Джим Брейтот - 101 ключевая идея: Физика

• Название: 101 ключевая идея: Физика
• Автор: Джим Брейтот
• Издательство: ФАИР-ПРЕСС
• Жанр: Справочники
• Год: 2001
• ISBN: 5-8183-0357-8 (рус.); 0-340-79048-2 (англ.)

Цель книги — доступным и увлекательным способом познакомить читателя с физикой, привлечь внимание к знакомым предметам, раскрыть их незнакомые стороны.

Здесь объясняется 101 ключевая идея великой науки, расширяющей наши знания о мире. Факты и основные понятия физики изложены так, что развивают любознательность, помогают преодолеть косность рутинного мышления, обостряют интерес к вещам, не затрагивающим нашего существования, но без которых это существование уже не мыслится; а где есть интерес, там есть желание новых знаний. От читателя не потребуется особой подготовки, кроме способности воспринимать и удивляться. Статьи расположены в алфавитном порядке. Книга предназначена для широкого круга читателей, а также учащихся школ и вузов.

---

Если диэлектрик поместить между двумя разноименно заряженными параллельными пластинами, подсоединенными к батарее, количество заряда, накопленного на пластинах, увеличится. Это происходит потому, что диэлектрик ослабляет электрическое поле между пластинами и батарея может передать больший заряд пластинам. Отношение количества заряда, накопленного на пластинах плоскопараллельного конденсатора при наличии диэлектрика, к количеству заряда при отсутствии диэлектрика (в вакууме) называется относительной диэлектрической проницаемостью в вещества (среды).

Емкость пары параллельных пластин С = Q/V, где Q — заряд, накопленный при разности потенциалов V. При той же разности потенциалов и наличии между пластинами диэлектрика заряд увеличивается за счет фактора в. Следовательно, емкость пластин повышается. На практике, в большинстве конденсаторов «пластины» представляют собой две полоски металлической фольги, разделенные диэлектриком и завернутые в трубку. Чем больше относительная диэлектрическая проницаемость вещества, тем больше емкость конденсатора. Напряжение источника, к которому подсоединяют для зарядки конденсатор с диэлектриком, не должно превышать предельно допустимого напряжения (обычно указываемого на конденсаторе), иначе возникнет пробой, т. е. диэлектрик станет пропускать ток.

См. также статьи «Электрическая емкость», «Электрическое поле 1».

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТОКИ

Электрический ток — это поток заряда, вызванный разностью потенциалов; передача тепла при теплопроводности — это поток тепла, вызванный разностью температур, а поток жидкости или газа — их перемещение, вызванное разностью давлений. Следовательно, общей характеристикой этих потоков является наличие некоей разности, которая заставляет частицы или энергию перемещаться из одного места в другое.

Скоростью потока

Скоростью потока называется скорость течения или перемещения заряда, энергии или частиц в определенном направлении.

В электрической цепи сила тока в проводнике зависит от разности потенциалов на его концах, а также от сопротивления самого проводника согласно уравнению: сила тока = разность потенциалов / сопротивление.

В проводнике тепла с одинаковой площадью поперечного сечения интенсивность теплового потока зависит от разницы температур и от теплового сопротивления проводника согласно уравнению: передача тепла в секунду = разница температур / тепловое сопротивление. Последнее в данном случае эквивалентно электрическому сопротивлению и равно произведению термического удельного сопротивления на длину проводника к площади поперечного сечения. В трубе, по которой течет жидкость или газ, скорость потока зависит от разности давлений на концах трубы и от гидравлического сопротивления. Можно составить уравнение, эквивалентное предыдущим: скорость потока в трубе (масса в секунду) = разность давлений / гидравлическое сопротивление. Последнее зависит от вязкости жидкости, а также от размеров трубы. Если пренебречь вязкостью жидкости, то поток не встречает сопротивления и для продолжения движения не требуется разности давлений. Внутренняя поверхность трубы затормаживает движение вязкой жидкости. Сопротивление резко повышается при уменьшении диаметров трубы, чего не наблюдается при уменьшении диаметра электрического или теплового проводника.

См. также статьи «Жидкости 2», «Сопротивление», «Теплопередача».

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ

Электромагнитная индукция — это процесс возникновения электрического тока в замкнутом проводнике вследствие изменения потока магнитной индукции через поверхность, ограниченную контуром этого проводника.

Закон Ленца гласит: индуцированная электродвижущая сила (ЭДС) имеет направление, противоположное направлению действия индукции. Это следствие того, что проводник замкнут и не имеет иных источников ЭДС; индуцированный ток создает магнитное поле, которое стремится компенсировать изменение потока магнитной индукции.

Закон электромагнитной индукции Фарадея гласит: индуцированная ЭДС пропорциональна степени изменения магнитного потока через проводник.

Законы электромагнитной индукции Ленца и Фарадея применимы ко всем ситуациям, когда ЭДС образуется вследствие изменения магнитного потока. Чем сильнее скорость изменения магнитного потока, тем сильнее индуцированная ЭДС. Если проводник замкнут, по нему проходит электрический ток. Электромагнитная индукция может возникать при движении проводника в магнитном поле (например, динамо-машина, генератор переменного тока, микрофон) или изменении плотности магнитного потока, проходящего через катушку (например, индукционная катушка, трансформатор, магнитофон). В трансформаторе переменный ток, проходящий через первичную обмотку, порождает изменяющийся магнитный поток, проходящий через сердечник и вторичную обмотку. Отношение вторичного напряжения к первичному равно отношению числа оборотов вторичной обмотки к числу оборотов первичной.

При работе электродвигателя в обмотке возникает обратная ЭДС, так как по мере вращения обмотки поток, проходящий через нее, постоянно меняется и вызывает индуцированную ЭДС или «обратную ЭДС», стремящуюся компенсировать изменение подаваемого напряжения. Обратная ЭДС пропорциональна частоте двигателя. При увеличении нагрузки сила тока увеличивается, так как обмотка замедляет движение и обратная ЭДС уменьшается, что приводит к усилению электрического тока в обмотке.

См. также статьи «Магнитное поле 1», «Переменный ток».

Электромагнитные волны

Существование электромагнитных волн было предсказано Джеймсом Клерком Максвеллом в 1862 году, доказавшим, что электромагнитные волны распространяются в вакууме со скоростью света. В результате Максвелл сделал вывод, что свет имеет электромагнитную природу, а за пределами видимого спектра могут быть и иные виды электромагнитных волн. Их полный спектр выглядит следующим образом (в порядке увеличения длины волны): γ-излучение, рентгеновское излучение, ультрафиолетовый свет, видимый свет, инфракрасное излучение, микроволны, радиоволны.

Предположение Максвелла о существовании электромагнитных волн за пределами инфракрасного диапазона было подтверждено в 1887 году, когда Генрих Герц разработал метод обнаружения и порождения радиоволн, доказав, что скорость радиоволн равна скорости света.

Электромагнитные волны видимого, инфракрасного и радиодиапазонов широко используются как переносчики сигналов в средствах массовой коммуникации. Чем выше частота, тем больше информации можно перенести при помощи волн-носителей; вот почему по оптическим кабелям информации передается больше, чем по обычным медным проводам.

Электромагнитные волны рентгеновского и γ-диапазона спектра используются в медицине для получения изображения внутренних органов тела и костей.

См. также статьи «Рентгеновские лучи 1 и 2», «Фотон», «Цвет 1».

ЭЛЕКТРОН

Электрон — элементарная частица, существующая в каждом атоме, имеющая постоянный отрицательный заряд, известную массу и спин. Это одна из шести элементарных частиц, называемых лептонами. Другие заряженные лептоны, мюон и таон, имеют такой же заряд, как и электрон, но обнаружить их можно только в результате столкновений частиц с большой скоростью.

Заряд электрона е равен 1,6 x 10-19 Кл. Все другие заряженные частицы, кроме кварков, имеют заряд, равный целому кратному е. Удельным зарядом электрона называется отношение его заряда к массе. Удельный заряд электрона равен 1,76 x 1011 Кл/кг. Спин, или собственный момент импульса, равен 1/2 (h/2π). Поэтому электрон называют частицей со спином 1/2-.

Электрон был открыт в 1897 году Дж. Томсоном, доказавшим, что катодные лучи, возникающие при разряде в разреженном газе, состоят из идентичных отрицательно заряженных частиц. Он также доказал, что их заряд гораздо больше заряда других частиц и вычислил их удельный заряд, равный 1,76 x 1011 Кл/кг. Томсон сделал эти открытия в ходе серии исследований поведения катодных лучей в электрическом и магнитном полях, определив, что электроны — это отрицательно заряженные частицы, содержащиеся в каждом атоме. Ему не удалось измерить заряд и массу отдельного электрона, а потому он не мог и утверждать, что масса электрона во много раз меньше атома водорода.

Заряд электрона е измерил в 1915 году Роберт Милликэн, разработавший метод измерения заряда отдельных масляных капель. Милликэн обнаружил, что заряд капли всегда измеряется целым числом, умноженным на 1,6 х 10-19 Кл. Отсюда ученый сделал вывод, что такой заряд является минимальным и именно он имеет отдельный электрон. Появилась возможность вычислить массу электрона, разделив заряд на удельный заряд; таким образом выяснили, что она равна 9,1 x 10-31 кг.