| Тема 7
| ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ -периодические изменения вектора индукции магнитного поля и вектора напряженности электрического поля.
|
| Свободные
электромагнитные колебания
| ➨периодически повторяющиеся изменения силы тока в электрической цепи, происходящие без потребления энергии от внешних источников.
Такие колебания можно получить в электрическом колебательном контуре.
|
| Реальный
колебательный
контур
( )
| ➨электрическая цепь, состоящая из последовательно соединенных конденсатора емкостью С, катушки индуктивностью и сопротивления обмотки катушки;
➨ в реальном колебательном контуре свободные электромагнитные колебания являются затухающими;
|
|
| Идеальный
колебательный
контур
(контур Томсона)
| ➨электрическая цепь, состоящая из последовательно соединенных конденсатора емкостью С и катушки индуктивностью ;
➨простейшая система, в которой могут происходить свободные электромагнитные колебания;
|
|
| ● свободные
электромагнитные
колебания
в контуре
| ➨в цепи возникают незатухающие гармонические колебания, если в некоторый момент времени зарядить конденсатор до напряжения .
По гармоническому закону будут изменяться:
напряжение на обкладках конденсатора С:
;
ток в катушке индуктивности :
;
В каждый момент времени мгновенные значения напряжения и тока сдвинуты по фазе на .
Например: предельным значениям напряжения соответствуют мгновенные значения тока , предельным значениям тока - мгновенные значения напряжения .
|
| Формула Томсона
[с]
| ➨ период собственных (свободных) колебаний контура;
|
| · [Гц]
| ➨ частота собственных колебаний.
|
| ·
| ➨ циклическая частота собственных колебаний.
|
| Превращение
энергии в
колебательном
контуре
| ➨в колебательном контуре происходит взаимное превращение энергии электрического поля
в энергию магнитного поля ;
➨дважды за период происходит перекачка энергии из электрического поля конденсатора в магнитное поле катушки индуктивности и обратно.
|
| · закон сохранения
энергии в идеальном
колебательном
контуре
| ➨полная энергия электромагнитного поля сохраняется и равна амплитудному значению электрической энергии конденсатора или амплитудному значению энергии магнитного поля катушки индуктивности .
|
| Вынужденные электрические колебания
| ➨незатухающие колебания в колебательном контуре, происходящие под периодически изменяющимся внешним воздействием.
➨ для получения незатухающих колебаний необходимо в реальный колебательный контур непрерывно подводить энергию, которая бы компенсировала потери энергии в контуре. Эту функцию выполняет генератор переменного тока ~ .
|
| ГЕНЕРАТОР
переменного
тока
| ➨машина, преобразующая механическую энергию вращения в электрическую энергию переменного тока.
➨ принцип действия генератора переменного тока основан на явлении электромагнитной индукции.
|
|
| ➨простейшая модель генератора – вращающаяся в постоянном магнитном поле рамка.
Поместим в однородное магнитное поле рамку, которая проводит электрический ток и приведем ее во вращение с угловой скоростью . Магнитный поток, пронизывающий рамку, определим по формуле:
,
т.к. ,то амплитудное значение потока равно:
,
тогда .
Скорость изменения потока через рамку (первая производная ):
По закону электромагнитной индукции (закон Фарадея):
,
где - амплитудное значение ЭДС.
|
| Устройство
генератора
| |
|
| ИНДУКТОР
(вращающаяся часть - ротор)
| ➨постоянный магнит или электромагнит, создающий магнитное поле;
|
| ЯКОРЬ
(неподвижная часть - статор)
| ➨обмотка, в которой индуцируется переменная ЭДС.
|
| ПЕРЕМЕННЫЙ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ
ТОК
| ➨ ток, величина которого с течением времени меняется по модулю и направлению.
Переменный синусоидальный ток представляет собой вынужденные колебания тока в электрической цепи, происходящие с частотой , совпадающей с частотой вынуждающей ЭДС:
- амплитудное значение силы тока;
- сдвиг фазы между колебаниями тока и ЭДС.
|
| Действующие
(эффективны е)
значения
силы тока и
напряжения
| ➨ о силе переменного тока судят по его тепловому действию, т.к. оно не зависит от направления тока. По тепловому действию переменного тока определяют «эффективную» силу тока.
|
| ➨ эффективной силой и эффективным напряжением переменного синусоидального тока называются сила и напряжение постоянного тока, который производит такое же тепловое действие, как и данный переменный ток.
|
| · действующее значение
силы тока
➨ величина, в раз меньше амплитудного значения силы тока;
| · действующее значение
напряжения
➨величина, в раз меньше амплитудного значения напряжения;
|
| МГНОВЕННАЯ
МОЩНОСТЬ
переменного тока
или
| ➨ равна произведению мгновенных значений силы тока и напряжения (при совпадении фазы колебаний силы тока и напряжения);
- амплитудные значения силы тока и напряжения.
|
| СРЕДНЯЯ МОЩНОСТЬ
переменного тока
| ➨т.к. среднее значение квадрата косинуса за период равно 0,5;
|
| МОЩНОСТЬ
переменного тока
| ➨при совпадении фазы колебаний силы тока и напряжения мощность равна произведению действующих значений силы тока и напряжения.
|
| ЦЕПЬ
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
| ➨представляет собой колебательный контур, к которому приложена внешняя синусоидальная ЭДС.
|
|
| АКТИВНОЕ
сопротивление
| ➨величина, характеризующая сопротивление электрической цепи (или ее участка) электрическому току, обусловленное необратимыми превращениями энергии в другие формы (преимущественно в тепловую).
|
| РЕАКТИВНОЕ
сопротивление
| ➨величина, характеризующая сопротивление, оказываемое переменному току электрической емкостью и индуктивностью цепи (или ее участка), обусловленное передачей электрической энергии электрическому или магнитному полю элементов цепи и обратно.
|
| · ИНДУКТИВНОЕ
сопротивление
| ➨
|
| · ЕМКОСТНОЕ
сопротивление
| ➨
|
| ПОЛНОЕ
СОПРОТИВЛЕНИЕ
цепи переменного тока
| ➨
|
| РЕЗОНАНС
в электрической
цепи
=
=
| ➨явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний силы тока при совпадении частоты внешнего переменного напряжения с собственной частотой колебательного контура;
|
| ➨возникает при равенстве индуктивного сопротивления емкостному сопротивлению
( = ).
При этом полное сопротивление цепи становится наименьшим, равным активному
( ).
|
| ➨резонанс так же наступает при равенстве частоты генератора и собственной частоты колебаний электрической цепи ( = ). Резонансная частота равна: .
|
| ТРАНСФОРМАТОР
| ➨электротехническое устройство, предназначенное для преобразования (повышения или понижения) напряжения переменного электрического тока.
|
| · устройство
трансформатора
| ➨ простейший трансформатор состоит из:
железного сердечника (магнитопровода) и расположенных на нем двух обмоток: первичной - и вторичной - витков.
При подключении первичной обмотки трансформатора к источнику переменной ЭДС ~e1обе обмотки пронизывает общий магнитный поток Ф.
Изменение магнитного потока во вторичной обмотке возбуждает ЭДС индукции ~e2.
|
| · режимы работы
| ➨ без нагрузки (холостой ход); под нагрузкой (рабочий ход).
|
| · режим ХОЛОСТОГО
хода
| ➨ этот режим имеет место при разомкнутой вторичной цепи.
В этом случае ток во вторичной цепи отсутствует, т.е. =0.
При холостом ходе ЭДС самоиндукции, действующая в первичной обмотке, почти равна поданному на нее напряжению сети переменного тока, в которую включен трансформатор, т.е. .
|
| · режим РАБОЧЕГО
хода
| ➨ этот режим имеет место при замкнутой вторичной цепи. В этом случае трансформатор нагружен (т.е. к нему подключены потребители энергии) и в цепи вторичной обмотки течет ток .
|
| КОЭФФИЦИЕНТ
ТРАНСФОРМАЦИИ
| ➨ равен отношению витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки;
➨отношение напряжения на первичной обмотке к напряжению на вторичной обмотке;
➨ отношение силы тока во вторичной обмотке к силе тока в первичной обмотке.
|
| · ( > )
| ➨ понижающий трансформатор;
|
| · ( < )
| ➨ повышающий трансформатор.
|
| КПД
трансформатора
| ➨равен отношению полезной мощности (мощности, отдаваемой потребителям) к затраченной мощности (мощности, которая берется трансформатором от сети переменного тока).
|
| Производство,
передача,
потребление
электрической
энергии
| ➨электроэнергию вырабатывают на электростанциях и передают потребителям на большие расстояния с помощью линий электропередачи.
При передаче электроэнергии по проводам часть этой энергии необратимо переходит во внутреннюю энергию и выделяется в проводах в виде теплоты:
(по закону Джоуля-Ленца).
Способы снижения потерь электроэнергии:
1)увеличить сечение проводников , что экономически не выгодно;
2)уменьшить силу тока , что достигается применением трансформаторов.
- повышающий трансформатор, преобразует напряжение до , пропорционально уменьшается сила тока.
- понижающий трансформатор, преобразует высоковольтное напряжение до уровня, необходимого потребителю
|
| Тема 8
| ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ- электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве. Экспериментально были получены в 1880 г. Герцем.
|
| Источник
электромагнитных волн
| ➨ колебательный контур.
|
| · открытый
колебательный
контур
| ➨в таком контуре электрическое поле конденсатора и магнитное поле катушки пространственно не разделены (антенна).
|
| Основные идеи
теории Максвелла
| ➨ 1)создано математическое описание электромагнитного поля, которое объясняло все известные на то время факты с единой точки зрения и позволяло предсказывать новые явления;
2)переменное магнитное поле порождает в пространстве вихревое электрическое поле;
3)переменное электрическое поле порождает магнитное поле;
4)электрическое поле и магнитное поле – различные формы проявления единого электромагнитного поля;
5)скорость распространения электромагнитных взаимодействий конечна и равна скорости света в вакууме ;
6)свет – есть форма электромагнитных волн.
|
| Скорость
распространения электромагнитных волн
| ➨ в вакууме - - предельная скорость распроcтранения любых физических взаимодействий в природе;
|
| ➨ в веществе –зависит от природы вещества, его диэлектрической и магнитной проницаемости (всегда меньше, чем в вакууме).
|
| · длина
электромагнитной
волны
| ➨ расстояние, которое проходит волна за время, равное периоду
|
| Свойства
электромагнитных волн
| ➨ 1) они могут распространяться не только в различных средах, но и в вакууме;
2) их скорость в вакууме – фундаментальная физическая константа; в любой среде их скорость меньше;
3)они поперечны, векторы и (перпендикулярные друг другу) в электромагнитной волне перпендикулярны направлению ее распространения;
4)их интенсивность увеличивается с ростом ускорения излучающей заряженной частицы;
5)волны с частотами вызывают у человека зрительные ощущения;
6)при определенных условиях проявляются типичные волновые свойства (явления отражения, преломления, дифракции, интерференции, поляризации);
|
| Радиосвязь
| ➨использование свойств электромагнитных волн является основой радиосвязи – передачи информации с помощью радиоволн (волн, частоты которых охватывают широкий диапазон: от 3·104до3·1011Гц).
|
| · изобретение радио
7 мая 1895 г. – день рождения радио
| ➨возможность практического применения электромагнитных волн для установления связи без проводов впервые продемонстрировал русский физик А.С. Попов.
|
| · приемник
А.С. Попова
| ➨ 1 – антенна – в антенне электромагнитные волны вызывали вынужденные колебания тока и напряжения;
|
| ➨ 2 – когерер – стеклянная трубка с двумя электродами, заполненная металлическими опилками; в нее с антенны подавалось переменное напряжение; в обычных условиях когерер обладает большим сопротивлением, т.к. опилки имеют плохой контакт друг с другом; прошедшая электромагнитная волна создает в когерере переменный ток высокой частоты; между опилками проскакивают мельчайшие искорки, спекают опилки и сопротивление когерера падает(примерно в 100-200 раз); встряхнув прибор, можно вернуть ему большое сопротивление.
|
| | ➨ 3 – электромагнитное реле – сила тока в катушке электромагнитного реле возрастает и реле включает электрический звонок; так регистрируется прием электромагнитной волны антенной;
➨ 4 – электрический звонок – удар молоточка звонка по когереру встряхивал опилки, возвращал его в исходное состояние и приемник снова был готов к регистрации электромагнитных волн;
➨ 5 – источник постоянного тока;
|
| Модуляция
| ➨мощность радиоизлучения гораздо больше на высоких частотах, поэтому используют высокую несущую частоту, которую модулируют (изменяют) звуковой частотой.
➨ процесс наложения колебаний одной частоты на колебания другой называется модуляцией.
Виды модуляции:амплитудная, частотная, фазовая.
|
| · амплитудная
| ➨процесс изменения амплитуды высокочастотных незатухающих электромагнитных колебаний с помощью колебаний звуковой частоты.
Для этого в передатчике последовательно с колебательным контуром генератора высокой частоты включают вторичную обмотку трансформатора, на первичную обмотку которого подается сигнал звуковой частоты.
|
| Детектирование
| ➨процесс преобразования сигнала в результате которого в приемнике из модулированных колебаний высокой частоты выделяются низкочастотные колебания; полученный в результате детектирования сигнал соответствует звуковому сигналу, который действовал на микрофон передатчика; усиленные колебания низкой частоты могут быть превращены в звук.
|
| Принципы
радиосвязи
| ➨переменный электрический ток высокой частоты, созданный в передающей антенне, вызывает в окружающем пространстве быстро меняющееся электромагнитное поле, которое распространяется в виде электромагнитной волны.
Достигая приемной антенны, электромагнитная волна вызывает в ней переменный ток той же частоты, на которой работает передатчик.
|
| Радиопередатчик Радиоприемник
|
| РАДИОПЕРЕДАТЧИК
|
|
| · ГВЧ – генератор
высокой частоты
| ➨ формирует радиосигналы – электрические колебания высокой (несущей) частоты ВЧ.
|
| · МК – микрофон
| ➨ преобразовывает звуковой сигнал в электрические колебания низкой частоты НЧ.
|
| · МД – модулятор
| ➨смешивает электрические сигналыВЧ и НЧ.
|
| · УВЧ – усилитель
высокой частоты
| ➨усиливает модулированные по амплитуде (в соответствии с передаваемым сообщением) радиосигналы высокой частоты МВЧ.
|
| · АП – антенна
передающая
| ➨излучает в окружающее пространство электромагнитные высокой частоты ВЧ (до 30 кГц), в то время как звуковой сигнал представляет собой механические колебания низкой частоты НЧ (0,1-10 кГц).
|
| РАДИОПРИЕМНИК
| ➨осуществляет прием электромагнитных волн.
Колебательный контур приемника, настроенный на частоту передатчика, резонирует, исключает помехи, усиливает полезный сигнал.
|
| · ПА – приемная
антенна
|
| ·ДМ - демодулятор
| ➨преобразует модулированные колебания высокой частоты МВЧ в колебания низкой частоты НЧ до необходимого уровня.
|
| · Д - динамик
| ➨принимает колебания низкой частоты НЧ и преобразует их в звуковые сигналы, адекватные передаваемому сообщению.
|
| Шкала
электромагнитных
волн
| ➨непрерывная последовательность частот и длин волн электромагнитных излучений, представляющих собой распространяющееся в пространстве переменное электромагнитное поле.
|
| |
| Границы по частотам или длинам волн между различными видами электромагнитного излучения весьма условны – последовательные участки шкалы непрерывно переходят друг в друга. Электромагнитные излучения, частоты которых отличаются на много порядков (например, радиоволны и рентгеновские лучи), имеют качественно различные свойства.
|
| · закономерности
электромагнитных
волн
| ➨по мере перехода от более длинных волн (малых частот) к более коротким (большим частотам)волновые свойства света (интерференция, дифракция, поляризация) проявляются слабее, а квантовые свойства, в которых решающую роль играет величина энергии , проявляются сильнее.
|
|
|
| Название
диапазона
| Частота
, Гц
| Длина волны
, м
| Источники
возбуждения
| Методы фиксации, область применения
|
| Низкочастотные
колебания
| до 103
| более 3·104
| Генераторы
переменного тока
| Электротехнические (электротехника)
|
| Радиоволны
| 103
| 3·105
| Генераторы
радиочастот.
Генераторы СВЧ
| Радиотехнические
(радиотехника, телевидение, радиосвязь, радиолокация)
|
| Инфракрасное
излучение
| 1012
| 3·10-3
| Излучение молекул и атомов при теп-ловых и электрических воздействиях
| Тепловые и фотографические (теплицы)
|
| Видимый свет
| 3,8×1014
| 8·10 -7
| | Глаз. Фотографические. Фотоэлек-трческие (жизнь на Земле)
|
| Ультрафиолетовое излучение и мягкое рентгеновское
излучение
| 7,5·1014
3·1017
| 4·10 -7
10-9
| Излучение атомов при воздействии ускоренных электронов
| Фотографические.
Фотоэлектрические (медицина)
|
| Рентгеновское и
-излучение
| 3·1020
| 10-12
| Атомные процессы при воздействии ускоренных заряженных частиц
| Фотографические. Ионизационные (медицина, металлургия)
|
| -излучение
| 1023
| 3·10 -15
| Ядерные процессы Радиоактивный распад. Космические процессы.
| Ионизационные (метод меченых атомов)
|
Раздел 5.ОПТИКА И КВАНТОВАЯ ФИЗИКА
ЛЕКЦИЯ 10
| |
Тема 9
| ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА
| |
- раздел физики, в котором изучаются явления и закономерности, связанные с возникнове-нием, распространением и взаимодействием с веществом световых электромагнитных волн.
| |
Источники света
| ➨ тела, которые излучают свет.
При излучении источник света теряет часть своей энергии, а поглощая свет увеличивает внутреннюю энергию.
Таким образом, распространение света сопровождается переносом энергии.
| |
· виды источников света
| ➨ u температурные – излучение света происходит в результате нагревания тела до высокой температуры;
v люминесцентные (холодное свечение) – тела излу-чают свет при облучении их светом (фотолюминесцен-ция), рентгеновскими лучами, катодными лучами, радио-активным излучением, при окислительно-восстановитель-ных процессах (хемилюминесценция).
| |
· точечный источник света
| ➨ источник света, размеры которого малы по сравнению с расстоянием до освещаемого предмета (Солнце, звезды).
| |
· световой луч
| ➨ линия, вдоль которой распространяется энергия свето-вых электромагнитных волн.
| |
Закон прямолинейного распространение света
| ➨ в оптически однородной прозрачной среде (показа-тель преломления которой везде одинаков) свет распро-страняется по прямым линиям.
| |
· экспериментальные
доказательства
| ➨ если расстояние между источником света и экраном значительно больше размеров источника, то на экране образуется четкая тень предмета.
| |
| ➨ если тело (2) поместить ближе к источнику (1), то его уже нельзя считать точечным; на экране образуются области тени (3) и полутени (4).
| |
· тень
| ➨ область пространства за предметом, куда не попадает свет от источника.
| |
· полутень
| ➨ область, в которую попадает свет от части источника.
| |
· ограничения закона
прямолинейного
распространения света
| ➨ закон нарушается, если свет проходит через очень малые отверстия, причем отклонение от прямолинейного распространения тем больше, чем меньше отверстие.
| |
Закон независимости
световых пучков
| ➨ распространение световых лучей в среде происходит независимо друг от друга: отдельные лучи света, пере-секаясь не взаимодействуют.
| |
| | | | | | | | | | | | | | | | |