💡22.05.2024 / Теория относительности

Без Андрея Сергеевича

Теория относительности

Теория относительности – это физическая теория, рассматривающая пространственно-временные закономерности. В рамках этой теории вводятся несколько ключевых понятий:

Событие – это физическое явление, которое происходит в определенный момент времени в данной точке пространства.

Инерциальные системы отсчета

Инерциальные системы отсчета – это системы отсчета, в которых выполняется первый закон Ньютона, согласно которому любое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если на него не действуют внешние силы.

Основные постулаты теории относительности

1. Принцип относительности: Все физические явления протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета.

2. Скорость света в вакууме: Скорость света в вакууме одинакова для всех наблюдателей, независимо от их движения относительно источника света.

Время, Длина и Масса в Теории Относительности

В рамках теории относительности вводятся понятия собственного времени, собственной длины и массы покоя:

Собственное время – это время, которое отсчитывается часами, находящимися в состоянии покоя относительно наблюдаемого объекта или события.

Собственная длина – это длина тела, измеренная относительно системы отсчета, в которой это тело находится в покое.

Масса покоя – это масса тела, измеренная в состоянии покоя относительно системы координат. Она остается постоянной и не зависит от скорости движения тела.

Релятивистские эффекты

Релятивистская механика - это раздел где описывается движение частиц близкое к скорости света

В чём различие кинетической и потенциальной энергии?

Кинетическая энергия — это энергия движения (например, движущийся мяч). Потенциальная энергия — это энергия положения (например, поднятый камень).

Что такое принцип соответствия?

Принцип соответствия — это идея в физике, которая говорит, что новые теории должны объяснять старые в тех случаях, когда старые теории работают. Например, квантовая механика должна совпадать с законами классической механики при рассмотрении больших объектов или низких энергий.

Масса есть только в движении, масса является главной характеристикой.

Все тела делятся на проводники:

• Полупроводники

• Диэлектрики

По физической природе зарядов, носителей тока, разделяют на:

• Электронную проводимость

• Ионную проводимость

• Смешанную проводимость

Что такое свободные электроны?

Свободные электроны: электроны, которые могут свободно двигаться в материале.

Что такое сверхпроводимость?

Сверхпроводимость: эффект, при котором материал теряет электрическое сопротивление при низких температурах.

Что такое температурный коэффициент сопротивления?

Температурный коэффициент сопротивления: мера, насколько меняется сопротивление материала при изменении температуры.

Основные положения электронной теории проводимости металлов:

• Метал можно описать следующей моделью: кристаллическая решетка погружена в идеальный электронный газ

Из чего решётка, и из чего газ (вещества)?

Решётка в данной модели представляет собой кристаллическую структуру, состоящую из атомов металла, которые располагаются в упорядоченной решётке. Газ - это электроны, которые свободно двигаются внутри этой решётки, похоже на идеальный газ, независимо от других электронов.

• Свободные электроны в металлах находятся в непрерывном хаотическом движении

• Электрический ток в металле образуется только за счет упорядоченного движения свободных электронов

Сила тока

$I = enVS$

• $I$ - Сила тока

• $e$ - Заряд

• $n$ - Кол-во заряда

• $V$ - Скорость

• $S$ - Площадь сечения

При нагревании проводников изменяется их удельное сопротивление.

---

Задача №1

Сопротивление железного проводника при $0^0$ С и $600^0$С равны соответственно $2$ Ом и $10$ Ом. Каков температурный коэффициент железа?

Решение

Зависимость сопротивления металлов от температуры определяется формулой

$R = R_0(1 + \alpha \cdot \Delta T)$

$\alpha = \frac{R - R_0}{R_0 \cdot \Delta T}$

$\alpha = \frac{1}{150}   \text{K}^{-1}$

Ответ: $\alpha = \frac{1}{150} \text{K}^{-1}$

---

Что такое собственная и примесная проводимость?

Собственная проводимость: Проводимость материала за счет своих естественных носителей заряда. Примесная проводимость: Проводимость материала за счет добавленных примесей, которые вносят дополнительные носители заряда.

P-N переход, что это?

Граница между полупроводниками с разными типами проводимости, используемая в полупроводниковых устройствах.

Электрический ток в полупроводниках?

Движение заряженных частиц в материале под действием электрического поля.

Зависимость тока от напряжения?

Изменение тока через материал при изменении напряжения на нем.

Зависимость силы тока от внешних условий?

Изменение тока в материале под воздействием внешних факторов, таких как температура или освещение.

Полупроводник - это вещество, занимающее промежуточное положение в электропроводности между проводниками и диэлектриками. Транзистор - это устройство, содержащее 2 P-N перехода, направление которых противоположно.

В чистых полупроводниках концентрация свободных электронов и "дырок" одинакова.

$n$ - Концентрация свободных электронов $p$ - Количество дырок

донорные примеси - примеси которые легко отдают электроны, при их добавлении получаем проводник N типа

Акцепторные примеси - примеси которые легко принимают электроны. При их добавлении мы получаем проводник P типа (с дырочной проводимостью). Когда два полупроводника с разными типами проводимости входят в контакт, образуется P-N переход.

Транзистор или триод полу проводника - это устройство, которое содержит 2 P-N перехода.

---

Задача №2

Дано:

• Концентрация электронов проводимости (n) = 3*10^19 м^3

• Плотность (ρ) = 5400 кг/м^3

• Молярная масса (μ) = 0,073 кг/моль

Требуется найти соотношение числа электронов проводимости к общему числу атомов в германии (металл) при комнатной температуре.

Решение:

1. Найдем объем 1 моль германия (V): $V = \frac{μ}{ρ}$

2. Найдем число атомов в 1 моль германия: $N_{\text{атомов}} = \frac{N_A}{V}$

3. Найдем общее число атомов в германии: $N_{\text{общ}} = n \times V$

4. Найдем соотношение числа электронов проводимости к общему числу атомов: $\frac{n}{N_{\text{общ}}}$

Ответ:

Соотношение числа электронов проводимости к общему числу атомов в германии при комнатной температуре составляет $\frac{3 \times 10^{19}}{N_{\text{общ}}}$

Электрический ток в жидкостях

Не все жидкости проводят электрический ток. Жидкости делятся на диэлектрики, проводники и полупроводники.

Электролитическая диссоциация — это процесс разложения молекул электролита на ионы при растворении в воде или плавлении. Степень диссоциации - это доля молекул которые распадаются на ионы. Электролиз — это процесс выделения веществ на электродах в результате окислительно-восстановительных реакций.

Закон электролиза Фарадея

Закон электролиза Фарадея был сформулирован английским учёным Майклом Фарадеем. Он заключается в двух основных законах:

1. Первый закон Фарадея гласит, что масса вещества, выделяющегося на электроде при электролизе, пропорциональна количеству электричества, прошедшего через электролит. То есть: $m = k \cdot Q$ где $m$ — масса выделившегося вещества, $Q$ — количество электричества (заряда), прошедшего через электролит, а $k$ — электрохимический эквивалент вещества, зависящий от его молекулярной массы и валентности.

2. Второй закон Фарадея гласит, что массы различных веществ, выделяющихся на электродах при прохождении одного и того же количества электричества, пропорциональны их химическим эквивалентам (молекулярным массам, делённым на валентность). То есть, если через различные электролиты пропустить одно и то же количество электричества, то массы выделившихся веществ будут относиться как их эквивалентные массы: $\frac{m_1}{m_2} = \frac{E_1}{E_2},$ где $m_1$ и $m_2$ — массы выделившихся веществ, а $E_1$ и $E_2$ — их эквиваленты.

Электрический ток в вакууме и газе

Вакуум - идеальный диэлектрик. Чтобы в вакууме мог проходить проходить ток, в нём необходимо создать концентрацию свободных носителей заряда. Это осуществляется с помощью явления термоэлектронной эмиссии. Эмиссия - это явление испускания вещества электроном при нагревании.

Чтобы протекание тока было возможным, необходимо ионизировать газ. Ионизация происходит в результате:

• Космических лучей

• Рентгеновского излучения

• Ультрафиолетового излучения

• Высокой температуры

• Электрического поля

Все газовые разряды делятся на 2 типа - самостоятельные и не самостоятельные

Примеры самостоятельных газовых разрядов:

1. Низковольтный дуговой разряд в лампе накаливания.

2. Высоковольтный грозовой разряд в атмосфере.

Примеры не самостоятельных газовых разрядов:

1. Тлеющий разряд в газоразрядных лампах.

2. Искровой разряд при замыкании электрической цепи.

Плазма - это частично или полностью ионизированный газ. Проводимость плазмы увеличивается по мере роста степени её ионизации. При высоких температурах проводимость полностью ионизированной плазмы приближается к сверх проводимости