Електричний резонанс

Вивчимо залежність вимушених електричних коливань (змінного електричного струму в колі) від частоти зміни ЕРС генератора. Складемо електричне коло з послідовно увімкнутих активного опору R, котушки індуктивності L, конденса­тора С і амперметра змінного струму А. Приєднаємо це коло до звукового генератора ЗГ (рис. 4.9).

Рис. 4.9. Електричне коло для спостереження резонансу

З'ясуємо, як залежить сила струму в колі від зміни його частоти. Замкнемо вимикач К і, підтримуючи постійною напругу, яку виробляє гене­ратор, простежимо за силою струму в колі під час зміни частоти коливань у широких межах. За найнижчої частоти, яку виробляє ЗГ (близько 20 Гц), сила струму в колі незначна. 3 підвищенням частоти вона спочатку дуже повільно, потім швидше зростає. За певної частоти сила струму досягає максимуму. Позначимо цю частоту . Далі сила струму починає спочатку швидко, а потім повільніше зменшуватися і за досить великої частоти майже дорівнює нулю. Якщо цю залежність зобразити графічно, відкладаючи вздовж осі ординат силу струму І, а вздовж осі абсцис - частоту , то дістанемо криву (рис. 4.10). Як і для механічних вимушених коливань у даному випадку за деякої частоти ЕРС сила стру­му в колі має найбільше значення. Явище різкого зростання сили струму за певної частоти називається електричним резонансом. Частота називається резонансною частотою.

З'ясуємо, як впливають на електричний резонанс активний опір R, індуктивність L і ємність С. Збільшимо опір R, залишаючи незмінними L і С. Змінюючи частоту, спостерігатимемо за силою струму. Виявимо, що і в цьому випадку має місце резонанс за тієї самої частоти , але виражений він менш чітко, ніж у попередньому випадку, і максимальна сила струму менша. Графічно залежність сили струму від циклічної частоти у цьому випадку зображена кривою б (рис. 4.10).

Цей дослід переконує у тому, що резонансні явища в електричних колах виражені тим чіткіше і сильніше, чим менший активний опір кола.

Рис. 4.10. Залежність сили струму від циклічної частоти

Замінимо котушку індуктивності, залишаючи незмінни­ми R і С. Візьмемо, наприклад, котушку більшої індуктивності L. Резонансна частота в цьому випадку стане меншою. Так само можна показати, що і ємність конденсатора впливає на резонансну частоту: Із збільшенням ємності в колі резонансна частота зменшується. Отже, резонансна частота електричного кола залежить від індуктивності котушки L, ємності конденсатора С і не залежить від значення активного опору R.

Електричний резонанс виникає, коли індуктивний опір кола дорівнює єм­нісному опору:

. (4.23)

Тоді спад напруги на кінцях котушок індуктивності дорівнює спаду напруги на обкладках кон­денсатора. Ці напруги перебувають у протифазах і взаємно зрівноважуються.

З формули (4.23) видно, що резонанс напруг можна здійснювати, змінюючи L або С при або змінюючи , якщо L і С сталі. Циклічна частота, при якій настає резонанс, називається резонансною.

З формули (4.23):

. (4.24)

Це формула Томсона, її ши­роко використовують у радіотехніці. Характерні особливості резонансу такі:

а) повний опір кола мінімальний і дорівнює активному опору;

б) амплітуда струму має найбільше значення;

в) амплітуда напруги на активному опорі дорівнює амплітуді прикладеної напруги;

г) напруга і струм перебувають в однакових фазах;

д) потужність джерела струму передається тільки активному опору, корисна потужність змінного струму максимальна.

4.4.3. РОБОТА І ПОТУЖНІСТЬ ЗМІННОГО СТРУМУ

У колі змінного струму крім активного опору завжди діють увімк­нені послідовно індуктивність і ємність, які утворюють реактивний опір і зумовлюють зсув фаз між струмом і напругою. Пояснюється це тим, що в одних випадках потрібний активний опір (теплові прилади, навантажені електричні двигуни), а в інших - реактивний (електро­магніти).

Вираз роботи змінного струму:

. (4.25)

Потужність змінного струму:

(4.26)

істотно залежить від косинуса кута зсуву фаз, тому називають коефіцієнтом потужності. Розглянемо випадки:

а) при потужність у будь-які проміжки часу додатна, вона використовується для виконання корисної роботи в колі;

б) при потужність у деякі проміжки часу, а в деякі проміжки часу Ц, від і' від'ємна; проте від'ємні значення потужності менші від додатних;

в) при додатна і від'ємна потужності чисельно рівні між со­бою. У цьому випадку змінний струм не виконує корисної роботи. Енергія, яка посилається джерелом

в коло за першу чверть періоду, нагромаджується в електромагнітах і конденсаторах (у вигляді магнітної та електричної енергії поля), а потім за другу чверть періоду повертається до генератора. У цьому й полягає явище коливання енергії в колі змінного струму. З виразу коефіцієнта потужності:

(4.27)

видно, що це буде тоді, коли R = 0. Насправді в колі існує деякий активний опір підвідних провідників, обмоток котушок, і на нагрівання їх витрачається енергія струму; частина енергії витрачається на гісте­резис в осерді котушки; на струми Фуко і на нагрівання діелектрика в конденсаторі, але ці втрати енергії економічно невигідні.

У технічних мережах добиваються підвищення , оскільки при малому для добування в колі потрібної корисної потуж­ності треба пропускати струм великої сили, що, в свою чергу, веде до збільшення втрат енергії в підвідних провідниках і вимагає викорис­тання товстіших провідників. Найменше допустиме значення при використанні змінного струму на підприємствах дорівнює 0,85. Боротьба за підвищення при використанні змінного струму на підприємствах є важливим засобом економії електричної енергії в країні.

4.5. ПЕРЕДАЧА І ПЕРЕТВОРЕННЯЯ ЗМІННОГО СТРУМУ. ТРАНСФОРМАТОР. ЕЛЕКТРИЧНІ СТАНЦІЇ

План лекції

4.5.1. Передача змінного струму

4.5.2. Перетворення змінного струму. Трансформатор

4.5.3. Електричні станції

4.5.1. ПЕРЕДАЧА ЗМІННОГО СТРУМУ

Однією з важливих переваг електричної енергії є зручне і просте передавання її від генератора до споживача. Проте воно пов'язане із значними втратами в проводах внаслідок їх нагрівання. Потужність струму, яка йде на нагрівання проводів, дорівнює:

,

де І - сила струму в лінії, R - опір проводів лінії.

Ця формула вказує на два можливі шляхи зменшення теплових втрат у проводах ліній передач:

1) зменшення опо­ру проводів;

2) використання струму меншої сили.

Істотно зменшити опір проводів лінії можна лише за рахунок збільшення ї поперечного перерізу. А це веде до збільшення вартості ліній, тому такий спосіб зменшення втрат неприйнятний. На практиці ефективне зменшення втрат енергії на нагрівання проводів досягається зменшенням сили струму.

Нехай, наприклад, необхідно передати електроенергію потужністю 10⁵ кВт по лінії, опір якої R =50 Ом (такий опір має двохпровідна лінія передачі з мідного дроту діаметром 1 см завдовжки приблизно 150 км), з втратами на нагрівання проводів лінії 1 % (Р =10³ кВт). У цьому випадку потужність має передаватися струмом силою =140 А.

Отже, напруга в лінії має бути = 700000 В.

Цей приклад показує, що для передачі великої потужності за допомогою порівняно слабких струмів напруга має бути дуже високою. Однак конструювати генератори (а також різні споживачі електричної енергії), розраховані на ви­сокі напруги, дуже складно, оскільки необхідно забезпечити добру ізоляцію обмоток, не кажучи вже про те, що широке споживання електричної енергії за такої високої напруги взагалі неприпустиме через небезпеку враження людини струмом. Тому електричні генератори будують на напругу 6 - 25 тисяч вольт, а потім цю напругу підвищують за допомогою трансформаторів. У місцях споживання електроенергії струм високої напруги перетворюють в струми низької напруги (110 В, 220 В, 380 В і т. д.).

4.5.2. ПЕРЕТВОРЕННЯ ЗМІННОГО СТРУМУ. ТРАНСФОРМАТОР

Можливість передавати великі потужності струму на далекі відстані при порівняно незначних втратах відкрилась завдяки винаходу транс­форматора.

Рис. 4.11. Будова трансформатора

Трансформатор - електромагнітний прилад, який перетворює напругу і силу змінного струму. Технічний трансформатор складається з двох (або кількох) обмоток провідника, намотаних на спільне замк­нуте феромагнітне (з м'якого листового заліза) осердя (рис. 4.11). Кінці первинної обмотки (вхід) приєднують до джерела змінного струму, а кінці вторинної об­мотки (вихід) - до лінії передачі струму.

Дія трансформатора базується на яви­щі електромагнітної індукції. Розглянемо процеси, що відбуваються в ненавантаженому трансформаторі, тобто коли вторинна обмотка розімкнута.

Приєднаємо первинну котушку до генератора змінного струму. Котушка трансформатора в колі змінного струму становитиме значний реак­тивний опір , і в її обмотці існуватиме незначний періодично змінний струм. Цей струм утворить в осерді трансформатора такий самий періодично змінний магнітний потік:

. (4.28)

Оскільки осердя замкнуте, то розсіювання ліній магнітної індукції в повітрі незначне і можна вважати, що магнітний потік в осерді однаковий для обох обмоток.

Внаслідок змін магнітного потоку в обох котушках індукувати­меться ЕРС: у первинній - самоіндукції, у вторинній - взаємо­індукції.

Відношення:

(4.29)

називається коефіцієнтом трансформації. При > 1 трансформатор знижувальний,

при < 1 - підвищувальний. У підвищувальному трансформаторі напруга зростає, а струм зменшується, а в знижувальному - навпаки. Один і той самий трансформатор може працювати і як підвищувальний, і як знижувальний, залежно від того, яка обмотка використовується як первинна. При холостому ході (коли до кінці вторинної обмотки не увімкнуто навантаження) в первинній обмотці йде так зва­ний струм холостого ходу.

За допомогою трансформаторів напругу, яку дає генератор змін­ного струму, значно підвищують. У нашій країні формується енер­гетична система з лініями передач змінного струму на напругах 500 000 В, 750 000 В, 1,5 млн В.

На місцях споживання електричної енергії послідовним транс­формуванням напругу зменшують до потрібної - 220 В, 127 В.

У випадку навантаження трансформатора відбувається передача енергії з первинної обмотки у вторинну. За законом збереження і перетворення енергії потужність струму у вторинному колі менша за потужність у первинному на значен­ня втрат потужності в трансформаторі. Втрати енергії на трансформаторах не перевищують 2 - 3 %. Оскільки ККД трансформатора дуже близький до 1, для наближених розрахунків можна знехтувати втратами потужності в трансформаторі.

Рис. 4.12. Схема автотрансформатора

Для кіл невеликої потужності іноді вторинною обмоткою трансформатора роблять частину первинної обмотки або, навпаки, первинною обмоткою - частину вторинної. В цьому випадку трансформа­тор називають автотрансформатором

(рис. 4.12). Один з контактів автотрансформатора часто роблять рухомим, що дає змогу плавно знімати вихідну напругу.

4.5.3. ЕЛЕКТРИЧНІ СТАНЦІЇ

Виробляється електрична енергія на електростанціях в основному за допомогою розглянутих вище індукційних генераторів. Тепер існують три основні типи електростанцій: теплові (ТЕС), гідроелектричні (ГЕС) і атомні (АЕС).

На теплових електростанціях енергія, яка виділяється під час спалювання різних видів палива: вугілля, газу, нафти, торфу, горючих сланців, за допомогою електрогенераторів, що приводяться в обертання паровими і газовими турбінами або двигунами внутрішнього згоряння, перетворюється в електричну енергію.

На гідроелектростанціях (ГЕС) відбувається перетворення потенціальної енергії піднятої греблею води в електричну енергію. Ротори електрогенераторів приводяться в обертання гідравлічними турбінами. Потужність ГЕС залежить від створюваної греблею різних рівнів води (напору) і від маси води, яка проходить через турбіни станції за секунду (витрата води).

В останні роки все більшу роль в електроенергетиці відіграють атомні електростанції (АЕС). Принцип їх дії грунтується на використанні внутрішньої енергії, яка виділяється в ядерних реакторах внаслідок регульованої ланцюгової реакції поділу ядер урану або плутонію.

4.6. ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ХВИЛІ (ЧАСТИНА 1)

План лекції

4.6.1. Досліди Г. Герца

4.6.2. Винайдення радіо

4.6.3. Принципи радіозв’язку

4.6.1. ДОСЛІДИ Г. ГЕРЦА

Електромагнітні хвилі вперше експериментальне добув і вивчив Герц у 1888 р. Він зробив у коливальному контурі іскровий проміжок аб і підводив до нього від вторинної обмотки котушки Румкорфа (рис. 4.13) високу змінну напругу. У той момент, коли напруга на розрядному проміжку досягає пробивного значення, проскакує іскра, іонізований газ замикає коло контуру і в ньому виникають власні затухаючі коливання високої частоти (активний опір малий):

. (4.30)

Щоб не потрапили швидкозмінні струми з контуру в котушку, між ними увімкнено дроселі D.

Рис. 4.13. Дослід Г. Герца

Щоб збільшити треба зменшити L і С. Герц залишив у контурі лише один виток, зменшував площу пластин конденсатора і розводив їх, як показано на рис. 4.14, а - в. В результаті утворився контур у вигляді двох стержнів з розрядним проміжком між ними.

Рис. 4.14. Збільшення частоти контуру

Такий випромінюючий контур називається вібратором, або електричним диполем Герца. Принципово важливо те, що контур став відкритим. Змінне електричне поле при цьому охоплює весь навколишній простір, і такий вібратор добре випромінює електро­магнітні хвилі. Після багаторазового перезарядження обох половин вібратора коливання в ньому затухають, бо енергія витрачається на нагрівання і випромінювання. Потім індуктор знову заряджає вібра­тор і процес повторюється.

4.6.2. ВИНАЙДЕННЯ РАДІО

Рис. 4.15. Радіоприймач О.С. Попова

7 травня 1895 р. О. С. Попов на засіданні Російського фізико-хімічного товариства вперше в світі продемонстрував прийом грозових розрядів за допомогою сконструйованого ним радіоприймача-грозовідмітника (рис. 4.15). Індуктором електромагнітних хвиль у ньому є когерер К, який складається із скляної трубки АВ, наповненої металевими ошурками, і двох контактних вводів. Електромагнітна хвиля утворює в когерері високочастотний змінний струм, і між ошурками проскакують іскри, які зварюють частинки в ланцюжки. При цьому опір когерера різко зменшується, і він замикає коло батареї Б, яка живить електромагніт Е₁. Електромагніт притягує стальну пластинку П₂ і через контакти Е замикає коло електромагніту Е₂, який притягує стальну пластинку П₁. При цьому молоточок М ударяє по дзвонику Д. Але контакт розмикається і молоточок повертається у вихідне положення. Через гумовий амортизатор він ударяє по когереру й руйнує при цьому контакти між ошурками - приймач готовий знову до роботи.

7 травня 1895 р. ввійшло в історію світової культури як дата винаходу радіо. Пізніше О. С. Попов замінив дзвоник телеграфним апаратом і 24 березня 1896 р. на засіданні Російського фізико-хімічного това­риства продемонстрував передачу і прийом першої в світі радіограми. Вона складалася з двох слів: «Генріх Герц» - на честь вченого, який вперше добув електромагнітні хвилі. Застосувавши антену, О. С. Попов розширив можливості передавання сигналів на відстань до 50 км.

Рис. 4.16. Конструкції антен

Тепер антени виготовляють різних конструкцій. Найпростішою антеною є металевий провід, заземлений з одного кінця і підвішений над землею. Таку систему антенна - земля можна розглядати як роз­горнутий коливальний контур, який дає інтенсивне випромінювання електромагнітних хвиль у навколишній простір. Послідовно або пара­лельно вмикаються індуктивність і ємність (рис. 4.16). У першому випадку загальна ємність антенного контуру зменшується, тому влас­на частота антени збільшується ( зменшується). У другому випадку частота зменшується. Змінюючи L або С, можна настроювати антену на різні частоти.

4.6.3. ПРИНЦИПИ РАДІОЗВЯЗКУ

Для встановлення радіозв'язку треба мати передавальну і прий­мальну станції. На рис. 4.17 подано блок-схему радіозв'язку. Принцип радіозв'язку полягає в тому, що струми

провідності передавача за допомогою антени перетворюються в струми зміщення (швидкозмінне електричне поле), які поширюються в просторі без провідників. Досягаючи приймача, ці струми зміщення знову перетворюються в струми провідності, які діють на індикаторний пристрій (телефон, гучномовець, телеграфний апарат та ін.).

Рис. 4.17. Принципи радіозв’язку

1. Розглянемо призначення і дію окремих елементів радіопере­давача.

Коли передається розмова або музика, звукові коливання за допомогою мікрофона перетворюються в електричні коливання, які потрапляють у підсилювач низької частоти (ПНЧ). Може здатися, що за допомогою цих електричних коливань можна добути електромагнітні хвилі, а потім на приймальній станції знову дістати звукові коливання. Але коливання, утворені голосом людини, - це коливання низьких частот (у межах від 75 до 3000 Гц), що відповідають довжинам електромагнітних хвиль від 4000 до 100 км. Оскільки антени можуть випромінювати електромагнітні хвилі тільки тоді, коли їх розміри порядку довжини хвилі, то передавати звукові коливання таким способом практично неможливо.

З викладених мотивів в радіотехніці застосовують електромагнітні хвилі високої частоти (потужні струми зміщення), в межах від 105 до 108 Гц (довжина хвиль від 3 км до 3 м). Для строго напрямленого випромінювання (наприклад, у радіолокації) застосовують коливання з ще більшою частотою - 1010 Гц і вище. Тому радіопередавач неодмінно повинен мати генератор високої частоти.

Радіохвилі в приймачі збуджують струми провідності - високочастотні електричні коливання. Проте внаслі­док інерції жодна механічна система неспроможна їх реєструвати. Отже, окремо взяті низькочастотні й високо­частотні коливання не можуть задо­вольнити радіомовлення.

Радіомовлення засноване на вико­ристанні обох видів коливань, а саме: на передавальній станції низькочас­тотні звукові коливання накладаються на

високочастотні. Інакше кажучи, ви­сокочастотні коливання модулюються звуковими частотами. Модулювати можна такі параметри: амплітуду, частоту або фазу випромінюваних хвиль.

Розглянемо амплітудну модуляцію, яку використовують найчас­тіше. Амплітудна модуляція являє собою зміну амплітуди напруженос­тей електричного і магнітного полів радіохвилі високої частоти за законом звукової частоти. На рис. 343 показано немодульовані і модульовані високочастотні коливання. Зміна амплітуди високочас­тотних коливань відповідає змінам опору мікрофона, тобто тим звуковим коливанням, які потрапляють у мікрофон.

Рис. 4.18, а - високочастотні коливання, створені генератором; б - низькочастотні коливання (звукова частота); в - модульовані коливання; г – демодульовані низькочастотні коливання

Вибірністю (або селективністю) радіоприймача називається влас­тивість його виділяти з багатьох електричних коливань, що діють в антені, коливання потрібної частоти. Це досягається за допомогою явища резонансу - настроюванням контуру приймальної антени на несучу частоту даного передавача. Як правило, радіоприймач можна перестроювати з однієї несучої частоти на іншу і приймати сигнали багатьох передавачів.

Якість радіоприймача оцінюється також його чутливістю, тобто здатністю приймати радіосигнали певної сили. Кількісно чутливість визначається величиною найменшої напруги сигналу в антені прий­мача, при якій можливий нормальний радіоприйом. Якщо, напри­клад, чутливість становить 10 мкВ, то це означає, що сигнали від 10 мкВ і вище будуть прийняті нормально, а слабші не дадуть достатньої напруги на виході приймача.

Енергія електромагнітних хвиль, випромінюваних у різних напря­мах антеною передавача, розсіюється у величезному просторі, і тільки незначна частина її уловлюється антеною радіоприймача. Тому сприйнятий сигнал спочатку підсилюється у підсилювачі високої частоти (ПВЧ).

Оскільки телефон, репродуктор і людське вухо реагують лише на коливання струму звукової частоти і не реагують на високочастотні коливання, то їх треба демодулювати, або детектувати.

Детектуванням називається процес виділення коливань низької (звукової) частоти з модульованого сигналу високої частоти. Змінний струм низької частоти утворює спад і з нього знімається напруга для дальшого підсилення в підсилювачі низької частоти (ПНЧ). Після підсилення струм низької частоти надходить до телефону або гучномовця, які відтворюють звукові коливання, утворені на передавальній станції і перенесені до приймача радіохвилями.

4.7. ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ХВИЛІ (ЧАСТИНА 2)

План лекції

4.7.1. Інфрачервоне та ультрафіолетове випромінювання

4.7.2. Рентгенівське випромінювання

4.7.3. Шкала електромагнітних хвиль

4.7.1. ІНФРАЧЕРВОНЕ ТА УЛЬТРАФІОЛЕТОВЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ

Випромінюване джерелом світло несе з собою певну енергію, і ця енергія якимось чином розподіляється по хвилях всіх довжин (чи частот), що входить до складу світлового пучка. Які промені несуть на екран більше енергії, а які менше, можна визначити експериментально. Для цього слід за допомогою призми дістати на екрані спектр і, поміщаючи в різні місця спектра чутливий термометр, за його показами оцінити кількість поглинутої енергії. Чутливим термо­метром може бути термопара із спаєм, покритим тонким ша­ром сажі. Сажа майже повністю поглинає світло будь-якої довжини хвилі, тому такий шар поглинає випромінювання, яке падає на нього, і нагрівається. ЕРС, збуджувана при цьому, вимірюється гальванометром. Чим більше енергії несе випромінювання, тим більша ЕРС виникає в термопарі.

Дослідження спектра білого світла показують, що випромінювана джерелом енергія розподіляється нерівномірно між хвилями різної довжини. Найбільша кількість енергії припадає на червону частину спектра, а найменша - на фіолетову.

Здавалося б, що коли помістити спай термопари за червоний край спектра, де око не бачить жодного променя, він не нагріватиметься. Однак спай нагрівається навіть сильніше, ніж у червоній чи зеленій частині. Це означає, що джерело білого світла також випромінює промені, які не сприймаються оком, довжина хвилі яких більша, ніж у червоних променів. Промені, які містяться в спектрі за червоними, називають інфрачервоними, їх випромінює будь-яке нагріте тіло навіть тоді, коли воно не світиться. Наприклад, батареї опалення в кімнаті випромінюють інфрачервоні промені, які викликають помітне нагрівання навколишніх тіл. Тому інфрачервоні промені часто називають тепловими.

Інфрачервоні промені мають довжину хвилі 0,76 10^{-6 м} - 3,5 10^{-4 м. До речі, інфрачервоні промені сильно поглинаються звичайним склом, тому для їх дослідження слід користуватися лінзами і призмами з кам'яної солі.}

Термопара, поміщена за фіолетовий край спектра, так само виявляє підвищення температури, проте дуже незначне. Тому можна зробити висновок, що джерело білого світла випромінює невидимі оком електромагнітні хвилі з довжиною хвилі меншою, ніж у фіолетових. Вони дістали назву ультрафіолетових. Ці промені відзначаються сильною хімічною і фізіологічною дією. Якщо за фіолетовий край спектра помістити фотопапір, він швидко чорніє.

Ультрафіолетові промені мають довжину хвиль від 0,4 10^{-6 м до 0,5} 10^{-8 м. Ці промені так само сильно поглинаються звичайним склом, і тому для дослідження їх властивостей слід користуватися кварцовими лінзами і призмами.}

Інфрачервоні та ультрафіолетові промені знайшли широке застосування в різних галузях народного господарства. В техніці інфрачервоні промені використовують для сушіння різних матеріалів. Сучасні інфрачервоні сушильні установки на автомобільних заводах являють собою тунелі, на внутрішніх поверхнях яких встановлені інфрачервоні випромінювачі. Змонтований і пофарбований автомобіль повільно рухається тунелем і виходить з нього сухим. Сушіння триває 4 - 5 хвилин. Але, мабуть, найбільш цікавими застосуваннями інфрачервоних променів є створення приладів нічного бачення, які дають можливість вести спостереження вночі, а також фотографування в інфрачервоних променях.

Довгохвильові ультрафіолетові промені (2,8 10^{-7 м} - 3,2 10^{-7 м) у невеликих дозах цілюще впливають на організм людини. Поглинаючись тканинами, вони не лише сприяють утворенню захисного пігменту, а і посилюють процеси життєдіяльності організму, благодійно впливають на його розвиток і ріст, на центральну нервову систему тощо.}

Короткі ультрафіолетові промені мають сильну бактерицидну дію (вбивають бактерії). Тому їх застосовують для дезінфекції повітря в операційних, інфекційних відділеннях лікарень, а також у місцях великого скупчення людей (театри, школи тощо).

Ультрафіолетові промені використовуються і у фотографії для виявлення прихованих написів або стертого тексту, оскільки багато речовин під час поглинання ультрафіолетових променів починають випромінювати видиме світло. Це явище використовується в лампах денного світла.

4.7.2. РЕНТГЕНІВСЬКЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ

У 1895 р. німецький фізик В. Рентген відкрив електромагнітні хвилі, коротші за ультрафіолетові. Вони дістали назву рентгенівських, або Х-променів.

Одержують рентгенівські промені за допомогою спеціальних двохелектродних ламп. На рис. 4.19 схематично показана будова сучасної рентгенівської трубки. У вакуумній трубці розміщені електроди: підігрівний катод і антикатод. Поверхня антикатода скошена, вона не паралельна поверхні катода. Катод приєднують до негативного, а антикатод до позитивно­го полюсів джерела високої напруги - порядку десятків і сотень тисяч вольт. Випромінювані розжареним катодом рентгенівської трубки електрони прискорюються потужним електричним полем у просторі між катодом і антикатодом і з великою швидкістю ударяються в антикатод.

Рис. 4.19. Випромінювання рентгенівських променів

При цьому швидкість електрона практично миттєво зменшується до нуля, тобто сповільнення буде дуже вели­ким. Під час такого швидкого гальмування електрон випромінює короткі електромагнітні хвилі (від 10^{-8 м до 10-11 м) - рентгенівські промені. Оскільки електрони, які бомбардують антикатод, мають різні швидкості, то під час їх гальмування виникають рентгенівські промені різної довжини хвилі.}

Рентгенівські промені, як і ультрафіолетові та інфрачервоні, невидимі оком, але викликають світіння багатьох речовин і сильно діють на світлочутливі матеріали. Тому для їх дослідження застосовуються спеціальні екрани, які світяться під їх дією, або фотографування.

Рентгенівське проміння має велику проникну здатність відносно багатьох речовин, непрозорих для видимого світла. Воно порівняно вільно проникає крізь речовини, які складаються з атомів з малою атомною масою (дерево, м'язові тканини тощо), але помітно поглинається матеріалами, які складаються з атомів важких елементів (наприклад, метали, кістки тощо). Якщо рентгенівські промені проходять крізь об'єкт з нерівномірним розподілом густини, то на вміщеному за об'єктивом екрані або фотопластинці виникає тіньове зображення об'єкта, на якому розподіл освітленості відповідає розподілу густини речовини в об'єкті. М'язова тканина дає слабку тінь, а кістка - більш сильну.

Завдяки цим властивостям рентгенівські промені широ­ко застосовуються в медицині для виявлення змін в організмі (рентгенодіагностика) і в техніці для виявлення дефектів у деталях машин (рентгенодефектоскопія).

Рентгенівські промені використовуються також у лікуванні злоякісних пухлин, оскільки хворі клітини і тканини організму мають підвищену чутливість до їх дії. Тому відповідною дозою рентгенівського проміння можна стримувати ріст і навіть руйнувати хворі тканини організму (наприклад, злоякісні пухлини), не пошкоджуючи сусідніх здорових тканин.

Рентгенівське проміння широко використовують у фізиці як один з найточніших засобів вивчення структури кристалів. У техніці висока проникна здатність рентгенівського проміння використовується для просвічування металевих деталей з метою виявлення дефектів. Відомо, що всередині деталей з металу можуть залишатися шлакові вкраплення, пухирці газів тощо. Ці дефекти виявляються на рентгенознімку деталі. При виготовленні парових котлів застосовується електрозварювання. Якість шва контролюють, просвічуючи його рентгенівським промінням. У техніці важливі деталі проходять спеціальний рентгенівський контроль, щоб виявити і вилучити дефектні деталі.

4.7.3. ШКАЛА ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ

У радіотехніці використовують електромагнітні хвилі, довжини яких лежать у межах від кількох кілометрів до кількох сантиметрів і міліметрів. Проте цим не вичерпується вся різноманітність хвиль, які зустрічаються в природі. За електромагнітною теорією Максвелла, світло являє собою електромагнітні хвилі. Це було доведено дослідами Г. Герца і П. М. Лебедєва. Герц показав, що електромагнітні хвилі поширюються із швидкістю світла, а також відбиваються і заломлю­ються, як і світлові хвилі.

Ці хвилі відбиваються від металевих дзеркал, заломлюються, пере­ходячи з одного діелектрика в інший, і мають властивість подвійного променезаломлення в кристалах ромбічної сірки, тобто поводяться як оптичні хвилі. Лебедєв також уперше експериментально виявив і виміряв тиск світла на тверді тіла та гази і показав, що величина світлового тиску узгоджується з теоретичною формулою Максвелла.

Наше око здатне сприймати електромагнітні хвилі, довжини яких лежать у дуже вузькому інтервалі (0,4 мкм < < 0,75 мкм). Електро­магнітні хвилі, які межують з червоним світлом видимого спектра ( > 0,75 мкм), називаються інфрачервоним випромінюванням. Хвилі, які межують з фіолетовим світлом, називаються ультрафіолетовим випромінюванням ( <0,4 мкм).

Було встановлено, що радіоактивний розпад речовини супроводжується гамма-випромінюванням з довжиною хвилі < 10^{-10 м. Тепер відомо, що в електронних прискорювачах і космічному світі виникає гамма-випромінювання ще коротшої довжини хвилі.}

Шкала електромагнітних хвиль Таблиця 4.1.

Вид випромінювання	Діапазон довжин хвиль (у вакуумі), м	Діапазон частот, Гц	Метод спостереження
Низькочастотні хвилі Довгі Середні Проміжні Короткі Метрові Дециметрові Сантиметрові Міліметрові Мікрохвилі   Інфрачервоні промені   Видимі промені     Ультрафіолетові промені   Рентгенівські промені -промені	Від до 10^4 10^4 - 3 10^3 3 10^3 - 2 10^2 2 10^2 - 5 10 5 10 - 10 10 - 1 1 - 10^-1 10^-1 - 10^-2 10^-2 - 10^-3 10^-3 - 10^-4   0,35 10^-3 - 0,75 10^-6     0,75 10^-6 -0,4 10^-6     0,4 10^-6 - 5 10^-9     10^-8- 10^-12     10^-11 і менше	Від 0 до 3 10^4 3 10^4 - 10^3 10^5 - 1,5 10^6 1,5 10^6 -6 10^6 6 10^6 -3 10^7 3 10^7 -3 10^8 3 10^8 -3 10^9 3 10^9 -3 10^10 3 10^10 -3 10^11 3 10^11 -3 10^12   8,6 10^11 -4 10^14     4 10^14- 7,5 10^14     7,5 10^14- 6 10^16     3 10^16 - 3 10^20     3 10^19і більше	Радіотехнічний Радіотехнічний Радіотехнічний Радіотехнічний Радіотехнічний Радіотехнічний Радіотехнічний Радіотехнічний Радіотехнічний Радіотехнічний   Тепловий, фотографічний, частково фотоелектричний   Візуальний, фотографічний, фотоелектричний Фотографічний, фотоелектричний   Фотографічний, іонізаційний   Іонізаційний

Отже, у природі існують електромагнітні хвилі різної довжини. Шкала електромагнітних хвиль являє собою безперервно заповнену градацію від нескінченно довгих електромагнітних хвиль (які відповідають постійному струму) до хвиль, довжина яких дорівнює 10^{-16 м.}

У табл. 4.1. подано довжини хвиль і частоти електромагнітних коливань різних ділянок електромагнітного спектра.

Межі між різними видами електромагнітного випромінювання до­сить умовні, окремі ділянки перекриваються.

ПИТАННЯ ДЛЯ САМОСТІЙНОГО ОПРАЦЮВАННЯ

1. Комплексні числа і їх властивості

2. Резонанс напруг. Резонанс струмів

3. Синхронні та асинхронні двигуни

4. Автотрансформатор

5. Трифазний трансформатор

6. Описання властивостей векторного електромагнітного поля

7. Струм зміщення

8. Система рівнянь Максвела. Рівняння – зв’язки

9. Вихрове електричне поле

10. Рівняння хвилі

11. Плоскі і сферичні хвилі

12. Енергія хвилі

ПИТАННЯ ДЛЯ САМОПЕРЕВІРКИ ЗНАНЬ

1. Що таке коливальний контур?

2. За якими формулами обчислюють енергію електричного та магнітного полів коливального контуру?

3. Описати процес перетворення енергії в коливальному контурі

4. Що таке власні електромагнітні коливання?

5. Записати формулу Томсона

6. За якими законами змінюються заряд, сила струму і напруга в коливальному контурі (записати формули)?

7. Що таке затухаючі коливання (зобразити графік та дати визначення)? Від чого залежить швидкість затухання коливань?

8. Записати формулу коефіцієнта затухання

9. Що таке декремент затухання та логарифмічний декремент затухання (записати формули)?

10. За якими законами змінюються заряд, сила струму і напруга в коливальному контурі із затуханням(записати формули)?

11. Що таке вимушені електромагнітні коливання? Коли вони виникають?

12. Що таке автоколивання?

13. Що таке генератор електромагнітних коливань?

14. Що таке автоколивальна система? Що входить до її складу?

15. Що таке змінний струм?

16. Як отримати змінний струм? Будова генератора змінного струму

17. Які відмінності і переваги змінного струму?

18. Що таке квазістаціонарний струм?

19. Що таке діюче значення сили змінного струму чи напруги (дати визначення і записати формулу)?

20. Зсув фаз між силою струму і напругою

21. Записати закон Ома для кола змінного струму з резистором, конденсатором і котушкою індуктивності

22. Записати формулу повного опору

23. Записати формули індуктивного та ємнісного опорів

24. Що таке електричний резонанс?

25. Коли виникає електричний резонанс? Яка умова резонансу (записати формулу)?

26. Як обчисли резонансну частоту?

27. Як опір, індуктивність та ємність впливають на резонанс?

28. Які характерні особливості резонансу?

29. Записати формули роботи та потужності змінного струму

30. Що таке коефіцієнт потужності (записати формулу) та які способи його підвищення?

31. Як зменшити теплові втрати енергії в лініях електропередач?

32. Будова і принцип дії трансформатора

33. Що таке коефіцієнт трансформації?

34. Що таке автотрансформатор?

35. Електричні станції.

36. Досліди Герца по випромінюванню електромагнітних хвиль. Що таке вібратор Герца?

37. Будова радіо Попова.

38. Принципи радіозв’язку.

39. Що таке модуляція і детектування?

40. Що таке селективність радіоприймача?

41. Що таке чутливість радіоприймача?

42. Що таке інфрачервоні промені, які їх властивості та застосування?

43. Що таке ультрафіолетові промені, які їх властивості та застосування?

44. Що таке рентгенівські промені, які їх властивості та застосування?

45. Шкала електромагнітних хвиль

РЕФЕРАТИ

1. Електрифікація України

2. Способи добування електроенергії

3. Винайдення електродвигуна змінного струму

4. Комплексний метод розрахунку кіл змінного струму

5. Застосування резонансу в техніці

6. Підвищення коефіцієнта потужності споживачів на підприємстві

7. Трифазний струм

8. Винайдення трансформації змінного струму

9. Винаходи І. П. Доливо-Добровольського

10.Застосування електричного резонансу

11. Застосування автоколивань

12. Біографія Д. Максвела – основоположника електродинаміки

13. Винаходи С. Б. Морзе

14. Стільниковий зв’язок

15. Супутникове телебачення

16. Мікрохвильова піч

17. Винайдення радіо

18. Застосування інфрачервоного та ультрафіолетового випромінювань

19. Застосування рентгенівських променів

РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА

Основна:

1. Чолпан П. П. Фізика: Підручник. – К.: Вища школа, 2004. – 567 с.

2. Бушок Г.Ф., Венгер Є.Ф. Курс фізики. Кн.. 2. Електрика і магнетизм. – К.: Вища школа, 2003. – 278 с.

3. Зачек І. Р., Кравчук І. М., Романчишин Б. М. Курс фізики. – Л.: Бескет Біт, 2002. – 375 с.

4. 10. Бушок Г. Ф., Левандовський В. В., Півень Г. Ф. Курс фізики. – К.: Либідь. – 2002. – 441 с.

5. Куліш В.В. Фізика для інженерних спеціальностей. Кн. 2. Термодинаміка. Електромагнетизм. – К.: Вища школа. – 2006. – 232 с.

6. Кучерук І. К. Загальний курс фізики. Т. 2. Електрика і магнетизм. – К.: Вища школа, 2002. – 452 с.

Додаткова:

1. Гейзенбуг В. Физика и философия. Часть и целое. – М.: Наука, 1990. – 400 с.

2. Хромов Ю. А. Фізика. – К.: Наукова думка, 1977. – 508 с.

3. Савельев И. В. Курс общей физики. Т. 2. – М.: Наука, 1988. – 496 с.

4. Салчин Д. К. Сто великих учёных. – М.: ВЕЧЕ, 2000. – 592 с.

5. Лопатиський І. Є. Курс фізики. – Л.: Бескет Біт, 2002. – 376 с.

6. Кудрявцев П. С. Курс истории физики. – М.: Просвящение, 1982. – 447 с.

7. Трохимова Т.И. Курс физики. – М.:Высш. шк., 1990. – 478 с.

ПРО АВТОРА

Гайворонська Ганна Яківна – викладач Черкаського державного бізнес-коледжу. Закінчила радіофізичний факультет Київського університету ім. Т.Г. Шевченка (1994 р.). Викладає предмет „Фізика” з 1995 року. Спеціаліст вищої категорії, старший викладач. Автор навчальних видань „Фізика. Збірник задач” (2003 р.), „Фізика. Збірник задач для ЕОМ” (2005 р.), „Теорія електричних та магнітних кіл” (2008 р.)

Навчальне видання

ГАЙВОРОНСЬКА ГАННА ЯКІВНА

ФІЗИКА

КУРС ЛЕКЦІЙ

Редактор Н.А. Азьмук

Комп’ютерний набір Г.Я. Гайворонська

Корректор Кабанюк С.С.

Підписано до друку 05.05.10. Формат 60х80¹/₈

Папір офсет. Гарнітура Times New Roman. Друк офсетний.

Умов. друк. арк. 4,52. Тираж 60 прим. Зам. № 184

Видавництво ТОВ „Інтеграл-техноімпекс”

18000, м. Черкаси, вул. Смілянська, 2

За довідками з питань реалізації

звертатись за тел. [phone]

Дата добавления: 2015-10-26