Второе начало термодинамики. Энтропия и ее статистический смысл.

15.(18) Концепция электромагнетизма. Основы электростатики. Электрические заряды.
Взаимодействия электрических зарядов.

Дж. К. Максвелл в 60-х гг. ХIХ в. переложил законы электромагнитной индукции на язык дифференциальных уравнений для функций нескольких переменных. В ходе этой работы он теоретически открыл эффект отрыва электромагнитного поля от порождающего его проводника и его свободного распространения в пространстве со скоростью 300000 км/сек.Теоретически открытые электромагнитные волны радиодиапазона впервые экспериментально воспроизвёл Г. Герц в 1888 г. В 1895–1896 гг. А. С. Попов и Г. Маркони впервые использовали их для радиосвязи. Совпадение скорости распространения электромагнитных волн со скоростью света, измеренной астрономами с высокой точностью, Максвелл счёл свидетельством того, что световые волны представляют собой разновидность электромагнитных волн. Электродинамика Фарадея–Максвелла, таким образом, волновую (физическую) оптику превратила в раздел теории электромагнетизма.

Как известно, развитие теории электромагнетизма прошло этапы:

- стихийного накопления фактов;
- опытного накопления фактов;
- попыток создания физических теорий, объясняющих электромагнетизм;
- попыток создания физических и математических теорий,

описывающих электромагнитные явления и позволяющих создать методики их расчета;

- обобщения физических и математических теорий электромагнетизма и создания единой̆ математической теории;

- экспериментальных исследований, имеющих целью проверку и подтверждение положений общей теории;

- внедрения полученных результатов в широкую практику.

На базе многочисленных опытных данных были наработаны методы расчетов, позволившие точно рассчитать силовые и слаботочные устройства и агрегаты, линии передачи и электрические цепи. А в ХХ столетии на базе полученных к этому времени знаний были созданы важнейшие отрасли современной промышленности – электромашиностроение, радиотехника и электроника, без которых немыслимо существование современного человечества. Положение о том, что «нет ничего более прикладного, чем хорошая теория», полностью себя оправдало на практике.

Как и все физические теории, электродинамика Фарадея–Максвелла излагается и развивается на своём математическом языке теории функций нескольких переменных, векторного анализа и соответствующих дифференциальных уравнений, именуемых уравнениями математической физики. В этой связи следует подчеркнуть, что классическая электродинамика, включая физическую (волновую) оптику, – самая точная и утончённая из всех теорий классической физики. Об этом «предметно» свидетельствует чувствительность радиотехники, особенно, средств космической связи, а также радиоастрономии. Так, до сих пор поддерживается устойчивая связь с американским космическим аппаратом «Вояджер», запущенным в 70-х гг. ХХ в. и уже вышедшим за пределы Солнечной системы. И это – при мощности бортового передатчика «Вояджера» всего в 8 Вт.! Феноменально точны измерительные методы на основе эффектов интерференции электромагнитных волн. Об этом свидетельствуют современные оптические супер телескопы, гибко подстраивающие кривизну своих приёмных зеркал под колебания параметров атмосферы как оптической среды. Об этом же свидетельствуют портативные радары, с помощью которых работники ГИБДД измеряют скорости движения автомобилей с точностью до сантиметров в секунду.

Эта особенность классической электродинамики и волновой оптики в качестве её раздела очень важна для понимания специфики электромагнитной картины мира как одного из современных научных мировоззрений.

16.(19) Электрические поля. Вектор напряженности электрического поля.
Силовые линии электрического поля.

Электрический ток. Закон Ома.

Электрический ток - направленное движение заряженных частиц в электрическом поле.
Заряженными частицами могут являться электроны или ионы (заряженные атомы).
Атом, потерявший один или несколько электронов, приобретает положительный заряд. - Анион (положительный ион).
Атом, присоединивший один или несколько электронов, приобретает отрицательный заряд. - Катион (отрицательный ион).
Ионы в качестве подвижных заряженных частиц рассматриваются в жидкостях и газах.
В металлах носителями заряда являются свободные электроны, как отрицательно заряженные частицы.
В полупроводниках рассматривают движение (перемещение) отрицательно заряженных электронов от одного атома к другому и, как результат, перемещение между атомами образовавшихся положительно заряженных вакантных мест - дырок.

За направление электрического тока условно принято направление движения положительных зарядов. Это правило было установлено задолго до изучения электрона и сохраняется до сих пор. Так же и напряжённость электрического поля определена для положительного пробного заряда.

Электрический ток имеет следующие проявления:

o нагревание проводников (не происходит в сверхпроводниках);

o изменение химического состава проводников (наблюдается преимущественно в электролитах);

o создание магнитного поля (проявляется у всех без исключения проводников).

Различают переменный , постоянный и пульсирующий электрические токи, а также их всевозможные комбинации. В таких понятиях часто слово «электрический» опускают.

Постоянный ток — ток, направление и величина которого не меняются во времени.

Переменный ток — ток, величина и направление которого меняются во времени. В широком смысле под переменным током понимают любой ток, не являющийся постоянным.

ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛ. ТОКА.

1)Электрический ток имеет количественные характеристики: скалярную — силу тока, и векторную — плотность тока.

Сила тока — физическая величина, равная отношению количества заряда , прошедшего за некоторое время через поперечное сечение проводника, к величине этого промежутка времени.

Сила тока в Международной системе единиц (СИ) измеряется в амперах (русское обозначение: А).

Плотность тока — вектор, абсолютная величина которого равна отношению силы тока, протекающего через некоторое сечение проводника, перпендикулярное направлению тока, к площади этого сечения, а направление вектора совпадает с направлением движения положительных зарядов, образующих ток.

2)При наличии тока в проводнике совершается работа против сил сопротивления. Электрическое сопротивление любого проводника состоит из двух составляющих:

активное сопротивление — сопротивление теплообразованию;

реактивное сопротивление — «сопротивление, обусловленное передачей энергии электрическому или магнитному полю (и обратно)» .

Как правило, большая часть работы электрического тока выделяется в виде тепла. Мощностью тепловых потерь называется величина, равная количеству выделившегося тепла в единицу времени. Согласно закону Джоуля — Ленца мощность тепловых потерь в проводнике пропорциональна силе протекающего тока и приложенному напряжению:

Мощность измеряется в ваттах.

3) Понятие частоты относится к переменному току, периодически изменяющему силу и/или направление.

Период переменного тока — наименьший промежуток времени (выраженный в секундах), через который изменения силы тока (и напряжения) повторяются. Количество периодов, совершаемое током за единицу времени, носит название частота. Частота измеряется в герцах, один герц (Гц) соответствует одному периоду в секунду.

ПРИМЕНЕНИЕ:

При изучении электрического тока было обнаружено множество его свойств, которые позволили найти ему практическое применение в различных областях человеческой деятельности, и даже создать новые области, которые без существования электрического тока были бы невозможны. После того, как электрическому току нашли практическое применение, и по той причине, что электрический ток можно получать различными способами, в промышленной сфере возникло новое понятие — электроэнергетика.

А) Электрический ток используется как носитель сигналов разной сложности и видов в разных областях (телефон, радио, пульт управления, кнопка дверного замка и так далее).

o Использование электрического тока как носителя энергии

o получения механической энергии во всевозможных электродвигателях,

o получения тепловой энергии в нагревательных приборах, электропечах, при электросварке,

o получения световой энергии в осветительных и сигнальных приборах,

o возбуждения электромагнитных колебаний высокой частоты, сверхвысокой частоты и радиоволн,

o получения звука,

o получения различных веществ путём электролиза, зарядка электрических аккумуляторов. Здесь электромагнитная энергия превращается в химическую,

o создания магнитного поля (в электромагнитах).

o Б ) Использование электрического тока в медицине.

o диагностика — биотоки здоровых и больных органов различны, при этом бывает возможно определить болезнь, её причины и назначить лечение. Раздел физиологии, изучающий электрические явления в организме называется электрофизиология.

o Электроэнцефалография — метод исследования функционального состояния головного мозга.

o Электрокардиография — методика регистрации и исследования электрических полей при работе сердца.

o

ЗАКОН ОМА.

Ещё в 1826 году немецкий физик Георг Ом открыл важный закон электричества, определяющий количественную зависимость между электрическим током и свойствами проводника, характеризующими их способность противостоять электрическому току.

Эти свойства впоследствии стали называть электрическим сопротивлением, обозначать буквой R и измерять в Омах в честь первооткрывателя.

Закон Ома в современной интерпретации классическим соотношением U/R определяет величину электрического тока в проводнике исходя из напряжения U на концах этого проводника и его сопротивления R: « Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению данного участка цепи»

I = U/R

Проводники и элементы, для которых соблюдается закон Ома, называются омическими.

Закон Ома может не соблюдаться:

oПри высоких частотах, когда скорость изменения электрического поля настолько велика, что нельзя пренебрегать инерционностью носителей заряда.

oПри низких температурах для веществ, обладающих сверхпроводимостью.

oПри заметном нагреве проводника проходящим током, в результате чего зависимость напряжения от тока (вольт-амперная характеристика) приобретает нелинейный характер. Классическим примером такого элемента является лампа накаливания.

oПри приложении к проводнику или диэлектрику (например, воздуху или изоляционной оболочке) высокого напряжения, вследствие чего возникает пробой.

oВ вакуумных и газонаполненных электронных лампах (в том числе люминесцентных).