1. Механіка: загальні положення. Швидкість поступального руху. Прискорення у випадках прямолінійного і криволінійного руху.

Механічний рух - це зміна положення тіла відносно інших тіл або одних його час-тин відносно інших (людина йде відносно Землі; рух рук відносно тулуба). Інші приклади механічного руху показано на рис.2.1.3а, б, в).

Механічну форму руху матерії вивчає розділ фізики - "Механіка". Основне завдання механіки - знайти положення тіла в просторі в будь-який момент часу. Механічний рух відбувається у просторі і часі. Поняття простору і часу - фундаментальні по-няття, які неможливо визначити через якісь більш прості.

Для вивчення механічного руху, що відбувається у просторі і часі, потрібно перед усім уміти вимірювати проміжки часу і відстані.

Механічні рухи оточуючих тіл поділяють на: поступальний, обертальний та коливальний (система періодично повертається в положення рівноваги, наприклад коли-вання листків на дереві під дією вітру) рухи (рис.2.1.4а, б, в).

Особливості поступального руху (рух пасажирів разом з ескалатором, рух різця токарного станка тощо):

1) довільна пряма у тілі лишається паралельною собі;

2) усі точки мають однакові траєкторії, швидкості, прискорення.

Ц і умови не виконуються для обертального руху тіла (рух колеса автомобіля, колеса огляду, Землі навколо Сонця і своєї осі тощо).

Для опису механічного руху, як і інших фізичних процесів, що відбуваються в про-сторі і часі, використовують систему відліку. Система відліку - це сукупність тіла від-ліку, пов'язаної з ним системи координат (декартової або іншої) і приладу для відлі-ку часу (рис.2.1.5).

Систему відліку в кінематиці вибирають, керуючись лише міркуваннями зручності для математичного опису руху. Ніяких переваг однієї системи над іншою в кінематиці не існує. Через складність фізичного світу, вивчаючи реальне явище, його завжди доводиться спрощувати і замість самого явища розглядати ідеалізовану модель. Так, для спрощення в умовах певних задач розмірами тіл можна знехтувати. Абстрактне поняття, яке замінює реальне тіло, що рухається поступально і розмірами якого можна знехтувати в умо-вах реальної задачі, називається матеріальною точкою.

Залежно від типу траєкторії рухи поділяють на прямолінійні (траєкторія - пряма лінія); рух по колу (траєкторія - коло), криволінійні (довільна крива лінія, зокрема коло). Усі рухи можуть здійснюватися в просторі, площині і по прямій. Найпростіший вид меха-нічного руху - це рух матеріальної точки по прямій лінії (рис.2.1.6) або прямолінійний рух в площині.

Для опису механічного руху треба знати ще й темп руху. Він характеризується швидкістю. Середня швидкість є скалярною величиною і дорівнює відношенню пройденого шляху до часу:

Миттєва швидкість - дотичний до траєкторії вектор, що визначається за формулою:

де - нескінченно мале переміщення матеріальної точки; нескінченно малий проміжок часу, за який це переміщення здійснено. Це основна характеристика поступального руху тіла, що міститься в означенні імпульсу матеріальної точки: . Миттєву швидкість показує спідометр автомобіля.

За характером зміни швидкості рухи поділяються на рівномірний і нерівномірний. З рівномірних рухів в школі вивчають рівномірний прямолінійний і рівномірний рух по колу, з нерівномірних - рівномірний з певною швидкістю на окремих ділянках і середньою на всьому шляху, а також рівнозмінний, за якого швидкість тіла змінюється на одну і ту ж величину протягом будь-яких однакових інтервалів часу. Цю зміну швидкості характеризує ще одна кінематична величина - прискорення. Прискорення - це фізична векторна величина, що дорівнює відношенню зміни швидкості тіла до часу, протягом якого ця зміна відбулась:

Поняття відносності руху уже випливає з означення механічного руху. Одні тіла рухаються відносно інших. Не буває абсолютного руху або абсолютного спокою. Тіло, відносно якого розглядається зміна положення тіла, називають тілом відліку. Приклади тіл відліку: кімната будинку, купе вагона, Земля для руху супутника, Сонце для руху Землі.

Відносність руху означає, що координати тіла, швидкість, вид траєкторії залежать від того, відносно якої системи відліку розглядається рух. Перетворення Галілея дозволяють визначити координати, швидкість і траєкторію тіла відносно довільної системи відліку.

2. Кінематика обертального руху. Швидкість і прискорення криволінійного руху.

Кінематика обертального руху можна пояснити його властивостями:

1. Кут обертання *фи*звязаний з напрямом обертання лямда за правилом гвинта.

(якщо правий гвинт обертати за напрямом обертання то напрям поступального руху вкручення дорівнює 0)

2. Кут від площини икс, о, зет називають кутовим переміщенням.

3. Швидкість з якою рухається матеріальна точка називають лінійною.

4. Кут повороту дельта фи змінюється в часі нерівномірно і рух точки по колу характеризують вектором кутової швидкості омега.

5. Кутова швидкість може змінюватись з часом і елементарне кутове переміщення описується логарифмом df=w(t)dt.

6. Нормальне прискорення можна виразити через кутову швидкість.

Частота обертання *ню = омега/2пи* Період обертання Т=1/ню=2пи/омега

Криволінійним називають рух, траєкторія якого є крива лінія ( рис. 1).

Миттєва швидкість у будь – якій точці криволінійної траєкторії напрямлена по дотичній до траєкторії в даній точці

Рух по будь – якій криволінійній траєкторії можна подати як рух по дугам деяких кіл різного радіуса ( рис. 3).

Рух тіла по колу зі сталою по модулю швидкістю умовно називають рівномірним рухом по колу.

При рівномірному русі по колу його прискорення у будь – якій точці траєкторії напрямлене по радіусу до центра кола ( рис. 4). Це прискорення називається доцентровимір.

Періодом обертання ( T ) називається проміжок часу, за який тіло здійснює один повний оберт.

Частотою обертання ( ν ) називають величину, що дорівнює кількості обертів за одиницю часу.

К утовою швидкістю називають величину, що дорівнює відношенню кута повороту φ радіуса, проведеного з центра кола до точки тіла, до часу t , за який цей поворот відбувся. Напрямок кутової швидкості визначається за правилом « свердлика».

3. Класична механіка та межі її використання. Поняття маси та імпульсу.1.2.3 закони ньотона

Класична механіка — це розділ фізики, який вивчає рух на основі законів Ньютона. Класична механіка поділяється на:

статику, тобто фізику тіл у спокої (і вивчає питання їхньої рівноваги) кінематику, яка вивчає рух тіл, не беручи до уваги сили динаміку, яка вивчає рух тіл під дією сил.

Базовими поняттями класичної механіки є поняття сили, маси та руху. Маса в класичній механіці визначається як міра інерції, або здатності тіла до збереження стану спокою або рівномірного прямолінійного руху при відсутності дії на нього сил. З іншого боку, сили, які діють на тіло, змінюють стан його руху, викликаючи прискорення. Взаємодія цих двох ефектів і є головною темою механіки Ньютона.

Іншими важливими поняттями цього розділу фізики є енергія, імпульс, момент імпульсу, які можуть передаватись між об'єктами в процесі взаємодії. Енергія механічної системи складається з її кінетичної (енергії руху) та потенціальної (залежної від положення тіла відносно інших тіл) енергій. Щодо цих фізичних величин діють фундаментальні закони збереження.

Імпульс тіла – це добуток маси тіла на його прискорення. Він вимірюється в кгм/с. Величиною що дорівнє добутку сили, що діє на тіло та часу й дії сили називають імпульсом сили. Вводячи ці поняття можна отримати 2 закон ньютона в імпульсній формі: зміна імпульсу тіла дорівнює імпульсу сили.

Закон збереження імпульсу: геометрична сума імпульсу тіл, що взаємодіють тільки між собою, зберігаються незмінною. Систему сил, які взаємодіють тільки між собою називають замкнутою системою. Закон збереження імпульсу дозволяє розв’язувати задачі, які стосуються зіткнення тіл.

Закони ньютона:

1. Існують такі системи відліку, в яких центр мас будь-якого тіла, на яке не діють ніякі сили або рівнодійна діючих на нього сил дорівнює нулю, зберігає стан спокою або рівномірного прямолінійного руху, допоки цей стан не змінять сили, застосовані до нього

2. Прискорення матеріальної точки прямо пропорційне силі, яка на неї діє, та направлене в сторону дії цієї сили

3. Сили, що виникають при взаємодії двох тіл, є рівними за модулем і протилежними за напрямом.

Цей закон є спеціальним випадком другого закону Ньютона (дивись нижче), але його значення полягає в тому, що він визначає системи відліку, в яких справедливі наступні два закони. Ці системи відліку мають назву інерційних або Галілеєвих, тобто таких, які рухаються зі сталою швидкістю одна відносно іншої.

4. Принцип відносності Галілея. Закон збереження імпульсу

Принцип відносності був вперше сформульований Галілеєм. Відкидаючи застарілу концепцію руху Аристотеля, він стверджував, що рух, принаймні рівномірний та прямолінійний, відбувається «відносно чогось», і немає ніякої абсолютної системи відліку, відносно якої можна було б відштовхуватись в проведенні фізичних вимірювань. Галілей сформулював певний набір перетворень, які дозволяли переходити між системами відліку, та отримали назву перетворень Галілея. Галілей також сформулював п'ять законів руху.

Після Галілея був Ньютон, який зменшив цей перелік до трьох законів. Все це добре працювало для матеріальних тіл, але залишалась проблема — світло. Ньютон вірив, що світло є «корпускулярним», тобто складається з частинок, але пізніше фізики зрозуміли, що адекватнішим поясненням природи світла є модель поперечних хвиль. Аналогічно тому, як механічні хвилі розповсюджуються в певному середовищі, так і хвилі світла повинні були мати його для свого розповсюдження. Це гіпотетичне середовище отримало назву «світлового ефіру». Але воно повинно було б мати дещо незвичні властивості, зокрема бути надзвичайно жорстким, для того щоби забезпечити світлові таку велику швидкість, і в той же самий час бути майже невагомим та непомітним, адже інакше Земля повинна була б при русі відчувати його протидію. Ідея ефіру була в якомусь розумінні відродженням ідеї абсолютної системи відліку — стаціонарної відносно ефіру.

Сталість суми векторів імпульсу під час будь-яких взаємодій тіл є універсальним законом природи. Цей закон є одним із основних або фундаментальних законів фізики й називають його законом збереження імпульсу. Від діє не тільки у випадку взаємодії двох тіл, але й під час взаємодії великої кількості тіл. В інерціальній системі відліку за відсутності зовнішніх сил сума векторів імпульсів тіл залишається постійною під час будь-яких взаємодій тіл між собою. Якщо сума векторів імпульсів тіл, що взаємодіють, залишається постійною, то сума змін імпульсів тіл, які взаємодіють дорівнюють 0.

5. Енергія, робота, потужність. Закон збереження енергії

Розглянемо приклад, що 2 кулі рухаються одна одній з однаковими швидкостями. Зіткнувшись вони зупиняються й зливаються в одне ціле. Сума імпульсів до зіткнення й після зіткнення однакова й дорівнює 0, закон збереження імпульсу діє. Якби кулі після зіткнення могли б просто зупинитися без будь-яких інших змін у них, то це означалоб що механічний рух під час взаємодії тіл може зникати безслідно. Але природа влаштована інакше. У ній ніколи й ніде механічний рух тіл не зникає безслідно, вона перетворюється в іншй вид величини, який називається енергією. Енергія – це фізична величина, яка є кількісною мірою різних форм руху матерії. Для точного визначення енергії потрібно знайти її звязок з іншими величинами, вибрати одиницю вимірювання та способи її вимірювання. Механічної енергією називають фізичну величину, яка є кількісною мірою механічного руху тіл під час його перетворення в інші форми руху.

mv² – може бути кількісною мірою поступального руху тіл під час перетворень інших форм руху на поступальний механічний рух. У фізиці, як кількісну міру поступального механічного руху під час виникнення його з інших форм руху або перетворень на інші форми руху беруть величину, що дорівнює половині добутку маси тіла на квадрат швидкості його руху. E_k=mv²\2. Оскільки швидкість є величиною, що залежить від вибору системи відліку, значення кінетичної енергії тіла що залежить від вибору системи відліку

Будь яка зміна швидкості поступального руху тіла, а , отже і його кінетичної енергії, відбувається в результаті взаємодії з іншими тілами, використовуючи 2 закон ньютона, установимо зв'язок зміни кінетичної енергії тіла із силами, що діють на тіло. Фізичну величину, яка дорівнює зміні кінетичної енергії тіла в результаті дії на нього сили, називають роботою.

А=дельта E_k. Під час збігу вектора сили з напрямом вектора швидкості тіла, робота дорівнює добуткові сили на шлях, який пройшов тіло: А=Fs. Одиницею роботи в міжнародній системі беруть 1Н/1м або Джоуль.

Коли тіло переміщується вниз по похилій площині , сила тяжіння виконує роботу А=mgs*cos a = mgh. h- висота похилої площини, s- довжина похилої площини. Рух тіла в полі сили тяжіння з одної точки в іншу можна уявити таким чином, що складається з переміщення по похилих відрізках. Роботі сили тяжіння на всьому шляху дорівнює сумі робіт на окремих ділянках шляху. Робота постійної сили не залежить від траєкторії руху тіла й завжди дорівнює добуткові модуля сили тяжіння на різницю висот у початковому й кінцевому положеннях. Слід знати що робота сили тяжіння у будь якій замкненій траєкторії дорівнює 0.

Відношення роботи А до проміжку часу Т протягом якого вона виконувалась, називають потужністю. Потужність визначають буквою N: N=A/t. Одиницею потужності в СІ називають Ват (Вт).

Закон збереження енергії:

Повна механічна енергія – це сума кінетичної і потенціальної енергії тіл. Е=Е_к+E_п

Повна механічна енергія системи тіл, які взаємодіють між собою тільки силами тяжіння та пружності залишається незмінною. Цей дослідний факт, який підтверджують найточніші експерименти називають законом збереження механічної енергії. Закон збереження повної механічної енергії є одним з найосновніших законів механіки. Розглянемо випадок гальмування і зупинки потяга. Кінетична енергія потяга зменшилася до 0, але його потенціальна енергія при цьому не змінилася. Отже закон збереження механічної енергії не виконується, якщо між тілами діють сили тертя. Проте досвід показує, що механічний рух ніколи не зникає безслідно і ніколи не виникає сам по собі. Під час гальмування потяга нагріваються гальмівні колодки, колеса, рейки. Кінетична енергія потяга не зникає, а перетворюється на внутрішню енергію теплового руху атомів.

Закон збереження і перетворення енергії. Експериментальний факт що під час будь яких фізичних взаємодій енергія не виникає і не зникає а тільки перетворюється з однієї форми на іншу, називають законом збереження і перетворення енергії.

6. Зіткнення двох тіл. Сили інерції:відцентрова сила і сила Коріоліса.

Розглянемо приклад, що 2 кулі рухаються одна одній з однаковими швидкостями. Зіткнувшись вони зупиняються й зливаються в одне ціле. Сума імпульсів до зіткнення й після зіткнення однакова й дорівнює 0, закон збереження імпульсу діє. Якби кулі після зіткнення могли б просто зупинитися без будь-яких інших змін у них, то це означалоб що механічний рух під час взаємодії тіл може зникати безслідно. Але природа влаштована інакше. У ній ніколи й ніде механічний рух тіл не зникає безслідно, вона перетворюється в іншй вид величини, який називається енергією.

Якщо збереження швидкості руху тіла за відсутності зовнішніх впливів називають інерцією. Поява інерції відома у кожному життєвому досвіду. Наприклад коли автобус різко гальмує він має докласти певних зусиль, взаємодіючи з підлогою автобуса та поручнями. Якщо автобус робить великий поверт то і тоді пассажир буде рухатись рівномірно і прямолінійно в напрямі до бічної стінки автобуса.

Си́ла Коріолі́са (за іменем французького вченого Г. Г. Коріоліса) — одна з сил інерції, що існує в системі відліку, що обертається, і виявляється при русі в напрямі під кутом до осі обертання. Причина появи сили Коріоліса в коріолісовому прискоренні. Для того, щоб тіло рухалося з коріолісовим прискоренням, необхідне прикладення сили до тіла, рівної F = ma, де а — коріолісове прискорення. Відповідно, тіло діє згідно із третім законом Ньютона з силою протилежної спрямованості. FK = -ma. або F_k=2m[v*w] Сила, яка діє з боку тіла, і називатиметься силою Коріоліса.

При обертанні диска, дальші від центру точки рухаються з тим більшою дотичною швидкістю, чим менш далекі. Якщо ми хочемо перемістити деяке тіло уздовж радіусу, так, щоб воно залишалося на радіусі, то нам доведеться збільшити швидкість тіла, тобто, додати йому прискорення. Якщо наша система відліку обертається разом з диском, то ми відчуємо, що тіло «не хоче» залишатися на радіусі, а «норовить» зміститися — це і є сила Коріоліса.

7. Момент імпульсу. Закон збереження моменту імпульсу.

Моме́нтом і́мпульсу називається векторна величина, яка характеризує інерційні властивості об'єкта, що здійснює обертальний рух відносно певної точки (початку координат)

Таким чином, момент імпульсу тіла дорівнює добутку моменту інерції тіла на кутову швидкість. Рівняння (9) можна записати так:

. (11) або у векторній формі .

Це рівняння називається рівнянням моментів. Якщо на тіло діють сили або сумарний обертовий момент дорівнює нулю, тоді маємо:

або В цьому і полягає закон збереження моменту імпульсу. Його можна записати так:

(12)

Момент імпульсу замкнутої системи зберігається, тобто, не змінюється з плином часу.

Цей закон використовується спортсменами при виконанні стрибка через голову.

Роль імпульсу тіла при обертальному рухові відіграє момент імпульсу. Момент імпульсу пов’язаний з певною властивістю симетрії простору - його ізотропністю, тобто з інваріантністю фізичних законів відносно вибору напрямків вісей координат системи відліку

8. Момент сили. Основне рівняння динаміки обертального руху.

Моме́нт си́ли — векторна фізична величина, рівна векторному добутку радіус-вектора, проведеного від осі обертання до точки прикладення сили, на вектор цієї сили. Момент сили є мірою зусилля, направленого на обертання тіла.

М омент сили зазвичай позначається латинською літерою М і вимірюється в системі СІ в Н *м, що збігається із розмірністю енергії.

Момент сили, що діє на тіло, дорівнює добутку моменту інерції тіла на кутове прискорення.

Рівняння називають 2 законом Ньютона для обертового руху.

9. Момент інерції. Моменти інерції різних тіл.

Моме́нт іне́рції (одиниця виміру в системі СІ [кг м2]) — в фізиці є мірою інерції обертального руху, аналогічно масі для поступального. В загальному випадку, значення моменту інерції об'єкта залежить від його форми та розподілу маси в об'ємі: чим більше маси сконцентровано далі від центра мас тіла, тим більшим є його момент інерції. Також його значення залежить від обраної осі обертання.

Для будь якого тіла момент інерції дорівнює його сумі всіх точок. - товчастоцільний циліндр

; I= суцільний циліндр-mR²/2, куля -

Для тіл які обертаються: Е_к=mw²R²/2=Iw²/2;

10. Кінетична енергія обертального руху. Гіроскоп, гіроскопічний ефект, прецесія гіроскопа

Кінетичною енергією називається енергія механічного руху любого тіла: вимірюється вона тою роботою, яку могло б здійснити тіло при його гальмуванні до повної зупинки, при тій роботі, яку потрібно здійснити, щоб надати тілу дану швидкість. Формула визначається E_k= Використовуючи це поняття отриманий результат переписуємо у співвідношенні А₁₂=E_k2-E_k1 . З якої випливає теорема 1: Робота всіх зовнішніх сил, які діють на матеріальну точку, дорівнює приросту кінетичної енергії цієї точки. Вона дуже сильно залежить від вибору системи відліку, відносно якої розглядається рух точки. Робота сили в загальному випадку залежить від форми траекторії руху матеріальної точки. Однак існують сили на яких не впливає форма траекторії, тому у механіці матеріальних точок всі сили подвляють на консервативні та неконсервативні. Важливо те, що А₁₂ залежить від відстаней до силового центра і не залежить від форми шляху , по якому матеріальна точка перейшла із початкового положення до кінцевого 2.

Традиційний Гіроскоп — пристрій, що містить швидкообертове тверде тіло, яке має три обертові ступеня вільності, тобто можливість обертання навколо трьох взаємно-перпендикулярних осей. У ширшому сенсі гіроскоп — це будь-який фізичний прилад, який дозволяє визначити кутову швидкість рухомого об'єкта, або його кут повороту.

Вісь у тілі (роторі) гіроскопа, навколо якої гіроскопу надано швидкого обертання, називають головною віссю гіроскопа або віссю власного обертання.

Гіроскоп має три характерні властивості:

1. стійкість положення головної осі в інерціальному просторі, тобто здатність ефективно опиратися зовнішнім силам, які прагнуть змінити напрямок головної осі у просторі;

2. прецесії: якщо на гіроскоп діє постійний момент сил, який прагне змінити напрямок головної осі, то головна вісь набуває обертання з постійною кутовою швидкістю у площині, яка проходить через головну вісь і вісь прикладеного моменту сил;

3. нутації: якщо на гіроскоп подіяв ударний імпульс сил, який прагне змістити положення головної осі, то головна вісь починає здійснювати коливання (з великою частотою і вельми малою амплітудою), описуючи у просторі конічну поверхню з вершиною у точці підвісу.

Сучасні гіроскопи основані на вимірюванні вібраційних та хвильових параметрів резонаторів різних типів (механічних, оптичних, тощо). Принципи їхньої дії основані на ефектах Саньяка, Фермі, Брайана (інерції стоячих хвиль у пружньому кільці та у вісесиметричних оболонках), ефекті інерції поляризації пружніх хвиль зсуву, тощо.

Прилади, що використовують властивості гіроскопа, застосовуються в ряді галузей науки і техніки, зокрема в системах навігації літальних апаратів.

Гидроскопический єффект. Волчек имеет симметричную форму, точка опоры его оси находится на удалении от центра масс. Если наклонить ось вращающегося волчка и отпустите его, то он начнет прецессировать: сила тяжести через нижнее плечо оси пытается его повалить, из-за гироэффекта ось отклоняется в перпендикулярном направлении. Если ось свободно опирается на плоскость и не очень остра, то она, скользя по поверхности, создает дополнительный горизонтальный момент в паре с силой трения. Этот момент приводит к гироск. эффекту, отклоняющему ось к вертикальному положению. Волчок возвращает савою ось, в конце прецессии, в вертикальное положение. если ось волчка опирается на неподвижную опору, а не скользит свободно по столу, например, то ось должна, в принципе, все время прецессировать. Причем изменяется угол оси прецессии, то есть воображаемой оси воронки, описываемой осью волчка. Нутацией, кажется, это называется. Эта нутация приводит свою воображаемую ось в положение, параллельное земной оси. После этого нутация почти равна 0. Остается прецессия, так как момент при отклоненной оси волчка от вертикали все время присутствует. В идеальном волчке, наверное. Практически он нутирует обратно, пытаясь привести ось волчка в вертикальное положение, то есть колеблется между двумя равновесиями: то ли вертикаль держать, то ли на Полярную звезду показывать.

НУТАЦИЯ (от латинского nutatio - колебание), движение твердого тела, происходящее одновременно с прецессией, при котором изменяется угол между осью собственного вращения твердого тела и осью, вокруг которой происходит прецессия. Благодаря силам трения нутация (например, для гироскопа) довольно быстро затухает, после чего гироскоп совершает чисто прецессионное движение.

11. Вільні незгасаючі гармонійні коливання. Енергія коливального руху.

Вільні коливання – це коливання що відбуваються в коливальній системі під дією внутрішніх сил (в ізольованій системі) при умові що х зміщене та описує косінус або сінус: x Частота коливання

Під час коливань математичного маятнику в міру відхилень від положення рівноваги збільшується його потенціальна енергія і зменшується кінетична енергія, проте сума потенціальної і кінетичної енергії за законом збереження енергії залишається постійним в будь який момент часу. Приклад такої системи можна використати вантаж на пружині який періодично опускається і піднімається під час обертання підвісу. Дослід показує, коли частота обертання ручки приладу, тобто частота дії зовнішньої сили збільшується плавно то амплітуда вимушених коливань збільшується а потом поступово після досягнення певного макс значення поступово спадає. Максимального значення амплітуда вимушених коливань досягає, коли частота v коливань сили приблизно дорівнює власної частоті v₀ власної частоти.

12. Згасаючі коливання. Вимушені коливання.

Під час будь-якого механічного руху тіл у результаті дії сили тертя відбувається перетворення частини механічної енергії на внутрішню енергію теплового руху атомів і молекул, відхилення тіла від положення рівноваги поступово зменшується. Згасаючі коливання - зменшення відхилень тіла від положень рівноваги за спливанням часу. Через певній час коливання припиняються, вільні механічні коливання завжди є згасаючими коливаннями.

Для підтримання згасаючих коливань необхідно компенсувати втрати енергії у коливній системі, для цього енергію потрібно періодично поповнювати. Коливання яких втрат енергій періодично поповнюється за рахунок зовнішньої періодично діючими силами, називають вимушеними.

13. Спеціальна теорія відносності, постулати Ейнштейна.

Спеціальна теорія відносності (СТВ) — фізична теорія, опублікована Альбертом Ейнштейном 1905 року. Вона фактично замінює класичну механіку Ньютона, яка на той час була несумісною з рівняннями Максвелла з теорії електромагнетизму.

Спеціальна теорія відносності не поширює дію своїх принципів на гравітаційні сили, тому в 1916 році Ейнштейн опублікував нову — загальну теорію відносності, яка пояснювала природу гравітації.

Теорія відносності А. Ейнштейна - одна з основ сучасної фізики, яка вивчає взаємозв'язок властивостей простору і часу (просторових і часових характеристик матерії) у гравітаційному полі і якщо його немає. Її поділяють на загальну теорію відносності простору і часу та спеціальну теорію відносності, без врахування гравітаційного поля.

Теорія відносності заперечує існування введених ще в XVII ст. Ньютоном понять абсолютного простору і часу, які ні з чим не взаємодіють і є змінними. Ейнштейн розширив принцип відносності про тотожність механічних явищ в інерціальних системах на всю фізику, тобто, що всі фізичні явища - магнітні, електричні, атомно-ядерні - однаково відбуваються в будь-якій ІСВ. Це твердження називають принципом відносності Ейнштейна. Він лежить в основі теорії відносності; де його називають першим постулатом теорії відносності.

Спираючись на безліч дослідів, проведених в різний час різними вченими, Ейнштейн сформулював другий постулат теорії відносності: швидкість світла у вакуумі є однаковою в усіх інерціальних системах і не залежить ні від швидкості джерела, ні від швидкості приймача.

Швидкість світла у вакуумі виявилась граничнодопустимою для будь-якого матеріального тіла, а це означає, що ніяке матеріальне тіло не може рухатись зі швидкістю, більшою за швидкість світла у вакуумі.

Теорія відносності та її постулати повністю змінили погляди на характеристики простору і часу. Були сформульовані основні висновки теорії відносності:

1) Явища, які є одночасними в одній системі відліку, можуть виявитись неодночасними в іншій;

2) довжина тіла, час і маса залежать від швидкості тіла. Якщо l0 - довжина стрижня в системі, у якій стрижень знаходиться в спокої (власна довжина), а l - довжина стрижня в рухомій системі відліку (СВ), то :

3) Взаємозвязок маси та енергії: Е=mc²

Маса матерії може бути претворена в енергію і навпаки. Будь яке тіло має внурішню енергію, яку називають масою спокою. Якщо тіло рухається з деякою швидкістю то його маса змінюється m_r=

14. Перетворення Лоренца та висновки з них: одночасність подій, довжина тіл і тривалість процесів в різних інерційних системах відліку.

Перетворення лоренса для координат часу при переході від системи К до К^і або навпаки відрізняється від перетворень галілея насамперед тим що tⁱ не дорівнює t. У різних рухомих одна відносно одної ситемах відліку час плине по різному. У співвідношення для перетворень часу входять просторові координати. Це є принципіально важливим і свідчить про єдність простору і часу. Перетворення лоренса є лінійними за координатою х і часом т. ці перетворення переходять у перетворення галілея за умови v<<c.

Перетворення лоренса наштовхнуло на думку про єдність простору й часу і на цій основі було введено геометричний образ чотиривимірного світу, в якому положення матеріальної точки в кожний момент часу визначається 4ма координатами: 3ма просторовими (икс, игрик, зет) и часовою Т. Таку точку називають світовою точкою а її рух у чотиривимірному просторі, часі зображується світовою лінією. Явище, що характеризується трьома просторовими координатами і відбувається в певний момент часу називається подією.

15. Молекулярна фізика і термодинаміка, їх задачі і методи. Макроскопічні параметри і їх мікроскопічне трактування.

Молекуля́рна фі́зика — розділ фізики, який вивчає речовину на рівні молекул. Речовину на рівні атомів вивчає атомна фізика. Обертом вивчення молекулярно-кінетичної теорії є речовина в твердому, рідкому та газоподібному стані. Молекулярно-кінетичною теорією називають учення про будову й властивості речовини, яка використовує уявлення про існування атомів і молекул, як найменших частинок хімічної речовини. Гіпотезу про існування атомів як найменших неподільних частинок висунув близько 2500 років тому Левкіпп та Демокріт. Йя гіпотеза пояснила основні механічні властивості газів, рідин, твердих тіл. В основі молекулярно-кінетичної теорії лежать положення:

1. Усі тіла складаються з атомів. Атомами називають найменш неподільні частинки речовини. Усі атоми однієї хімічної речовини цілковито однакові.

2. Атоми перебувають у безперервному хаотичному русі. Між атомами діють сили притягання. На дуже малих відстанях між атомами діють сили відштовхування.

3. Найменші частинки речовини, що скаладаються з 2х більшої кількості атомів називаються молекулами. Рух атомів і молекул, їх взаємодії описують закони механіки.

Останнє припущення дозволяє використати основні закони механіки, для зясування властивостей тіл, що складаються з великої кількості частинок, які рухаються хаотично.

Для вимірювання кількості частинок, з яких складається тверде, рідке або газоподібне тіло, використовують фізичну величину – кількість речовини. Одиницею кількості речовини є 1 моль що дорівню 0,012кг вуглецю або молекул в ньому.

Для переходу вимірювання кількості речовини у молях, до частинок до числа N_A= = 6.022*10²³ моль^-1.

Молярна массу називають відношеню маси до кількості речовини (кг/моль). Для визначення маси молекули потрібно знати массу речовини й число молекул в ній. m₀₌

Статисти́чна меха́ніка — розділ фізики, який, використовуючи статистичний підхід теорії ймовірності, вивчає макроскопічні властивості фізичних систем, що складаються із великого числа часток.

Прикладом першого способу зміни внутрішньої енергії може бути підвищення температури повітря в циліндрі дизельного двигуна в результаті його швидкого стискання за допомогою поршня. Збільшення внутрішньої енергії газу в процесі швидкого стискання відбувається в результаті перетворення механічної енергії на внутрішню енергію. Вимірюючи рботу зовнішніх сил під час стискання газу, ми одержуємо кількісну міру перетворення механічної енергії на внутрішню енергію газу. Спосіб зміни внутрішньої енергії тіла шляхом здійснення механічної роботи називається макроскопічним способом передачі енергії.

Внутрішня енергія тіла або системи тіл може змінюватись й без застосування до них механічної роботи. Коли ми ставимо чайник з холодною водою на гарячу плиту, температура води в чайнику поступово підвищується а отже збільшується і внутрішня енергія. Збільшення внутрішньої енергії відбувається в результаті передачі частини кінетичної енергії безладного теплового руху від атомів гарячої плити молекулам води.

Спосіб зміни внутрішньої енергії тіла шляхом теплопередачі від інших тіл називають мікроскопічним способом передачі енергії.

16. Основне рівняння молекулярно-кінетичної теорії газу. Температура. Рівняння стану ідеального газу. Закони ідеальних газів.

Індивідуальні характеристики молекул газу називають мікроскопічними параметрами. До них належать маса молекул, їхня швидкість і кінетична енергія хаотично поступального руху. Одним з найголовніших завдань є втстановлення зв’язку між мікроскопічними та макроскопічними параметрами газу.

Для розв’язання його завдання в молеклярно- кінетичній теорії використовують модель ідеального газу. У цій моделі припускають що об’єм усіх молекул газу надто малий порівняно з об’ємом посудини, між молекулами не діють сили притяганя, а під час співударів між собою діють сили відштовхування.

Вираз ідеального газу ( ) після отримання через низку положень, дуже близький до рівняння, яке одержав упершее один із творців молекулярно кінетичної теорії Рудольф Клаузіус на основі точніших розрахунків:

У цьому рівнянні символом v² позначено середній квадрат швидкості молекул газів, що визначається виразом: . Рівняння клаузіуса, яке встановлює звязок між тиском ідеального газу (p), тасою молекули m і концентрації молекул (n) з середнім квадратом швидкості (v²) називають молекулярно-кінетичною теорією газів. Здійснивши в цьому рівнянні заміну одержимо nE тобто тиск ідеального газу дорівнює 2/3 добутку концетрації молекул на середнє значення кінетичної енергії хаотичного руху молекул Е. Таким чином використовуючи модель ідеального газу ми встановили зв'язок одного макроскопічного параметра газу (тиску р) з мікроскопічним параметром (масою м молекули) виразивши густину речовини через концентрацію і масу молекул p=nm можна отримати ще один тип рівняння для обчислення тиску газів .

Спістереження свідчать що коли контактує гаряче тіло й холодне, то відбуваються зміни фізичних параметрів і паршого і другого тіла. Процес у результаті якого відбувається зміни будь яких параметрів тіл, які стикаються називають теплопередачею. Наприклад може змінюватись об’єм тіла. Коли теплопередача припиняється, причиняються і зміни макроскопічних параметрів тіл. Такий стан називають тепловою рівновагою. Фізичний параметр, однаковий у частинах системи тіл, що перебувають у стані теплової рівноваги, називають температурою тіла. Температура як фізичний параметр визначає можливість теплопередачі від одного тіла до іншого й напрям теплопередачі. Найпростішим приладом для вимірювання температури є рідинний термометр, у ньому використовують властивість розширення рідин при нагріванні.

У 18 сторіччі екпериметально втановили, що за умов постійного об’єму однакове нагрівання будь-якого газу спричиняє однакове підвищення тиску. У процесі вимірювання температури за шкалою цельсія …залежність тиску будь-якого газу від температури виражається законом p= p₀(1+at) a= 1/273,15 – термічний коефіціент тиску. Р₀ – тиск при 0 градусів.

17. Електростатика. Електричний заряд і його властивості. Закон Кулона

Електростатика вивчає нерухомі заряджені тіла та взаємодію між ними. Ця взаємодія описується законом кулона k=1/4

За сучасними уявленнями електричны заряди не існують окремо вид елементарних частинок. Електричний заряд э характеристикою, властивістю елементарної частинки, таким самим як і його масса. Маса частинки є його властивістю що характеризує здатність до взаємодії з іншими частинками, які мають массу, за допомогою сил гравітаційної взаємодії.

Властивості:

1. Закон збереження електричного заряду: в замкнутій системі алгебраїчна сума зарядів є величиною сталою .

2. Відносна діелектропроникність: величина, яка показує в скільки разів сила взаємодії зарядів в данному середовищі менша від заряду в вакуумі. Взаємодія між електричними зарядвами відбувається через особливий вид матерії – електричне поле.

3. Напруженість, як силова характеристика електричного поля :

4. Потенціал, як енергетична характеристика електричного поля: П- потенціальна енергія, q - величина заряду.

Для виявлення електричного заряду використовують електрометр. Основними частинками електрометра є металевий стержень, на якому закріплена стрілка і металевий корпус.Відхилення стрілки збільшується під час збільшення заряду, що передається електропаперові. Електричний заряд у міжнародній системі одиниць вимірювань є Кулон ( 1 ампер на секунду) під час вимірювання електричного заряду в кулонах коефіціент пропорційності К дорівнює законі кулона 9*10⁹ нМ²/кл²

18. Напруженість і потенціал поля. Зв’язок між ними. Електричний диполь.

Для характеристики здатності електричного поля діяти на електричні заряди в одній точці простору використовують фізичну величину, яку називають напруженістю електричного поля. Напруженість Е електричного поля називають величину, що дорівнює відношеню сили яка діє на точковий заряд, до значення цього заряду напруженість електричного поля – величина векторна, напрям вектора напруженості вказує напрям дії кулонівської сили на позитивний електричний заряд, уміщений у даній точці поля. Використовуючи значення напруженості електричного поля і закону Кулона можна одержати формулу для обчислення напруженості на довільній відстані від електричного заряду.

- це згідно відношеню сили, що діє на точковий заряд, а за законом Кулона ця сила дорівнює .

.

Оскільки сила дії електричного поля на заряд пропорційна до заряду, той потенціальна енергія електричного заряду пропорційна до його значення. Відношення потенціальної енергії заряду до його значення в одній й тій самій точці електростатичного поля для будь-якого заряду однакове. Тому це відношення є енергетичною характеристикою даної точки електростатичного поля. Це відношення називають потенціалом електричного поля. Припомнивши формулу роботи електричного поля під час переміщення заряду випливає Е_п= . Робота сил електричного пля під час переміщення електрчного заряду з точки 1 в точку 2 електростатичного поля дорівює добуткові заряду на рузницю потенціалів електростатичного поля в точці 1 і в точку 2. Потенціал – скаларна величина. Якщо є декілька електричних зарядів, то потенціал електричного поля в певній точці простору визначають як алгебраїчну суму потенціалів кожного заряду в цій точці. . потенціал електричного заряду qна відстані r від нього визначають формулою . Значення різниці потенціалів у двох точках поля має абсолютне знаення й не залежить від вибору відліку потенціалів.

19. Полярні і неполярні молекули. Поляризація діелектриків.

Полярність (рос. полярность, англ. polarity, нім. Polarität f) – в точних науках:

1) Здатність деяких тіл виявляти певні властивості в окремих точках (полюсах) своєї поверхні з більшою інтенсивністю, ніж в інших, напр., бути протилежно намагніченими або наелектризованими.

2) Наявність двох протилежних полюсів.

Полярні речовини (напр. полярний розчинник) – сполуки, в молекулах яких електричні центри позитивних і негативних зарядів не збігаються: один кінець молекули несе позитивний заряд, другий – негативний. Полярні речовини хімічно активні і при розчині у воді дисо-ціюють на йони. До полярних речовин належать неорганічні кислоти і їх солі, вода та ряд природних мінералів. Тверді полярні речовини гідрофільні.

Сполуки, молекули яких складаються з полярних і неполярних груп атомів, називаються гетерополярними. Вони володіють одночасно властивостями полярних і неполярних сполук. Полярні кінці молекул гідрофільні і змочуються водою, а неполярні – гідрофобні і не змочуються водою. До гетерополярних речовин належить багато флотаційних реагентів. У флотаційної пульпі гетерополярні речовини адсорбуються на межі розділу фаз і створюють точно орієнтований шар. Орієнтація молекул залежить від полярності фаз: аполярний кінець гетерополярної молекули завжди спрямований у бік менш полярної фази.

20. Умови на межі двох діелектриків. Сегнетоелектрики. П’єзоелектричний ефект.

При розміщенні діалектрика в полі відбувається його поляризація: молекули діалектрика перетворюються на диполі, утворюється власне електричне поле, напрям якого протилежний до зовнішнього, тобто зовнішнє поле послаблюється. Ступінь ослаблення вказує на напруженість діалектрика.

Існують речовини, які мають аномально високу проникненість – сегнетоелектрики. Прикладом сегнетоелектрика є сегнетова сіль, від назви якої походить назва класу речовин, а також титанат барію.

Властивості:

• Температурний діапазон, в якому сегнетоелектрик має спонтанний дипольний момент, називається полярною областю. Кристалічна модифікація, в якій сегнетоелектрик спонтанно поляризований називається полярною фазою. Кристалічна модифікація, в якій спонтанний момент відсутній називається неполярною фазою. Температура, при якій відбувається перехід між полярною й неполярною фазами, називається температурою Кюрі.

Більшість сегнетоелектриків мають одну температуру Кюрі, вище якої їхня фаза неполярна, а нижче — полярна. Проте існують сегнетоелектрики, в яких полярна фаза існує в певному температурному діапазоні, наприклад, сегнетова сіль.

• Поведінка сегнетолектриків має багато спільних рис з поведінкою феромагнетиків.

• У сегнетоелектричних кристалів існує кілька напрямків (відносно осей кристалічної ґратки), вздовж яких може бути направлений спонтанний дипольний момент. Такі напрямки називаються полярними вісями. При відсутності зовнішнього електричного поля сегнетоелектрик розділяється на області повної поляризованості відносно однієї з полярних осей — домени.

Завдяки існуванню доменів при відсутності зовнішнього поля сумарний дипольний момент кристала сегнетоелектрика зазвичай дорівнює нулю, але в зовнішньому полі домени переорієнтовуються. В сегнетоелектриках спостерігається діелектричний гістерезис, аналогічний магнітному гістерезису феромагнетиків.

П'єзоелектричний ефект був відкритий у 1880 році Джексом і П’єром Кюрі. Вони помітили, що в деяких кристалах при механічному впливі на них з'являється електрична поляризація, причому ступінь її пропорційний величині впливу. Пізніше Кюрі відкрив інверсійний п'єзоелектричний ефект — деформування матеріалів, поміщених в електричне поле. Ці явища ще називають прямим і зворотнім п’єзоелектричним ефектом.

П'єзоелектричний ефект властивий деяким природним кристалам, таким як кварц і турмалін, які протягом багатьох років використовувалися як електромеханічні перетворювачі. Кристалічні ґрати кристалів, які володіють п'єзоелектричним ефектом, не мають центру симетрії. Вплив (стискаючий чи розтягуючий), прикладений до такого кристала, призводить до поляризації після поділу позитивних і негативних зарядів, які є в кожній окремій елементарній частці. Ефект практично лінійний, тобто ступінь поляризації прямо пропорційна величині прикладеного зусилля, але напрямок поляризації залежний, тому що зусилля стискання чи розтягування генерують електричні полюси, а отже, і напругу, протилежну полярності.

П'єзоелектричні елементи ідеальні при використанні як електромеханічні перетворювачі. Вони досить широко використовуються для виготовлення п’єзокерамічних компонентів, вузлів і пристроїв. Деякі п’єзокерамічні елементи вже споконвічно можуть виконувати функції компонента чи вузла (наприклад, пластинчасті біморфи) і не мають потребу в додатковій доробці. Усі вироби, виготовлені на базі п’єзокераміки, підрозділяють на наступні основні групи: генератори, датчики (сенсори), актюатори (п’єзоприводи), перетворювачі і комбіновані системи.

21. Провідник в зовнішньому полі. Електроємність.

Метали – найкращі провідники електричного струму. Під час проходження електричного струму через металеві провідники їхня маса і хімічний склад не змінюються – атоми металу не переносять електричний струм. У металах це роблять вільні електрони. Валентні зони металів заповнені тільки частково. У них багато незаповнених електронних станів, що дозволяє електронам рухатися в кристалічній ґратці. При дії на провідники зовнішнього електричного поля частина металу, що розміщена ближче до позитивного заряду, який створює електричне поле, набуває негативного заряду, протилежна частина заряджена позитивно. Такий ефект пояснюється електростатичною індукцією.

Питомий опір металів лінійно залежить від температури. Це пояснюється тим, що при збільшенні температури збільшується коливання атомів відносно рівноважних положень. Зміщення їх рівноважних положень погіршує перекривання їхніх електронних оболонок і утруднює проходження електронів від атома до атома. Неперекривання збільшується при збільшенні температури.

Здатність діелектриків послаблювати електричне поле застосовують у конденсаторах. Конденсатори це прилади для нагромадження електричних зарядів. Найпростіший конденсатор складається з двох паралельних металевих пластин, розділений шаром діелектрика. Поза пластинами дія електричних полів протилежно заряджених пластин взаємокомпенсується, напруженість поля дорівнює 0. Наруга між пластинами прямо пропорційна до заряду на одній пластині, тому відношення заряду до напруги буде писатися так: є для конденсатора сталою величиною при будь-яких значенях заряду. Це відношення називають електроємністю конденсатора. Одиницею електроємності є Фарад. Електроємність 1 фарад - це дуже велика електроємність. Більшість конденсаторів які використовуються на практиці мають значно менші значення електроємності.

22. Конденсатори і їх ємність.. З’єднання конденсаторів.

Крім плоских є ще й циліндричні та сферичні конденсатори. За видом шару діелектрика розрізняють паперові, електролітичні конденсатори тощо.

Часто використовують конденсатори змінної ємності з повітряним або твердим діелектриком.

Основними параметрами довільного конденсатора є його ємність і максимальна напруга, яку він може витримати без пробою діелектрика. Щоб підібрати потрібну електроємність для заданої робочої напруги, конденсатори з'єднують у батареї. Можливими є три типи з'єднань конденсаторів: послідовне, паралельне і змішане.

Н ехай послідовно з'єднано N конденсаторів (рис. 4.1.18). На обкладках кожного конденсатора буде однаковий за модулем заряд, тобто, q1 = q2 = … = qN = Q, де Q - заряд обкладок всієї батареї. Напруга на клемах такої батареї дорівнюватиме сумі напруг на всіх послідовно з'єднаних конденсаторах, тобто:

23. Електричний струм, постійний струм, сила і густина струму.

Електри́чний струм — впорядкований рух заряджених частинок у просторі. У металах це електрони, напівпровідниках - електрони та дірки, у електролітах - позитивно та негативно заряджені іони, у іонізованих газах — іони та електрони. За напрямок струму вибирають рух позитивно заряджених частинок. Таким чином, напрямок струму в металах протилежний напрямку руху електронів.

Кількісно електричний струм характеризується диференційною векторною величиною, густиною струму, або у випадку струму в проводах інтегральною величиною силою струму.

Пості́йний струм — електричний струм, незмінний в часі.

Необхідно відзначити деяку некоректність терміну постійний струм: насправді для постійного струму незмінним є перш за все значення напруги (вимірюється у вольтах), а не значення струму (вимірюється в Амперах), хоча значення струму також може бути незмінним. Тому термін постійний струм слід розуміти як постійну напругу. Далі використовуватимемо термін саме в цьому значенні.

Використовування терміну постійний струм (так само, як і змінний струм) підкреслює «силовий» характер даного сигналу, тобто це електричний сигнал, що передає потужність, призначений для живлення електричних пристроїв. У інших значеннях використовують точніші терміни: напруга, сигнал тощо

П остійним струмом називають струм, в якому сила струму не змінюється ні за значенням, ні за напрямом. j-густина струму, s- плоша поперечного перерізу. ( Ампер/метр квадратний),

R=

При кімнатній температурі деякі вільні електрони мають кінетичну енергію, якої достаточно щоб вирватися з поверхні металу і не повернутися до нього. Затрачену при цьому енергію називають роботою виходу електрона, а процес електронною емісією. При нагріванні до 1000 К і више кінетична енергія електронів значно зростає. Процес їх вильоту стає масовим. Відбувається явище термоелектронної емісії.

При зєднанні двох металів, між ними виникає різниця потенціалів, яку називають контактною. При однаковій температурі металів контактна різниця не створює ЕРС.

Якщо один метал охолодити то виникає ЕРС термоелектричне. (використовується термометр в холодильнику), якщо через термопару пропустити постійний електричний струм, то один із металів почне нагріватися а інший охолоджуватися. Призміні напряму струму процеси змінюються. Це явище вперше відкрив Пелотьє.

24. Е лектрорушійна сила. Закон Ома. Опір провідників. Закон Ома для повного кола.

Причини виникнення опору

Електрони провідника невпинно й хаотично рухаються, але у випадку, коли до провідника не прикладена напруга, хаотичний рух електронів в середньому не призводить до переносу заряду — електричний струм дорівнює нулю [1] Електричний струм виникає тоді, коли існує переважний рух електронів у одному напрямку. Така ситуація можлива при наявності електрорушійної сили, енергія якої витрачається на переорієнтацію теплового руху електронів.

Під час свого руху електричні заряди взаємодіють з кристалічною ґраткою: зіштовхуються з атомами ґратки (розсіються). При цьому електрони віддають енергію, отриману від електричного поля джерела е.р.с., ґратці. Атоми, що перебувають в коливальному русі навколо положення рівноваги, збільшують амплітуду коливання. Тобто, енергія електричного поля перетворюється в енергію коливання атомів — в тепло.

25. Правила Кiрхгофа для розгалужених мереж. Потужність і ККД постійного струму.

З ако́н Кірхго́фа (Kirchhoffsches Gesetz n) — назва кількох законів природи, встановлених Густавом Кірхгофом.

1) У хімії: залежність теплового ефекту реакції від температури описується різницею сум теплоємностей продуктів реакції і реактантів, тобто різницею теплоємностей кінцевого й початкового станів системи.

2) У фізиці: випромінювальна здатність ε будь-якого тіла дорівнює його коефіцієнту поглинання при заданих температурі Т і довжині хвилі λ: ε (λ, Т) = α (λ, Т).

3) У електротехніці — так іноді називають правила Кірхгофа — два основних закони електричних кіл.

Перший встановлює (для вузла) зв'язок між сумою струмів, спрямованих до вузла електричного з'єднання (додатні струми), і сумою струмів, спрямованих від вузла (від'ємні струми). Згідно з цим законом алгебрична сума струмів, що збігаються в будь-якій точці розгалуження провідників, дорівнює нулю.

Другий закон Кірхгофа (для контура) встановлює зв'язок між сумою електрорушійних сил і сумою падінь напруги на резисторах замкненого контуру електричного кола. Згідно з цим законом алгебраїчна сума миттєвих значень електрорушійної сили всіх джерел напруги у будь-якому контурі електричного кола дорівнює алгебричній сумі миттєвих значень падінь напруги на всіх резисторах того самого контуру.

26. Робота виходу електрона, електронна, термоелектронна емісія. Контактна різниця потенціалів.

Р оботою виходу електрона називають найменшу енергію, що треба затратити для виходу електрона з металу в вакуум. Роботу виходу прийнято позначати я к добуток: де називають потенціалом виходу або поерхневим стрибком потенціалу. Робота виходу електрона є одною з важливіших характеристик речовини. Вона залежить від природи металу, стану його поверхні і може істотно змінюватись внаслідок абсорбції різних атомів або молекул на поверхні. Експериментальні дані показують що робота виходу електрона з металів дорівнює кільком електрон-вольтам.

Термоелектронна емісія — явище зумовленого тепловим рухом вильоту електронів за межі речовини.

Термоелектронна емісія суттєва для функціонування вакуумних ламп, в яких електрони випромінюються негативно зарядженим катодом. Для збільшення емісії катод зазвичай підігрівається ниткою розжарення.

Різниця потенціалів виникає всередині контакту між точками, які лежать зовні металів безпосередньо поблизу поверхонь, що контактують. Тому називають зовнішньою різницю потенціалів. Вона зумовлена різницею орбіт виходу для електрона з статистичних металів і дорівнює різниці потенціалів виходу для першого і другого металів. Крім того між внутрішніми точками металів виникає додаткова різниця потенціалів . Виникненя внутрішньої різниці потенціалів зумовлено неоднаковими концепціями електронів у стичних металах. - енегія Фермі в першому та другому металах при абсолютному 0. Повна контактна різниця буде дорівнювати Ці формули є математичним законом вольти, що показують залежність від хімічної природи та температури статичних металів.

27. Термоелектрорушійна сила. Явище Пельтьє

За законом вольти послідовних контактів, у замкнутому колі, що складається з кількох металів або напівпровідників з однаковою температурою, електричного струму немає. Якщо ж температура в місцях контакту різна, то в колі виникає струм, який називають термоелектричним. Електрорушійну силу, що зумовлює цей струм, називають термоелектрорушійною силою. Явище термоелектрорушійної сили відкрив у 1821р німецький фізик Т.Зєєбек (1770-1831) Для спостереження цього явища досить приєднати до мілівольтметра 2 мідних дроти і замкнути їх залізним дротом. При нагріванні одного зі спаїв у колі виникає термо ЕРС. Якщо цей спай охолодити , а другий спай нагріти – то знак термоЕРС зміниться і стрілка мілівольтметра відхилеться в протилежний бік. Систему двох різних контактуючих металів, металі і напівпровідника або 2х напівпровідників з провідностями різних типів називають термопарою. Електрорушійна сила диференціальної термопари складається з електрорушійних сил обох її сплавів. Електрорушійна сила спаю залежить від природи металів та від температури спаю. Якщо температура більш нагрітого спаю Т₁ а олоднішого Т₂ то терморушійна сила термопари . Термоелектричні властивості пари двох металів при малій різниці температур спаїв характеризується величиню , яку називають коефіцієнтом термо ЕРС.

Т ермоелектричні властивості мають проявлятися більше в напівпровідниках ніж у металах. Явище термо ЕРС використовується для виміру температур.

28. Електропровідність газів. Несамостійний і самостійний розряди в газах, їх вольт-амперна характеристика.

За нормальних умов гази- діелектрики. Для створення провідності гази потрібно іонізувати. Іонізація – це процес розщеплення молекул газу на іони. Вона може відбуватися при нагріванні та опроміненні молекул газу ультрафіолетовим, рентгенівським та гама променями. Поряд із іонізацією відбувається зворотній процес рекомбінація. Рекомбінація – обєднання йонів діелектричними властивостями. Процес протікання електричного струму в газі називають розрядом. Також поряд з ними є ударна іонізація, коли йони розглядаючись розбивають їх на нові частинки.

Види розрядів:

1. Іскровий- переривчастий розряд газів, який відбувається між електродами при досягненні напруги між ними 30кВТ/с. використовується для запалювання газоповітряних та бензинових сумішей.

2. Дуговий – постійний розряд газів, який відбувається при відносно невеликій напрузі та невеликому струмі. Використовується як джерело світла та дл електрозварювання металу.

3. Тріючий – створюється у містах, при пониженому тиску, супроводжується тьмяним світінням та тлінням.

Використовується в лампах денного світла.

Випромінювання розряду може поглинатися люмінофором, яким покрито внутрішню поверхню колби. Поглинаючи це випромінення ми бачимо, що залежно від хімічного складу отримують холодне нейтральне та тепле світло.

4. Коронний – відбувається біля електродів які мають велику неоднорідність електричного поля. Супроводжується і використовується в електрофільтрах для очищення сажі та в коливальних і других лазерних пристроях, для створення тексту на папері.

При малих зовнішніх електричних полях провідність газів зумовлена зовнішніми джерелами іонізації. Розряд, який виникає в таких умовах, називають несамостійним розрядом.

Розряди, які виникають у сильних електричних полях за рахунок іонізації, що виникає при протіканні струму, називаються самостійними газовими розрядами.

30. Дисоціація молекул в розчинах. Електроліз.

сучасна фізична теорія провідності електролітів може пояснювати складові частинки , які під час розчинення набувають різнойменних зарядів, тобто стають позитивними й негативними іонами. Явище розпаду речовин на різнойменні іони під дією розчинника називають електролітичною дисоціацією. Цей процес можна уявити так: навколо кожного з йонів розчиненої речовини NaCl орієнтуються полярні молекули розчинника (води). Позитивно зарядженні іони натрію притягають негативні плюси дипольних молекул води. При цьому вони відштовхують негативні іони хлору. Процес взаємодії іонів з дипольними молекулами розчинника називають сольватацією. Такий процес послаблює взязки між іонами натрію та хлору. Частинки розчиненої речовини взаємодіють з молекулами розчинника, утворюючи комплекси – сольфати. При зближенні позитивного і негативного іонів вони можуть зєднатись і утворити нейтральну молекулу. Інші нейтральні молекули можуть навпаки дисоціювати на іони. Внаслідок йього встановлюється динамічна рівновага процесів дисоціації і рекомбінації, при якій статистично частка дисоційованих молекул у середньому залишається незмінною у часі.

Для кількісної характеристики вводять коефіціент дисоціації а=n/n₀ Для а – коефіціент буде повним (сильним) а при 0 взагалі не буде (слабкий). Також учений Осфальд довів, що відношення коефіціентів пропорційності що лежать від природи електроліту та динамічної рівноваги називають константою рівноваги абр константою дисоціації.

31. Закони Фарадея. Технічне використання електролізу.

32. Електропровідність металів. Власна і домішкова електропровідність напівпровідників та її температурна залежність.

Електропровідність — здатність речовини проводити електричний струм. Електропровідність виникає в електричному полі. Електропровідність властива усім речовинам, але для того, щоб вона була значною, необхідно, щоб в речовині були вільні заряди.

33. Випрямляюча дія p-n - переходу. Напівпровідникові фотоелементи.

p-n – перехід –це контакт двох домішкових напівпровідників з провідністю різних типів. На властивостях таких переходів грунтується принцип дії численних напівпровідникових приладів., які шароко застосовуються в радіотехніці, електротехніці та електроніці.

34. Явище надпровідності і його фізична природа. Надпровідники 1-го та 2-го типу. Проблема високотемпературної надпровідності.

Надпровідність — квантове явище протікання електричного струму у твердому тілі без втрат. Явище надпровідності було відкрито[1] в 1911 році голландським науковцем Камерлінґ-Оннесом, лауреатом Нобелівської премії 1913 року. Усього за відкриття в області надпровідності було видано п'ять Нобелівських премій з фізики: в 1913, 1972, 1973, 1987 та 2003 роках.

Явище надпровідності існує для низки матеріалів, не обов'язково добрих провідників при звичайних температурах. Перехід до надпровідного стану відбувається при певній температурі, яку називають критичною температурою надпровідного переходу. Надпровідність, проте, може бути зруйнована, якщо помістити зразок у зовнішнє магнітне поле, яке перевищує певне критичне значення. Це критичне магнітне поле зменшується при збільшенні температури.

Явище надпровідності — макроскопічне (видиме) проявлення квантової природи речовини: атомів та електронів. Відомо, що електрони в атомі можуть перебувати тільки у визначених станах, яким відповідають дискретні значення енергії. Таким чином атом може поглинати і випромінювати енергію певними порціями — квантами. Однак, якщо ми перейдемо до макроскопічного тіла, де концентрація електронів перевищує 1022 см-3, то квантовий характер зміни енергії кожного електрону «змазується» великою кількістю таких електронів, що поглинають або випромінюють енергію, і ми бачимо суцільний спектр поглинання або випромінювання енергії макроскопічними тілами.

Надпровідність характеризується абсолютним діамагнетизмом. У магнітному полі в надпровідному матеріалі виникають такі струми, магнітне поле яких повністю компенсує зовнішнє магнітне поле, тобто магнітне поле виштовхується із надпровідника. Завдяки цій властості виникає явище левітації надпровідника над магнітом (або магніта над поверхнею надпровідника ), яке отримало назву труна Магомета. Сильне магнітне поле руйнує надпровідність. Проте надпровідники розрізняються за своєю поведінкою у відносно сильних магнітних полях, у залежності від поверхневої енергії границі розділу надпровідної й нормальної фаз. У надпровідників I роду ця поверхнева енергія додатня, й надпровідність руйнується, якщо поле перевищує певний рівень, який називається критичним магнітним полем. У надповідників II роду поверхнева енергія границі розділу нормальної та надпровідної фаз від'ємна, тож магнітне поле, коли його напруженість перевищує певне значення (воно називається першим критичним полем), починає проникати в надпровідник поступово в певних місцях, навколо яких утворюються вихрові струми (див. Абрикосівський вихор). Якщо збільшувати магнітне поле далі, то нормальних областей стає дедалі більше, й при критичному полі надпровідність руйнується повністю. Надпровідники другого роду використовуються для створення надпровідних електромагнітів.

У надпровідниках 1-го типу магнітне поле витіснене на поверхню. Такий надпровідник стає звичним провідником (тобто з опором) коли або зовнішнє магнітне поле набуває критичної індукції Вс, або ж густина струму в ньому перевищить критичне значення Jc. З’ясувалося, що за температур, близьких до абсолютного нуля (від 0 К до 4 К), надпровідність 1-го типу притаманна майже всім металам та багатьом іншим матеріалам. Прикладами є оливо та алюміній.

У надпровідниках 2-го типу за відповідної критичної температури магнітне поле з нижньою критичною індукцією Bc1 не проникає всередину речовини. Зі зростанням індукції магнітне поле починає пронизувати надпровідник у вигляді так званих вихорів, перш ніж з досягненням верхньої критичної індукції Вс2 не втратиться його надпровідність – це і є ВТНП. Приклади: YBa2Cu3O7 (ітрій-барієвомідний оксид) з пороговою температурою 93 К.

Дуже довго її розкравають….

35. Магнітне поле, індукція магнітного поля. Закон Біо-Савара-Лапласа.

Для опису взаємодії електричних зарядів уводять понятння магнітного поля так само, як і для опису електричної взаємодії було введено поняття електричного поля. Кожен рухомий заряд утворює навколо себе магнітне поле. Воно діє на будь який інший рухомий електричний заряд. Період обертання частинки у магнітному полі рівна

B-індукція, q- заряд частинки

Напрям лінії індукції визначався за правилом правого грвита:

- Якщо гвинт обертати так, щоб його поступальний рух збігався з напрямом струму у провіднику, то напрям обертання кінців ручок гвинта вкаже напрям дії індукції.

Індукція магнітного поля – це векторна величина, вона рівна відношенню сили до струму і довжини провідника.

Для визначення магнітного поля в будь якій точці від провідника зі струмом використовують закон Біо-Савара-Лапласа

B= = Магністна стала. відносна магнітна проникність.Вона безмірна і не показує в скільки разів магнітне поле у данному середовищі відрізняється від у вакуумі.

Необхідно замітити те, що магнітна взаємодія не є зміною кулонівської взаємодії (сонце та вихрі) нерухомих зарядів а є тільки доповненням. Це означає що сила повної електромагнітної взаємодії рухомих електричних зарядів є векторною сумою сил кулонівської взаємодії і магнітної взаємодії.

Щодо речовин то їх можна подати на 3 категорії: діамагнетики, парамагнетики, феромагнетики.

Діамагнетики – це речовини, у яких магнітне поле послаблюється. Парамагнетики – це речовини в яких зовнішнє магнітне поле посилюється через орієнтацію атомних полів. Феромагнетики – це речовини які посилюють набагато магнітне поле речовини.

36. Закон Ампера. Сила Лоренца.

Якщо провідник зі струмом розмістити у магнітному полі, то на нього буде діяти сила ампера. Установлений Андре-Марі Ампером в 1820 році. Законом Ампера називається також закон, що визначає силу, з якою магнітне поле діє на малий відрізок провідника із струмом.

F_a=BIl; F=BIl*sin

Напрям дії сили ампера визначається за правилом лівої руки: Якщо розмістити ліву руку так щоб лінії індукції по чотирьюм пальцям на ланію струму, то відігнутий великий палець вкаже силу Ампера. Існує також сила магнітної вазємодії що дорівнює 2*10^-7 на кожний метр довжини провода.

Дослідження закономірностей дії магнітного поля на рухомі електричні заряди показало, що сила яка діє на рухомий електричний заряд з боку магнітного поля, пропорційна заряду на швидкість його руху і залежить від напрямку вектора дії сили. Якщо на частинку з електричним зарядом, який рухається зі швидкісю та певним кутом діє збоку поля сила лоренса що дорівнює:

Сила лоренса не виникає, якщо часинка рухається вздовж ліній індукції магнітного поля.

37. С тан контуру з струмом в магнітному полі. Робота при переміщенні контуру з струмом в магнітному полі.