Заряд тела всегда представляется числом, кратным величине элементарного заряда:q=e(N_p-N_e) где N_p -- количество электронов, N_e -- количество протонов.

Полный заряд замкнутой системы (в которую не входят заряды извне), т. е. алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной: q₁ + q₂ + ...+q_n = const. Электрический заряд не создается и не исчезает, а только переходит от одного тела к друго-му. Этот экспериментально установленный факт на-зывается законом сохранения электрического заря-да. Никогда и нигде в природе не возникает и не ис-чезает электрический заряд одного знака. Появление и исчезновение электрических зарядов на телах в большинстве случаев объясняется переходами эле-ментарных заряженных частиц -- электронов -- от одних тел к другим.

Электризация -- это сообщение телу электри-ческого заряда. Электризация может происходить, например, при соприкосновении (трении) разно-родных веществ и при облучении. При электризации в теле возникает избыток или недостаток электронов.

В случае избытка электронов тело приобретает отрицательный заряд, в случае недостатка -- поло-жительный.

Законы взаимодействия неподвижных элек-трических зарядов изучает электростатика.

Основной закон электростатики был экспери-ментально установлен французским физиком Шар-лем Кулоном и читается так. Модуль силы взаимо-действия двух точечных неподвижных электриче-ских зарядов в вакууме прямо пропорционален про-изведению величин этих зарядов и обратно пропор-ционален квадрату расстояния между ними.

F = k * q₁q₂/r², где q₁ и q₂-- модули зарядов, r -- расстояние между ними, k -- коэффициент пропор-циональности, зависящий от выбора системы еди-ниц, в СИ k = 9 * 10⁹ Н * м²/Кл². Величина, показывающая во сколько раз сила взаимодействия зарядов в вакууме больше, чем в среде, называется диэлектрической проницаемостью среды е. Для среды с диэлектрической проницае-мостью е закон Кулона записывается следующим об-разом: F= k * q₁q₂/(е*r²)

Вместо коэффициента k часто используется коэффициент, называемый электрической постоян-ной е₀. Электрическая постоянная связана с коэффи-циентом k следующим образом k = 1/4р е₀ и численно равна е₀=8,85 * 10^-12 Кл/Н * м².

С использованием электрической постоянной закон Кулона имеет вид:F=(1/4р е₀ )* (q₁q₂ /r²)

Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим, или кулоновским, взаимодействием. Кулоновские силы мож-но изобразить графически (рис. 14, 15).

Кулоновская сила направлена вдоль прямой, соединяющей заряженные тела. Она является силой притяжения при разных знаках зарядов и силой от-талкивания при одинаковых знаках.

Билет № 14

Работа и мощность в цепи постоянного тока. Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи

План ответа

1. Работа тока. 2. Закон Джоуля--Ленца 3. Элек-тродвижущая сила. 4. Закон Ома для полной цепи.

В электрическом поле из формулы определе-ния напряжения (U = A/q) легко получить выраже-ние для расчета работы переноса электрического за-ряда А = Uq, так как для тока заряд q = It, то работа тока: А = Ult, или А = I²R t = U²/R * t.

Мощность, по определению, N = A/t, следова-тельно, N = UI = I² R = U²/R.

Русский ученый X. Ленц и английский уче-ный Джоуль опытным путем в середине прошлого века установили независимо друг от друга закон, который называется законом Джоуля--Ленца и чи-тается так. При прохождении тока по проводнику количество теплоты, выделившейся в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы, тока, со-противлению проводника и времени прохождения тока.

Q = I²Rt.

Полная замкнутая цепь представляет собой электрическую цепь, в состав которой входят внеш-ние сопротивления и источник то-ка (рис. 18). Как один из участков цепи, источник тока обладает со-противлением, которое называют внутренним, г.

Для того чтобы ток проходил по замкнутой цепи, необходимо, чтобы в источнике тока зарядам сообщалась дополнительная энергия, она берется за счет работы по перемещению зарядов, которую про-изводят силы неэлектрического происхождения (сто-ронние силы) против сил электрического поля. Ис-точник тока характеризуется энергетической харак-теристикой, которая называется ЭДС -- электродви-жущая сила источника. ЭДС -- характеристика источника энергии неэлектрической природы в электрической цепи, необходимого для поддержания в ней электрического тока. ЭДС измеряется отноше-нием работы сторонних сил по перемещению вдоль замкнутой цепи положительного заряда к этому за-ряду о= A_ст/q

Пусть за время t через поперечное сечение проводника пройдет электрический заряд q. Тогда работу сторонних сил при перемещении заряда мож-но записать так: A_ст = о q. Согласно определению си-лы тока q = It, поэтому A_ст = о I t. При совершении этой работы на внутреннем и внешнем участках це-пи, сопротивления которых R и г, выделяется неко-торое количество теплоты. По закону Джоуля-- Ленца оно равно: Q =I²Rt + I²rt. Согласно закону со-хранения энергии А = Q. Следовательно, о*= IR + Ir. Произведение силы тока на сопротивление участка цепи часто называют падением напряжения на этом участке. Таким образом, ЭДС равна сумме падений напряжений на внутреннем и внешнем участках замкнутой цепи. Обычно это выражение записывают так: I = о/(R + r). Эту зависимость опытным путем получил Г. Ом, называется она законом Ома для полной цепи и читается так. Сила тока в полной цепи прямо пропорциональна ЭДС источника тока и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи. При разомкнутой цепи ЭДС равна напряжению на зажимах источника и, следовательно, может быть измерена вольтметром.

Билет № 15

Магнитное поле, условия его существования. Действие магнитного поля на электрический заряд и опыты, подтверждающие это действие. Магнитная индукция

План ответа

1. Опыты Эрстеда и Ампера. 2. Магнитное по-ле. 3. Магнитная индукция. 4. Закон Ампера.

В 1820 г. датский физик Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка поворачивается при пропус-кании электрического тока через проводник, нахо-дящийся около нее (рис. 19). В том же году француз-ский физик Ампер установил, что два проводника, расположенные параллельно друг другу, испытывают взаимное притяжение, если ток течет по ним в одну сторону, и отталкивание, если токи текут в разные стороны (рис. 20). Явление взаимодействия токов Ампер назвал электродинамическим взаимодейст-вием. Магнитное взаимодействие движущихся элек-трических зарядов, согласно представлениям теории близкодействия, объясняется следующим образом:

всякий движущийся электрический заряд создает в окружающем пространстве магнитное поле. Магнит-ное поле -- особый вид материи, который возникает в пространстве вокруг любого переменного электри-ческого поля.

С современной точки зрения в природе су-ществует совокупность двух полей -- электрического и магнитного -- это электромагнитное поле, оно представляет собой особый вид материи, т. е. су-ществует объективно, независимо от нашего созна-ния. Магнитное поле всегда порождается перемен-ным электрическим, и, наоборот, переменное элек-трическое поле всегда порождает переменное магнит-ное поле. Электрическое поле, вообще говоря, можно

рассматривать отдельно от магнитного, так как носи-телями его являются частицы -- электроны и прото-ны. Магнитное поле без электрического не существу-ет, так как носителей магнитного поля нет. Вокруг проводника с током существует магнитное поле, и оно порождается переменным электрическим полем движущихся заряженных частиц в проводнике.

Магнитное поле является силовым полем. Си-ловой характеристикой магнитного поля называют магнитную индукцию (В). Магнитная индукция -- это векторная физическая величина, равная макси-мальной силе, действующей со стороны магнитного поля на единичный элемент тока. В = F/II. Единич-ный элемент тока -- это проводник длиной 1 м и си-лой тока в нем 1 А. Единицей измерения магнитной индукции является тесла. 1 Тл = 1 Н/А * м.

Магнитная индукция всегда порождается в плоскости под углом 90° к электрическому полю. Вокруг проводника с током магнитное поле также существует в перпендикулярной проводнику плос-кости.

Магнитное поле является вихревым полем. Для графического изображения магнитных полей вводятся силовые линии, или линии индукции, -- это такие линии, в каждой точке которых вектор магнитной индукции направлен по касательной. На-правление силовых линий находится по правилу бу-равчика. Если буравчик ввинчивать по направлению тока, то направление вращения рукоятки совпадет с направлением силовых линий. Линии магнитной индукции прямого провода с током представляют со-бой концентрические окружности, расположенные в плоскости, перпендикулярной проводнику (рис. 21).

Как установил Ампер, на проводник с током, по-мещенный в магнитное по-ле, действует сила. Сила, действующая со стороны, магнитного поля на провод-ник с током, прямо пропор-циональна силе тока. длине проводника в магнитном поле и перпендикулярной со-ставляющей вектора магнитной индукции. Это и есть формулировка закона Ампера, который записы-вается так: F_a = ПВ sin б.

Направление силы Ампера определяют по пра-вилу левой руки. Если левую руку расположить так, чтобы четыре пальца показывали направление тока, перпендикулярная составляющая вектора магнитной индукции входила в ладонь, то отогну-тый на 90° большой палец покажет направление силы Ампера (рис. 22). В = В sin б.

Билет № 16

Полупроводники. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Полупроводниковые приборы

План ответа

1. Определение. 2. Собственная проводимость. 3. Донорная проводимость. 4. Акцепторная проводи-мость. 5. р-п переход. 6. Полупроводниковые прибо-ры. 7. Применение полупроводников.

Полупроводники -- это вещества, удельное со-противление которых убывает с повышением темпе-ратуры, наличия примесей, изменения освещен-ности. По этим свойствам они разительно отличают-ся от металлов. Обычно к полупроводникам относят-ся кристаллы, в которых для освобождения электро-на требуется энергия не более 1,5 -- 2 эВ. Типичны-ми полупроводниками являются кристаллы герма-ния и кремния, в которых атомы объединены ковалентной связью. Природа этой связи позволяет объ-яснить указанные выше характерные свойства. При нагревании полупроводников их атомы ионизируют-ся. Освободившиеся электроны не могут быть захва-чены соседними атомами, так как все их валентные связи насыщены. Свободные электроны под действи-ем внешнего электрического поля могут перемещать-ся в кристалле, создавая ток проводимости. Удаление электрона с внешней оболочки одного из атомов в кристаллической решетке приводит к образованию положительного иона. Этот ион может нейтрализо-ваться, захватив электрон. Далее, в результате пере--

ходов от атомов к положительным ионам происходит процесс хаотического перемещения в кристалле мес-та с недостающим электроном. Внешне этот процесс хаотического перемещения воспринимается как пе-ремещение положительного заряда, называемого «дыркой». При помещении кристалла в электриче-ское поле возникает упорядоченное движение «ды-рок» -- ток дырочной проводимости.

В идеальном кристалле ток создается равным количеством электронов и «дырок». Такой тип про-водимости называют собственной проводимостью полупроводников. При повышении температуры (или освещенности) собственная проводимость проводни-ков увеличивается.

На проводимость полупроводников большое влияние оказывают примеси. Примеси бывают до-норные и акцепторные. Донорная примесь -- это примесь с большей валентностью. При добавлении донорной примеси в полупроводнике образуются лишние электроны. Проводимость станет электрон-ной, а полупроводник называют полупроводником n-типа. Например, для кремния с валентностью п = 4 донорной примесью является мышьяк с валент-ностью п = 5. Каждый атом примеси мышьяка при-ведет к образованию одного электрона проводимости.

Акцепторная примесь -- это примесь с мень-шей валентностью. При добавлении такой примеси в полупроводнике образуется лишнее количество «ды-рок». Проводимость будет «дырочной», а полупро-водник называют полупроводником p-типа. Напри-мер, для кремния акцепторной примесью является индий с валентностью n = 3. Каждый атом индия приведет к образованию лишней «дырки».

Принцип действия большинства полупровод-никовых приборов основан на свойствах р-п перехо-да. При приведении в контакт двух полупроводнико-вых приборов р-типа и n-типа в месте контакта на-чинается диффузия электронов из n-области в p-область, а «дырок» -- наоборот, из р- в n-область. Этот процесс будет не бесконечный во времени, так как образуется запирающий слой, который будет препятствовать дальнейшей диффузии электронов и «дырок».

р-п контакт полупроводников, подобно ваку-умному диоду, обладает односторонней проводи-мостью: если к р-области подключить «+» источника тока, а к n-области «-» источника тока, то запираю-щий слой разрушится и р-п контакт будет проводить ток, электроны из области n- пойдут в р-область, а «дырки» из p-области в n-область (рис. 23). В первом случае ток не равен нулю, во втором ток равен нулю. Т. е., если к p-области под-ключить «-» источника, а к n-области -- «+» источника то-ка, то запирающий слой рас-ширится и тока не будет.

Полупроводниковый диод состоит из контакта двух полупроводников р- и n-типа. Достоин-ством полупроводникового диода являются малые размеры и масса, длительный срок службы, высокая механическая прочность, высокий коэффициент по-лезного действия, а недостатком -- зависимость их сопротивления от температуры.

В радиоэлектронике применяется также еще один полупроводниковый прибор: транзистор, кото-рый был изобретен в 1948 г. В основе триода лежит не один, а два р-п перехода. Основное применение транзистора -- это использование его в качестве уси-лителя слабых сигналов по току и напряжению, а полупроводниковый диод применяется в качестве выпрямителя тока. После открытия транзистора на-ступил качественно новый этап развития электрони-ки -- микроэлектроники, поднявший на качественно иную ступень развитие электронной техники, систем связи, автоматики. Микроэлектроника занимается разработкой интегральных микросхем и принципов их применения. Интегральной микросхемой назы-вают совокупность большого числа взаимосвязанных компонентов -- транзисторов, диодов, резисторов, со-единительных проводов, изготовленных в едином технологическом процессе. В результате этого про-цесса на одном кристалле одновременно создается несколько тысяч транзисторов, конденсаторов, ре-зисторов и диодов, до 3500. Размеры отдельных эле-ментов микросхемы могут быть 2--5 мкм, погреш-ность при их нанесении не должна превышать 0,2 мкм. Микропроцессор современной ЭВМ, разме-щенный на кристалле кремния размером 6х6 мм, содержит несколько десятков или даже сотен тысяч транзисторов.

Однако в технике применяются также полу-проводниковые приборы без р-п перехода. Например, терморезисторы (для измерения температуры), фото-резисторы (в фотореле, аварийных выключателях, в дистанционных управлениях телевизорами и видео-магнитофонами).

Билет № 17

Электромагнитная индукция. Магнитный поток.

Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца

План ответа

1. Опыты по электромагнитной индукции. 2. Магнитный поток. 3. Закон электромагнитной ин-дукции. 4. Правило Ленца.

Явление электромагнитной индукции было открыто Майклом Фарадеем в 1831 г. Он опытным путем установил, что при изменении магнитного по-ля внутри замкнутого контура в нем возникает элек-трический ток, который называют индукционным током. Опыты Фарадея можно воспроизвести сле-дующим образом: при внесении или вынесении маг-нита в катушку, замкнутую на гальванометр, в ка-тушке возникает индукционный ток (рис. 24). Если рядом расположить две катушки (например, на об-щем сердечнике или одну катушку внутри другой) и одну катушку через ключ соединить с источником тока, то при замыкании или размыкании ключа в цепи первой катушки во второй катушке появится индукционный ток (рис. 25). Объяснение этого явле-ния было дано Максвеллом. Любое переменное маг-нитное поле всегда порождает переменное электриче-ское поле.

Для количественной характеристики процесса изменения магнитного поля через замкнутый контур вводится физическая величина под названием маг-нитный поток. Магнитным потоком через замкну-тый контур площадью S называют физическую вели-чину, равную произведению модуля вектора магнит-ной индукции В на площадь контура S и на косинус угла а между направлением вектора магнитной ин-дукции и нормалью к площади контура. Ф = BS cos б (рис. 26).

Опытным путем был установлен основной за-кон электромагнитной индукции: ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по величине скорости из-менения магнитного потока через контур. о = ДФ/t..

Если рассматривать катушку, содержащую п витков, то формула основного закона электромагнитной ин-дукции будет выглядеть так: о = n ДФ/t.

Единица измерения магнитного потока Ф -- вебер (Вб): 1В6 =1В*c.

Из основного закона ДФ =о t следует смысл размерности: 1 вебер -- это величина такого магнит-ного потока, который, уменьшаясь до нуля за одну секунду, через замкнутый контур наводит в нем ЭДС индукции 1 В.

Классической демонстрацией основного закона электромагнитной индукции является первый опыт Фарадея: чем быстрее перемещать магнит через вит-ки катушки, тем больше возникает индукционный ток в ней, а значит, и ЭДС индукции.

Зависимость направления индукционного тока от характера изменения магнитного поля через замкнутый контур в 1833 г. опытным путем устано-вил русский ученый Ленц. Он сформулировал прави-ло, носящее его имя. Индукционный ток имеет та-кое направление, при котором его магнитное поле стремится скомпенсировать изменение внешнего магнитного потока через контур. Ленцем был скон-струирован прибор, представляющий собой два алю-миниевых кольца, сплошное и разрезанное, укреп-ленные на алюминиевой перекладине и имеющие возможность вращаться вокруг оси, как коромысло. (рис. 27). При внесении магнита в сплошное кольцо оно начинало «убегать» от магнита, поворачивая со-ответственно коромысло. При вынесении магнита из кольца кольцо стремилось «догнать» магнит. При движении магнита внутри разрезанного кольца ни-какого эффекта не происходило. Ленц объяснял опыт тем, что магнитное поле индукционного тока стре-милось компенсировать изменение внешнего магнит-ного потока.

Билет № 18

Явление самоиндукции. Индуктивность. Электромагнитное поле

План ответа

1. Опыты по самоиндукции. 2. ЭДС самоин-дукции. 3. Индуктивность. 4. Энергия магнитного поля.

Явление самоиндукции заключается в появле-нии ЭДС индукции в самом проводнике при измене-нии тока в нем. Примером явления самоиндукции является опыт с двумя лампочками, подключенными параллельно через ключ к источнику тока, одна из которых подключается через катушку (рис. 28). При замыкании ключа лампочка 2, включенная через ка-тушку, загорается позже лампочки 1. Это происхо-дит потому, что после замыкания ключа ток достига-ет максимального значения не сразу, магнитное поле нарастающего тока породит в катушке индукцион-ную ЭДС, которая в соответствии с правилом Ленца будет мешать нарастанию тока.

Для самоиндукции выполняется установлен-ный опытным путем закон: ЭДС самоиндукции пря-мо пропорциональна скорости изменения тока в проводнике. о = L ДI/t.

Коэффициент пропорциональности L называют индуктивностью. Индуктивность -- это величина, равная ЭДС самоиндукции при скорости изменения тока в проводнике 1 А/с. Индуктивность измеряется в генри (Гн). 1 Гн = 1 Вс/А.

1 генри -- это индук-тивность такого проводника, в котором возникает ЭДС самоиндукции 1 вольт при скорости изменения тока 1 А/с. Индуктивность характеризует магнитные свойства электрической цепи (проводника), зависит от магнитной проницаемости среды сердечника, раз-меров и формы катушки и числа витков в ней.

При отключении катушки индуктивности от источника тока лампа, включенная параллельно ка-тушке, дает кратковременную вспышку (рис. 29). Ток в цепи возникает под дей-ствием ЭДС самоиндукции. Ис-точником энергии, выделяю-щейся при этом в электри-ческой цепи, является магнит-ное поле катушки. Энергия магнитного поля находится по формуле

W_m == LI²/2.

Энергия магнитного поля зависит от индук-тивности проводника и силы тока в нем. Эта энергия может переходить в энергию электрического поля. Вихревое электрическое поле порождается перемен-ным магнитным полем, а переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле, т. е. пе-ременные электрическое и магнитное поля не могут существовать друг без друга. Их взаимосвязь позво-ляет сделать вывод о существовании единого элек-тромагнитного поля. Электромагнитное поле, одно из основных физических полей, посредством которого осуществляется взаимодействие электрически заря-женных частиц или частиц, обладающих магнитным моментом. Электромагнитное поле характеризуется напряженностью электрического поля и магнитной индукцией. Связь между этими величинами и рас-пределением в пространстве электрических зарядов и токов была установлена в 60-х годах прошлого столе-тия Дж. Максвеллом. Эта связь носит название основных уравнений электродинамики, которые опи-сывают электромагнитные явления в различных сре-дах и в вакууме. Получены эти уравнения как обоб-щение установленных на опыте законов электриче-ских и магнитных явлений.

Билет № 19

Свободные и вынужденные электромагнитные колебания. Колебательный контур и превращение энергии при электромагнитных колебаниях. Частота и период колебаний

План ответа

1. Определение. 2.Колебательный контур 3. Формула Томпсона.

Электромагнитные колебания -- это колеба-ния электрических и магнитных полей, которые со-провождаются периодическим изменением заряда, тока и напряжения. Простейшей системой, где могут возникнуть и существовать электромагнитные коле-бания, является колебательный контур. Колебатель-ный контур -- это система, состоящая из катушки индуктивности и конденсатора (рис. 30, а). Если кон-денсатор зарядить и замкнуть на катушку, то по ка-тушке потечет ток (рис. 30, б). Когда конденсатор разрядится, ток в цепи не прекратится из-за самоин-дукции в катушке. Индукционный ток, в соот-ветствии с правилом Ленца, будет течь в ту же сто-рону и перезарядит конденсатор (рис. 30, в). Ток в данном направлении прекратится, и процесс повто-рится в обратном направлении (рис. 30, г). Таким об-разом, в колебательном контуре будут происходить электромагнитные колебания из-за превращения энергии электрического поля конденсатора (Wэ = = CU²/2) в энергию магнитного поля катушки с то-ком (w_m = LI²/2) и наоборот.

Период электромагнитных колебаний в иде-альном колебательном контуре (т. е. в таком контуре, где нет потерь энергии) зависит от индуктивности катушки и емкости конденсатора и находится по формуле Томпсона Т = 2р?LC. Частота с периодом связана обратно пропорциональной зависимостью н = 1/Т.

В реальном колебательном контуре свободные электромагнитные колебания будут затухающими из-за потерь энергии на нагревание проводов. Для практического применения важно получить незату-хающие электромагнитные колебания, а для этого необходимо колебательный контур пополнять элек-троэнергией, чтобы скомпенсировать потери энергии. Для получения незатухающих электромагнитных колебаний применяют генератор незатухающих ко-лебаний, который является примером автоколеба-тельной системы.

Билет № 20

Электромагнитные волны и их свойства. Принципы радиосвязи и примеры их практического использования

План ответа 1. Определение. 2. Условие возникновения. 3. Свойства электромагнитных волн. 4. Открытый колебательный контур. 5. Модуляция и детектирова-ние.

Английский ученый Джеймс Максвелл на основании изучения экспериментальных работ Фарадея по электричеству высказал гипотезу о существо-вании в природе особых волн, способных распростра-няться в вакууме.

Эти волны Максвелл назвал электромагнитными волнами. По представлениям Макс-велла: при любом изменении электрического поля возникает вихревое магнитное поле и, наоборот, при любом изменении магнитного поля возникает вихревое электрическое поле. Однажды начавшийся процесс взаимного порождения магнитного и элек-трического полей должен непрерывно продолжаться и захватывать все новые и новые области в окру-жающем пространстве (рис. 31). Процесс взаимопо-рождения электрических и магнитных полей проис-ходит во взаимно перпендикулярных плоскостях. Переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное поле, переменное магнитное поле порож-дает вихревое электрическое поле.

Электрические и магнитные поля могут суще-ствовать не только в веществе, но и в вакууме. По-этому должно быть возможным распространение электромагнитных волн в вакууме.

Условием возникновения электромагнитных волн является ускоренное движение электрических зарядов. Так, изменение магнитного поля происхо-дит при изменении тока в проводнике, а изменение тока происходит при изменении скорости зарядов, т. е. при движении их с ускорением. Скорость рас-пространения электромагнитных волн в вакууме по расчетам Максвелла должна быть приблизительно равна 300 000 км/с.Впервые опытным путем получил электромаг-нитные волны физик Генрих Герц, использовав приэтом высокочастотный искровой разрядник (вибратор Герца). Герц опытным путем определил также ско-рость электромагнитных волн. Она совпала с теоре-тическим определением скорости волн Максвеллом. Простейшие электромагнитные волны -- это волны, в которых электрическое и магнитное поля совер-шают синхронные гармонические колебания.

Конечно, электромагнитные волны обладают всеми основными свойствами волн.Они подчиняются закону отражения волн:

угол падения равен углу отражения. При переходе из одной среды в другую преломляются и подчиня-ются закону преломления волн: отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть вели-чина постоянная для двух данных сред и равная отношению скорости электромагнитных волн в первой среде к скорости электромагнитных волн во второй среде и называется показателем преломле-ния второй среды относительно первой.

Явление дифракции электромагнитных волн, т. е. отклонение направления их распространения от прямолинейного, наблюдается у края преграды или при прохождении через отверстие. Электромагнит-ные волны способны к интерференции. Интерферен-ция -- это способность когерентных волн к наложе-нию, в результате чего волны в одних местах друг друга усиливают, а в других местах -- гасят. (Когерентные волны -- это волны, одинаковые по частоте и фазе колебания.) Электромагнитные волны обладают дисперсией, т. е. когда показатель прелом-ления среды для электромагнитных волн зависит от их частоты. Опыты с пропусканием электромагнит-ных волн через систему из двух решеток показы-вают, что эти волны являются поперечными.

При распространении электромагнитной вол-ны векторы напряженности Е и магнитной индук-ции В перпендикулярны направлению распростра-нения волны и взаимно перпендикулярны между со-бойВозможность практического применения элек-тромагнитных волн для установления связи без про-водов продемонстрировал 7 мая 1895 г. русский фи-зик А. Попов. Этот день считается днем рождения радио. Для осуществления радиосвязи необходимо обеспечить возможность излучения электромагнит-ных волн. Если электромагнитные волны возникают в контуре из катушки и конденсатора, то переменное магнитное поле оказывается связанным с катушкой, а переменное электрическое поле -- сосредоточенным между пластинами конденсатора. Такой контур на-зывается закрытым (рис. 33, а). Закрытый колеба-тельный контур практически не излучает электро-магнитные волны в окружающее пространство. Если контур состоит из катушки и двух пластин плоского конденсатора, то под чем большим углом разверну-ты эти пластины, тем более свободно выходит элек-тромагнитное поле в окружающее пространство (рис. 33, б). Предельным случаем раскрытого колеба-тельного контура является удаление пластин на противоположные концы катушки. Такая система называется открытым колебательным контуром (рис. 33, в). В действительности контур состоит из катушки и длинного провода -- антенны.

Энергия излучаемых (при помощи генератора незатухающих колебаний) электромагнитных коле-баний при одинаковой амплитуде колебаний силы тока в антенне пропорциональна четвертой степени частоты колебаний. На частотах в десятки, сотни и даже тысячи герц интенсивность электромагнитных колебаний ничтожно мала. Поэтому для осуществле-ния радио- и телевизионной связи используются электромагнитные волны с частотой от нескольких сотен тысяч герц до сотен мегагерц.

При передаче по радио речи, музыки и других звуковых сигналов применяют различные виды мо-дуляции высокочастотных (несущих) колебаний. Суть модуляции заключается в том, что высоко-частотные колебания, вырабатываемые генератором, изменяют по закону низкой частоты. В этом и за-ключается один из принципов радиопередачи. Дру-гим принципом является обратный процесс -- детек-тирование. При радиоприеме из принятого антенной приемника модулированного сигнала нужно от-фильтровать звуковые низкочастотные колебания.

С помощью радиоволн осуществляется переда-ча на расстояние не только звуковых сигналов, но и изображения предмета. Большую роль в современном морском флоте, авиации и космонавтике играет ра-диолокация. В основе радиолокации лежит свойство отражения волн от проводящих тел. (От поверхности диэлектрика электромагнитные волны отражаются слабо, а от поверхности металлов почти полностью.)

Билет №21

Волновые свойства света. Электромагнитная теория света

План ответа

1. Законы преломления и отражения света. 2. Интерференция и ее применение. 3. Дифракция. 4. Дисперсия. 5. Поляризация. 6. Корпускулярно-волновой дуализм.

Свет -- это электромагнитные волны в интер-вале частот 63 * 10¹⁴ - 8 * 10¹⁴ Гц, воспринимаемых человеческим глазом, т. е. длин волн в интервале 380 - 770 нм.

Свету присущи все свойства электромагнитных волн: отражение, преломление, интерференция, дифракция, поляризация. Свет может оказывать дав-ление на вещество, поглощаться средой, вызывать явление фотоэффекта. Имеет конечную скорость рас-пространения в вакууме 300 000 км/с, а в среде ско-рость убывает.

Наиболее наглядно волновые свойства света обнаруживаются в явлениях интерференции и диф-ракции. Интерференцией света называют пространственное перераспределение светового потока при на-ложении двух (или нескольких) когерентных свето-вых волн, в результате чего в одних местах возника-ют максимумы, а в других минимумы интенсивности (интерференционная картина). Интерференцией света объясняется окраска мыльных пузырей и тонких масляных пленок на воде, хотя мыльный раствор и масло бесцветны. Световые волны частично отража-ются от поверхности тонкой пленки, частично прохо-дят в нее. На второй границе пленки вновь происхо-дит частичное отражение волны (рис. 34). Световые волны, отраженные двумя поверхностями тонкой пленки, распространяются в одном направлении, но проходят разные пути. При разности хода I, кратной целому числу длин волн l = 2k л/2.

При разности хода, кратной нечетному числу полуволн l = (2k + 1) л/2, наблюдается интерферен-ционный минимум. Когда выполняется условие мак-симума для одной длины световой волны, то оно не выполняется для других волн. Поэтому освещенная белым светом тонкая цветная прозрачная пленка кажется окрашенной. Явление интерференции в тон-ких пленках применяется для контроля качества об-работки поверхностей просветления оптики. При прохождении света через малое круглое отверстие на экране вокруг центрального светлого пятна наблюдаются чередующиеся темные и светлые кольца; если свет проходит через узкую щель, то по-лучается картина из чередующихся светлых и тем-ных полос.

Явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении у края преграды называют дифракцией света. Диф-ракция объясняется тем, что световые волны, прихо-дящие в результате отклонения из разных точек от-верстия в одну точку на экране, интерферируют между собой. Дифракция света используется в спек-тральных приборах, основным элементом в которых является дифракционная решетка. Дифракционная решетка представляет собой прозрачную пластинку с нанесенной на ней системой параллельных непро-зрачных полос, расположенных на одинаковых рас-стояниях друг от друга. Пусть на решетку (рис. 35) падает монохрома-тический (определенной длины волны) свет. В ре-зультате дифракции на каждой щели свет распро-страняется не только в первоначальном направлении,

но и по всем другим направлениям. Если за решет-кой поставить собирающую линзу, то на экране в фокальной плоскости все лучи будут собираться в одну полоску.

Параллельные лучи, идущие от краев соседних щелей, имеют разность хода l= d sin ц, где d -- по-стоянная решетки -- расстояние между соответ-ствующими краями соседних щелей, называемое пе-риодом решетки, (ц -- угол отклонения световых лу-чей от перпендикуляра к плоскости решетки. При разности хода, равной целому числу длин волн d sin ц = kл, наблюдается интерференционный мак-симум для данной длины волны. Условие интерфе-ренционного максимума выполняется для каждой длины волны при своем значении дифракционного угла ц. В результате при прохождении через диф-ракционную решетку пучок белого света разлагается в спектр. Угол дифракции имеет наибольшее значе-ние для красного света, так как длина волны красно-го света больше всех остальных в области видимого света. Наименьшее значение угла дифракции для фиолетового света.

Опыт показывает, что интенсивность светового пучка, проходящего через некоторые кристаллы, на-пример, исландского шпата, зависит от взаимной ориентации двух кристаллов. При одинаковой ориен-тации кристаллов свет проходит через второй кри-сталл без ослабления.

Если же второй кристалл повернут на 90°, то свет через него не проходит. Происходит явление по-ляризации, т. е. кристалл пропускает только такие волны, в которых колебания вектора напряженности электрического поля совершаются в одной плоскости, плоскости поляризации. Явление поляризации доказывает волновую природу света и поперечность све-товых волн.

Узкий параллельный пучок белого света при прохождении через стеклянную призму разлагается на пучки света разного цвета, при этом наибольшее отклонение к основанию призмы имеют лучи фиоле-тового цвета. Объясняется разложение белого света тем, что белый свет состоит из электромагнитных волн с разной длиной волны, а показатель преломле-ния света зависит от длины его волны. Показатель преломления связан со скоростью света в среде, сле-довательно, скорость света в среде зависит от длины волны. Это явление и называют дисперсией света.

На основании совпадения экспериментально измеренного значения скорости электромагнитных волн Максвелл высказал предположение, что свет -- это электромагнитная волна. Эта гипотеза подтверж-дена свойствами, которыми обладает свет.

Билет №22

Опыты Резерфорда по рассеянию б-частиц. Ядерная модель атома

План ответа

1. Опыты Резерфорда. 2. Ядерная модель атома.

Слово «атом» в переводе с греческого означает «неделимый». Под атомом долгое время, вплоть до начала XX в., подразумевали мельчайшие неделимые частицы вещества. К началу XX в. в науке накопи-лось много фактов, говоривших о сложном строении атомов.

Большие успехи в исследовании строения ато-мов были достигнуты в опытах английского ученого Эрнеста Резерфорда по рассеянию а- частиц при про-хождении через тонкие слои вещества. В этих опы-тах узкий пучок б-частиц, испускаемых радиоак-тивным веществом, направлялся на тонкую золотую фольгу. За фольгой помещался экран, способный светиться под ударами быстрых частиц. Было обна-ружено, что большинство б-частиц отклоняется от прямолинейного распространения после прохож-дения фольги, т. е. рассеивается, а некоторые б-частицы вообще отбрасываются назад. Рассеяние б-частиц Резерфорд объяснил тем, что положитель-ный заряд не распределен равномерно в шаре радиу-сом 10^-10 м, как предполагали ранее, а сосредоточен в центральной части атома -- атомном ядре. При прохождении около ядра б-частица, имеющая поло-жительный заряд, отталкивается от него, а при по-падании в ядро -- отбрасывается в противоположном направлении. Так ведут себя частицы, имеющие одинаковый заряд, следовательно, существует цент-ральная положительно заряженная часть атома, в которой сосредоточена значительная масса атома. Расчеты показали, что для объяснения опытов нужно принять радиус атомного ядра равным примерно 10^-15 м.

Резерфорд предположил, что атом устроен по-добно планетарной системе. Суть модели строения атома по Резерфорду заключается в следующем: в центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена вся масса, вокруг ядра по круговым орбитам на больших расстояниях вра-щаются электроны (как планеты вокруг Солнца). За-ряд ядра совпадает с номером химического элемента в таблице Менделеева.

Планетарная модель строения атома по Резерфорду не смогла объяснить ряд известных фактов:

электрон, имеющий заряд, должен за счет кулоновских сил притяжения упасть на ядро, а атом -- это устойчивая система; при движении по круговой ор-бите, приближаясь к ядру, электрон в атоме должен излучать электромагнитные волны всевозможных частот, т. е. излучаемый свет должен иметь непре-рывный спектр, на практике же получается иное:

электроны атомов излучают свет, имеющий линейча-тый спектр. Разрешить противоречия планетарной ядерной модели строения атома первым попытался датский физик Нильс Бор.

Билет №23

Квантовые постулаты Бора. Испускание и поглощение света атомами. Спектральный анализ

План ответа

1. Первый постулат. 2. Второй постулат. 3. Ви-ды спектров.

В основу своей теории Бор положил два посту-лата. Первый постулат: атомная система может на-ходиться только в особых стационарных или кван-товых состояниях, каждому из которых соответ-ствует своя энергия; в стационарном состоянии атом не излучает.

Это означает, что электрон (например, в атоме водорода) может находиться на нескольких вполне определенных орбитах. Каждой орбите электрона со-ответствует вполне определенная энергия.

Второй постулат: при переходе из одного ста-ционарного состояния в другое испускается или по-глощается квант электромагнитного излучения. Энергия фотона равна разности энергий атома в двух состояниях: hv = Е_m - Е_n; h = 6,62 * 10^-34 Дж * с, где h -- постоянная Планка.

При переходе электрона с ближней орбиты на более удаленную, атомная система поглощает квант энергии. При переходе с более удаленной орбиты электрона на ближнюю орбиту по отношению к ядру атомная система излучает квант энергии.

Теория Бора позволила объяснить существова-ние линейчатых спектров.

Спектр излучения (или поглощения) -- это набор волн определенных частот, которые излучает (или поглощает) атом данного вещества.

Спектры бывают сплошные, линейчатые и по-лосатые.

Сплошные спектры излучают все вещества, находящиеся в твердом или жидком состоянии. Сплошной спектр содержит волны всех частот види-мого света и поэтому выглядит как цветная полоса с плавным переходом от одного цвета к другому в та-ком порядке: Красный, Оранжевый, Желтый, Зеле-ный, Синий и Фиолетовый (Каждый Охотник Желает Знать, где Сидит Фазан).

Линейчатые спектры излучают все вещества в атомарном состоянии. Атомы всех веществ излучают свойственные только им наборы волн вполне определенных частот. Как у каждого человека свои личные отпечатки пальцев, так и у атома данного вещества свой, характерный только ему спектр. Линейчатые спектры излучения выглядят как цветные линии, разделенные промежутками. Природа линейчатых спектров объясняется тем, что у атомов конкретного вещества существуют только ему свойственные ста-ционарные состояния со своей характерной энергией, а следовательно, и свой набор пар энергетических уровней, которые может менять атом, т. е. электрон в атоме может переходить только с одних определен-ных орбит на другие, вполне определенные орбиты для данного химического вещества.

Полосатые спектры излучаются молекулами. Выглядят полосатые спектры подобно линейчатым, только вместо отдельных линий наблюдаются от-дельные серии линий, воспринимаемые как отдель-ные полосы.

Характерным является то, что какой спектр излучается данными атомами, такой же и погло-щается, т. е. спектры излучения по набору излу-чаемых частот совпадают со спектрами поглощения. Поскольку атомам разных веществ соответствуют свойственные только им спектры, то существует спо-соб определения химического состава вещества мето-дом изучения его спектров. Этот способ называется спектральным анализом. Спектральный анализ применяется для определения химического состава ископаемых руд при добыче полезных ископаемых, для определения химического состава звезд, атмо-сфер, планет; является основным методом контроля состава вещества в металлургии и машиностроении.

Билет №24

Фотоэффект и его законы. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта и постоянная Планка. Применение фотоэффекта в технике

Плав ответа

1. Гипотеза Планка. 2. Определение фотоэф-фекта. 3. Законы фотоэффекта. 4. Уравнение Эйн-штейна. 5. Применение фотоэффекта.

В 1900 г. немецкий физик Макс Планк выска-зал гипотезу: свет излучается и поглощается отдель-ными порциями -- квантами (или фотонами). Энер-гия каждого фотона определяется формулой Е = hн, где h -- постоянная Планка, равная 6,63 * 10^-34 Дж * с, н -- частота света. Гипотеза Планка объяснила мно-гие явления: в частности, явление фотоэффекта, от-крытого в 1887 г. немецким ученым Генрихом Гер-цем и изученного экспериментально русским ученым А. Г. Столетовым.

Фотоэффект -- это явление испускания элек-тронов веществом под действием света.

В результате исследований были установлены три закона фотоэффекта.

1. Сила тока насыщения прямо пропорцио-нальна интенсивности светового излучения, па-дающего на поверхность тела.

2. Максимальная кинетическая энергия фото-электронов линейно возрастает с частотой света и за-висит от его интенсивности.

3. Если частота света меньше некоторой опре-деленной для данного вещества минимальной часто-ты, то фотоэффект не происходит.

Зависимость фототока от напряжения показа-на на рисунке 36.

Теорию фотоэффекта создал немецкий ученый А. Эйнштейн в 1905 г. В основе теории Эйнштейна лежит понятие работы выхода электронов из металла и понятие о квантовом излучении света. По теории Эйнштейна фотоэффект имеет следующее объясне-ние: поглощая квант света, электрон приобретает энергию hv. При вылете из металла энергия каждого электрона уменьшается на определенную величину, которую называют работой выхода (А_вых). Работа выхода -- это работа, которую необходимо затратить, чтобы удалить электрон из металла. Максимальная энергия электронов после вылета (если нет других потерь) имеет вид: mv²/2 = hv -- А_вых, Это уравне-ние носит название уравнения Эйнштейна.

Если hн < А_вых то фотоэффект не происходит. Значит, красная граница фотоэффекта равна н_min = А_вых/h

Приборы, в основе принципа действия кото-рых лежит явление фотоэффекта, называют фото-элементами. Простейшим таким прибором является вакуумный фотоэлемент. Недостатками такого фото-элемента являются: слабый ток, малая чувствительность к длинноволновому излучению, сложность в изготовлении, невозможность использования в цепях переменного тока. Применяется в фотометрии для измерения силы света, яркости, освещенности, в ки-но для воспроизведения звука, в фототелеграфах и фототелефонах, в управлении производственными процессами.

Существуют полупроводниковые фотоэлемен-ты, в которых под действием света происходит изме-нение концентрации носителей тока. Они использу-ются при автоматическом управлении электрически-ми цепями (например, в турникетах метро), в цепях переменного тока, в качестве невозобновляемых ис-точников тока в часах, микрокалькуляторах, прохо-дят испытания первые солнечные автомобили, ис-пользуются в солнечных батареях на искусственных спутниках Земли, межпланетных и орбитальных ав-томатических станциях.

С явлением фотоэффекта связаны фотохимиче-ские процессы, протекающие под действием света в фотографических материалах.

Билет №25

Состав ядра атома. Изотопы. Энергия связи ядра атома. Цепная ядерная реакция, условия ее осуществления. Термоядерные реакции

План ответа

1. Открытие нейтрона. 2. Состав ядра атома. 3. Изотопы. 4. Дефект массы. 5. Энергия связи атом-ного ядра. 6. Ядерные реакции. 7. Цепная ядерная реакция. 8. Термоядерные реакции.

В 1932 г. английский физик Джеймс Чедвик открыл частицы с нулевым электрическим зарядом и единичной массой. Эти частицы назвали нейтрона-ми. Обозначается нейтрон п. После открытия ней-трона физики Д. Д. Иваненко и Вернер Гейзенберг в 1932 г. выдвинули протонно-нейтронную модель атомного ядра. Согласно этой модели ядро атома лю-бого вещества состоит из протонов и нейтронов. (Об-щее название протонов и нейтронов -- нуклоны.) Число протонов равно заряду ядра и совпадает с но-мером элемента в таблице Менделеева. Сумма числа протонов и нейтронов равна массовому числу. На-пример, ядро атома кислорода ¹⁶₈O состоит из 8 про-тонов и 16 - 8 = 8 нейтронов. Ядро атома ²³⁵₉₂U со-стоит из 92 протонов и 235 - 92 = 143 нейтронов.

Химические вещества, занимающие одно и то же место в таблице Менделеева, но имеющие разную атомную массу, называются изотопами. Ядра изото-пов отличаются числом нейтронов. Например, водо-род имеет три изотопа: протий -- ядро состоит из од-ного протона, дейтерий -- ядро состоит из одного протона и одного нейтрона, тритий -- ядро состоит из одного протона и двух нейтронов.

Если сравнить массы ядер с массами нукло-нов, то окажется, что масса ядра тяжелых элементов больше суммы масс протонов и нейтронов в ядре, а для легких элементов масса ядра меньше суммы масс протонов и нейтронов в ядре. Следовательно, су-ществует разность масс между массой ядра и суммой масс протонов и нейтронов, называемая дефектом массы. М = М_я - (M_p + М_n).

Так как между массой и энергией существует связь Е = mc², то при делении тяжелых ядер и при синтезе легких ядер должна выделяться энергия, существующая из-за дефекта масс, и эта энергия на-зывается энергией связи атомного ядра. Е_св = Мс².