Естесственно научные основы инновационных технологий

Рождение звезд в галактиках происходит непрерывно. Этот процесс компенсирует также непрерывно происходящую смерть звезд. Поэтому галактики состоят из старых и молодых звезд. Самые старые звезды сосредоточены в шаровых скоплениях, их возраст сравним с возрастом галактики. Термоядерная реакция является источником собственного свечения звезд.

С момента начала термоядерной реакции, превращающей водород в гелий, звезда типа нашего Солнца переходит на так называемую главную последовательность, в соответствии с которой будут изменяться с течением времени характеристики звезды: ее светимость, температура, радиус, химический состав и масса. После выгорания водорода в центральной зоне у звезды образуется гелиевое ядро. Водородные термоядерные реакции продолжают протекать, но только в тонком слое вблизи поверхности этого ядра. Ядерные реакции перемещаются на периферию звезды. Выгоревшее ядро начинает сжиматься, а внешняя оболочка — расширяться. Оболочка разбухает до колоссальных размеров, внешняя температура становится низкой, и звезда переходит в стадию красного гиганта. С этого момента звезда выходит на завершающий этап своей жизни. Наше Солнце это ждет примерно через 8 млрд. лет. При этом его размеры увеличатся до орбиты Меркурия, а может быть, и до орбиты Земли, так что от планет земной группы ничего не останется (или останутся оплавленные камни).

19.2) Основные закономерности цепей переменного тока. Закон

Переменный ток — это ток, сила и направление которого изменяются во времени. Переменный ток получают, используя явление электромагнитной индукции, при котором в проводнике, пересекающем магнитное поле, возникает электродвижущая сила. Э.д.с, переменного тока определяется выражением:

E=Em sin(t+),          где Em, — максимальное или амплитудное значение э.д.с.,  = 2f — круго­вая частота, f == 1/T — частота изменения направления тока в секунду, Т — период колебания,  — фаза относительно некоторого начального момента времени.Различают мгновенное и действующее значения напряжения и тока, имеющие соотношение:

(50) Еп=Еm/sqrt(2), Iп=Im/sqrt(2)

Мощность в цели переменного тока равна,               ((Em*Im)/2)*cos(фи)

где Em, и 1m — амплитудные значения напряжения и тока в электрической цепи,  — сдвиг фазы между ними.

Любой проводник электрической цепи обладает тремя видами сопротивления:

— активным — R = U/I; реактивным индуктивным — ХL, =L; и реактивным емкостным Хс = 1/С.

В активном сопротивлении ток и напряжение совпадают по фазе, в индуктивном ток отстает по фазе на 90о, в емкостном — опережает по фазе на 90о. Поэтому общее сопротивление цепи, в которой имеются сопротивление (резистор), индуктивность и емкость, будет определяться выражением:

При равенстве Д= 1/С в цепи наступает резонанс. В связи с удобством преобразования из высокого напряжения, необходимого для передачи электроэнергии на большие расстояния, а низкое, необходимое для непосредственного использования в быту и в технике, переменный ток нашел широкое применение в промышленности и в быту. В промышленности переменный ток используется для литания электромоторов, в основном. асинхронного типа, в быту — для питания электронагревательных приборов, освещения, холодильников, бытовых электромоторов и т. п.

20.1 Солнечная система. Законы небесной механики-законы Кеплера

Солнечная система - это система небесных тел (Солнце, планеты, спутники планет, кометы, метеоритные тела, космическая пыль), двигающихся в области преобладающего гравитационного влияния Солнца. Наблюдаемые размеры Солнечной системы определяются орбитой Плутона - около 40 а.е. Однако сфера, в пределах кот. возможно устойчивое движение небесных тел вокруг Солнца простирается почти до ближайших звезд. В эту группу входят Солнце, 9 больших планет (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон.), десятки спутников планет, тысячи малых планет (астероиды), сотни комет и множество метеоритных тел. К 1979 г. было известно 34 спутника и 2000 астероидов. Все эти тела объединены в одну систему благодаря силе притяжения центрального тела - Солнца. Наиболее близкие к Солнцу планеты - Меркурий и Венера - очень медленно вращаются вокруг оси, с периодом в десятки - сотни земных суток. Медленное вращение этих планет связано с их резонансными взаимодействиями с Солнцем и друг с другом. А относительно малые размеры Марса не позволяют ему удержать плотную атмосферу. В атмосфере Земли насыщенные пары создают облачный слой. Облака Земли входят важнейшим элементом в круговорот воды, происходящий на нашей планете в системе гидросфера - атмосфера - суша.В то время как движение Солнца и Луны всегда происходит в одном направлении - с запада на восток (прямое движение), движение планет гораздо сложнее и временами совершается в обратном направлении (попятное движение). Солнечная система является объектом изучения небесной механики. Небесная механика – раздел астрономии, изучающий движения тел Солнечной системы в гравитационном поле, в том числе движения искусственных небесных тел. В начале XVII века Иоганном Кеплером было открыто 3 основных кинематических закона движения планет:1.планеты вокруг Солнца движутся по эллиптическим орбитам, в одном из фокусов которого находится Солнце;2.Радиус вектор планеты за одинаковые промежутки времени описывает равные площади;3.квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы больших полуосей их орбит.Эти законы являются основой расчета движения планет вокруг солнца, но все ни ориентированы на невозмущенное движение и непосредственно могут быть использованы только для расчетов орбит лишь в первом приближении, т.е. рассматривая лишь поле тяготения Солнца.Орбиты, по которым могут двигаться тела вокруг солнца, бывают круговыми, эллиптическими, параболическими и гиперболическими. Все тела, стационарно находящиеся в Солнечной системе, движутся по эллиптическим орбитам. Спутники планет движутся по эллиптическим орбитам вокруг своих планет, которые находятся  в одном из фокусов этих орбит.Космические скорости – критические значения скоростей космических тел, при которых тело (комета или искусственный аппарат) переходит на другой тип орбиты. При достижении первой космической («круговой») скорости, направленной перпендикулярно направлению к центру Земли, аппарат переходит на круговую орбиту, а при меньшей скорости – на эллиптическую орбиту, попадая затем в плотные слои атмосферы.

При второй космической скорости («скорости освобождения») тело будет двигаться по параболической орбите и освободится от гравитационного влияния тела.Третья же косм. скорость определяется из условия, что тело способно освободиться от гравитационного влияния Солнца и покинуть пределы Солнечной системы.Несмотря на то, что Солнечная система и все её составляющие – Солнце, планеты, спутники, кометы, астероиды и межпланетная среда – стали объектом пристального внимания с незапамятных времён, полагать, что все они хорошо изучены и никаких проблем больше не существует, нет оснований. Многие вопросы и парадоксы остаются неразрешёнными: мы не знаем, каким образом вообще произошла Солнечная система, непонятны причины периодической активности Солнца и механизм влияния на него расположения планет. Непонятны некоторые особенности расположения орбит планет, в частности Плутона, который ведет себя, будто Солнце расположено не в фокусе его орбиты, что явно не соответствует Закону всемирного тяготения Ньютона. Немало других вопросов ждут своего ответа, и, несмотря на обилие гипотез, полагать состояние теории Солнечной системы удовлетворительным никак нельзя.

20.2)Закон Фарадея-Максвела и принцип действия электр.

При изменении магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, в нем возникает электрический ток. Это явление было названо электромагнитной индукцией («индукция» означает «наведение»).

Электромагнитная индукция была открыта Майклом Фарадеем в 1831 году. Он обнаружил, что электродвижущая сила, возникающая в замкнутом проводящем контуре пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Величина ЭДС не зависит от того, что является причиной изменения потока — изменение самого магнитного поля или движение контура (или его части) в магнитном поле. Электрический ток вызванный этой ЭДС называется индукционным током.

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея (в системе СИ):E = - (d*ФB )/dt

гдеE — электродвижущая сила, действующая вдоль произвольно выбранного контура,

ΦB — магнитный поток через поверхность, натянутую на этот контур. Индукционный ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре, имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток.Трансформатор электрический, статическое (не имеющее подвижных частей) устройство для преобразования переменного напряжения по величине. В основе действия Трансформатор электрический лежит явление индукции электромагнитной. Трансформатор электрический состоит из одной первичной обмотки (ПО), одной или нескольких вторичных обмоток (ВО) и ферромагнитного сердечника обычно замкнутой формы. Все обмотки расположены на магнитопроводе и индуктивно связаны между собой (см. Индуктивность взаимная). Иногда вторичной обмоткой служит часть ПО (или наоборот); такие Трансформатор электрический называются автотрансформаторами. Концы ПО (вход трансформатора) подключают к источнику переменного напряжения, а концы ВО (его выход) — к потребителям. Переменный ток в ПО приводит к появлению в магнитопроводе переменного магнитного потока. В реальных Трансформатор электрический часть магнитного потока замыкается вне магнитопровода, образуя так называемые потоки рассеяния; однако в высококачественные Трансформатор электрический потоки рассеяния малы по сравнению с основным потоком (потоком в магнитопроводе).

Основной вид Трансформатор электрический — силовые трансформаторы, среди которых наиболее представительную группу составляют двухобмоточные силовые Трансформатор электрический, устанавливаемые на линиях электропередачи (ЛЭП). Такие Трансформатор электрический повышают напряжение тока, вырабатываемого генераторами электростанций, с 10—15 кв до 220—750 кв, что позволяет передавать электроэнергию по воздушным ЛЭП на несколько тыс. км. В местах потребления электроэнергии при помощи силовых Трансформатор электрический высокое напряжение преобразуют в низкое (220 в, 380 в и др.). Многократное преобразование электроэнергии требует большого количества силовых Трансформатор электрический, поэтому их суммарная мощность в энергосистеме в несколько раз превышает мощность источников и потребителей энергии. Мощные силовые Трансформатор электрический имеют кпд 98—99%. Их обмотки изготовляют, как правило, из меди, магнитопроводы — из листов холоднокатаной электротехнической стали толщиной 0,5—0,35 мм, имеющей высокую магнитную проницаемость и малые потери на гистерезис и вихревые токи. Магнитопровод и обмотки силового Трансформатор электрический обычно помещают в бак, заполненный минеральным маслом, которое используется для изоляции и охлаждения обмоток. Такие Трансформатор электрический (масляные) обычно устанавливают на открытом воздухе, что требует улучшенной изоляции выводов и герметичности бака. Трансформатор электрический без масляного охлаждения называются сухими. Для лучшего отвода тепла Трансформатор электрический снабжают трубчатым радиатором, омываемым воздухом (в ряде случаев — водой). В грозоупорных трансформаторах применяют обмотки, конструкция которых устраняет появление опасных напряжений на изоляции. Иногда два или более Трансформатор электрический включают последовательно (см. Каскадный трансформатор). В ряде случаев используют трансформаторы с регулированием под нагрузкой. Среди сухих силовых Трансформатор электрический обширный класс составляют трансформаторы малой мощности с большим числом вторичных обмоток (многообмоточные); их часто применяют в радиотехнических устройствах и системах автоматики.

21.1 Современные представления о происхождении Земли

Масса Земли – 5976*10^21 кг, плотность – 5518 кг/куб.метр.Ранняя история и геологическая история – существенно различные этапы истории нашей планеты. Если в раннюю историю Земля развивалась так же, как и остальные планеты – Луна, Меркурий, Марс и Венера, - то есть в очень медленном темпе, то путь развития Земли в геологическое время характеризуется необыкновенно быстрой эволюцией ее внешней области и коры. Все же другие планеты продолжают пребывать и в настоящую эпоху как бы в догеологическом прошлом. Для Земли весь период ранней истории составил всего0,6 млрд. лет, а ее геологическая история составляет период около 4 млрд. лет. Ранняя история Земли, как и других планет, включает ранние фазы эволюции – фазу аккреции («РОЖДЕНИЯ»), фазу расплавления внешней среды земного шара и фазу первичной коры («лунную фазу»).Геологическая история – это принципиально новый период развития Земли как планеты в целом, так и особенностей ее коры и природной среды. В этом направлении создан ряд теорий и гипотез.Согласно теории гомогенной аккреции Земля сформировалась как химически относительно однородный шар, жидкое железо стекло в центр Земли, образовав ядро. Произошла дифференциация вещества и образование геологических сфер. В соответствии с теорией одностадийной аккреции Земля формировалась из планетезималей в процессе самой аккреции. На каждой стадии существует динамическое равновесие с окружающей туманностью и внутри слоев формирующейся Земли.По теории гетерогенной аккреции весь пылевой материал, возникший при конденсации солнечного газа, состоял из металлических и силикатных частиц. Твердый железоникилевый сплав возник независимо из паровой фазы протопланетного облака и конденсировался при температуре 1770 К. эти сплавы спеклись и падали к центру, продолжая свой рост, чему способствовали их магнитные свойства. Так образовалось ядро Земли. Остальные слои образовались по мере остывания планеты.По современным представлениям Земля состоит из геосфер - концентрических оболочек, которые от центра к периферии располагаются в следующем порядке: - ядро; - мантия; - литосфера; - гидросфера; - атмосфера; - магнитосфера.ЯДРО Земли - центральная часть Земли и самая глубокая геосфера.МАНТИЯ – слой, расположенный от глубины от 5-10 до 70 км до глубины 2900 км, и делится на верхнюю и нижнюю мантии.ЛИТОСФЕРА - внешняя сфера “твердой” Земли, включающая земную кору и часть верхней мантии. Земная кора подразделяется на материковую и океаническую.ГИДРОСФЕРА - представлена на нашей планете водами Мирового океана, пресными водами рек и озер, ледниковыми и подземными водами.АТМОСФЕРОЙ или воздушной оболочкой Земли называют газовую среду, окружающую “твердую” Землю и вращающуюся вместе с ней. МАГНИТОСФЕРА является самой внешней и протяженной оболочкой Земли.

21.2Взаимодействие электромагнитного поля.

На электрический заряд, движущийся в магнитном поле, действует сила Лоренца, равная

Fп=q[v*B] где q - величина заряда, Кл;  — скорость заряда, м/с; В — магнитная индукция поля, Г. Эта сила направлена перпендикулярно векторам  и В.

Если проводящий контур движется а стационарном магнитном поле, то в нем наводится э.д.с. индукции, поскольку на каждый свободный заряд — носитель тока в проводнике, перемещающийся вместе с проводником в магнитном поле, действует сила Лоренца, поэтому на отрезке длиной l, движущемся в поле с магнитной индукцией В со скоростью  возникает э.л.с., равная E=-B l , B             

На этом основаны электромеханические электрогенераторы, в которых на статоре размещена обмотка, через которую пропускается постоянный ток, в результате чего в зазоре между статором и ротором (якорем) создается сильное магнитное поле. На поверхности ротора уложена вторая обмотка, в которой при вращении ротора и пересечении в результате этого силовых линий магнитной индукции создается электродвижущая сила.Сила Лоренца используется в кольцевых ускорителях заряженных частиц для многократного прогона их (в процессе разгона) по одному и тому же пути. Оказываемся радиус обращения заряженной частицы в поперечном магнитном поле не зависит от скорости частицы.

22.1 Гравитационное взаимодействие тел. Закон всемир

В современной физике имеются весьма серьёзные проблемы в отношении гравитационного взаимодействия тел. Прежде всего, до сих пор не создано общепризнанной физической теории тяготения, т.е. теории, объясняющей природу механизма тяготения. Ни законы Ньютона, ни Общая теория относительности Эйнштейна не раскрывают механизма тяготения, а другие теории официальной наукой не рассматриваются. Исаак Ньютон открыл Закон всемирного тяготения, выраженный им в следующей математической формуле: F=G*(m1*m2)/R2. Здесь в числителе произведение m1 и m2 масс взаимно действующих тел, а в знаменателе – квадрат расстояния между ними, G – коэффициент в этой формуле, так называемая гравитационная постоянная (постоянная тяготения). Закон Ньютона не был теоретическим в современном смысле этого слова: он являлся математическим описанием опытного факта.В дальнейшем представления о тяготении были несколько развиты. Были введены представления о напряженности поля тяготения и его потенциале:напряженность грав. поля = отношению силы тяготения, действующей на материальную точку, в величине её массы и представляет собой векторную величину :g= F/m= G*M/R2

Несмотря на победы, на Законе всемирного тяготения лежала мрачная тень с самого момента рождения. Этой тенью было вытекающее из закона мгновенное дальнодействие. Сила тяготения мгновенно, с бесконечной скоростью передавалась на любые расстояния, при этом совершенно неясно, как она преодолевает пространство. Сила передается телу воздействием на него другого тела – это положение было аксиомой для Галилея, на него опираются законы механики самого Ньютона, а вот Закон всемирного тяготения выкидывает прочь эту аксиому.Для тяготения Ньютон отказался искать причину в действиях эфира, хотя делал это в отношении многих других явлений. «Причину же этих свойств силы тяготения я до сих пор  не мог вывести из явлений, гипотез же я не измышляю».Сомнения, навеянные гравитационным парадоксом, были развеяны, как представляют современные ученые, с появлением Общей теории относительности. Она была создана А.Эйнштейном в 1916г. на основе специальной ТО, созданной на 11 лет раньше.