- •Contents
- •1.1. Радиус-вектор материальной точки
- •1.2.Кинематические уравнения движения материальной точки
- •1.3. Траектория материальной точки
- •1.4.Вектор перемещения
- •1.5. Скорость
- •1.6. Ускорение
- •1.7. Криволинейное движение. Тангенциальное и нормальное ускорения
- •1.8. Методические указания к решению задач по кинематике
- •2. Кинематика вращательного движения. Введение
- •2.1. Угол поворота твердого тела
- •2.2. Угловая скорость
- •2.3. Период и частота обращения
- •2.4. Угловое ускорение
- •2.5. Связь угловых и линейных величин
- •3. Динамика материальной точки и поступательного движения твердого тела
- •3.1. Первый закон Ньютона
- •3.2. Понятие о силе
- •3.3. Масса. Второй закон Ньютона
- •3.4. Принцип независимости действия сил
- •3.5.Третий закон Ньютона
- •3.6 Преобразование координат Галилея и механический принцип относительности
- •3.7.Основное уравнение динамики поступательного движения материальной точки. Импульс материальной точки
- •3.8. Центр инерции системы
- •3.9. Универсальная форма второго закона Ньютона, выраженная через импульс системы
- •3.10. Основное уравнение динамики поступательного движения твердого тела
- •3.11.Изолированная (замкнутая) система. Закон сохранения импульса
- •3.12. Методические указания к решению задач по динамике
- •4. Энергия и работа
- •4.1. Основные понятия об энергии механической системы
- •4.2. Работа
- •4.3. Консервативные силы. Условие потенциальности силового поля
- •4.4. Мощность
- •4.5 Кинетическая энергия
- •4.6.Потенциальная энергия
- •4.7. Закон сохранения и превращения энергии
- •4.8. Связь между потенциальной энергией и силой
- •5.6. Момент импульса материальной точки и твердого тела
- •7.2. Колебания под действием упругой силы (пружинный маятник)
- •7.3. Энергия колеблющегося тела
- •7.4. Основное уравнение гармонических свободных колебаний. (Дифференциальное уравнение гармонических колебаний)
- •7.5. Математический и физический маятники
- •7.6. Сложение механических колебаний
- •7.7.Затухающие колебания
- •7.8. Вынужденные колебания
- •8.1. Распространение волн в упругой среде
- •8.2. Уравнение плоской одномерной волны
- •8.3. Фазовая скорость
- •8.4.Волновая поверхность, фронт волны
- •8.5. Уравнение плоской волны распространяющейся в произвольном направлении
- •8.6. Волновое уравнение
- •8.7. Энергия волны
- •8.8. Объемная плотность энергии волны
- •8.9. Плотность потока энергии. Вектор Умова
- •8.10. Стоячие волны
- •9. Основы термодинамики.Термодинамический и молекулярно – кинетический метод исследования явлений природы
- •9.1. Термодинамическое состояние тела
- •9.2 Внутренняя энергия
- •9.3 Работа газа
- •9.4 Первый закон (начало) термодинамики
- •9.5. Основные понятия о теплоемкости вещества
- •9.7 Изобарический процесс
- •9.8 Изотермический процесс
- •9.9 Адиабатический процесс
- •9.10. Обратимые и необратимые процессы. Круговой процесс
- •9.11 Цикл Карно
- •9.12. Второе начало термодинамики
- •9.13 Приведенная теплота. Равенство (неравенство) Клаузиуса
- •9.14 Теорема Клаузиуса
- •9.15 Энтропия
- •9.16 Свойства энтропии
- •9.17 Физический смысл энтропии
- •10. Основы молекулярно-кинетической теории газов. Введение
- •10.1 Основное уравнение м.К.Т. Идеальных газов. Температура
- •10.2 Распределение энергии по степеням свободы молекулы
- •10.3 Внутренняя энергия идеального газа
- •11. Статистические распределения
- •11.1 Распределение молекул по скоростям
- •11.2 Закон распределения молекул идеального газа во внешнем силовом поле
- •11.3. Распределение давления по высоте
- •11.4. Среднее число столкновений и средняя длина свободного пробега молекул
- •12. Явления переноса. Введение
- •12.1 Диффузия
- •12.2 Теплопроводность
- •12.3. Внутреннее трение
- •13. Основы электростатики
- •13.1. Взаимодействие зарядов Закон Кулона
- •13.2. Электрический диполь
- •13.3. Электростатическое поле. Напряженность поля
- •13.4. Силовые линии электрического поля
- •13.5. Принцип суперпозиции электрических полей
- •13.6. Поток вектора напряженности электростатического поля
- •13.7. Теорема Остроградского - Гаусса
- •13.8. Примеры применения теоремы Гаусса
- •13.9. Работа сил электростатического поля при перемещении заряда
- •13.10. Потенциальная энергия электростатического поля
- •13.11. Циркуляция вектора напряженности
- •13.12. Потенциал электростатического поля
- •13.13. Эквипотенциальные поверхности
- •13.14. Связь между напряженностью и потенциалом
- •13.15.Вычисление потенциала простейших электрических полей
- •14. Электрическое поле в диэлектриках. Введение
- •14.1. Поляризация диэлектриков
- •14.2. Напряженность электрического поля в диэлектрике
- •14.3. Электрическое смещение
- •14.4. Поле на границах раздела диэлектрика
- •15. Проводники в электрическом поле
- •15.1. Равновесие зарядов на проводнике
- •15.2. Напряженность электростатического поля вблизи заряженной поверхности проводника
- •15.3. Проводники во внешнем электрическом поле
- •15.4. Электроемкость проводников
- •15.5. Конденсаторы
- •16. Энергия электрического поля
- •16.1. Энергия системы зарядов
- •16.2. Энергия заряженного уединенного проводника и конденсатора
- •16.3. Объемная плотность энергии электростатического поля
- •17. Электропроводность металлов
- •17.1. Электрический ток
- •17.2. Электродвижущая сила
- •17.3. Закон Ома для участка цепи. Сопротивление проводников
- •17.4. Закон Ома в интегральной форме
- •17.5 Закон Джоуля-Ленца в интегральной и дифференциальной формах
- •17.6. Разветвленные цепи. Правила Кирхгофа
- •18. Классическая теория электропроводности
- •6.4.1. Закон Ома. Закон Джоуля-Ленца.
- •6.4.2. Эффект Холла.
- •6.4.3. Высокочастотная электропроводность металлов.
- •6.4.4. Высокочастотная диэлектрическая проницаемость металлов.
- •18.1. Основы классической электронной теории электропроводности металлов
- •18.2. Вывод закона Ома в дифференциальной форме в классической электронной теории
- •18.3. Вывод закона Джоуля-Ленца в дифференциальной форме в классической теории электропроводности
- •18.4. Связь между теплопроводностью и электропроводностью металлов (закон Видемана-Франца)
- •18.5. Недостатки классической электронной теории проводимости металлов
- •18.6. Работа выхода из металла. Термоэлектронная эмиссия
- •19. Электрический ток в газах
- •19.2. Несамостоятельный газовый разряд
- •19.3. Самостоятельный газовый разряд
19. Электрический ток в газах
Несамостоятельный электрический разряд. Опыт показывает, что две разноименно заряженные пластины, разделенные слоем воздуха, не разряжаются. Обычно вещество в газообразном состоянии является изолятором, так как атомы или молекулы, из которых оно состоит, содержат одинаковое число отрицательныхи положительных электрических зарядов и в целом нейтральны. Внесем в пространство между пластинами пламя спички или спиртовки (рис. 164).
При этом электрометр начнет быстро разряжаться. Следовательно, воздух под действием пламени стал проводником. При вынесении пламени из пространства между пластинами разряд электрометра прекращается. Такой же результат можно получить, облучая пластины светом электрической дуги. Эти опыты доказывают, что газ может стать проводником электрического тока. Явление прохождения электрического тока через газ, наблюдаемое только при условии какого-либо внешнего воздействия, называется несамостоятельным электрическим разрядом.
Термическая ионизация. Нагревание газа делает его проводником электрического тока, потому что часть атомов или молекул газа превращается в заряженные ионы. Для отрыва электрона от атома необходимо совершить работу против сил кулоновского притяжения между положительно заряженным ядром и отрицательным электроном. Процесс отрыва электрона от атома называется ионизацией атома.Минимальная энергия, которую необходимо затратить для отрыва электрона от атома или молекулы, называется энергией связи. Электрон может быть оторван от атома при соударении двух атомов, если их кинетическая энергия превышает энергию связи электрона. Кинетическая энергия теплового движения атомов или молекул прямо пропорциональна абсолютной температуре, поэтому с повышением температуры газа увеличивается число соударений атомов или молекул, сопровождающихся ионизацией. Процесс возникновения свободных электронов и положительных ионов в результате столкновений атомов и молекул газа при высокой температуре называется термической ионизацией.
Плазма. Газ, в котором значительная часть атомов или молекул ионизована, называется плазмой. Степень термической ионизации плазмы зависит от температуры. Например, при температуре 10 000 К ионизовано меньше 10 % общего числа атомов водорода, при температуре выше 20 000 К водород практически полностью ионизован. Электроны и ионы плазмы могут перемещаться под действием электрического поля. Таким образом, при низких температурах газ является изолятором, при высоких температурах превращается в плазму и становится проводником электрического тока.
Фотоионизация. Энергия, необходимая для отрыва электрона от атома или молекулы, может быть передана светом. Ионизация атомов или молекул под действием света называется фотоионизацией.
Самостоятельный электрический разряд. При увеличении напряженности электрического поля до некоторого определенного значения, зависящего от природы газа и его давления, в газе возникает электрический ток и без воздействия внешних ионизаторов. Явление прохождения через газ электрического тока, не зависящего от действия внешних ионизаторов, называется самостоятельным электрическим разрядом. В воздухе при атмосферном давлении самостоятельный электрический разряд возникает при напряженности электрического поля, равной примерно
.
Основной механизм ионизации газа при самостоятельном электрическом разряде — ионизация атомов и молекул вследствие ударов электрона.
Ионизация электронным ударом. Ионизация электронным ударом становится возможной тогда, когда электрон при свободном пробеге приобретет кинетическую энергию, превышающую энергию связи W электрона с атомом. Кинетическая энергия Wк электрона, приобретаемая под действием электрического поля напряженностью , равна работе сил электрического поля:
Wк = Fl = eEl,
где l — длина свободного пробега. Отсюда приближенное условие начала ионизации электронным ударом имеет вид
eEl > W .
Энергия связи электронов в атомах и молекулах обычно выражается в электронволътах (эВ). 1 эВ равен работе, которую совершает электрическое поле при перемещении электрона (или другой частицы, обладающей элементарным зарядом) между точками поля, напряжение между которыми равно 1 В:
,
.
Энергия ионизации атома водорода, например, равна 13,6 эВ.
Механизм самостоятельного разряда. Развитие самостоятельного электрического разряда в газе протекает следующим образом. Свободный электрон под действием электрического поля приобретает ускорение. Если напряженность электрического поля достаточно велика, электрон при свободном пробеге настолько увеличивает кинетическую энергию, что при соударении с молекулой ионизует ее. Первый электрон, вызвавший ионизацию молекулы, и второй электрон, освобожденный в результате ионизации, под действием электрического поля приобретают ускорение в направлении от катода к аноду. Каждый из них при следующих соударениях освобождает еще по одному электрону и общее число свободных электронов становится равным четырем. Затем таким же образом оно увеличивается до 8, 16, 32, 64 и т. д. Число свободных электронов, движущихся от катода к аноду, нарастает лавинообразно до тех пор, пока они не достигнут анода (рис. 165).
Положительные ионы, возникшие в газе, движутся под действием электрического поля от анода к катоду. При ударах положительных ионов о катод и под действием света, излучаемого в процессе разряда, с катода могут освобождаться новые электроны. Эти электроны в свою очередь разгоняются электрическим полем и создают новые электронно-ионные лавины, поэтому процесс может продолжаться непрерывно. Концентрация ионов в плазме по мере развития самостоятельного разряда увеличивается, а электрическое сопротивление разрядного промежутка уменьшается. Сила тока в цепи самостоятельного разряда обычно определяется лишь внутренним сопротивлением источника тока и электрическим сопротивлением других элементов цепи.
Искровой разряд. Молния. Если источник тока не способен поддерживать самостоятельный электрический разряд в течение длительного времени, то происходящий самостоятельный разряд называется искровым разрядом. Искровой разряд прекращается через короткий промежуток времени после начала разряда в результате значительного уменьшения напряжения. Примеры искрового разряда — искры, возникающие при расчесывании волос, разделении листов бумаги, разряде конденсатора. Самостоятельный электрический разряд представляют собой и молнии, наблюдаемые во время грозы. Сила тока в канале молнии достигает 10 000—20 000 А, длительность импульса тока составляет несколько десятков микросекунд. Самостоятельный электрический разряд между грозовым облаком и Землей после нескольких ударов молнии сам собою прекращается, так как большая часть избыточных электрических зарядов в грозовом облаке нейтрализуется электрическим током, протекающим по плазменному каналу молнии (рис. 166).
При увеличении силы тока в канале молнии происходит нагревание плазмы до температуры свыше 10 000 К. Изменения давления в плазменном канале молнии при увеличении силы тока и прекращении разряда вызывают звуковые явления, называемые громом.
Тлеющий разряд. При понижении давления газа в разрядном промежутке разрядный канал становится более широким, а затем светящейся плазмой оказывается равномерно заполнена вся разрядная трубка. Этот вид самостоятельного электрического разряда в газах называется тлеющим разрядом (рис. 167).
Электрическая дуга. Если сила тока в самостоятельном газовом разряде очень велика, то удары положительных ионов и электронов могут вызвать разогревание катода и анода. С поверхности катода при высокой температуре происходит эмиссия электронов, обеспечивающая поддержание самостоятельного разряда в газе. Длительный самостоятельный электрический разряд в газах, поддерживающийся за счет термоэлектронной эмиссии с катода, называется дуговым разрядом (рис. 168).
Коронный разряд. В сильно неоднородных электрических полях, образующихся, например, между острием и плоскостью или между проводом и плоскостью (линия электропередачи), возникает самостоятельный разряд особого вида, называемыйкоронным разрядом. При коронном разряде ионизация электронным ударом происходит лишь вблизи одного из электродов, в области с высокой напряженностью электрического поля.
Применение электрических разрядов. Удары электронов, разгоняемых электрическим полем, приводят не только к ионизации атомов и молекул газа, но и к возбуждению атомов и молекул, сопровождающемуся излучением света. Световое излучение плазмы самостоятельного электрического разряда широко используется в народном хозяйстве и в быту. Это лампы дневного света и газоразрядные лампы уличного, освещения, электрическая дуга в кинопроекционном аппарате и ртутно-кварцевые лампы, применяемые в больницах и поликлиниках. Высокая температура плазмы дугового разряда позволяет применять его для резки и сварки металлических конструкций, для плавки металлов. С помощью искрового разряда ведется обработка деталей из самых твердых материалов. Электрический разряд в газах бывает и нежелательным явлением, с которым в технике необходимо бороться. Так, например, коронный электрический разряд с проводов высоковольтных линий электропередач приводит к бесполезным потерям электроэнергии. Возрастание этих потерь с увеличением напряжения ставит предел на пути дальнейшего увеличения напряжения в линии электропередач, тогда как для уменьшения потерь энергии на нагревание проводов такое повышение весьма желательно.
19.1. Носители тока в газах
Газы в отличие от металлов состоят из электрически нейтральных атомов и молекул и не содержат свободных зарядов (электронов и ионов), способных приходить в упорядоченное движение под действием электрического поля. Следовательно, при нормальных условиях газы являются изоляторами. Это подтверждается опытами с заряженными изолированными проводниками в сухом воздухе: их заряд практически не изменяется в течение длительного времени. Газ становится проводником, если часть его молекул ионизируется, т. е. они расщепляются на электроны и положительные ионы. В газе могут возникнуть и отрицательные ионы вследствие соединения с его нейтральными молекулами части освободившихся электронов. Атомы и молекулы газа представляют собой устойчивые системы заряженных частиц. Поэтому для ионизации атома (или молекулы), необходимо совершить работу против сил взаимодействия между вырываемым электроном и остальными частицами атома (или молекулы) Эта работа называется работой ионизации Ai. Величина работы ионизации зависит от химической природы газа и энергетического состояния вырываемого электрона в атоме или молекуле. Наиболее слабо связаны с ядром внешние (валентные) электроны атомов, поэтому для удаления из атома валентного электрона нужно затратить меньшую работу, чем для любого другого электрона. Работу ионизации можно характеризовать с помощью потенциала ионизации. Потенциалом ионизации называется та разность потенциалов, которую должен пройти электрон в ускоряющем электрическом поле для того, чтобы увеличение его энергии было равно работе ионизации . Если Аi выражено в электронвольтах, a - в вольтах, то численно равно Аi. Ионизация газов может происходить под влиянием различных внешних воздействий: сильного нагрева газа, рентгеновских лучей, - лучей, возникающих при радиоактивном распаде, космических лучей, бомбардировке молекул газа быстро движущимися электронами или ионами. Количественной характеристикой процесса ионизации служит интенсивность ионизации, измеряемая числом пар противоположных по знаку заряженных частиц, возникающих в единице объема газа за единицу времени. Под действием внешнего электрического поля электроны и ионы ионизации начинают двигаться, и возникает электрический ток. Процесс прохождения электрического тока через газ называется газовым разрядом. Различают в основном два вида газового разряда: самостоятельный и несамостоятельный.