ЛЕКЦИЯ 9
Тема 7 | ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ -периодические изменения вектора индукции магнитного поля и вектора напряженности электрического поля. | |||||||||||||||
Свободные электромагнитные колебания | ➨периодически повторяющиеся изменения силы тока в электрической цепи, происходящие без потребления энергии от внешних источников. Такие колебания можно получить в электрическом колебательном контуре. | |||||||||||||||
Реальный колебательный контур ( ) | ➨электрическая цепь, состоящая из последовательно соединенных конденсатора емкостью С, катушки индуктивностью и сопротивления обмотки катушки; ➨ в реальном колебательном контуре свободные электромагнитные колебания являются затухающими; | |||||||||||||||
Идеальный колебательный контур (контур Томсона) | ➨электрическая цепь, состоящая из последовательно соединенных конденсатора емкостью С и катушки индуктивностью ; ➨простейшая система, в которой могут происходить свободные электромагнитные колебания; | |||||||||||||||
● свободные электромагнитные колебания в контуре | ➨в цепи возникают незатухающие гармонические колебания, если в некоторый момент времени зарядить конденсатор до напряжения . По гармоническому закону будут изменяться: напряжение на обкладках конденсатораС : ; ток в катушке индуктивности : ; В каждый момент времени мгновенные значения напряжения и тока сдвинуты по фазе на . Например: предельным значениям напряжения соответствуют мгновенные значения тока , предельным значениям тока - мгновенные значения напряжения . | |||||||||||||||
Формула Томсона [с] | ➨ период собственных (свободных) колебаний контура; | |||||||||||||||
· [Гц] | ➨ частота собственных колебаний. | |||||||||||||||
· | ➨ циклическая частота собственных колебаний. | |||||||||||||||
Превращение энергии в колебательном контуре | ➨в колебательном контуре происходит взаимное превращение энергии электрического поля в энергию магнитного поля ; ➨дважды за период происходит перекачка энергии из электрического поля конденсатора в магнитное поле катушки индуктивности и обратно. | |||||||||||||||
· закон сохранения энергии в идеальном колебательном контуре | ➨полная энергия электромагнитного поля сохраняется и равна амплитудному значению электрической энергии конденсатора или амплитудному значению энергии магнитного поля катушки индуктивности . | |||||||||||||||
Вынужденные электрические колебания | ➨незатухающие колебания в колебательном контуре, происходящие под периодически изменяющимся внешним воздействием. ➨ для получения незатухающих колебаний необходимо в реальный колебательный контур непрерывно подводить энергию, которая бы компенсировала потери энергии в контуре. Эту функцию выполняет генератор переменного тока ~ . | |||||||||||||||
ГЕНЕРАТОР переменного тока | ➨машина, преобразующая механическую энергию вращения в электрическую энергию переменного тока. ➨ принцип действия генератора переменного тока основан на явлении электромагнитной индукции. | |||||||||||||||
➨простейшая модель генератора – вращающаяся в постоянном магнитном поле рамка. Поместим в однородное магнитное поле рамку, которая проводит электрический ток и приведем ее во вращение с угловой скоростью . Магнитный поток, пронизывающий рамку, определим по формуле: , т.к. ,то амплитудное значение потока равно: , тогда . Скорость изменения потока через рамку (первая производная ): По закону электромагнитной индукции (закон Фарадея): , где - амплитудное значение ЭДС. | ||||||||||||||||
Устройство генератора | ||||||||||||||||
ИНДУКТОР (вращающаяся часть - ротор) | ➨постоянный магнит или электромагнит, создающий магнитное поле; | |||||||||||||||
ЯКОРЬ (неподвижная часть - статор) | ➨обмотка, в которой индуцируется переменная ЭДС. | |||||||||||||||
ПЕРЕМЕННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК | ➨ ток, величина которого с течением времени меняется по модулю и направлению. Переменный синусоидальный ток представляет собой вынужденные колебания тока в электрической цепи, происходящие с частотой , совпадающей с частотой вынуждающей ЭДС: - амплитудное значение силы тока; - сдвиг фазы между колебаниями тока и ЭДС. | |||||||||||||||
Действующие (эффективные) значения силы тока и напряжения | ➨ о силе переменного тока судят по его тепловому действию, т.к. оно не зависит от направления тока. По тепловому действию переменного тока определяют «эффективную» силу тока. | |||||||||||||||
➨ эффективной силой и эффективным напряжением переменного синусоидального тока называются сила и напряжение постоянного тока, который производит такое же тепловое действие, как и данный переменный ток. | ||||||||||||||||
· действующее значение силы тока ➨ величина, в раз меньше амплитудного значения силы тока; | · действующее значение напряжения ➨величина, в раз меньше амплитудного значения напряжения; | |||||||||||||||
МГНОВЕННАЯ МОЩНОСТЬ переменного тока или | ➨ равна произведению мгновенных значений силы тока и напряжения (при совпадении фазы колебаний силы тока и напряжения); - амплитудные значения силы тока и напряжения. | |||||||||||||||
СРЕДНЯЯ МОЩНОСТЬ переменного тока | ➨т.к. среднее значение квадрата косинуса за период равно 0,5; | |||||||||||||||
МОЩНОСТЬ переменного тока | ➨при совпадении фазы колебаний силы тока и напряжения мощность равна произведению действующих значений силы тока и напряжения. | |||||||||||||||
ЦЕПЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА | ➨представляет собой колебательный контур, к которому приложена внешняя синусоидальная ЭДС. | |||||||||||||||
АКТИВНОЕ сопротивление | ➨величина, характеризующая сопротивление электрической цепи (или ее участка) электрическому току, обусловленное необратимыми превращениями энергии в другие формы (преимущественно в тепловую). | |||||||||||||||
РЕАКТИВНОЕ сопротивление | ➨величина, характеризующая сопротивление, оказываемое переменному току электрической емкостью и индуктивностью цепи (или ее участка), обусловленное передачей электрической энергии электрическому или магнитному полю элементов цепи и обратно. | |||||||||||||||
· ИНДУКТИВНОЕ сопротивление | ➨ | |||||||||||||||
· ЕМКОСТНОЕ сопротивление | ➨ | |||||||||||||||
ПОЛНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ цепи переменного тока | ➨ | |||||||||||||||
РЕЗОНАНС в электрической цепи = = | ➨явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний силы тока при совпадении частоты внешнего переменного напряжения с собственной частотой колебательного контура; | |||||||||||||||
➨возникает при равенстве индуктивного сопротивления емкостному сопротивлению ( = ) . При этом полное сопротивление цепи становится наименьшим, равным активному ( ). | ||||||||||||||||
➨резонанс так же наступает при равенстве частоты генератора и собственной частоты колебаний электрической цепи ( = ). Резонансная частота равна:. | ||||||||||||||||
ТРАНСФОРМАТОР | ➨электротехническое устройство, предназначенное для преобразования (повышения или понижения) напряжения переменного электрического тока. | |||||||||||||||
· устройство трансформатора | ➨ простейший трансформатор состоит из: железного сердечника (магнитопровода) и расположенных на нем двух обмоток: первичной - и вторичной - витков. При подключении первичной обмотки трансформатора к источнику переменной ЭДС ~e1обе обмотки пронизывает общий магнитный поток Ф. Изменение магнитного потока во вторичной обмотке возбуждает ЭДС индукции ~e2. | |||||||||||||||
· режимы работы | ➨ без нагрузки (холостой ход); под нагрузкой (рабочий ход). | |||||||||||||||
· режим ХОЛОСТОГО хода | ➨ этот режим имеет место при разомкнутой вторичной цепи. В этом случае ток во вторичной цепи отсутствует, т.е. =0. При холостом ходе ЭДС самоиндукции, действующая в первичной обмотке, почти равна поданному на нее напряжению сети переменного тока, в которую включен трансформатор, т.е. . | |||||||||||||||
· режим РАБОЧЕГО хода | ➨ этот режим имеет место при замкнутой вторичной цепи. В этом случае трансформатор нагружен (т.е. к нему подключены потребители энергии) и в цепи вторичной обмотки течет ток . | |||||||||||||||
КОЭФФИЦИЕНТ ТРАНСФОРМАЦИИ | ➨ равен отношению витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки; ➨отношение напряжения на первичной обмотке к напряжению на вторичной обмотке; ➨ отношение силы тока во вторичной обмотке к силе тока в первичной обмотке. | |||||||||||||||
· ( > ) | ➨ понижающий трансформатор; | |||||||||||||||
· ( < ) | ➨ повышающий трансформатор. | |||||||||||||||
КПД трансформатора | ➨равен отношению полезной мощности (мощности, отдаваемой потребителям) к затраченной мощности (мощности, которая берется трансформатором от сети переменного тока). | |||||||||||||||
Производство, передача, потребление электрической энергии | ➨электроэнергию вырабатывают на электростанциях и передают потребителям на большие расстояния с помощью линий электропередачи. При передаче электроэнергии по проводам часть этой энергии необратимо переходит во внутреннюю энергию и выделяется в проводах в виде теплоты: (по закону Джоуля-Ленца). Способы снижения потерь электроэнергии: 1)увеличить сечение проводников , что экономически не выгодно; 2)уменьшить силу тока , что достигается применением трансформаторов. - повышающий трансформатор, преобразует напряжение до , пропорционально уменьшается сила тока. - понижающий трансформатор, преобразует высоковольтное напряжение до уровня, необходимого потребителю | |||||||||||||||
Тема 8 | ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ- электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве. Экспериментально были получены в 1880 г. Герцем. | |||||||||||||||
Источник электромагнитных волн | ➨ колебательный контур. | |||||||||||||||
· открытый колебательный контур | ➨в таком контуре электрическое поле конденсатора и магнитное поле катушки пространственно не разделены (антенна). | |||||||||||||||
Основные идеи теории Максвелла | ➨ 1)создано математическое описание электромагнитного поля, которое объясняло все известные на то время факты с единой точки зрения и позволяло предсказывать новые явления; 2)переменное магнитное поле порождает в пространстве вихревое электрическое поле; 3)переменное электрическое поле порождает магнитное поле; 4)электрическое поле и магнитное поле – различные формы проявления единого электромагнитного поля; 5)скорость распространения электромагнитных взаимодействий конечна и равна скорости света в вакууме ; 6)свет – есть форма электромагнитных волн. | |||||||||||||||
Скорость распространения электромагнитных волн | ➨ в вакууме - - предельная скорость распроcтранения любых физических взаимодействий в природе; | |||||||||||||||
➨ в веществе –зависит от природы вещества, его диэлектрической и магнитной проницаемости (всегда меньше, чем в вакууме). | ||||||||||||||||
· длина электромагнитной волны | ➨ расстояние, которое проходит волна за время, равное периоду | |||||||||||||||
Свойства электромагнитных волн | ➨ 1) они могут распространяться не только в различных средах, но и в вакууме; 2) их скорость в вакууме – фундаментальная физическая константа; в любой среде их скорость меньше; 3)они поперечны, векторы и (перпендикулярные друг другу) в электромагнитной волне перпендикулярны направлению ее распространения; 4)их интенсивность увеличивается с ростом ускорения излучающей заряженной частицы; 5)волны с частотами вызывают у человека зрительные ощущения; 6)при определенных условиях проявляются типичные волновые свойства (явления отражения, преломления, дифракции, интерференции, поляризации); | |||||||||||||||
Радиосвязь | ➨использование свойств электромагнитных волн является основой радиосвязи – передачи информации с помощью радиоволн (волн, частоты которых охватывают широкий диапазон: от 3·104до3·1011Гц). | |||||||||||||||
· изобретение радио 7 мая 1895 г. – день рождения радио | ➨возможность практического применения электромагнитных волн для установления связи без проводов впервые продемонстрировал русский физик А.С. Попов. | |||||||||||||||
· приемник А.С. Попова | ➨ 1 – антенна – в антенне электромагнитные волны вызывали вынужденные колебания тока и напряжения; | |||||||||||||||
➨ 2 – когерер – стеклянная трубка с двумя электродами, заполненная металлическими опилками; в нее с антенны подавалось переменное напряжение; в обычных условиях когерер обладает большим сопротивлением, т.к. опилки имеют плохой контакт друг с другом; прошедшая электромагнитная волна создает в когерере переменный ток высокой частоты; между опилками проскакивают мельчайшие искорки, спекают опилки и сопротивление когерера падает(примерно в 100-200 раз); встряхнув прибор, можно вернуть ему большое сопротивление. | ||||||||||||||||
➨ 3 –электромагнитное реле – сила тока в катушке электромагнитного реле возрастает и реле включает электрический звонок; так регистрируется прием электромагнитной волны антенной; ➨ 4 – электрический звонок – удар молоточка звонка по когереру встряхивал опилки, возвращал его в исходное состояние и приемник снова был готов к регистрации электромагнитных волн; ➨ 5 – источник постоянного тока; | ||||||||||||||||
Модуляция | ➨мощность радиоизлучения гораздо больше на высоких частотах, поэтому используют высокую несущую частоту, которую модулируют (изменяют) звуковой частотой. ➨ процесс наложения колебаний одной частоты на колебания другой называется модуляцией. Виды модуляции:амплитудная, частотная, фазовая. | |||||||||||||||
· амплитудная | ➨процесс изменения амплитуды высокочастотных незатухающих электромагнитных колебаний с помощью колебаний звуковой частоты. Для этого в передатчике последовательно с колебательным контуром генератора высокой частоты включают вторичную обмотку трансформатора, на первичную обмотку которого подается сигнал звуковой частоты. | |||||||||||||||
Детектирование | ➨процесс преобразования сигнала в результате которого в приемнике из модулированных колебаний высокой частоты выделяются низкочастотные колебания; полученный в результате детектирования сигнал соответствует звуковому сигналу, который действовал на микрофон передатчика; усиленные колебания низкой частоты могут быть превращены в звук. | |||||||||||||||
Принципы радиосвязи | ➨переменный электрический ток высокой частоты, созданный в передающей антенне, вызывает в окружающем пространстве быстро меняющееся электромагнитное поле, которое распространяется в виде электромагнитной волны. Достигая приемной антенны, электромагнитная волна вызывает в ней переменный ток той же частоты, на которой работает передатчик. | |||||||||||||||
Радиопередатчик Радиоприемник | ||||||||||||||||
РАДИОПЕРЕДАТЧИК | ||||||||||||||||
· ГВЧ – генератор высокой частоты | ➨ формирует радиосигналы – электрические колебания высокой(несущей) частоты ВЧ. | |||||||||||||||
· МК – микрофон | ➨ преобразовывает звуковой сигнал в электрические колебания низкой частоты НЧ. | |||||||||||||||
· МД – модулятор | ➨смешивает электрические сигналыВЧ и НЧ. | |||||||||||||||
· УВЧ – усилитель высокой частоты | ➨усиливает модулированные по амплитуде (в соответствии с передаваемым сообщением) радиосигналы высокой частоты МВЧ. | |||||||||||||||
· АП – антенна передающая | ➨излучает в окружающее пространство электромагнитные высокой частоты ВЧ (до 30 кГц), в то время как звуковой сигнал представляет собой механические колебания низкой частоты НЧ (0,1-10 кГц). | |||||||||||||||
РАДИОПРИЕМНИК | ➨осуществляет прием электромагнитных волн. Колебательный контур приемника, настроенный на частоту передатчика, резонирует, исключает помехи, усиливает полезный сигнал. | |||||||||||||||
· ПА – приемная антенна | ||||||||||||||||
·ДМ - демодулятор | ➨преобразует модулированные колебания высокой частоты МВЧ в колебания низкой частоты НЧ до необходимого уровня. | |||||||||||||||
· Д - динамик | ➨принимает колебания низкой частоты НЧ и преобразует их в звуковые сигналы, адекватные передаваемому сообщению. | |||||||||||||||
Шкала электромагнитных волн | ➨непрерывная последовательность частот и длин волн электромагнитных излучений, представляющих собой распространяющееся в пространстве переменное электромагнитное поле. | |||||||||||||||
Границы по частотам или длинам волн между различными видами электромагнитного излучения весьма условны – последовательные участки шкалы непрерывно переходят друг в друга. Электромагнитные излучения, частоты которых отличаются на много порядков (например, радиоволны и рентгеновские лучи), имеют качественно различные свойства. | ||||||||||||||||
· закономерности электромагнитных волн | ➨по мере перехода от более длинных волн (малых частот) к более коротким (большим частотам)волновые свойства света (интерференция, дифракция, поляризация) проявляются слабее, а квантовые свойства, в которых решающую роль играет величина энергии , проявляются сильнее. | |||||||||||||||
Название диапазона | Частота , Гц | Длина волны , м | Источники возбуждения | Методы фиксации, область применения | ||||||||||||
Низкочастотные колебания | до 103 | более 3·104 | Генераторы переменного тока | Электротехнические (электротехника) | ||||||||||||
Радиоволны | 103 | 3·105 | Генераторы радиочастот. Генераторы СВЧ | Радиотехнические (радиотехника, телевидение, радиосвязь, радиолокация) | ||||||||||||
Инфракрасное излучение | 1012 | 3·10-3 | Излучение молекул и атомов при теп-ловых и электрических воздействиях | Тепловые и фотографические (теплицы) | ||||||||||||
Видимый свет | 3,8×1014 | 8·10 -7 | Глаз. Фотографические. Фотоэлек-трческие (жизнь на Земле) | |||||||||||||
Ультрафиолетовое излучение и мягкое рентгеновское излучение | 7,5·1014 3·1017 | 4·10 -7 10-9 | Излучение атомов при воздействии ускоренных электронов | Фотографические. Фотоэлектрические (медицина) | ||||||||||||
Рентгеновское и -излучение | 3·1020 | 10-12 | Атомные процессы при воздействии ускоренных заряженных частиц | Фотографические. Ионизационные (медицина, металлургия) | ||||||||||||
-излучение | 1023 | 3·10 -15 | Ядерные процессы Радиоактивный распад. Космические процессы. | Ионизационные (метод меченых атомов) | ||||||||||||
Раздел 5.ОПТИКА И КВАНТОВАЯ ФИЗИКА ЛЕКЦИЯ 10 | ||||||||||||||||
Тема 9 | ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА | |||||||||||||||
- раздел физики, в котором изучаются явления и закономерности, связанные с возникнове-нием, распространением и взаимодействием с веществом световых электромагнитных волн. | ||||||||||||||||
Источники света | ➨ тела, которые излучают свет. При излучении источник света теряет часть своей энергии, а поглощая свет увеличивает внутреннюю энергию. Таким образом, распространение света сопровождается переносом энергии. | |||||||||||||||
· виды источников света | ➨ u температурные – излучение света происходит в результате нагревания тела до высокой температуры; v люминесцентные (холодное свечение) – тела излу-чают свет при облучении их светом (фотолюминесцен-ция), рентгеновскими лучами, катодными лучами, радио-активным излучением, при окислительно-восстановитель-ных процессах (хемилюминесценция). | |||||||||||||||
· точечный источник света | ➨ источник света, размеры которого малы по сравнению с расстоянием до освещаемого предмета (Солнце, звезды). | |||||||||||||||
· световой луч | ➨ линия, вдоль которой распространяется энергия свето-вых электромагнитных волн. | |||||||||||||||
Закон прямолинейного распространение света | ➨ в оптически однородной прозрачной среде (показа-тель преломления которой везде одинаков) свет распро-страняется по прямым линиям. | |||||||||||||||
· экспериментальные доказательства | ➨ если расстояние между источником света и экраном значительно больше размеров источника, то на экране образуется четкая тень предмета. | |||||||||||||||
➨ если тело (2) поместить ближе к источнику (1), то его уже нельзя считать точечным; на экране образуются областитени (3) и полутени(4). | ||||||||||||||||
· тень | ➨ область пространства за предметом, куда не попадает свет от источника. | |||||||||||||||
· полутень | ➨ область, в которую попадает свет от части источника. | |||||||||||||||
· ограничения закона прямолинейного распространения света | ➨ закон нарушается, если свет проходит через очень малые отверстия, причем отклонение от прямолинейного распространения тем больше, чем меньше отверстие. | |||||||||||||||
Закон независимости световых пучков | ➨ распространение световых лучей в среде происходит независимо друг от друга: отдельные лучи света, пере-секаясь не взаимодействуют. | |||||||||||||||