Автор работы: Пользователь скрыл имя, 05 Ноября 2009 в 19:49, Не определен
Учебное пособие
Электромагнитное взаимодействие описывается законами электростатики и электродинамики: законами Кулона, Ампера и др. Его наиболее общее описание дает электромагнитная теория Максвелла, основанная на фундаментальных уравнениях, связывающих электрическое и магнитное поля.
Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре и определяет ядерные силы. Предполагается, что ядерные силы возникают при обмене между нуклонами частицами – глюонами.
Наконец, слабое взаимодействие описывает некоторые виды ядерных процессов. Оно короткодействующее и характеризует все виды бета-превращений, взаимодействие нейтронов с веществом.
6.3. Понятие физического поля
Все взаимодействия осуществляются посредством особой формой материи – физическим полем. Оно может быть векторным или скалярным. Физическое поле связывает тела в единые системы и передает взаимодействие с конечной скоростью (в вакууме – со скоростью света). Поле, проявляющее себя в действии сил на различные тела, называют силовым полем. Каждое тело создает вокруг себя поле. Силовому полю как одной из форм материи присущи ее свойства: пространственно-временная протяженность, инертность, движение, энергия, импульс. Не изменяющееся со временем силовое поле называют стационарным. Если силы, действующие на тело, во всех точках одинаковы по модулю и направлению ( ), поле называют однородным.
Силовое поле, в котором работа силы поля А зависит только от начального и конечного положений тела и не зависит от вида его траектории, называется потенциальным (консервативным).
Никаких силовых взаимодействий, кроме полевых, современная физика не признает. Взаимодействия, возникающие при соприкосновении тел, являются частным случаем полевого взаимодействия. Так, вес тела, силы упругости и трения создаются электромагнитными полями. Они быстро убывают с расстоянием и проявляются, как правило, на расстояниях менее 10-9м. Поэтому-то такие полевые взаимодействия и воспринимаются макроскопически как «взаимодействия соприкосновения».
6.4. Гравитационное поле
Гравитационное взаимодействие осуществляется посредством центрального гравитационного поля (поля тяготения), источником которого является масса тела. Для количественной характеристики гравитационного поля вводят две физические величины – напряженность и потенциал поля тяготения.
Напряженность гравитационного поля – векторная физическая величина, равная по величине и направлению силе тяготения, действующей на единичную массу, помещенную в данную точку поля: .
Направлена напряженность к телу, создающему гравитационное поле. Для материальной точки массой М, на расстоянии r от нее:
где g – ускорение силы тяжести (тяготения).
Потенциал гравитационного поля - скалярная физическая величина, численно равная потенциальной энергии единичной массы, помещенной в данную точку поля (см. п.4.3.):
Потенциал увеличивается с расстоянием, максимальное его значение соответствует r = ∞, то есть бесконечному удалению материальной точки от центра сил.
6.5. Электромагнитные поля и волны
Среди четырех видов фундаментальных взаимодействий – гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого – электромагнитное взаимодействие занимает первое место по широте и разнообразию проявлений. В повседневной жизни и технике мы чаще всего встречаемся с различными видами электромагнитных взаимодействий: силы упругости, трения, силы мышц человека и животных и т.д.
Электромагнитное взаимодействие позволяет видеть окружающие нас многообразные предметы и тела, так как свет – одна из форм электромагнитного поля. Сама жизнь немыслима без сил электромагнитной природы.
К созданию электромагнитной теории поля привела длинная цепь случайных открытий и планомерных кропотливых исследований, начиная с обнаружения способности янтаря, потертого о шелк, притягивать легкие предметы и кончая предложением Максвелла - идеи о порождении магнитного поля переменным электрическим полем.
В 60-х годах 19 в. Максвелл создал теорию электромагнитного поля. Эта была первая теория поля, успешно объяснившая многие электромагнитные явления. Максвелл высказал гипотезу, что, во-первых, электрическое поле, возбуждаемое магнитным полем (согласно закону Фарадея), как и само магнитное поле, является вихревым, и, во-вторых, если всякое переменное магнитное поле возбуждает в пространстве вихревое электрическое поле, то должно существовать обратное явление: всякое изменение электрического поля должно вызывать в окружающем пространстве появление вихревого магнитного поля.
Таким образом, переменное магнитное поле всегда связано с порождаемым им электрическим полем, а переменное электрическое поле связано с порождаемым им магнитным, т.е. электрическое и магнитное поля неразрывно связаны друг с другом – они образуют единое электромагнитное поле.
Теория
Максвелла, являясь обобщением основных
законов электрических и
Электромагнитные волны имеют много общего с механическими и акустическими волнами. И те, и другие представляют собой распространение колебаний в пространстве; характеризуются одними и теми же параметрами: длинной волны – λ, частотой ν и циклической частотой ω, периодом Т, амплитудой А, Е0, Н0, волновым числом k=2π/λ и др. Уравнения этих волн так же аналогичны. Распространение электромагнитных волн описывается аналогичными уравнениями механических волн (см.п.5.3):
,
где и - напряженности (и их амплитуды) электрического и магнитного полей.
Но между ними существуют и различия. Если механические и акустические волны способны распространяться только в упругой среде (твердые тела, жидкости, газы), то электромагнитные волны могут перемещаться и в вакууме. Механические волны могут быть и поперечными и продольными, электромагнитные волны – только поперечными. Волны в упругих средах не могут, как электромагнитные волны распространяться со скоростью света.
Длина электромагнитной волны в вакууме .
6.6. Принцип суперпозиции
Согласно принципу суперпозиции результирующий эффект сложного процесса воздействия представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействием в отдельности, при условии, что последние взаимно не влияют друг на друга.
Так, слабое гравитационное поле (как причина гравитационного воздействия) с хорошей точностью подчиняется принципу суперпозиции. Математически это выражается следующим образом: ,
где – напряженность гравитационного поля.
Классическое электромагнитное поле также удовлетворяет принципу суперпозиции.
В квантовой механике принцип суперпозиции – один из основных постулатов, определяющий вместе с соотношением неопределенностей Гейзенберга структуру математического аппарата теории.
6.7. Шкала электромагнитных волн
Электромагнитные волны имеют весьма широкий диапазон частот ν и длин λ. Волны различной частоты отличаются друг от друга как по свойствам, так и по способам получения. В этой связи электромагнитные волны принято подразделять на несколько видов, образующих шкалу электромагнитных волн. Резкой границы между соседними видами не существует: частотные интервалы соседних видов взаимно перекрываются.
При
этом ультрафиолетовое УФ, инфракрасное
ИК излучения и видимый свет ВС возникают
при переходе электронов в атоме с более
высокой орбиты на более низкую.
7. Статистические и термодинамические свойства макросистем
7.1. Основные понятия молекулярной физики
Открытие закона сохранения энергии способствовало развитию двух качественно различных, но взаимно дополняющих методов исследования тепловых явлений и свойств микросистем: термодинамического и статистического (молекулярно-кинетического). Первый из них лежит в основе термодинамики, второй - молекулярной физики.
Процессы,
изучаемые молекулярной физикой, являются
результатом совокупного
Идеальный газ – это модель газа, в которой не учитывается взаимодействие молекул, а сами молекулы рассматриваются как материальные точки.
Идеальный газ характеризуется внешними и внутренними параметрами. К внешним параметрам относится: давление (р), температура (Т) и объём (V); к внутренним – среднеарифметическая < > и среднеквадратическая < > скорости, средняя энергия < >.
Взаимосвязь
между внешними и внутренними
параметрами газа описывается молекулярно-
где - постоянная Больцмана.
Уравнение состояния идеального газа – уравнение Менделеева-Клапейрона имеет вид:
где R=8,31Дж/(моль·К) – универсальная газовая постоянная, М – молярная масса, m – масса газа. ,
где NA=6.02·1023 1/моль – постоянная Авогадро.
Для идеального газа массой m, содержащего N молекул, полная энергия движения молекул, называемая внутренней энергией газа: , где i – число степеней свободы молекулы.
7.2. Термодинамические законы
Итак, всякая термодинамическая система в любом состоянии обладает внутренней энергией - энергией теплового (поступательного, вращательного и колебательного) движения молекул и потенциальной энергии их взаимодействия.
Возможны
два способа изменения
Известно, что в процессе превращения энергии выполняется закон сохранения энергии. Поскольку тепловое движение тоже механическое (только не направленное, а хаотическое), то при всех превращениях должен выполняться закон сохранения энергии. В этом заключается качественная формулировка закона для термодинамической системы – первое начало термодинамики. Его формулировка: количество теплоты Q сообщенное системе, идет на увеличение внутренней энергии системы и на совершении системой работы А, т.е.
7.3. Энтропия
Энтропия является количественной характеристикой, определяющий характер процессов (равновесный, неравновесный), направление протекания (обратимый, необратимый) и вероятность процессов. Энтропия характеризует меру разупорядоченности системы.
Поскольку тепловое движение молекул является хаотичным, беспорядочным, то с помощью энтропии можно определить степень молекулярного беспорядка (хаоса).