Естесственно научные основы инновационных технологий

22.2 Электромагнитное излучение и его природа. Шкала электрома

Электромагнитное излучение (электромагнитные волны) — распространяющееся в пространстве возмущение электрических и магнитных полей.Практически всё, что мы знаем о космосе (и микромире), известно нам благодаря электромагнитному излучению, то есть колебаниям электрического и магнитного полей, которые распространяются в вакууме со скоростью света. Собственно, свет — это и есть особый вид электромагнитных волн, воспринимаемый человеческим глазом.. Точное описание электромагнитных волн и их распространения дают уравнения Максвелла. Однако качественно этот процесс можно объяснить без всякой математики. Возьмем покоящийся электрон — почти точечный отрицательный электрический заряд. Вокруг себя он создает электростатическое поле, которое влияет на другие заряды. На отрицательные заряды действует сила отталкивания, на положительные — сила притяжения, причем все эти силы направлены строго по радиусам, идущим от нашего электрона. С расстоянием влияние электрона на другие заряды ослабевает, но никогда не падает до нуля. Иначе говоря, во всем бесконечном пространстве вокруг себя электрон создает радиальное силовое поле (это верно лишь для электрона, который вечно покоится в одной точке).Допустим, некая сила (не будем уточнять ее природу) неожиданно нарушила покой электрона и заставила его сдвинуться немного в сторону. Теперь силовые линии должны расходиться из нового центра, куда переместился электрон. Но электрическое поле, окружающее заряд, мгновенно перестроиться не может. На достаточно большом расстоянии силовые линии еще долго будут указывать на первоначальное местоположение заряда. Так будет до тех пор, пока не подойдет волна перестройки электрического поля, которая распространяется со скоростью света. Это и есть электромагнитная волна, а ее скорость есть фундаментальное свойство пространства в нашей Вселенной. Электромагнитная волна независимо распространяется от своего источника.Радиоволны: (Атмосферные явления. Переменные токи в проводниках и электронных потоках (колебательные контуры).)Сверхдлинные Длинные Средние Короткие Ультракороткие Оптическое излучение:Инфракрасное излучение Видимое излучение.)Ультрафиолетовое (Излучение атомов под воздействием ускоренных электронов.)Ионизирующее электромагнитное излучение:Рентгеновские.Атомные процессы при воздействии ускоренных заряженных частиц.)Гамма (Ядерные и космические процессы, радиоактивный распад.)

23.1Первое и  второе начала термодинамики.. Понятие об энтропии

Термодинамика - наука о наиболее общих свойствах макроскопических систем, находящихся в системе термодинамического равновесия, и о процессах перехода между этими состояниями .Термодинамика строится на основе фундаментальных принципов («Начал»), которые являются обобщением многочисленных наблюдений и выполняются независимо от конкретной природы образующих систему тел. Поэтому закономерности в соотношениях между физическими величинами, к которым приводит термодинамика, носит универсальный характер. Обоснование законов термодинамики, их связь с законами движения частиц, из которых построены тела, дается статистической физикой, задачей которой является выражение свойств макроскопических тел, т.е. тел, состоящих из очень большого количества одинаковых частиц (молекул, атомов, электронов и т.д.) через свойства этих частиц и взаимодействие между ними.Первое начало термодинамики утверждает, что если система совершает термодинамический цикл, т.е. в конечном счете возвращается в исходное состояние, то полное количество тепла, сообщенное системе на протяжении цикла, равно совершенной ею работе. Количественная формулировка первого начала термодинамики: количество тепла dQ, сообщенное телу идет на увеличение его внутренней энергии dU и на совершение телом работы dA, т.е. dQ=dU+dAВторое начало термодинамики утверждает, что теплота не может самопроизвольно перейти от системы с меньшей температурой к системе с большей температурой. С.Карно в 1824 г. Показал, что любая тепловая машина должна содержать помимо источника теплоты (нагревателя) и рабочего тела, совершающего термодинамический цикл (например, пара), еще и холодильник, имеющий температуру более низкую, чем температура нагревателя. Обобщение вывода Карно на произвольные термодинамические системы и позволило Р.Клаузиусу сформулировать в 1850 г. Указанное Второе начало. В формулировке В.Томсона (1851) Второе начало утверждает, что невозможно произвести механическую работу за счет охлаждения одного теплового резервуара. Обе приведенные формулировки Второго начала, являясь эквивалентными, подчеркивают существенное различие в возможностях реализации энергии, полученной за счет внешних источников и энергии беспорядочного (теплового) движения частиц тела. Энтропия (в естественных науках — мера беспорядка системы, состоящей из многих элементов.«Энтропия изолированной системы не может уменьшаться» (закон неубывания энтропии).//Такая формулировка основывается на представлении об энтропии как о функции состояния системы, что также должно быть постулировано.В состоянии с максимальной энтропией макроскопические необратимые процессы

23.2)Явление фотоэффекта и его применение.

Фотоэффект — это испускание электронов веществом под действием света Законы фотоэффекта:Формулировка 1-го закона фотоэффекта: количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально интенсивности света.Согласно 2-ому закону фотоэффекта, максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастёт с частотой света и не зависит от его интенсивности.3-ий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света ν0 (или максимальная длина волны λ0), при которой ещё возможен фотоэффект, и если ν<ν0, то фотоэффект уже не происходит. электромагнитное излучение представляет собой поток отдельных квантов(фотонов) с энергией hν каждый, где h — постоянная Планка. При фотоэффекте часть падающего электромагнитного излучения от поверхности металла отражается, а часть проникает внутрь поверхностного слоя металла и там поглощается. Поглотив фотон, электрон получает от него энергию и, совершая работу выхода, покидает металл: , где — максимальная кинетическая энергия, которую может иметь электрон при вылете из металла.В настоящее время на основе внешнего и внутреннего фотоэффекта строится бесчисленное множество приемников излучения, преобразующих световой сигнал в электрический и объединенных общим названием - фотоэлементы. Они находят весьма широкое применение в технике и в научных исследованиях: измерение весьма слабых световых потоков, наблюдаемых, например, при изучении спектров комбинационного рассеяния света, в астрофизике, биологии и т. д. трудно представить себе без применение фотоэлементов; регистрация инфракрасных спектров часто осуществляется специальными фотоэлементами для длинноволновой области спектра. Необычайно широко используются фотоэлементы в технике: контроль и управление

24.1 Электрический заряд, электрическое поле и их характеристики

Электрический заряд — это свойство материальных тел, выражающееся к способности особого рода взаимодействия; количественная характеристика, показывающая степень возможного участия тела в электромагнитном взаимодействии. Единица измерения заряда в СИ — кулон. Впервые электрический заряд был введён в законе Кулона в 1785 году. Носителями электрического заряда являются электрически заряженные элементарные частицы — электрон (один отрицательный элементарный электрический заряд) и протон (один положительный элементарный заряд).Величина электрического заряда (иначе, просто электрический заряд) – численная характеристика носителей заряда и заряженных тел, которая, может принимать положительные и отрицательные значения. Эта величина определяется таким образом, что силовое взаимодействие, переносимое полем между зарядами, прямо пропорционально величине зарядов взаимодействующих между собой частиц или тел, а направления сил, действующих на них со стороны электромагнитного поля, зависят от знака зарядов. Электрический заряд любой элементарной частицы присущ этой частице в течение всего времени ее жизни, поэтому элементарные заряженные частиц зачастую отождествляют с их электрическими зарядами. В системе СИ электрический заряд измеряется в кулонах (Кл). Наиболее известные элементарные носители заряда – электроны, имеющие отрицательный заряд и протоны, имеющие такой же по величине положительный заряд. Электрический заряд любого заряженного тела кратен модулю заряда электрона, так называемому, элементарному заряду Кл. Электрические заряды атомов и молекул равны нулю, а заряды положительных и отрицательных ионов в каждой ячейке кристаллических решеток твердых тел скомпенсированы.Электрическое поле — особая форма материи, существующая вокруг тел или частиц, обладающих электрическим зарядом, а также в свободном виде при изменении магнитного поля (например, в электромагнитных волнах). Для количественного определения электрического поля вводится силовая характеристика - напряженность электрического поля.Напряжённость электрического поля — векторная характеристика электрического поля в данной точке, равная отношению силы (F), действующей на пробный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда q: E=F/q

Направление вектора совпадает в каждой точке пространства с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд.

Основным действием электрического поля является силовое воздействие на неподвижные (относительно наблюдателя) электрически заряженные тела или частицы. Если заряженное тело фиксировано в пространстве, то оно под действием силы не ускоряется. На движущиеся заряды силовое воздействие оказывает и магнитное поле.

Электростатика - раздел электродинамики, изучающий взаимодействие и электрические поля покоящихся электрических зарядов.

Закон Кулона- сила взаимодействия двух точечных зарядов пропорциональна зарядам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Закон сохранения электрического заряда – Замкнутая система тел алгебраическая сумма зарядов есть величина постоянная.

Замкнутая система – система тел, при котором они взаимодействуют только между собой.

Электрическая индукция (D) - величина, характеризующая электрическое поле в веществе наряду с напряженностью (Е): D = eЕ, где e - диэлектрическая проницаемость вещества. Поток электрической индукции через замкнутую поверхность определяется свободными зарядами, находящимися внутри этой поверхности (т. е. не зависит от связанных зарядов, входящих в состав нейтральных атомов и молекул).

Электрические заряды взаимодействуют между собой, т.е. одноименные заряды взаимно отталкиваются, а разноименные при­тягиваются. Силы взаимодействия электрических зарядов определяются законом Кулона и направлены по прямой линии, соединяю­щей точки, в которых сосредоточены заряды.

24.2 Выделение информации на фоне помех.

Всякая информация должна быть выражена каким-нибудь физическим сигналом. Однако всякий полезный сигнал сопровождается другими сигналами, представляющими собой для полезного сигнала помеху. Поэтому возникает проблема выделения полезного сигнала на фоне помех. Примером является вся радиотехника, поскольку в эфире одновременно присутствует множество электромагнитных волн, но нужную информацию несет лишь одна из них, все остальные по отношению к ней являются помехами.Существует несколько способов выделения полезного сигнала на фоне помех. Одним из них является использование резонанса.

Явление резонанса характерно для так называемых колебательных контуров, в которых энергия способна преобразовываться из одного вида в другой — из потенциальной энергии в кинетическую и обратно. В электрических колебательных контурах энергия преобразуется из потенциальной энергии электростатического поля конденсатора в кинетическую энергию электрического тока в индуктивности.

Колебательный контур состоит из последовательно включенных емкости С и индуктивности L, но кроме того в цепи всегда присутствует активное сопротивление R, поскольку индуктивность изготавливается в виде катушки провода, а провод всегда обладает активным сопротивлением.

По отношению к внешним цепям колебательный контур может быть последовательным, если он включен последовательно с источником переменного напряжения, или параллельным, если включен параллельно.

Резонансная частота контура определяется выражением:

f=1/(2*П*sqrt(L*C)) При совпадении частоты возбуждающего напряжения сопротивление последовательного контура уменьшается до значения его активного сопротивления, а для параллельного — возрастает, при этом в последовательном контуре напряжение на реактивных элементах — конденсаторе и индуктивности резко возрастает в Q раз, где Q — добротность контура, равная отношению реактивного сопротивления к активному в момент резонанса:

Q=(w*L)/R = 1/(w*C*R) Для параллельного контура во столько же рве возрастает его сопротивление для внешнего возбуждающего источника.

Резонансные цепи широко используются в радиотехнике для выделения из общего состава электромагнитных волн нужной частоты. Меняя величины емкости и индуктивности, можно колебательный контур настроить на любую частоту и тем самым выделить именно ее, отсеяв все остальные, поскольку энергия только этой частоты будет накапливаться в колебательном контуре и усиливаться, остальные частоты будут этим контуром подавляться.

25.1 Электрический ток, магнитное поле и их характеристики.

Электрический ток, упорядоченное (направленное) движение электрически заряженных частиц или заряженных макроскопических тел. За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц; если ток создаётся отрицательно заряженными частицами (например, электронами), то направление тока считают противоположным направлению движения частиц.

Вокруг неподвижных электрических зарядов существует только электрическое поле. Движущиеся электрические заряды и изменяющиеся электрические поля создают в окружающем пространстве магнитное поле. Через магнитное поле осуществляются взаимодействия электрических токов, постоянных магнитов и токов с магнитами. Электрические взаимодействия токов пренебрежимо малы по сравнению с их магнитными взаимодействиями.В современной физике магнитное поле характеризуют векторной величиной, называемой магнитной индукцией B, точное определение которой дано ниже. Принято считать, что вектор B в любой точке А магнитного поля совпадает по направлению с силой, действующей на северный полюс бесконечно малой магнитной стрелки, помещенной в А: на полюсы этой стрелки действует пара сил, устанавливающая ее в направлении B. Поэтому магнитные поля изучают с помощью мелких игольчатых железных опилок, которые, намагничиваясь в нем, как бы превращаются в маленькие магнитные стрелочки.Напряжённость магнитного поля, векторная физическая величина (Н), являющаяся количественной характеристикой магнитного поля. Н. м. п. не зависит от магнитных свойств среды. При однородной намагниченности тела напряжённость, измеренная на его поверхности, параллельной направлению намагниченности, соответствует напряжённости внутри тела.