измерение тока и разности потенциалов в цепи.

Для измерения силы тока применяют амперметр или гальванометр (для измерения

малых токов), их подключают в цепь последовательно. Для измерения разности

потенциалов (напряжения) применяют вольтметр, его подключают в цепь

параллельно.

Работа и мощность тока.

Работа электрического поля заставляет электроны двигаться упорядоченно, то

есть в цепи возникает электрический ток. A=qU=IUt. Для последовательно

соединенных проводников A=I2Rt, для параллельно соединенных- A=U2t/R.

(Дж(=(А В с(. Мощность тока Р=А/t. Для последовательно соединенных

проводников мощность тока P=I2R, для параллельно соединенных - P=U2/R.

(Вт(=(Дж/с(=(А В(.

Закон Джоуля- Ленца.

Согласно закону сохранения энергии, работа электрического поля превращается

в тепловую энергию проводника A=Q. Q=А=IUt=I2Rt=U2t/R. Q=I2Rt- закон Джоуля-

Ленца (для последовательного соединения проводников); Q=U2t/R- закон

Джоуля- Ленца (для параллельного соединения проводников).

Электрический ток в металлах.

Электрический ток- упорядоченное движение свободных электронов. Если внутри

металла нет электрического поля, то движение электронов хаотично и в каждый

момент скорости различных электронов имеют разную величину и направление.

Как только оно появляется, на каждый электрон начинает действовать сила,

направленная в сторону, противоположную полю. Двигаясь под действием сил

электрического поля, электроны приобретают некоторую кинетическую энергию.

При соударениях она частично передается атомам и ионам решетки. Из-за этого

происходит более интенсивное выделение тепла. При наличии тока происходит

переход энергии упорядоченного движения электронов в энергию хаотического

движения атомов, ионов и электронов (то есть во внутреннюю энергию тела).

При наличии тока внутренняя энергия тока увеличивается.

Электрический ток в электролитах.

Электролитами являются растворы солей, кислот и щелочей. Заряженные частицы

образуются в результате электролитической диссоциации. Молекулы

растворяемых веществ распадаются на ионы. В отсутствии внешнего

электрического поля все частицы находятся в хаотическом тепловом движении.

Если ионы находятся во внешнем поле, то начинается их упорядоченное

движение двумя встречными потоками: положительные ионы устремляются к

катоду, отрицательные- к аноду. Суммарный ток через раствор складывается из

обоих потоков.

Закон электролиза (закон Фарадея).

Электролиз- процесс выделения вещества на электродах и его перехода с

одного на другой. Первый закон Фарадея: масса вещества, выделившегося при

электролизе, пропорциональна суммарному заряду всех ионов, прошедших через

электролит. m=k(q=kI(t, где k- электрохимический эквивалент вещества.

Второй закон Фарадея устанавливает связь между химическим и

электрохимическим эквивалентами вещества: k=M/FZ, где M- молярная масса

вещества, Z- валентность вещества, F- постоянная Фарадея. F=9,65 104

Кл/моль.

Электрический ток в вакууме.

Вакуум- такое состояние газа, когда средняя длина пробега его частиц

превышает размеры сосуда. Носителями электронного тока в вакууме являются

электроны и другие заряженные частицы. Получить ток в вакуумной трубке не

удается с помощью только одной термоэлектронной эмиссии, так как электроны,

покидающие катод, не уходят очень далеко и «плавают» в виде электронного

облака вблизи него. Чтобы возник электрический ток, надо подключить к цепи,

кроме источника питания катода, источник ускоряющего поля между катодом и

анодом.

Термоэлектронная эмиссия.

Термоэлектронная эмиссия- явление испускания электронов накаленным

металлом. Наиболее быстрые электроны обладают энергией, достаточной для

совершения работы выхода, и поэтому могут покинуть металл. Чем сильнее

нагрет металл, тем больше «горячих» электронов, которые способны его

покинуть.

Электронная лампа- диод.

Диод- лампа, состоящая из анода и катода. Диод состоит из стеклянного или

металлического баллона, из которого выкачан воздух. Внутри находится нить,

накаливаемая током до температуры, при которой выделяются электроны. Нить

окружена металлическим цилиндром, который присоединяется к положительному

полюсу и называется анодом. Нить накала называется катодом. Потенциал на

аноде должен быть больше, чем на катоде, чтобы ток через диод шел.

Электронно-лучевая трубка.

Электронно-лучевая трубка- вакуумный стеклянный баллон, в узком конце

которого помещен источник электронов (электронная пушка). Широкий конец

трубки служит экраном. Электронная пушка состоит из накаленного катода,

испускающего электроны, управляющего электрода и анода. Катод и управляющий

электрод обычно имеют форму цилиндра. Анод представляет собой диск с

отверстием, вставленный в металлический цилиндр. Форма и расположение в

пушке выбираются так, чтобы наряду с ускорением электронов происходила их

фокусировка. Выходя из анода, электронный пучок попадает на экран, покрытый

светящимся составом, в результате чего на экране возникает яркая светящаяся

точка. На пути к экрану электронный луч проходит между двумя парами

металлических пластин.

Полупроводники.

Полупроводники- вещества, которые нельзя отнести ни к проводникам, ни к

диэлектрикам.

Собственная и примесная проводимость полупроводников.

Собственный полупроводник- беспримесный и бездефектный полупроводник с

идеальной кристаллической решеткой. Собственная проводимость- проводимость

собственного полупроводника, обусловленная парными носителями теплового

происхождения. Примесная проводимость- проводимость, обусловленная наличием

примесных атомов.

Зависимость проводимости полупроводников от температуры.

При температуре 0 К в собственном полупроводнике нет свободных электронов,

и он является идеальным диэлектриком. По мере нагрева он приобретает

дополнительную энергию, которая вызывает колебательное движение узловых

атомов решетки.

p-n переход и его свойства.

p-n переход- область объемных зарядов, прилегающая к поверхности контакта p

и n слоев.контакт двух полупроводников с разным типом проводимости.

Комбинация двух типов проводниковых слоев обладает свойством пропускать ток

в одном направлении лучше, чем в другом (прямой и обратный ток, прямое и

обратное напряжение).

Полупроводниковый диод.

Полупроводниковый диод- прибор, в котором используется один p-n переход.

Бывает точечным и плоскостным. Диод- представитель нелинейных проводников.

Транзистор.

Транзистор- полупроводниковый прибор, в котором использовано два p-n

перехода. Бывает точечным и плоскостным. Их можно использовать для усиления

электрических сигналов.

Термистор и фоторезистор.

Термистор- полупроводниковый прибор, включающийся в цепь, управляющую

подачей тока, в случаях если недопустимо значительное повышение

температуры. Фоторезистор- полупроводниковый прибор, который под действием

света измеряет свое сопротивление. Причем материалы подобраны так, что под

действием света способны освободить больше электронов.

Электрический ток в газах.

В обычном состоянии газы не проводят электрический ток, так как в газе нет

свободных заряженных частиц. Чтобы газ стал проводящим, в нем создают

заряженные частицы. Заряд ионов газа бывает маленьким, а масса- большая, (

законы Фарадея не выполняются, закон Ома не выполняется при протекании тока

по газу.

Самостоятельный и несамостоятельный разряды.

Если постепенно увеличивать напряжение на электродах, то сила тока вначале

растет до определенного момента, а затем ток остается постоянным. Такой ток

называется током насыщения. На этом участке существует несамостоятельный

разряд (так как при отключении ионизатора ток прекращается). Но начиная с

некоторого напряжения сила тока снова начинает расти, в газе появляются

сильно выраженные световые и тепловые эффекты. Ионы создаются самим

разрядом, который уже будет самостоятельным.

Понятие о плазме.

Плазма- ионизированный газ, который образуется при электрических разрядах в

газах при нагреве газа до температуры, достаточно высокой для протекания

интенсивной термической ионизации. Плазма обладает высокой электрической

проводимостью.

3.3.Магнетим.

Магнитное поле.

Магнитное поле- неразрывно связанная с током материальная среда, через

которую осуществляется взаимодействие на расстоянии проводников с током.

Магнитное поле обладает энергией, которая непрерывно распределена в

пространстве. Магнитное поле создается либо движущимися электрическими

зарядами, либо переменным электрическим полем и действует только на

движущиеся заряды. Магнитные поля токов одинакового направления усиливают

друг друга, а токов противоположного направления ослабляют друг друга.

Действие магнитного поля на рамку с током.

Магнитное поле оказывает ориентирующее действие на рамку с током. В

качестве направления мы выбираем направление нормали рамки с током,

свободно установленной в поле. Направление вектора В определяется правилом

правого винта.

Индукция магнитного поля (магнитная индукция).

Магнитная индукция- вектор, величина его равна отношению силы F ,

приходящейся на единичный элемент тока (силовая характеристика поля в

данной его точке). Она не зависит от вносимого в данную точку поля элемента

тока. B=F/I2(l. 1 Тесла- такая магнитная индукция, которая возникает при

действии на единичный элемент тока силой в 1 Ньютон. Направление магнитной

индукции совпадает по направлению с силой, действующий на проводник.

Линии магнитной индукции.

Линия магнитной индукции- такая линия, касательная в каждой точке к которой

совпадает по направлению с вектором магнитной индукции в данной точке.

Линии магнитной индукции не имеют начала и конца. 1 Тесла- индукция

магнитного поля, которая действует на отрезок проводника длиной 1 м при

силе тока в 1 А силой, равной 1 Н.

Картины магнитного поля прямого тока и соленоида.

Магнитное поле прямого тока существует в каждой точке пространства, оно

уменьшается по мере удаления от проводника. Соленоид- катушка с большим

количеством витков. Магнитное поле соленоида существует только внутри его.

Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле.

На проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует магнитная

сила F. Направление этой силы можно определить по правилу левой руки. F-

большой палец, I- другие пальцы, B- входит в ладонь. Сила Ампера- сила,

действующая на прямолинейный проводник с током в магнитном поле. Эта сила

прямо пропорциональна длине проводника, величине тока в нем и зависит от

синуса угла между направлениями тока и магнитных силовых линий. F=IBlsin(-

закон Ампера. При этом происходит превращение электрической энергии в

механическую.

Закон Ампера.

F=IBlsin(- закон Ампера. Сила, действующая на прямолинейный проводник,

равна произведению силы тока на проводнике, длине проводника, магнитной

индукции и синуса угла между направлениями отрезка проводника и вектора

магнитной индукции.

Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца.

Магнитная сила действует не на сам проводник, а на движущиеся в нем заряды.

Так как они не могут выйти из проводника, то сила оказывается приложенной к

проводнику. Сила Лоренца всегда перпендикулярна плоскости, проходящей через

векторы индукции поля и скорости заряда. Ее направление для положительного

заряда определяется правилом левой руки. На отрицательный заряд, движущийся

в том же направлении, эта сила действует в обратную сторону. Сила Лоренца

всегда центростремительна.

Магнитные свойства вещества.

Вещества бывают парамагнитными, ферромагнитные и диамагнитные.

Парамагнитные- вещества, магнитная проницаемость которых немного больше,

чем у вакуума. Попадая в магнитное поле, они немного усиливают его у конца

стержня за счет своего магнетизма, и ослабляют его рядом со стержнем.

Ферромагнитные- вещества, магнитная проницаемость которых во много раз

больше, чем у вакуума. Попадая в магнитное поле, они намагничиваются и

значительно усиливают его за счет своего магнетизма у полюсов. Диамагнитные-

вещества, магнитная проницаемость которых меньше, чем у вакуума. Они

ослабляют у концов магнитное поле, в которое попали. Магнитное поле внутри

диамагнитного вещества меньше, чем снаружи.

Гипотеза Ампера.

Элементарный магнит- круговой ток, циркулирующий внутри небольшой частицы

вещества: атома, молекулы или их группы.

Ферромагнетики.

Ферромагнетики- вещества, магнитная проницаемость которых во много раз

больше, чем у вакуума. Их применяют для получения сильного магнитного поля.

Попадая в магнитное поле, они намагничиваются и значительно усиливают его

за счет своего магнетизма у полюсов. В их атомах есть электроны, которые,

двигаясь по орбитам вокруг ядер, совершают вращение вокруг своей оси.

Магнитные поля таких электронов очень сильные и так расположены в

пространстве, что при наложении усиливают друг друга. Внешнее магнитное

поле у полюсов ферромагнетиков велико, так как велико и внутреннее.

3.4.Электромагнитная индукция.

Магнитный поток.

Магнитный поток- величина, характеризующая число силовых линий, проходящих

через некоторую площадь. Ф=BScos(, где (- угол между направлениями вектора

магнитной индукции и нормалью к площадке. Он измеряется в Веберах. 1 Вебер

(вб)- поток, пронизывающий площадку в 1 м2, расположенную перпендикулярно

однородному полю с индукцией в 1 Тесла.

Опыты Фарадея.

Электромагнитная индукция- явление возникновения в замкнутом проводнике

электрического тока, обусловленного изменением магнитного поля. Явление

электромагнитной индукции состоит в появлении ЭДС в контуре при

изменении:1)магнитного потока через площадку, ограниченную контуром;

2)площади замкнутого контура, находящимся в магнитном поле; 3)угла наклона

плоскости контура к нормали.

Явление электромагнитной индукции.

Электромагнитная индукция- явление возникновения в замкнутом проводнике

электрического тока, обусловленного изменением магнитного поля. Создаваемый

при этом источник тока стали называть ЭДС индукции, а возникающий ток-

индукционным. Направление тока можно определить по правилу правой руки: В-

входит в ладонь, ( (направление движения проводника)- большой палец, I-

другие пальцы.

Вихревое электрическое поле.

Любое изменение магнитного поля вызывает появление индукционного

электрического поля в окружающем пространстве. Это поле вихревое, то есть

линии этого поля замкнуты. Направление вихревых токов таково, что

создаваемое ими магнитное поле противодействует движению проводника.

Закон электромагнитной индукции.

Индукционный ток создает собственное магнитное поле. Поле, вызвавшее

появление тока, и поле, появившееся, взаимодействуют между собой.

Правило Ленца.

Правило Ленца: ЭДС индукции вызывает в замкнутом проводнике такой

индукционный ток, который своим магнитным полем противодействует причине,

возбуждающей ЭДС. Величина ЭДС индукции прямо пропорциональна скорости

изменения магнитного потока, проходящего внутри рамки. (ин=-(Ф/(t.

Самоиндукция.

При замыкании цепи: самоиндукция- явление, при котором переменное магнитное

поле, созданное током в какой-либо цепи, возбуждает ЭДС индукции в той же

самой цепи. Ток направлен противоположно первичному току. При размыкании

цепи: запасенная в магнитном поле этой цепи энергия превращается в энергию

самоиндукции. Ток направлен одинаково с первичным током.

Индуктивность.

L- коэффициент, зависящий только от свойств контура. Ф=LI. Индуктивность

контура численно равна потоку напряженности магнитного поля, пронизывающему

этот контур и созданному током силой в 1 А, протекающим по этому контуру.

Единица индуктивности- Генри. (Гн(=(Вб А(. 1 Генри- такая индуктивность

контура, при которой при силе тока в нем в 1 Ампер возникает магнитный

поток в 1 Вебер.

ЭДС самоиндукции.

ЭДС самоиндукции- возникающая электродвижущая сила. Она приводит к

соответствующему перераспределению заряженных частиц в проводнике (при

размыкании цепи) или к возникновению тока самоиндукции, направление

которого определяется по правилу Ленца. Ec=L(I/(t.

Энергия магнитного поля тока.

Согласно закону сохранения энергии энергия магнитного поля, созданного

током, равна той энергии, которую должен затратить источник тока на

создание тока. При размыкании цепи ток исчезает и вихревое поле совершает

положительную работу. Запасенная током энергия выделяется (это видно по

мощной искре). WM=LI2/2.

3.5.Электромагнитные колебания и волны.

Переменный электрический ток.

Переменный электрический ток- ток, величина и направление которого меняются

с течением времени с различной частотой. Он являет собой вынужденные

незатухающие колебания. E(=-Ф(=-(BScos(t)(=BSsin(t=E0sin(t. Число витков

может увеличить Е0=NBSsin(t. Ток будет изменяться по закону:

I=I0sin((t+(0).

Амплитудное и действующее (эффективное) значение периодически изменяющегося

напряжения и силы тока.

Амплитудное значение I=I0sin((t+(0), где (0- разность фаз колебаний.

Действующее значение силы тока в цепи равно силе постоянного тока,

вызывающего такое же выделение количества теплоты. Действующее значение

силы тока IД=I0/(2(. I02(0 за период. IД=I0/(2(=U0/RA(2(; IДRA=U0/(2(, но

IДRA=UД ( UД=U0/(2(.

Получение переменного тока с помощью индукционных генераторов.

Генератор- устройство для создания переменного тока. При вращении рамки по

закону Фарадея на концах рамки возникает ЭДС, она равна E(=-Ф(=-

(BScos(t)(=BSsin(t=E0sin(t. Число витков может увеличить Е0=NBSsin(t.

Индуцируемая ЭДС определяется не значением самого потока, а скоростью его

изменения.

Трансформатор.

Трансформатор- прибор, который позволяет осуществить преобразование

переменный ток, при котором напряжение увеличивается или уменьшается в

несколько раз практически без потери мощности. Он имеет две обмотки

(первичную и вторичную), надетые на стальной сердечник. N1- число витков в

первичной обмотке, N2- во вторичной. N1/N2=U1/U2=K. K- коэффициент

трансформации. При K(1- понижающий трансформатор, при K(1- повышающий.

Передача электрической энергии.

Передача электроэнергии на большие расстояния с малыми потерями - сложная

задача. Поэтому ее выгодно осуществлять при высоком напряжении (при помощи

повышающих трансформаторов) и малой силе тока. На конце линии ставят

понижающие трансформаторы.

Колебательный контур.

Колебательный контур- простейшая система, в которой могут возникать

свободные электромагнитные колебания. Он представляет собой соединенные

последовательно конденсатор и катушку. В закрытом колебательном контуре

электромагнитных колебаний не возникает.

Свободные электромагнитные колебания в контуре.

Свободные электромагнитные колебания- периодически повторяющиеся изменения

силы тока в электрической цепи, сопровождающиеся периодическими

превращениями энергии электрического поля в энергию магнитного поля (или

обратно), происходящие без потребления энергии от внешних источников.

Простейшая система- колебательный контур (последовательно соединенные

конденсатор и катушка).

Превращение энергии в колебательном контуре.

t=0: зарядка конденсатора от батареи, вся энергия в конденсаторе; E=qm2/2c.

t=T/8: возникновение тока I, энергия распределена по контуру.

t=T/4: конденсатор разрядился, вся энергия в катушке, I достигает мах.

t=3T/8: конденсатор начинает перезаряжаться, энергия распределена.

t=T/2: конденсатор полностью перезарядился, энергия распределена, I=0.

Уравнение, описывающее процессы в колебательном контуре, и его решение.

В колебательном контуре роль ЭДС играет ЭДС самоиндукции. I(R+r)+UC=EL=-

LI(=-L(I/(t; R+r(0 ( I(R+r)(0; -LI(=UC=q/C; I(=q/LC. Пусть 1/LC=(02, тогда

q((=-(02q- это основное уравнение собственных электромагнитных колебаний.

Его решением является уравнение вида q=q0cos((0t+(0).

Формула Томсона для периода колебаний.

T=2((LC(- формула Томсона. В колебательном контуре роль ЭДС играет ЭДС

самоиндукции. I(R+r)+UC=EL=-LI(=-L(I/(t; (R+r)(0 ( I(R+r)(0; -LI(=UC=q/C;

I(=q/LC. Пусть 1/LC=(02; T=2(/(0=2((LC(.

Затухающие электромагнитные колебания.

Собственные колебания в контуре быстро затухают, то есть происходит

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5