101 ключевая идея: Физика - Джим Брейтот

ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК

Переменный — это электрический ток, неоднократно меняющий свое направление, обычно с постоянной частотой. Изменяющаяся разность потенциалов (напряжение) между двумя точками цепи заставляет носители заряда постоянно менять свое направление.

График переменного тока, по вертикальной оси которого отмечаются значения силы тока или разности потенциалов, а по горизонтальной оси — время, имеет вид кривой линии. График тока в цепи, подключенной к обычной потребительской сети напрямую или через трансформаторы, всегда представляет собой синусоиду.

Переменный ток

Максимальное значение силы переменного тока или разности потенциалов представляет собой максимальное значение силы тока или разности потенциалов в любом направлении. Интервал между максимальными значениями в одном направлении называется полным циклом.

Частота переменного тока представляет собой количество полных циклов, совершаемое за единицу времени (секунду). Единицей частоты служит герц (Гц), что соответствует одному циклу в секунду.

Среднеквадратичное значение силы переменного тока или разности потенциалов равно значению силы постоянного тока (или разности потенциалов), вызывающего ту же мощность в проводнике с данным сопротивлением.

Для синусоидального тока или разности потенциалов среднеквадратичное значение равно отношению

(максимальное (пиковое) значение тока) /2

Например, среднеквадратичное значение переменного тока в обычной сети равно 230 В; это значит, что нагревательный прибор, подключенный к источнику постоянного напряжения 230 В, будет вырабатывать ту же среднюю мощность, как если бы он был подключен к розетке.

См. также статьи «Разность потенциалов и мощность», «Электромагнитная индукция».

ПОЛНОЕ ВНУТРЕННЕЕ ОТРАЖЕНИЕ

Когда световой луч проходит границу воздуха и одной прозрачной или двух разных прозрачных сред, то его направление меняется. Такое изменение направления называется преломлением. Явление преломления происходит потому, что скорость света в одной среде отличается от скорости света в другой.

• Показателем преломления η прозрачной среды называется отношение скорости света в воздухе к скорости света в среде. Первая всегда больше второй.

• Углы падения i и преломления r связаны между собой таким образом, что п1 sin i = п2 sin r, где п1 — показатель преломления первой среды, а п2 — показатель преломления второй среды.

Критический угол: когда световой луч в прозрачной среде достигает границы с другой прозрачной средой, имеющей меньший показатель преломления, то в случае если угол падения оказывается больше некоего критического угла, происходит полное внутреннее отражение. Если угол падения равен критическому углу, то угол преломления равен 90° и луч света идет вдоль границы. Следовательно, п1 sin с = п2 sin 90°, где с — критический угол; так как sin 90° = 1, то sin с = п2/n 1.

Полное внутреннее отражение

а) если угол падения равен критическому углу, то луч света после преломления идет вдоль границы

б) если угол падения превышает критический угол, то луч света полностью отражается

Применение

1. В телекоммуникационных средствах связи для передачи цифровых данных используется оптическое волокно. На один из его концов подается пульсирующий свет, который многократно полностью отражается от внутренней поверхности волокна и выходит из другого конца.

2. Эндоскопы (приборы для исследования внутренних органов) состоят из двух связок оптического волокна; одна из них предназначена для освещения исследуемого объекта, а вторая — для передачи отраженного от объекта света к наблюдателю.

См. также статью «Электромагнитные волны».

ПОЛЯРИЗАЦИЯ

Поперечными называются волны, колебания которых перпендикулярны направлению их распространения. В качестве примеров можно привести колебания струны и вторичные сейсмические волны. Поперечные волны называют плоскополяризованными, если их колебания происходят только в одной плоскости. Неполяризованные поперечные волны совершают колебания в случайных плоскостях. Продольными называются волны, колебания которых параллельны направлению распространения, например звуковые и первичные сейсмические волны.

Электромагнитные волны — поперечные, так как состоят из колебаний электрического и магнитного полей, происходящих под прямым углом друг к другу и к направлению распространения. Электрическое поле поляризованной электромагнитной волны совершает колебания только в одной плоскости, а магнитное поле совершает колебания в плоскости, перпендикулярной первой. Плоскостью поляризации поляризованной электромагнитной волны называется плоскость колебаний ее электрического поля.

Свет солнечный и от лампы накаливания или пламени неполяризован; его можно поляризовать, пропустив через поляризационный светофильтр (поляроид). Молекулы фильтра пропускают свет, если плоскость колебаний световых волн перпендикулярна плоскости ориентации молекул фильтра. Если поляризованный свет пропустить через второй фильтр, то интенсивность света, прошедшего через него, будет больше в случае, когда фильтры расположены так, что плоскость ориентации его молекул перпендикулярна плоскости колебаний. Если два фильтра расположить перпендикулярно друг другу, то через второй фильтр свет не пройдет.

Неполяризованный свет поляризуется при отражении от стекла или водной поверхности. Поляризация отражением происходит полностью при определенном угле падения и частично при всех других углах. Поляроидные солнечные очки затеняют вспышки света, отраженного от водной поверхности, не пропуская его, но пропускают свет от других объектов.

См. также статьи «Жидкие кристаллы», «Электромагнитные волны».

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ И ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ПРОВОДНИКОВ

При последовательном соединении все компоненты электрической цепи расположены друг за другом. В последовательной цепи электрический заряд проходит через все проводники по очереди.

• Сила тока в последовательных проводниках одна и та же.

• Общее напряжение цепи равно сумме напряжений всех проводников.

• Общее сопротивление цепи равно сумме сопротивлений всех проводников.

Общий поток электронов, входящих в каждый проводник, выходит из него же; через все проводники проходят все те же электроны, так что сила тока в них одинакова. Следует иметь в виду, что в один момент времени по проводникам проходит различный поток различных электронов, просто сила тока остается одной и той же.

При отключении одного из последовательно соединенных компонентов цепи отключается вся цепь. Предохранители в пробках всегда подключены последовательно к бытовой сети или бытовым приборам: если предохранитель перегорает, отключается вся сеть или прибор.

При параллельном соединении электрический заряд проходит одновременно через несколько проводников.

• Напряжение параллельно соединенных проводников всегда одно и то же.

• Общая сила тока цепи равна сумме силы тока отдельных проводников.

• Общее сопротивление R сети вычисляется по формуле

1/R = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 +…, где R1, R2, R3 — сопротивление отдельных проводников.

Компоненты параллельной цепи можно выключать независимо друг от друга. Бытовые приборы и электрические лампы подключаются к сети параллельно, поэтому их можно включать и выключать независимо от других приборов и ламп.

См. также статьи «Законы Кирхгофа», «Заряд и ток», «Разность потенциалов и мощность».

ПРИНЦИП ИСКЛЮЧЕНИЯ (ПРИНЦИП ПАУЛИ)

Электрон в атоме обладает определенным количеством энергии и занимает место в оболочке, наиболее подходящей ему в соответствии с этой энергией. Каждая оболочка может удерживать не более определенного числа электронов. Самая внутренняя оболочка может удерживать не более двух электронов, а следующая — не более восьми. Распределение элементов по клеткам периодической таблицы связано как раз с заполнением электронами этих оболочек. Например, атом неона в основном состоянии имеет два из десяти электронов во внутренней оболочке и восемь во внешней. Неон — инертный газ, не вступающий в химические реакции, так как все места в его оболочках заняты.

В 1925 году Паули объяснил, почему электроны в атоме занимают те или иные уровни. Он понял, что состояние каждого электрона в атоме определяется четырьмя квантовыми числами, причем они не должны совпадать с квантовыми числами других электронов. Это положение известно как принцип исключения Паули.