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.

---

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.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ

Электромагнитные волны представляют собой периодические колебания электрических и магнитных полей, распространяющиеся в среде или вакууме и происходящие в одной фазе. Для распространения таких волн не требуется наличия среды.

См. также статьи «Взаимодействия частиц», «Электронные лучи 1 и 2».

ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛУЧИ 1— ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ

В процессе термоэлектронной эмиссии, т. е. испускании электронов с нити накала, в вакуумной трубке образуется электронный луч (пучок электронов). Нить накала (нагреваемый катод) разогревается при прохождении по ней электрического тока. Электроны в проводнике приобретают достаточную кинетическую энергию, чтобы покинуть металл и притянуться к расположенной поблизости положительно заряженной пластине, имеющей небольшое отверстие, через которое пропускается некоторое количество электронов. Затем эти электроны, проходя между «фокусирующими» электродами, фокусируются в пучок.

Кинетическая энергия и, следовательно, скорость электронов в электронном пучке зависят от потенциала анода VA, так как работа, прикладываемая к каждому электрону анодом, придает электрону кинетическую энергию. Поскольку работа равна eVA, то и кинетическая энергия электрона в пучке также равна eVA. При условии, что скорость и электрона значительно меньше скорости света, его кинетическая энергия равна 1/2mυ2, следовательно, V2mυ2 = eVA.

Из приведенной выше формулы следует, что все электроны в одном луче имеют одинаковую кинетическую энергию и скорость и поэтому равномерно отклоняются электрическим и магнитным полями. На практике электроны в луче имеют небольшой диапазон скоростей вследствие относительно небольшой начальной кинетической энергии в нагреваемом катоде.

В электронно-лучевых трубках телевизоров или мониторов применяются магнитные отклоняющие катушки, заставляющие луч двигаться по люминесцентному экрану вдоль горизонтали и затем смещаться чуть ниже. Таким образом на экране создается изображение. Различия в сигнале регулируют яркость луча.

В трубках осциллографов применяются электростатические пластины, заставляющие луч двигаться вдоль одной и той же линии сначала медленно в одном направлении, а затем быстро в другом. При изменении напряжения параллельных пластин, между которыми проходит луч, на экране появляется изображение волнистой линии.

См. также статьи «Заряд и ток», «Магнитное поле 1 и 2», «Электрическое поле 1 и 2», «Электрон».

ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛУЧИ 2 — ТРАЕКТОРИИ В ПОЛЯХ

В однородном электрическом поле напряженностью Е пучок электронов испытывает действие постоянной силы F — еЕ в направлении, противоположном направлению электрического поля. Следовательно, часть траектории пучка электронов представляет собой параболу, схожую с траекторией брошенного тела, поскольку на него тоже действует одна постоянная сила в одном направлении (сила тяжести). Однородное электрическое поле напряженностью Е = V/d создается при разности потенциалов V между двумя пластинами, расположенными параллельно на расстоянии d друг от друга. В осциллографах отклонение электронного луча пропорционально разности потенциалов между отклоняющими пластинами.

В электрическом поле

В однородном магнитном поле с плотностью магнитного потока В электрон, движущийся со скоростью v под прямым углом к линиям магнитного поля, испытывает действие силы F = Bev. Эта сила перпендикулярна линиям магнитного поля и направлению движения электрона. При отсутствии других полей электрон движется по круговой траектории с радиусом r = mv/Be. Эта сила вызывает центростремительное ускорение, в результате которого Bev = mv2/r. Сила магнитного поля не совершает работы по отношению к электрону, потому что ее направление совпадает с направлением электронного луча. В электронно-лучевых трубках телевизоров и мониторов магнитное поле используется для отклонения электронного луча, который движется вдоль люминесцентного экрана и создается вследствие прохождения тока по ряду отклоняющих катушек.

В магнитном поле

См. также статьи «Круговое движение», «Магнитное поле 1 и 2», «Электрическое поле 1 и 2», «Электронные лучи 2».

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ

Электропроводность, или электрическая проводимость, металлов, собственных полупроводников и полупроводников п-типа обусловлена наличием в них свободных электронов, носителей отрицательного заряда. Электроны свободно движутся внутри вещества, поскольку их не удерживают атомы. Носителями заряда в полупроводниках р-типа являются дыры. В ионных растворах носителями заряда служат положительно и отрицательно заряженные ионы.

При разности потенциалов на концах металлического проводника или полупроводника носители зарядов, притягиваясь к противоположно заряженному концу, начинают к нему перемещаться. Так возникает электрический ток.

Для проводника с постоянной площадью поперечного сечения электропроводность определяется как отношение длины к произведению сопротивления на площадь поперечного сечения. Единицей электрической проводимости служит сименс на метр (См/м).

Удельным сопротивлением материала называется величина, обратная электропроводности (1/электропроводность). Единицей удельного сопротивления служит омметр (Ом м). Электрическая проводимость зависит от количества носителей заряда в единице объема вещества. При нагревании металлов их электропроводность уменьшается, потому что колебания атомов усиливаются и затрудняют перемещение электронов. При нагревании полупроводников их электропроводность увеличивается. Это происходит из-за того, что при повышении температуры все большее число электронов отрывается от атомов.

См. также статьи «Заряд и ток», «Сопротивление».

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ

Энергию получают из ископаемого топлива, такого, как каменный уголь, нефть и газ, а также из других видов ресурсов, например из биомассы или урана. Каменный уголь образовался из остатков древней растительности, а нефть и газ — из умерших морских организмов, под давлением горных пород, на протяжении многих миллионов лет.

Возобновляемые источники энергии, такие, как реки, приливы и геотермальные источники, в некоторых частях мира составляют значительную часть энергетических ресурсов и могут давать энергию без процессов, требующих потребления топлива. Поэтому на них не расходуются материалы и они не загрязняют среду. Энергия солнца, волн и ветра приобретает все большее значение по мере истощения запасов нефти и газа и спада в атомной энергетике.

Общемировая энергия, получаемая из основных источников, составляет около 400 x 10 Дж в год. Вверху таблицы показано ее распределение по видам источников, а также, на сколько лет хватит этих ресурсов, если их потребление будет продолжаться на уровне 1995 года.

Внизу таблицы показано распределение источников энергии в Великобритании. Общее количество энергии, вырабатываемой в стране, составляет 3,5 % общемировой. Из таблицы видно, на сколько лет хватит этих ресурсов, если их потребление будет продолжаться на уровне 1995 года.

При истощении запасов топлива все большее внимание будет уделяться возобновляемым источникам энергии. В наши дни в Великобритании гидроэлектростанции и ветротурбины вносят значительный вклад в общее количество вырабатываемой энергии.

См. также статьи «Коэффициент полезного действия», «Энергия и мощность».

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УРОВНИ АТОМОВ

Энергетический уровень — это возможное значение энергии в системе двух или более частиц. Энергетические уровни наблюдаются в любой замкнутой системе, где важное значение приобретает квантовая (дискретная) природа частиц. Это происходит в том случае, когда де-бройлевская волна частицы соизмерима с расстоянием между частицами.

Энергетические уровни атомов были обнаружены при изучении столкновения электронов в газовых трубках. Электроны испускались из нити накала в трубку и притягивались к аноду. При увеличении потенциала анода электроны стремились к аноду и создавали ток в трубке. При этом они должны были пройти через металлическую решетку. По мере увеличения потенциала сила тока на аноде увеличивалась, а затем падала при определенных показателях потенциала анода, называемых потенциалом возбуждения. Каждый спад силы тока происходил, когда кинетической энергии электронов, испущенных с нити, было достаточно только для того, чтобы столкнуться с атомами газа, сообщив энергию электронам атомов, переходящих на более высокий энергетический уровень. В результате столкновения электроны нити останавливались (т. е. не продолжали двигаться к аноду) и притягивались к решетке. Таким образом происходило уменьшение силы тока на аноде. Атомы газа переходили на более высокий энергетический уровень. Энергия, приобретенная атомами газа, равна кинетической энергии электронов в луче, поскольку каждый электрон луча отдает свою кинетическую энергию атомам газа. Отсюда энергетические уровни представляют собой значения энергии eV выше основного состояния, где V — любой показатель потенциала возбуждения. Энергия, необходимая для ионизации атома (удаления из атома электрона), равна eV0, где V0 — потенциал, требующийся для ионизации атома. Таким образом, самый низкий энергетический уровень, или основное состояние атома, существует при энергии eV0 ниже уровня ионизации.