- •Вступ Що вивчає фізика
- •Фізичні величини. Вимір фізичних величин
- •Спостереження і досліди - джерела фізичних знань.
- •Будова речовини
- •Розділ 1 механіка Механічний рух. Простір і час
- •Положення тіла або точки можна задати тільки відносно іншого тіла, яке називається тілом відліку.
- •Елементи кінематики
- •§1. Система відліку. Траєкторія, шлях, переміщення
- •Кінематикою називають розділ механіки, в якому рух тіл розглядається без з'ясування причин цього руху.
- •§2. Швидкість і прискорення руху
- •Прискорення
- •Приклад розв’язку задачі.
- •Рух тіл з прискоренням вільного падіння
- •§ 3. Рух по колу
- •Приклад розв’язку задачі.
- •Динаміка поступального руху
- •§4. Перший закон Ньютона. Маса. Сила
- •Динаміка - це розділ механіки, в якому вивчаються закони руху тіл і причини, які викликають, або змінюють ці рухи.
- •Взаємодія тіл. Сила.
- •Інерція. Маса тіла
- •Густина речовини
- •Перший закон Ньютона ( закон інерції)
- •§ 5. Другий закон Ньютона
- •§ 6. Третій закон Ньютона
- •§7. Сили в механіці. Закон всесвітнього тяжіння
- •Сила тяжіння.
- •Вага тіла Силу, з якою тіло внаслідок тяжіння до Землі діє на опору або підвіс, називають вагою тіла.
- •Невагомість
- •Сила тертя
- •Доцентрова сила
- •Відцентрова сила
- •Сила пружності. Закон Гука
- •§ 8. Закон збереження імпульсу
- •Тема 3 Робота і енергія
- •§ 9. Робота, енергія, потужність
- •Потужність. Одиниці потужності
- •Енергія. Закон збереження енергії.
- •Потенціальна енергія
- •Робота сили тяжіння дорівнює зміні потенціальної енергії тіла, узятій з протилежним знаком.
- •Робота сили пружності дорівнює зміні потенціальної енергії пружно деформованого тіла.
- •Закон збереження механічної енергії
- •Сума потенціальної і кінетичної енергії тіла або декількох тіл називається повною механічною енергією.
- •§ 10. Перетворення енергії і використання машин і механізмів. Коефіцієнт корисної дії
- •Розв’язок:
- •Тема 4 Динаміка обертального руху
- •§11. Рівновага тіл, які мають закріплену вісь обертання.
- •§12. Момент сили і момент інерції тіла відносно осі обертання.
- •Кінетична енергія обертального руху. Момент інерції.
- •Моменти інерції деяких тіл.
- •Теорема Штейнера.
- •§13. Основне рівняння динаміки обертального руху
- •§14. Момент імпульсу. Закон збереження моменту імпульсу
- •Розділ 2 основи молекулярної фізики і термодинаміки
- •Тема 5
- •Основні положення молекулярно-кінетичної теорії
- •§15. Дослідне підтвердження основних положень мкт Існування проміжків між частками
- •Малість розмірів часток речовини
- •Рух часток речовини
- •Дифузія
- •Взаємне притягання і відштовхування молекул
- •Швидкість руху часток і температура
- •Чим більша швидкість руху молекул тіла, тим вища його температура.
- •§16. Три стани речовини
- •§ 17. Кристалічні і аморфні тіла
- •Кристалізація аморфних тіл.
- •§ 18. Будова рідин
- •§ 19. Газоподібні тіла
- •Тема 6 Основні положення молекулярно-кінетичної теорії ідеального газу § 20. Ідеальний газ і його параметри
- •§ 21. Рівняння стану ідеального газу
- •§ 22. Газові процеси
- •§ 23. Основне рівняння мкт газів
- •§24. Температура
- •§25. Розподіл молекул за швидкостями
- •§ 26. Барометрична формула.
- •§ 27. Короткі відомості про атмосферу.
- •§ 28. Розподіл Больцмана
- •§ 29. Явища переносу
- •Середня довжина вільного пробігу і число зіткнень за секунду молекул газу.
- •Дифузія.
- •Теплопровідність
- •Внутрішнє тертя (в'язкість)
- •Тема 7 Перший закон термодинаміки
- •§ 30. Внутрішня енергія
- •§ 31. Перший закон термодинаміки Способи зміни внутрішньої енергії
- •§ 32. Теплоємність
- •§ 33. Перший закон термодинаміки для різних термодинамічних процесів
- •§ 34. Адіабатичний процес
- •Тема 8 Другий закон термодинаміки
- •§ 35. Теплові двигуни. Термодинамічні цикли. Цикл Карно
- •Двигун внутрішнього згорання
- •§ 36. Незворотність теплових процесів. Другий закон термодинаміки
- •§ 37. Статистичний зміст ентропії
- •Питання і задачі :
- •Розділ 3 електромагнетизм
- •Тема 8 Електростатика
- •§ 38. Електричний заряд. Закон Кулона
- •§ 39. Електричне поле
- •Принцип суперпозиції електричного поля.
- •§ 40. Потік вектора напруженості електричного поля. Теорема Гауса для електричного поля у вакуумі
- •Лінії напруженості електричного поля
- •§41. Робота електричного поля по переміщенню заряду. Потенціал
- •§ 42. Діелектрики і провідники в електричному полі. Поляризація діелектриків. Електроємність. Конденсатори
- •Електрична ємність
- •З'єднання конденсаторів
- •При послідовному з'єднанні конденсаторів складаються зворотні величини ємностей.
- •§43. Енергія електричного поля
- •Енергія зарядженого конденсатора дорівнює роботі зовнішніх сил, яку необхідно витратити, щоб зарядити конденсатор.
- •Тема 9 Електричний струм
- •§ 44. Сторонні сили. Електрорушійна сила. Напруга
- •§ 45. Закон Ома
- •§ 46. Послідовне і паралельне з'єднання провідників. Правила Кірхгофа
- •При послідовному з'єднанні повний опір кола дорівнює сумі опорів окремих провідників.
- •Правила Кірхгофа для розгалужених кіл
- •§ 47. Робота і потужність струму. Закону Джоуля-Ленца
- •Робота dA електричного струму I, що протікає по нерухомому провідникові з опором r, перетвориться в теплоту dQ, що виділяється в провіднику.
- •§ 48. Класична теорія електропровідності металів
- •Закон Ома
- •Закон Джоуля-Ленца.
- •Нині ведуться інтенсивні роботи по пошуку нових речовин з ще вищими значеннями Tкр.
- •Тема 10 Магнітне поле і його характеристики.
- •§49. Закон Ампера. Взаємодія паралельних струмів
- •§ 50. Закон Біо - Савара - Лапласа
- •§ 51. Теорема про циркуляцію вектора індукції магнітного поля
- •§ 52. Сила Лоренца
- •Тема 11
- •§ 53. Магнітне поле в речовині
- •Тема 12 Електромагнітна індукція
- •§ 54. Явище електромагнітної індукції. Правило Ленца
- •§ 55. Самоіндукція. Енергія магнітного поля
- •Енергія магнітного поля
- •Література
- •Тема 1
- •Національна металургійна академія України
- •49600, Г. Дніпропетровськ 5, пр. Гагаріна, 4
- •Редакційно-видавничий відділ нМетАу
Закон Ома
У проміжку між зіткненнями на електрон діє сила, рівна по модулю eE, внаслідок чого він набуває прискорення а. Тому до кінця вільного пробігу дрейфова швидкість електрона становить:
де τ - час вільного пробігу, який для спрощення розрахунків передбачається однаковим для усіх електронів.
Середнє значення швидкості дрейфу дорівнює половині її максимального значення:
Розглянемо провідник довжини l і перерізом S з концентрацією електронів n. Струм в провіднику може бути записаний у виді:
.
Так. як ,деl - середня довжина вільного пробігу електронів, а vт середня швидкість теплового руху електронів густина струму дорівнює:
. (3. 45)
Отримана формула виражає закон Ома для металевого провідника. Коефіцієнт пропорційності між J і E не що інше, як питома провідність матеріалу провідника.
. (3. 46)
Закон Джоуля-Ленца.
До кінця вільного пробігу електрони набувають під дією поля кінетичну енергію:
Згідно із зробленими припущеннями, уся ця енергія передається гратам при зіткненні і переходить в тепло.
За час Δt кожен електрон виконує Δt/τ зіткнень. У провіднику перерізом S і довжини l знаходиться nSl електронів. Звідси витікає, що в провіднику за час Δt виділяється кількість теплоти:
.
Кількість теплоти, що виділяється за одиницю часу в одиниці об'єму
. (3. 47)
Це співвідношення виражає закон Джоуля-Ленца.
Таким чином, класична електронна теорія пояснює існування електричного опору металів, закони Ома і Джоуля-Ленца. Проте у ряді питань класична електронна теорія призводить до виводів, що знаходяться в протиріччі з дослідом.
Ця теорія не може, наприклад, пояснити, чому молярна теплоємність металів, також як і молярна теплоємність діелектричних кристалів, дорівнює 3R, де R - універсальна газова стала (закон Дюлонга і Пти).
Класична електронна теорія не може також пояснити температурну залежність питомого опору металів. Теорія дає ρ~√Т тоді як з експерименту виходить залежність ρ ~ T. Проте найбільш яскравим прикладом розбіжності теорії і дослідів є надпровідність.
Згідно класичної електронної теорії, питомий опір металів повинен монотонно зменшуватися при охолодженні, залишаючись кінцевим при усіх температурах. Така залежність дійсно спостерігається на досліді при порівняно високих температурах. При нижчих температурах близько декількох кельвінів питомий опір багатьох металів перестає залежати від температури і досягає деякого граничного значення. Проте найбільший інтерес представляє явище надпровідності, відкрите данським фізиком Х. Каммерлинг-Оннесом в 1911 році. При деякій певній температурі Tкр, різній для різних речовин, питомий опір стрибком зменшується до нуля (рис. 3.32). Критична температура у ртуті дорівнює 4,1 К, у алюмінію 1,2 К, у олова 3,7 К. Надпровідність спостерігається не лише у елементів, але і у багатьох хімічних сполук і сплавів. Наприклад, з'єднання ніобію з оловом (Ni3Sn) має критичну температуру 18 К. Деякі речовини, що переходять при низьких температурах в надпровідний стан, не є провідниками при звичайних температурах. В той же час такі "хороші" провідники, як мідь і срібло, не стають надпровідниками при низьких температурах.
Рисунок 3.32.
Залежність питомого опору ρ від абсолютної температури T при низьких температурах: a - нормальний метал; b - надпровідник.
Речовини в надпровідному стані мають виняткові властивості. Практично найбільш важливою з них є здатність тривалий час (багато років) підтримувати без загасання електричний струм, збуджений в надпровідному ланцюзі.
Класична електронна теорія не здатна пояснити явище надпровідності. Пояснення механізму цього явища було дане тільки через 60 років після його відкриття на основі квантово-механічних представлень.
Науковий інтерес до надпровідності зростав у міру відкриття нових матеріалів з вищими критичними температурами. Значний крок в цьому напрямі стався в 1986 році, коли було виявлено, що у одного складного керамічного з'єднання Tкр = 35 K. Вже в наступному 1987 року фізики зуміли створити нову кераміку з критичною температурою 98 К, що перевищує температуру рідкого азоту (77 К). Явище переходу речовин в надпровідний стан при температурах, що перевищують температуру кипіння рідкого азоту, було названо високотемпературною надпровідністю. У 1988 році було створено керамічне з'єднання на основі елементів Tl - Ca - Ba - Cu - O з критичною температурою 125 К. На 1 січня 2006 року рекорд критичної температури при нормальному тиску складає 138 К (з'єднання Hg - Ba - Ca - Cu - O(F), кераміка з частковим заміщенням кисню фтором, 2003 рік). При підвищенні тиску до 400000 атмосфер критична температура становила 166 К в тому ж з'єднанні.