Fizika - V. F. Dmitriyeva

лі - це сплави, які одночасно мають такі властивості, як легкість і міцність. Ніхром - сплав, що має великий електричний опір; інвар - сплав, який майже не розширюється від нагрівання.

Чому властивості сплавів відрізняються від властивостей елементів, які входять до складу сплавів? На це запитання не можна дати однозначної відповіді, оскільки сплави можуть мати різну, іноді дуже складну будову, особливо якщо між елементами, що утворюють сплав, можливі хімічні сполуки. Тому вивчення фізичних властивостей сплавів має дуже велике практичне і теоретичне значення.

§ 91. Метеорити

Метеорити - це камені або куски заліза, що впали на Землю з міжпланетного простору. Метеорит, що має невеликі розміри, іноді зовсім випаровується в атмосфері Землі. Здебільшого маса метеорита за час польоту значно зменшується. До Землі долітають тільки рештки метеорита, які звичайно встигають охолонути, коли космічну швидкість його вже погасив опір повітря.

Від сильного опору повітря метеорит нерідко розколюється і з гуркотом падає на Землю у вигляді осколків. Іноді випадає метеоритний дощ. Під час польоту метеорити оплавляються і покриваються чорною кірочкою. Один такий «чорний камінь» у Мецці вбудований у стіну храму і є предметом релігійного поклоніння.

Буває три види метеоритів: кам 'яні, залізні і залізокам 'яні. Іноді метеорити знаходять через багато років після їхнього падіння. Особливо багато знаходять залізних метеоритів. Метеорит є власністю держави і підлягає передаванню в музей для вивчення. За вмістом радіоактивних елементів і свинцю визначають вік метеоритів. Вік різний, але найстаріші метеорити не старші від земної кори.

Деякі дуже великі метеорити при значній швидкості падіння вибухають і утворюють метеоритні кратери, які нагадують місячні. Часто метеорит майже зовсім випаровується. Це трапилось у 1908 р. з Тунгуським метеоритом, який зруйнував повітряною хвилею, що супроводжувала його, ліс на величезній площі.

Найбільший з добре вивчених кратерів знаходиться в Арізоні (США). Його діаметр 1200 м і глибина 200 м. Цей кратер утворився, очевидно, близько 5000 років тому. Знайдено сліди ще більших і давніших метеоритних кратерів. Усі метеорити - це члени Сонячної системи.

Судячи з того, що кількість астероїдів зростає із зменшенням їхніх розмірів, і з того, що відкрито вже дуже багато дрібних астероїдів, які перетинають орбіту Марса, можна вважати, що метеорити - це дуже дрібні астероїди з орбітами, які перетинають орбіту Землі. Структура метеоритів

260

свідчить про те? що на них впливали високі температури и тиски і, отже, ме теорити могли існувати в надрах зруйнованої планети.

Метеорити містять лише відомі на Землі хімічні елементи, що знову свідчить про матеріальну єдність Всесвіту. Це спростовує релігійне вчення про відмінність земного й небесного.

Короткі висновки

•Перехід речовини з кристалічного твердого стану в рідкий називають плавленням. Плавлення відбувається з поглинанням теплоти. Головними характеристиками плавлення є температура плавлення і теплота плавлення:

2 - Хт.

Наявність певної температури плавлення - важлива ознака кристалічної будови твердих тіл. Температура плавлення залежить від зовнішнього тиску.

•Перехід речовини з одного стану в інший називають фазовим. Під час фазового переходу першого роду властивості речовини (випаровування, конденсація, плавлення, тверднення) стрибкоподібно змінюються.

•Згідно з фізико-математичною моделлю, «тверда» Земля складається з кількох оболонок: кори, мантії, ядра.

Моделі планет земної групи багато в чому повторюють внутрішню будову Землі.

® На діаграмі станів зображено рівноважні стани термодинамічної системи при різних значеннях параметрів - тиску і температури. Точка на діаграмі стану, яка відповідає рівноважному існуванню трьох фаз речовини, називається потрійною точкою.

Запитання для самоконтролю і повторення

1. Поясніть процес плавлення з точки зору молекулярно-кінетичної теорії. 2. Як залежить температура плавлення від тиску? 3. Що називають питомою теплотою плавлення? 4. Як змінюються об'єм і густина речовини під час плавлення? 5. Дайте поняття фази речовини. 6. Які фазові переходи першого роду вам відомі? 7. Розкажіть про внутрішню будову Землі. 8. Дайте поняття процесу сублімації. 9. За діаграмою станів води розкажіть, в якому стані перебуває речовина при заданих параметрах (тиску і температурі).

Приклад розв'язування задач

Задача. Яка кількість теплоти витрачається на плавлення алюмінієвої болванки масою 200 кг, що має температуру 20 °С?

Дано: т =	200	кг;	с = 880 Дж/(кг-К); Х=3,9 105 Дж/кг; Т[=(20 +
+273) К - 293	К;	Гпл	= (660 + 273) К = 933 К.

261

алюмінію масою т від Тх до Тпя потрібна

0 = 880 Дж/(кг К) • 200 кг (933 - 293) К + +3,9• ІО5 Дж/кг• 200 кг = 19-ІО7 Дж = 190 МДж.

Задачі для самостійного розв'язування

1. Яка кількість теплоти потрібна для перетворення 5 кг льоду, взятого при температурі —20 °С5 на пару, температура якої 100 °С?

2.Яку кількість теплоти треба затратити, щоб розплавити при темпера-

3.Щоб охолодити 5 л води від 20 до 8 °С, в неї кидають лід при температурі 0 °С. Визначити масу льоду, необхідну для охолодження води.

4.Суміш, яка складається з 5 кг льоду і 15 кг води при загальній температурі 0 °С, нагрівають до температури 80 °С, пропускають через неї водяну пару при 100 °С. Визначити потрібну для цього масу пари.

5.У посудині міститься суміш 0,5 л води і 0,5 кг льоду при 0 °С. Теплоємність посудини 1680 Дж/К. Яку кількість водяної стоградусної пари було пропущено у воду, якщо весь лід розтанув і температура води

Р О З Д І Л З

О С Н О В И ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

Поданий тут матеріал присвячений одному з найважливіших розділів курсу фізики - вченню про електрику і магнетизм Якщо в механіці вивчають різні види руху макроскопічних тіл і взаємодії між ними, а в молекулярній фізиці - властивості тіл залежно від їх будови, від сил взаємодії між молекулами й атомами і від характеру теплового руху цих частинок, то в електродинаміці розглядають взаємодії, які спричинюються електромагнітним полем.

Сучасна фізика розглядає чотири види взаємодії: гравітаційну, електромагнітну, ядерну і слабку.

Гравітаційна взаємодія помітна лише між тілами астрономічних масштабів. Ядерна (сильна) взаємодія проявляється лише між елементарними часин псами від їх зближення на відстань порядку ІО'""15 м, а слабка - при взаємоперетвореннях певних елементарних частинок. Особливу роль у природі ві- д і і рає електромагнітна взаємодія - взаємодія між електрично зарядженими частинками або макроскопічними зарядженими тілами. Розгляд електромагнітних взаємодій Грунтується на принципі близько/дії. Згідно з цим принципом, взаємодія між зарядженими частинками або тілами поширюється п скінченною швидкістю, яка дорівнює швидкості світла. У вакуумі ця швидкість становить 3-Ю8 м/с.

Народженню електродинаміки як: науки передували численні відкриття і експерименти. У 1785 р. французький фізик III. Кулон експериментально встановив закон взаємодії двох нерухомих точкових зарядів. У 1820 р. датський фізик X. К. Ерстед показав, що струми, які проходять по проводах, створюють навколо себе магнітне поле. Потім А. М. Ампер, Ж. Б, Біо і Ф. Савар експериментально, а згодом і теоретично визначили силу дії магнітного поля на провідник із струмом. У 1851 р, М Фарадей відкрив електромагнітну ініукцію (виникнення електричного поля від усякої зміни магнітного).

Фундаментом електродинаміки стала теорія англійського вченого Дж. Максвелла, опублікована в 1867 р. Виходячи з дослідних даних, він ипропонував рівняння, достатні для описування всіх електромагнітних явищ, в яких не проявляються квантові закономірності. Фізичний зміст рівнянь Максвелла полягає в тому, що в природі існує єдине електромагпі і не поле, яке можна поділити на електричне і магнітне тільки умовно.

І Ірактичного розвитку теорія Дж. Максвелла набула в працях. Г. Р. Герца і ( М І Т о п о в а - великого російського фізика, винахідника радіо.

263

264

іпряд тіла, яке складається з ІУ заряджених частинок, кратний цілим значенням заряду електрона: <2 = ±Ме. Елементарний заряд уперше виміряв

І\ Е. Міллікен у 1909 р.

Чи існують дробові зарядки? Це припущення виникло в зв'язку з передбаченням існування кварків - частинок, з яких побудована більшість важких елементарних частинок, наприклад протонів. Припускали, що заряд кварків ±\/Зе,±2/Зе. Кварки шукали багато вчених різними метолами, але всі вони мали негативний результат. Отже, тепер експерименгально з великою точністю встановлено, що

дробових зарядів у вільному стані не існує.

Закон збереження заряду

Значення заряду, яке вимірюють у різних інерційних системах відліку, завжди однакове і не залежить від того, рухається він чи перебуває в «покої.

Сумарний заряд електрично ізольованої системи не змінюється. Електричні заряди не створюються і не зникають, а тільки пере-

сіються від одного тіла до іншого або перерозподіляються всередині даного тіла:

п

]Г£) =соіШ. (10.1)

м

І (є твердження називається законом збереження електричного заряду.

Крім протонів і електронів, існує безліч інших елементарних заряджених частинок. Усі вони беруть участь у різних процесах взаємоперетворень, а ас, який би не був процес взаємоперетворень, сумарний заряд частинок до взаємоперетворення дорівнює сумарному заряду після взаємоперетворення.

Отже, заряд не є самостійною суттю, що не залежить від матерії, він - одна з властивостей матерії. Закон збереження заряду має таке своє фундаментальне значення у фізиці, як і інші закони збереження (енергії, імпульсу, моменту імпульсу та ін.).

§ 93. Закон Кулона

Розділ електродинаміки, в якому вивчають взаємодію нерухомих електричних зарядів, називають електростатикою. Така взаємодій здійснюється через електростатичне поле.

()сновний закон електростатики - закон взаємодії двох нерухомих точкових зарядів (електрично заряджених тіл, розміри яких малі порівняно з від-

265

	станями між ними) - експериментально встановив фран-
	цузький фізик III. Кулон (1736-1806) у 1785 р., і тому
	його назвали законом Кулона*.
	Щоб визначити силу взаємодії двох зарядів. Кулон
	скористався крутшьними терезами (рис. 10.1)- установ-
	кою, яка складається зі скляної палички, підвішеної на
	тонкому пружному дроті і поміщеному у скляну цилінд-
	ричну посудину. На одному кінці палички закріплюють
	маленьку металеву кульку, а на другому - противагу.
	Верхній кінець нитки кріплять до шкали з поділками. За
	допомогою цієї шкали визначають кут закручування нит-
	ки. Крізь отвір у кришці посудини вводять другу таку
	саму кульку. Якщо кулькам надати заряду, то вони взає-
Рис. 10.1	модіють між собою. Про силу взаємодії роблять висновок
	з кута закручування нитки. У загальному випадку сили

взаємодії залежать від форми і розмірів наелектризованих тіл і характеру розподілу зарядів на них. У випадку нерухомих точкових зарядів, тобто зарядів, розподілених на тілах, лінійні розміри яких малі порівняно з відстанями, на яких розглядають їх взаємодію, слушним є закон Кулона. Кулон експериментально встановив, що коли заряд кульки, яку вносять у прилад, збільшити в п разів, залишивши заряд кульки, закріпленої на скляній паличці, сталим, то сила їх взаємодії збільшується в п разів. Якщо відстань між кульками збільшувати в п разів, то сила їх взаємодії зменшиться в п2 разів. Отже,

сила електричної взаємодії між двома нерухомими точковими електрично зарядженими тілами у вакуумі пропорційна добутку їх зарядів і обернено пропорційна квадрату відстані між ними,

В умовах взаємодії однойменні заряди відштовхуються, різнойменні - притягуються. Сили Кулона напрямлені по прямій, яка сполучає ці заряди.

Закон Кулона для взаємодії точкових зарядів і > розміщених на відстані г один від одного у вакуумі, записують у формі.

(10.2)

г г

де к - коефіцієнт пропорційності, який залежить від вибору системи одиниць фізичних величин.

Сила відштовхування Р, яка діє на заряд <22 3 боку однойменного заряду (2}, збігається за напрямом з радіусом-вектором г, проведеним з 0\ до цього заряду (рис. 10,2, а). Сила притягання, яка діє на заряд 3 боку

* Цей закон відкрив англійський вчений Г. Кавендіш за 13 років до відкриття його Кулоном.

266

рі ІІІОЙМЄННОГО заряду 01 , має протилежний напрям (рис. 10. 2, б). Сили підштовхування вважають додатними, шли притягання - від'ємними.

У скалярній формі закон Кулона записують у вигляді

(10.3)

Знак модуля в позначенні заряду далі не ставитимемо.

У СІ заряд - довільна величина, яку визначають через основну величину - силу струму. Одиниця електричного заряду в СІ - кулон (Кл).

Кулон дорівнює електричному заряду, що проходить за 1 є через поперечний переріз провідника при струмі 1 А.

Коефіцієнт пропорційності в законі Кулона (10.2) у СІ визначають за

формулою
к - 4тсє0 .	(10.4)

	Закон Кулона в СІ записують у вигляді
	а а	(10.5)
	4тсє0г'

Величину є0 називають електричною сталою, це одна з фізичних констант. Щоб визначити її числове значення, розглянемо випадок взаємодії зарядів по 1 Кл кожний, розміщених на відстані 1 м один від одного. Відомо, що сила взаємодії зарядів у цьому разі дорівнює 9-Ю9 Н. З формули (10.5) знайдемо

а б 2	_ _ _	_1 Кл_ _ _ _ -8,85 10"12Кл2 /(Н-м2), (10.6)
4кг2 Р	4-3,14	-1 м2 • 9 • 109 Н
або Єо = 8,85 •	12 ,Ф/м.

§ 94. Електричне поле. Напруженість поля

Електричне поле

Електричне поле - це особливий вид матерії, що пов'язаний з с ііек гричними зарядами і передає дії зарядів один на одного.

І-лектричне поле не виникає при взаємодії зарядів. Будь-який заряд незалежно від наявності інших зарядів завжди має електричне поле. Якщо шряд нерухомий, то електричне поле називають електростатичним.

267

Воно не змінюється в часі і створюється тільки електричними за- рядами..

Вивчаючи основи електродинаміки, ми розглядатимемо і електричне поле, яке змінюється в часі, але не пов'язане із зарядами нерозривно. Багато властивостей статичних і змінних полів збігаються, але між ними є й істотні відмінності. Надалі поле називатимемо електричним, якщо дана властивість однаковою мірою притаманна як статичним, так і змінним полям.

У сучасній фізиці електричне поле розглядають як особливу форму матерії, що мас специфічні фізичні властивості, Основна з них така: на електричні заряди, розміщені в цьому полі, діють сили, пропорційні цим зарядам. Електричне поле можна виявити, якщо в простір, який оточує заряд внести інший заряд. Звичайно для дослідження властивостей поля користуються позитивним зарядом, який називають пробним і позначають <2пР- При цьому вважають, що пробний заряд не спотворює поля, яке вивчають, тобто нехтують його власним полем. На пробний заряд,

вміщений в яку-небудь точку поля, створеного зарядом		діє сила
Р =	.
	4яє0г2

Напруженість електричного поля

Якщо в ту саму точку поля вносити різні заряди , > Оь,..., то на них діятимуть різні сили Рх, Р2> Е3, ..., але відношення Рх /0[ = = Р2 / (2і = Р3 / Для Ц^ї точки поля завжди буде сталим.

Для різних точок поля можна скласти точно такі самі відношення, тобто цією величиною можна кількісно характеризувати поле в різних точках. Відношення Е = Ь7£?пр називають напруженістю електричного поля:

ЕО Т

&Р 4тсЄдГ г

де г - відстань від заряду (), який створює поле, до точки поля, в якій визначають напруженість.

У СІ напруженість електричного поля визначають у ньютонах на кулон (Н/Кл).

Напруженість - силова характеристика поля, вона чисельно дорівнює силі, яка діє на одиничний позитивний заряд:

а

4л£ Г2 ЬО'п

Напруженість - величина векторна. Напрямом вектора напруженості Е є напрям сили, з якою поле діє на пробний заряд, вміщений у певну точку поля.

268

Лінії напруженості

Електричне поле графічно зображають силовими лініями, або иніями напруженості поля. Ними називають лінії\ дотичні до яких у коченій точці збігаються з вектором напруженості в даній точці поля.

Лінії напруженості електростатичного поля ніколи не можуть бути

иімкнені самі на себе. Вони мають обов'язково початок і кінець або ту п> у нескінченність.

І|,е свідчить про наявність у природі двох родів електричних зарядів. Умовились вважати, що

лінії напруженості електричного поля напрямлені від иозитивно-

іо заряду до негативного, тобто виходять з позитивного, а входять у 111-1'аги вмий заряд.

Лінії напруженості ніколи не перетинаються.

ІІеретин ліній означав би, що век-

юр напруженості електричного поля в гочці перетину не має певного напряму. Густотою ліній напруженосіеіі характеризують напруженість гюія У місцях, де напруженість поля менша, лінії проходять рідше. Приккіди найпростіших електричних полів подано нарис. 10.3, а -г.

Електричне поле, у всіх точках яко- •< > напруженість поля однакова за мо- <)\ ісч і напрямом (Е = сопзі), є однорідним. Прикладом такого поля мокуп, бути електричні поля рівномірно

1.1рядженої площини (рис. 10.4, а) і

пноского конденсатора на відстані від країв його обкладок (рис. 10.4, б).

Кількість силових ліній, ЩО проходять перпендикулярно до площини V або потік вектора напруженості « іекгричного поля обчислюють за формулою

Ф£=ЕЯ5.

Якщо силові лінії проходять перпе- и шкулярно до поверхні сфери, то

Ф,	Е • 4кг2 =—---4кг2	=—.
	4тгє0гі	В0

269