Электричество Оптика 1 Электрические заряды характер их

Электричество Оптика

1. Электрические заряды, характер их взаимодействия, закон сохранения заряда, закон Кулона. • Электри ческий заря д (Q, q [кл]) — это физическая скалярная величина, определяющая способность тел быть источником электромагнитных полей и принимать участие в электромагнитном взаимодействии. Электростатикой называют раздел учения об электричестве, в котором изучаются взаимодействия и свойства систем электрических зарядов, неподвижных относительно выбранной инерциальной системы отсчета. Способность электрических зарядов как к взаимному притяжению, так и к взаимному отталкиванию объясняется существованием двух различных видов зарядов. Один вид электрического заряда называют положительным, а другой — отрицательным. Разноимённо заряженные тела притягиваются, а одноимённо заряженные — отталкиваются друг от друга.

Зако н сохране ния электри ческого заря да гласит, что алгебраическая сумма зарядов электрически замкнутой системы сохраняется. Наилучшей экспериментальной проверкой закона сохранения электрического заряда является поиск таких распадов элементарных частиц, которые были бы разрешены в случае нестрогого сохранения заряда. Такие распады никогда не наблюдались. Лучшее экспериментальное ограничение на вероятность нарушения закона сохранения электрического заряда получено из поиска фотона с энергией m*c 2/2 ≈ 255 кэ. В, возникающего в гипотетическом распаде электрона на нейтрино и фотон. Время жизни которого больше 4, 6· 1026 лет. Закон сохранения заряда — один из основополагающих законов физики. Закон сохранения заряда был впервые экспериментально подтверждён в 1843 году великим английским ученым Майклом Фарадеем и считается на настоящее время одним из фундаментальных законов сохранения в физике (подобно законам сохранения импульса и энергии). Всё более чувствительные экспериментальные проверки закона сохранения заряда, продолжающиеся и поныне, пока не выявили Для обнаружения и измерения электрических зарядов отклонений от этого закона. применяется электроскоп, который состоит из металлического стержня — электрода и подвешенных к нему двух листочков фольги. При прикосновении к электроду заряженным предметом заряды стекают через электрод на листочки фольги, листочки оказываются одноимённо заряженными и поэтому отклоняются друг от друга.

Зако н Куло на — это закон, описывающий силы взаимодействия между неподвижными точечными электрическими зарядами. Был открыт Шарлем Кулоном в 1785 г. Проведя большое количество опытов с металлическими шариками. Сила взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме направлена вдоль прямой, соединяющей эти заряды, пропорциональна их величинам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Она является силой притяжения, если знаки зарядов разные, и силой отталкивания, если эти знаки одинаковы. Важно отметить, что для того, чтобы закон был верен, необходимы: Точечность зарядов, то есть расстояние между заряженными телами должно быть много больше их размеров. Впрочем, можно доказать, что сила взаимодействия двух объёмно распределённых зарядов со сферически симметричными непересекающимися пространственными распределениями равна силе взаимодействия двух эквивалентных точечных зарядов, размещённых в центрах сферической симметрии; Их неподвижность. Иначе вступают в силу дополнительные эффекты: магнитное поле движущегося заряда и соответствующая ему дополнительная сила Лоренца, действующая на другой движущийся заряд; Расположение зарядов в вакууме.

Закон Кулона является первым открытым количественным и сформулированным на математическом языке фундаментальным законом для электромагнитных явлений. С открытия закона Кулона началась современная наука об электромагнетизме. Элемента рный электри ческий заря д — фундаментальная физическая постоянная, минимальная порция (квант) электрического заряда. Равен приблизительно 1, 602 176 565(35)· 10− 19 Кл[1] в Международной системе единиц (СИ). Любой наблюдаемый в эксперименте электрический заряд всегда кратен элементарному. ≈ 8, 854187817· 10 -12 Ф/м — Электрическая постоянная Любой электрический ток сопровождает электронный шум от различных источников, одним из которых является дробовой шум. Существование дробового шума связано с тем, что ток является не непрерывным, а состоит из дискретных электронов, которые поочерёдно поступают на электрод. Путём тщательного анализа шума тока может быть вычислен заряд электрона.

Электрическое поле По современным представлениям, электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждое заряженное тело создает в окружающем пространстве электрическое поле. Это поле оказывает силовое действие на другие заряженные тела. Главное свойство электрического поля – действие на электрические заряды с некоторой силой. Таким образом, взаимодействие заряженных тел осуществляется не непосредственным их воздействием друг на друга, а через электрические поля, окружающие заряженные тела. Для количественного определения электрического поля вводится силовая характеристика - напряженность электрического поля. Напряженностью электрического поля называют физическую величину, равную отношению силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещенный в данную точку пространства, к величине этого заряда: Напряженность электрического поля – векторная физическая величина. Направление вектора совпадает в каждой точке пространства с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд.

Картина силовых линий поля электрического диполя – системы из двух одинаковых по модулю зарядов разного знака q и –q, расположенных на некотором расстоянии l. Важной характеристикой электрического диполя является так называемый дипольный момент где l – вектор, направленный от отрицательного заряда к положительному, Дипольный момент молекулы воды p = 6, 2· 10– 30 Кл · м.

Работа в электрическом поле. Работа сил электростатического поля при перемещении заряда из одной точки поля в другую не зависит от формы траектории, а определяется только положением начальной и конечной точек и величиной заряда. Работа кулоновских сил при перемещении заряда q зависит только от расстояний r 1 и r 2 начальной и конечной точек траектории. (рис. 2)

Проводники и диэлектрики в электрическом поле Вещество, внесенное в электрическое поле, может существенно изменить его. Это связано с тем, что вещество состоит из заряженных частиц. В отсутствие внешнего поля частицы распределяются внутри вещества так, что создаваемое ими электрическое поле в среднем по объемам, включающим большое число атомов или молекул, равно нулю. При наличии внешнего поля происходит перераспределение заряженных частиц, и в веществе возникает собственное электрическое поле. Все внутренние области проводника, внесенного в электрическое поле, остаются электронейтральными. Если удалить некоторый объем, выделенный внутри проводника, и образовать пустую полость, то электрическое поле внутри полости будет равно нулю. На этом основана электростатическая защита – чувствительные к электрическому полю приборы для исключения влияния поля помещают в металлические ящики

Ориентационный механизм поляризации Поляризация неполярного диэлектрика H 2, полярного диэлектрика (H 20, спирты, НС 1). O 2, N 2. ) Поляризация связана с деформацией Поляризация полярных диэлектриков молекул вещества. сильно зависит от температуры, так как тепловое движение молекул играет роль дезориентирующего фактора. В случае полярных диэлектриков в сильных полях может наблюдаться эффект насыщения, когда все молекулярные диполи выстраиваются вдоль силовых линий. В случае неполярных диэлектриков сильное внешнее поле, сравнимое по модулю с внутриатомным полем, может существенно деформировать атомы или молекулы вещества и изменить их электрические свойства. Однако, эти явления практически никогда не наблюдаются, так как для этого нужны поля с напряженностью (10 10– 1012) В/м. Между тем, гораздо раньше наступает электрический пробой диэлектрика.

Электроемкость. Конденсаторы Если двум изолированным друг от друга проводникам сообщить заряды q 1 и q 2, то между ними возникает некоторая разность потенциалов Δφ, зависящая от величин зарядов и геометрии проводников. Разность потенциалов Δφ между двумя точками в электрическом поле часто называют напряжением и обозначают буквой U. Электроемкостью системы из двух проводников называется физическая величина, определяемая как отношение заряда q одного из проводников к разности потенциалов Δφ между ними:

Рисунок 4. 6. 1. Поле плоского конденсатора Идеализированное представление поля плоского конденсатора. Величина электроемкости зависит от формы и размеров проводников и от свойств диэлектрика, разделяющего проводники. Существуют такие конфигурации проводников, при которых электрическое поле оказывается сосредоточенным (локализованным) лишь в некоторой области пространства. Такие системы называются конденсаторами, а проводники, составляющие конденсатор, называются обкладками. Простейший конденсатор – система из двух плоских проводящих пластин, расположенных параллельно другу на малом по сравнению с размерами пластин расстоянии и разделенных слоем диэлектрика. Такой конденсатор называется плоским. Электрическое поле плоского конденсатора в основном локализовано между пластинами (рис. 4. 6. 1); однако, вблизи краев пластин и в окружающем пространстве также возникает сравнительно слабое электрическое поле, которое называют полем рассеяния. В целом ряде задач можно приближенно пренебрегать полем рассеяния и полагать, что электрическое поле плоского конденсатора целиком сосредоточено между его обкладками (рис. 4. 6. 2). Но в других задачах пренебрежение полем рассеяния может привести к грубым ошибкам, так как при этом нарушается потенциальный характер электрического поля (см. § 4. 4).

Параллельное соединение конденсаторов. C = C 1 + C 2. Последовательное соединение конденсаторов. Примерами конденсаторов с другой конфигурацией обкладок могут служить сферический и цилиндрический конденсаторы. Сферический конденсатор – это система из двух концентрических проводящих сфер радиусов R 1 и R 2. Цилиндрический конденсатор – система из двух соосных проводящих цилиндров радиусов R 1 и R 2 и длины L. Емкости этих конденсаторов, заполненных диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε, выражаются формулами: Сферический: Цилиндрический:

16. Постоянный электрический ток и его характеристики. 18. Закон Ома в интегральной и дифференциальной форме, сопротивление проводников. Постоя нный ток, (англ. direct current) — электрический ток, который с течением времени не изменяется по величине и направлению. Постоянный ток — это постоянное направленное движение заряженных частиц. В каждой точке проводника, по которому протекает постоянный ток, одни элементарные электрические заряды непрерывно сменяются другими, совершенно одинаковыми электрическими зарядами. Несмотря на непрерывное перемещение электрических зарядов вдоль проводника, общее пространственное их расположение внутри проводника как бы остаётся неизменным во времени, или стационарным. Переносчиками электрических зарядов являются: в металлах — свободные электроны; в электролитах — ионы: катионы и анионы; в газах — ионы и электроны; в вакууме — электроны, образовавшиеся при электронной эмиссии; в полупроводниках — электроны и дырки. Постоянное движение электрических зарядов создаётся и поддерживаетсяэлектрическим полем.

Самыми первыми источниками постоянного тока являлись химические источники тока: гальванические элементы, затем человечество изобрело аккумуляторы. Полярность химических источников тока самопроизвольно измениться не может. Для получения постоянного тока в промышленных масштабах используют электрические машины — генераторы постоянного тока. В электронной аппаратуре, питающейся от сети переменного тока, для получения постоянного тока используют блоки питания. Как правило, переменный ток понижается трансформатором до нужного значения, затем выпрямляется. Далее для уменьшения пульсаций используется сглаживающий фильтр и, при необходимости, стабилизатор тока или стабилизатор напряжения или регулятор напряжения. Мерой интенсивности движения электрических зарядов в проводниках является величина тока или просто ток (I, i). Величина тока — это количество электрических зарядов (электричества), протекающих через поперечное сечение проводника в единицу времени. Общепринято, что вместо терминов «ток» и «величина тока» часто применяется термин «сила тока» . В проводнике ток равен одному амперу A, если через площадь поперечного сечения его за одну секунду протекает один кулон электричества.

Постоянный ток широко используется в технике: подавляющее большинство электронных схем в качестве питания используют постоянный ток. Постоянный ток применяется в электролизе: на установках промышленного электролиза из растворов или расплавов солей получают алюминий, магний, натрий, калий, никель, медь, хлор и другие вещества. Постоянный ток применяется в гальванизации и гальванопластике — на электропроводящей поверхности какого-нибудь предмета электрохимическим путём осаждается защитное или декоративное металлическое покрытие Постоянный ток в ряде случаев используется при сварочных работах (электрическая дуговая или электрогазовая сварка), например, сварить деталь из нержавеющей стали специальным сварочным электродом можно только постоянным током. В некоторых устройствах постоянный ток преобразуется в переменный ток преобразователями (инверторами), например, в компьютерных бесперебойных блоках питания при работе в автономном режиме.

Зако н О ма — эмпирический физический закон, определяющий связь электродвижущей силы источника или электрического напряжения с силой тока и сопротивлением проводника. Закон ома в дифференциальной форме Сопротивление проводников

Волновая оптика 1. (3) Интерференция света, когерентные источники света, оптическая разность хода лучей, условия максимумов и минимумов в интерференционной картине. 2. (3) Интерференция света от двух точечных когерентных источников монохроматического излучения, способы получения когерентных источников в оптике. Влияние размеров источника и немонохроматичности света на интерференционную картину. 3. (3) интерференция света при отражении от тонких пластинок, цвета тонких пластинок, полосы равного наклона и равной толщины, кольца Ньютона.

Интерференция волн • – это явление наложения когерентных волн - свойственно волнам любой природы (механическим, электромагнитным и т. д. • Когерентные волны - это волны, испускаемые источниками, имеющими одинаковую частоту и постоянную разность фаз. • При наложении когерентных волн в какой-либо точке пространства амплитуда колебаний (смещения ) этой точки будет зависеть от разности расстояний от источников до рассматриваемой точки. Эта разность расстояний называется разностью хода. • При наложении когерентных волн возможны два предельных случая: • При наложении когерентных волн возможны два предельных случая: Условие максимума: Разность хода волн равна целому числу длин волн Условие минимума: Разность хода:

Интерференция в тонких пленках Явление интерференции можно наблюдать, например: - радужные разводы на поверхности жидкости при разливе нефти, керосина, в мыльных пузырях; Толщина пленки должна быть больше длины световой волны. При попадании монохроматического света на тонкую пленку часть света отражается от наружной поверхности пленки, другая часть света, пройдя через пленку, отражается от внутренней поверхности. При попадании в глаз на сетчатке происходит наложение (сложение) двух когерентных волн и возникает интерференционная результат усиления и ослабления волн. В случае белого света интерференционная картина будет радужной. Применение интерференции: - интерферометры – приборы для измерения длины световой волны - просветление оптики ( в оптических приборах при прохождении света через объектив потери света составляют до 50%) – все стеклянные детали покрывают тонкой пленкой с показателем преломления чуть меньше, чем у стекла; перераспределяются интерференционные максимумы и минимумы и потери света уменьшаются.

Просветление оптики • Нанесение покрытий значительно увеличивает светопропускание оптической системы линз, граничащих с воздухом, а также внутри объектива. • Просветляющие плёнки уменьшают отражение и светорассеяние, увеличивают разрешающую способность объектива, отчего получаемое изображение становится более детализированным, увеличивается контрастность оптического изображения.

• • • Опыт Юнга Юнг был первым, кто понял, что нельзя наблюдать интерференцию при сложении волн от двух независимых источников. Поэтому в его опыте щели S 1 и S 2, которые в соответствии с принципом Гюйгенса можно рассматривать как источники вторичных волн, освещались светом одного источника S. При симметричном расположении щелей вторичные волны, испускаемые источниками S 1 и S 2, находятся в фазе, но эти волны проходят до точки наблюдения P разные расстояния r 1 и r 2. Следовательно, фазы колебаний, создаваемых волнами от источников S 1 и S 2 в точке P, вообще говоря, различны. Таким образом, задача об интерференции волн сводится к задаче о сложении колебаний одной и той же частоты, но с разными фазами.

Кольца Ньютона • На фото — оправа, в которой зажаты две стеклянные пластины. Одна из них слегка выпуклая, так что пластины касаются друга в какой-то точке. И в этой точке наблюдается нечто странное: вокруг нее возникают кольца. Так выглядит эксперимент, в XVII веке положивший начало современной оптике. Несмотря на название, первым его провел отнюдь не Исаак Ньютон. В 1663 г. другой англичанин, Роберт Бойль, первым обнаружил кольца Ньютона, а через два года опыт и открытие были независимо повторены Робертом Гуком. Ньютон же подробно исследовал это явление, обнаружил закономерности в расположении и окраске колец, а также объяснил их на основе корпускулярной теории света. Радиус k-го светлого кольца Ньютона (в предположении постоянного радиуса кривизны линзы) в отражённом свете выражается следующей формулой:

Таким образом, интерференция может возникнуть только при сложении когерентных колебаний. Волны, создающие в точке наблюдения когерентные колебания, также называются когерентными. Волны от двух независимых источников некогерентны и не могут дать интерференции. Т. Юнг интуитивно угадал, что для получения интерференции света нужно волну от источника разделить на две когерентные волны и затем наблюдать на экране результат их сложения. Так делается во всех интерференционных схемах. Однако, даже в этом случае интерференционная картина исчезает, если разность хода Δ превысит длину когерентности

Конец • Спасибо за внимание!