Производство и использование электрической энергии

Производство: Тепловая электростанция, Атомная электростанция, Гидроэлектрическая станция.

Альтернативные источники энергии: ветер, солнце, вода

Использование электроэнергетики в различных областях науки. ХХ век стал веком, когда наука вторгается во все сферы жизни общества: экономику, политику, культуру, образование и т.д. Естественно, что наука непосредственно влияет на развитие энергетики и сферу применения электроэнергии. С одной стороны наука способствует расширению сферы применения электрической энергии и тем самым увеличивает ее потребление, но с другой стороны в эпоху, когда неограниченное использование невозобновляемых энергетических ресурсов несет опасность для будущих поколений, актуальными задачами науки становятся задачи разработки энергосберегающих технологий и внедрение их в жизнь.Рассмотрим эти вопросы на конкретных примерах. Около 80% прироста ВВП (внутреннего валового продукта) развитых стран достигается за счет технических инноваций, основная часть которых связана с использованием электроэнергии. Все новое в промышленность, сельское хозяйство и быт приходит к нам благодаря новым разработкам в различных отраслях науки.

Билет 6

 

1. Электростатика — раздел об электричестве, изучающий взаимодействие неподвижных электрических зарядов. Разноименные притягиваются, а одноимённые притягиваются. В основе электростатики лежит закон Кулона. Этот закон описывает взаимодействие точечных электрических зарядов. Впервые электрический заряд был введён в законе Кулона в 1785 году, единица измерения заряда в СИ — кулон — электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А за 1 с. Заряд в один кулон очень велик.

 

2. Скорость света в вакууме — фундаментальная физическая постоянная, по определению, точно равная299 792 458 метрам в секунду. Точное значение связано с тем, что с 1983 года за эталон метра принято расстояние, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1/299792458 секунды. Принцип Гюйгенса Френеля — основной постулат волновой теории, описывающий и объясняющий механизм распространения волн, в частности, световых. Законы отражения света были найдены экспериментально ещё в 3 веке до нашей эры древнегреческим учёным Евклидом. Также эти законы могут быть получены как следствие принципа Гюйгенса, согласно которому каждая точка среды, до которой дошло возмущение, является источником вторичных волн. Волновая поверхность в следующий момент представляет собой касательную поверхность ко всем вторичным волнам. Принцип Гюйгенса является чисто геометрическим.

 

Билет 7

 

1. Электрическое поле — одна из составляющих электромагнитного поля; особый вид материи, существующий вокруг тел или частиц, обладающих электрическим зарядом, а также при изменении магнитного поля. Электрическое поле непосредственно невидимо, но может быть обнаружено благодаря его силовому воздействию на заряженные тела.

Напряжённость электрического поля — векторная физическая величина, характеризующая электрическое поле в данной точке. Принцип суперпозиции — один из самых общих законов во многих разделах физики. В самой простой формулировке принцип суперпозиции гласит: результат воздействия на частицу нескольких внешних сил есть векторная сумма воздействия этих сил.

 

2. Дисперсия света ( разложение света) — это явление, обусловленное зависимостью абсолютного показателя преломления вещества от частоты (или длины волны) света, или, зависимость фазовой скорости света в веществе от длины волны (или частоты). Экспериментально открыта Ньютоном около 1672 года, хотя теоретически достаточно хорошо объяснена значительно позднее.

Дифракцией называется огибание волнами препятствий, встречающихся на их пути, или в более широком смысле - любое отклонение распространения волн вблизи препятствий от законов геометрической оптики. Благодаря дифракции волны могут попадать в область геометрической тени, огибать препятствия, проникать через небольшие отверстия в экранах и т. д.

 

Билет 8

1.Электростатическое поле - эл.поле, образованное неподвижными электрическими зарядами

Диэлектрик — вещество, плохо проводящее электрический ток. Концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 10 см. Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле. С точки зрения зонной теории твёрдого тела диэлектрик — вещество с шириной запрещённой зоны больше 3 эВ. Существуют два вида диэлектриков: полярные и неполярные. Они различаются строением молекул.

Виды диэлектриков:

Неорганические диэлектрики: стекла, слюда, керамика, неорганические пленки (окислы, нитриды, фториды), металлофосфаты, электроизоляционный бетон. Особенности неорганических диэлектриков - негорючи, как правило, свето-, озоно- термостойки, имеют сложную технологию изготовления. Старение на переменном напряжении практически отсутствует, склонны к старению на постоянном напряжении.

Органические диэлектрики: полимеры, воски, лаки, резины, бумаги, лакоткани. Особенности органических диэлектриков - горючи (в основном), малостойки к атмосферным и эксплуатационным воздействиям, имеют (в основном) простую технологию изготовления, как правило, более дешевы по сравнению с неорганическими диэлектриками. Старение на постоянном напряжении практически отсутствует, на переменном напряжении стареют за счет частичных разрядов, дендритов и водных триингов.

 

2. Сегодня мы знаем о трех видах излучений: альфа, бета и гамма. Размеры ядра в 100 ООО раз меньше размеров самого атома, но плотность его очень велика, поскольку масса ядра почти равна массе всего атома.

Источник света — любой объект, излучающий энергию в световом спектре. По своей природе подразделяются на искусственные и естественные.

В физике идеализированы моделями точечных и непрерывных источников света.

Спектр (лат. spectrum «виде́ние») в физике — распределение значений физической величины (обычно энергии, частоты или массы). Графическое представление такого распределения называется спектральной диаграммой[источник не указан 1033 дня]. Обычно под спектром подразумевается электромагнитный спектр — спектр частот (или то же самое, что энергий квантов) электромагнитного излучения.

Спектральные аппараты. Для точного исследования спектров такие простые приспособления, как узкая щель, ограничивающая световой пучок, и призма, уже недостаточны. Необходимы приборы, дающие четкий спектр, т. е. приборы, хорошо разделяющие волны различной длины и не допускающие (или почти не допускающие) перекрытия отдельных участков спектра. Такие приборы называют спектральными аппаратами. Чаще всего основной частью спектрального аппарата является призма или дифракционная решетка.

Билет 9

 

 

1. Напряжённость, силовая характеристика поля, и разность потенциалов, его энергетическая характеристики, связанные однозначно.

Зная напряжённость в каждой точке, можно вычислить разность потенциалов между любыми точками. И наоборот.

Отсюда следует, что напряжённость направлена в сторону убывания потенциала. При перемещении заряда под прямым углом к линиям напряжённости работа поля равна нулю, так как сила перпендикулярна перемещению. Следовательно, все точки поверхности, перпендикулярной в каждой точке линиям напряжённости имеют одинаковый потенциал. Такие поверхности называют эквипотенциальным. Разность потенциалов и напряжённость являются количественными характеристиками поля. Напряжённость более наглядна и указывает направление силы, действующей на заряд. Но разность потенциалов тоже имеет свои преимущества. Разность потенциалов легче измерить, чем напряжённость.

Эквипотенциальная поверхность — это поверхность, на которой скалярный потенциал данного потенциального поля принимает постоянное значение.

 

2. Ультрафиолетовое излучёние — электромагнитное излучение, занимающее диапазон между фиолетовой границей видимого излучения и рентгеновским излучением. Инфракрасное излучение — электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света и микроволновым излучением. Рентгеновское излучение — электромагнитные волны, энергия фотонов которых лежит на шкале электромагнитных волн между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением. Электромагнитные волны

классифицируются по длине волны или связанной с ней частотой волны. Отметим также, что эти параметры характеризуют не только волновые, но и квантовые свойства электромагнитного поля. Соответственно в первом случае электромагнитная волна описывается классическими законами.

Билет 10

 

Электрическая ёмкость — характеристика проводника, мера его способности накапливать электрический заряд. В теории электрических цепей ёмкостью называют взаимную ёмкость между двумя проводниками; параметр ёмкостного элемента электрической схемы, представленного в виде двухполюсника. Такая ёмкость определяется как отношение величины электрического заряда к разности потенциалов между этими проводниками.

Единицы электроемкости. Формула (14.22) позволяет ввести единицу электроемкости.

Электроемкость двух проводников численно равна единице, если при сообщении им зарядов +1 Кли -1 Клмежду ними возникает разность потенциалов 1 В. Эту единицу называют фарад (Ф); 1 Ф = 1 Кл/В.

Из-за того что заряд в 1 Кл очень велик, емкость 1 Ф оказывается очень большой. Поэтому на практике часто используют доли этой единицы: микрофарад (мкФ) - 10-6 Ф и пикофарад (пФ) - 10-12 Ф.

Важная характеристика проводников - электроемкость. Электроемкость проводников тем больше, чем меньше разность потенциалов между ними при сообщении им зарядов противоположных знаков.

 

Конденсатор — двухполюсник с определённым значением ёмкости и малой космической проводимостью; устройство для накопления заряда и энергии электрического поля. Конденсатор является пассивным электронным компонентом. Обычно состоит из двух электродов в форме пластин, разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок.

 

2. Фотоэффект — это испускание электронов веществом под действием света. В конденсированных веществах (твёрдых и жидких) выделяют внешний и внутренний фотоэффект.

Фотон- это частица, которая материальна, не имеет заряда, она является частицей э.м.п. движется со скоростью света, может существовать только в движении. Остановить его нельзя, он либо существует со скоростью света, либо не существует. Масса покоя равна нулю.

Теория фотоэффекта Теоретическое объяснение этих законов было дано в 1905 году Эйнштейном. Согласно ему, электромагнитное излучение представляет собой поток отдельных квантов (фотонов) с энергией hν каждый, где h — постоянная Планка. При фотоэффекте часть падающего электромагнитного излучения от поверхности металла отражается, а часть проникает внутрь поверхностного слоя металла и там поглощается. Поглотив фотон, электрон получает от него энергию и, совершая работу выхода, покидает металл: , где — максимальная кинетическая энергия, которую может иметь электрон при вылете из металла.

Билет 11

1. Электрический ток — упорядоченное некомпенсированное движение свободных электрически заряженных частиц, например, под воздействием электрического поля. Такими частицами могут являться: электроны, в электролитах —
ионы, в газах - ионы и электроны, в вакууме при определенных условиях - электроны, в полупроводниках — электроны и дырки. Силой тока называется физическая величина I, равная отношению количества заряда Q, прошедшего за некоторое время t через поперечное сечение проводника, к величине этого промежутка времени. Условия, необходимые для существования электрического тока: наличие свободных электрически заряженных частиц;

наличие внутри проводника эл. поля действующего с силой на заряженные частицы для их упорядоченного движения. Если в проводнике существует эл. поле, то между концами проводника есть разность потенциалов.

Эта зависимость получила название " закон Ома для участка цепи ", т.к. именно Георгу Ому в 1827 г. впервые удалось экспериментально установить зависимость между силой тока, напряжением и сопротивлением. Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка.

Электрическое сопротивление — физическая величина, характеризующая свойства проводника препятствовать прохождению электрического тока и равная отношению напряжения на концах проводника силе тока, протекающего по нему.

2. Давление света — давление, которое оказывает световое излучение, падающее на поверхность тела. Любое превращение молекул есть химический процесс.
Химические процессы, протекающие под действием видимого света

и ультрафиолетовых лучей, называются фотохимическими реакциями. Световой энергии достаточно для расщепления многих молекул. В этом проявляется химическое действие света.

 

Фотография — получение и сохранение неподвижного изображения при помощи светочувствительного материала или светочувствительной матрицы фотокамере.

Билет 12

1. Работа тока - работа электрического поля по переносу электрических зарядов вдоль проводника;

Электродвижущая сила (ЭДС) — скалярная физическая величина, характеризующая работу сторонних сил в источниках постоянного или переменного тока. Закон Ома для полной цепи.

Мощность постоянного тока. Чем дольше потребители тока, будь то лампы или двигатель, включены, тем больше электроэнергии потребляется. И тем больше количество произведенной работы. Но и при простом увеличении количества потребителей сила тока увеличивается, поскольку обычно они включаются параллельно. Следовательно, произведенная электрическая работа возрастает с увеличением силы тока и времени. Но влияет еще и третья величина. Две параллельно включенные лампы потребляют двойную энергию по сравнению с одной. А, значит, и двойной ток. Тот же результат получим, если соединим две лампы последовательно и подадим двойное напряжение

 

2. Атом — наименьшая химически неделимая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атом состоит из атомного ядра и электронов. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным.

А.Беккерель, изучая люминесценцию различных веществ, в 1896 г., случайно обнаружил, что соли урана без предварительного освещения производят излучение, которое обладает большой проникающей силой и способно воздействовать на фотографическую пластинку, завернутую в черную бумагу. Резерфорд заинтересовался данным явлением и сразу же занялся изучением Беккерелиевых лучей. Результат был далек не успешный.

Но самым важным было то, что Резерфорд открыл частицы в составе излучения, испускаемого ураном, он поместил урановый источник в сильное магнитное поле и разделил на три различных вида излучение. То есть, тогда он открыл состав радиоактивности: альфа и бета частицы, а также гамма-лучи.

В результате этого Резерфорд мгновенно сделал гениальное заключение, что именно с помощью них можно проникнуть в глубь атома. Это было абсолютно правильно, что и подтвердилось немного позднее.

Резерфорд широко применял частицы в последующих исследованиях в качестве снарядов, проникающих атомное ядро - сердце атома.

Постулаты Бора: 1) постулат стационарных состояний в атоме, существуют, некоторые стационарные состояния, не изменяющиеся во времени, без внешних воздействий. В этих состояниях атом не излучает и не поглощает электромагнитные волны. 2) правило квантования орбит, в стационарных состояний атома, электрон, двигаясь по круговой орбите, должен иметь дискретные квантованные значения момента импульса. 3) правило частот, при переходе атома из одного стационарного состояние в другие, испускается 1 квант энергии.

Квантовая механика — раздел теоретической физики, описывающий физические явления, в которых действие сравнимо по величине с постоянной Планка. Предсказания квантовой механики могут существенно отличаться от предсказаний классической механики. Поскольку постоянная Планка является чрезвычайно малой величиной по сравнению с действием повседневных объектов, квантовые эффекты в основном проявляются только в микроскопических масштабах.

Лазер оптический квантовый генератор —устройство, преобразующее энергию накачки в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

Билет 13

 

1. Между проводниками с током, т.е. взаимодействия между движущимися электрическими зарядами, называют магнитными. Силы, с которыми проводники стоком действуют друг на друга, называют магнитными силами.

Магнитное поле — силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, независимо от состояния их движения. Магнитное поле может создаваться потоком заряженных частиц. Характеристику магнитного поля называют вектором магнитной индукции и обозначают буквой В со стрелкой над ней, Направление вектора магнитной индукции. Для определения направления вектора магнитной индукции удобно использовать направление, вдоль которого поворачивается магнитная стрелка, помещённая в магнитное поле. За направление вектора магнитной индукции принимается направление от южного полюса S к северному N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле.

Линии магнитной индукции - линии, касательные к которым направлены также как и вектор магнитной индукции в данной точке поля. Магнитные поля, так же как и электрические, можно изображать графически при помощи линий магнитной индукции. Через каждую точку магнитного поля можно провести линию индукции. Так как индукция поля в любой точке имеет определённое направление, то и направление линии индукции в каждой точке данного поля может быть только единственным, а значит, линии магнитного поля, так же как и электрического поля, линии индукции магнитного поля прочерчивают с такой густотой, чтобы число линий, пересекающих единицу поверхности, перпендикулярной к ним, было равно (или пропорционально) индукции магнитного поля в данном месте. Поэтому, изображая линии индукции, можно наглядно представить, как меняется в пространстве индукция, а, следовательно, и напряжённость магнитного поля по модулю и направлению.

Сила ампера. Пусть вектор магнитной индукции составляет угол, а с направлением отрезка проводника с током.

 

2 МЕТОДЫ НАБЛЮДЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ Счетчик Гейгера

- служит для подсчета количества радиоактивных частиц. Это стеклянная трубка, заполненная газом (аргоном), с двумя электродами внутри. При пролете частицы возникает ударная ионизация газа и возникает импульс электрического тока.

 

ОТКРЫТИЕ РАДИОАКТИВНОСТИ

Французский физик А. Баккрель 1 марта 1896 года обнаружил по почернению фотопластинки испускание солью урана невидимых лучей сильной проникающей способности. Вскоре он выяснил, что свойством лучеиспускания обладает и сам уран. Затем такое свойство им было обнаружено и у тория. Радиоактивность, такое название получило открытое явление, которое оказалось привилегией самых тяжелых элементов периодической системы Д.И.Менделеева

Радиоактивность - это самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа химического элемента в другой изотоп при этом происходит испускание электронов, протонов, нейтронов или ядер гелия. В 1898 году другие французские ученые Мария Склодовская-Кюри и Пьер Кюри выделили из уранового минерала два новых вещества, радиоактивных в гораздо большей степени, чем уран и торий. Так были открыты два неизвестных ранее радиоактивных элемента - полоний и радий, а Мария, кроме того обнаруживает явление радиоактивности у тория. Кстати, она первой и предложила термин радиоактивность. Ученые пришли к выводу, что радиоактивность представляет собой самопроизвольный процесс, происходящий в атомах радиоактивных элементов. Теперь это явление определяют как самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента, и при этом происходит испускание электронов, протонов, нейтронов или ядер гелия L - частиц. Здесь следует отметить, что среди элементов, содержащихся в земной коре, радиоактивными являются все с порядковыми номерами более 83, т.е. расположенными в таблице Менделеева после висмута.

Билет14

1. Из опыта известно, что магнитное поле оказывает действие не только на проводники с током, но и на отдельные заряды, которые движутся в магнитном поле. Сила, которая действует на электрический заряд Q, движущийся в магнитном поле со скоростью v, называется силой Лоренца и задается выражением F=QvB

Чтобы определить направление силы Лоренца используем правило левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы в нее входил вектор В, а четыре вытянутых пальца направить вдоль вектора v, то отогнутый большой палец покажет направление силы. Это сила была названа в честь Хендрика Лоренца, который в 1892 году, вывел выражение, этой силы.

Магнитные свойства вещества. На практике все вещества обычно разделяют на ферромагнитные и неферромагнитные, для которых относительная магнитная проницаемость m может быть принятой равной 1,0.К ферромагнетикам относятся железо, кобальт, никель и сплавы на их основе. Они имеют магнитную проницаемость, превышающую проницаемость вакуума в несколько тысяч раз. Поэтому все электротехнические устройства, использующие магнитные поля для преобразования энергии, обязательно имеют конструктивные элементы, изготовленные из ферромагнитного материала и предназначенные для проведения магнитного потока. Такие элементы называются магнитопроводы. Кроме высокой магнитной проницаемости ферромагнетики обладают сильно выраженной нелинейной зависимостью индукции В от напряженности магнитного поля Н, а при перемагничивании связь между В и Н становится неоднозначной.

2 РАДИОАКТИВНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ - природные или искусственные превращения ядер одних атомов в ядра других атомов. В 1903 Пьер Кюри обнаружил, что соли урана непрерывно и без видимого уменьшения со временем выделяют тепловую энергию, которая в расчете на единицу массы представлялась огромной по сравнению с энергией самых энергичных химических реакций. Еще больше теплоты выделяет радий - около 107 Дж в час в расчете на 1 г чистого вещества.

Закон радиоактивного распада — физический закон, описывающий зависимость интенсивности радиоактивного распада от времени и количества радиоактивных атомов в образце. Открыт Фредериком Содди и Эрнестом Резерфордом, каждый из которых впоследствии был награжден Нобелевской премией. Они обнаружили его экспериментальным путём и опубликовали в 1903 году в работах «Сравнительное изучение радиоактивности радия и тория»щи «Радиоактивное превращение», сформулировав следующим образом:

 

Период полураспада квантовомеханической системы — время Т, в течение которого система распадается с вероятностью 1/2.

 

Билет 15

1) Электрическая проводимость — это способность тела проводить электрический ток, а также физическая величина, характеризующая эту способность и обратная электрическому сопротивлению. В СИ единицей измерения электрической проводимости является сименф (называемая также в некоторых странах Мо)

Электронная проводимость металлов была впервые экспериментально доказана немецким физиком Э. Рикке в 1901 г. Через три плотно прижатых друг к другу отполированных цилиндра — медный, алюминиевый и снова медный — длительное время (в течение года) пропускали электрический ток. Общий заряд, прошедший за это время, был равен 3.5·106 Кл. Поскольку массы атомов меди и алюминия существенно отличаются друг от друга, то массы цилиндров должны были бы заметно измениться, если бы носителями заряда были ионы. Результаты опытов показали, что масса каждого из цилиндров осталась неизменной. В соприкасающихся поверхностях были обнаружены лишь незначительные следы взаимного проникновения металлов, которые не превышали результатов обычной диффузии атомов в твердых телах. Следовательно, свободными носителями заряда в металлах являются не ионы, а такие частицы, которые одинаковы и в меди, и в алюминии. Такими частицами могли быть только электроны.

 

Прямое и убедительное доказательство справедливости этого предположения было получено в опытах, поставленных в 1913 г. Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси и в 1916 г. Т. Стюартом и Р. Толменом. дописать

 

2) Изотопы это химические элементы с одинаковыми зарядами, но с разными атомными массами.. Химические свойства атома зависят практически только от строения электронной оболочки, которая, в свою очередь, определяется в основном зарядом ядра Z (to есть количеством протонов в нём) и почти не зависит от его массового числа А (то есть суммарного числа протонов Z и нейтронов N). Некоторые изотопы имеют традиционные собственные названия (например, дейтерий, актинон).

Открытие нейтрона. Важнейшим этапом в развитии физики атомного ядра было открытие нейтрона в 1932 г.

Искусственное превращение атомных ядер. Впервые в истории человечества искусственное превращение ядер осуществил Резерфорд в 1919 г. Это было уже не случайное открытие.Так как ядро весьма устойчиво, и ни высокие температуры, ни давления, ни электромагнитные поля не вызывают превращения элементов и не влияют на скорость радиоактивного распада, то Резерфорд предположил, что для разрушения или преобразования ядра нужна очень большая энергия. Наиболее подходящими носителями большой энергии в то время были а-частицы, вылетающие из ядер при радиоактивном распаде. Первым ядром, подвергшимся искусственному

преобразованию, было ядро атома азота <L. Бомбардируя азот и -частицами большой энергии, испускаемыми радием, Резерфорд обнаружил появление протонов — ядер атома водорода. В первых опытах регистрация протонов проводилась методом сцинтилляций 1, и их результаты не были достаточно убедительными и надежными. Но спустя несколько лет превращение азота удалось наблюдать в камере Вильсона. Примерно одна f(-частица на каждые 50 ООО il -частиц, испущенных радиоактивным препаратом в камере, захватывается ядром азота, что и приводит к испусканию протона. При этом ядро азота превращается в ядро изотопа кислорода

 

 

Билет 16