[17]Електромагнитна индукция

Закон на Ампер:

[17]

Фарадей открил че във всеки затворен контур който се намира в изменящ се магнитен поток, възниква електричен ток, който се нарича индуциран ток. Това явление Фарадей нарекъл електромагнитна индукция. Той стига до извода, че големината на индуцирания ток независи от начина на изменение на магнитния поток, а само от скоростта на неговото изменение. Магнитния поток Ф е равен на произведението на магнитната индукция В и повърхността S пресечена от проводника. Ф=В.S

Математически закона на Фарадей се записва:

Електричното индуцирано поле е вихрово поле, което има затворени силови линии. Енергетичната мярка за това вихрово поле е индуцираното ЕДН

Основния закон на електромагнитната индукция гласи следното: електродвижещото напрежение възникнало в затворен контур при електромагнитната индукция е равно и противоположно по знак, на скороста на изменението на магнитния поток през повърхността обхваната от контура. Посоката на индуцираниа ток се определя по правилото на Ленц, което гласи индуцирания ток, винаги има такава посока, че да противодейства на причината която го създава.

Вихровите токове се образуват в равнина перпендикулярна на линиите на магнитната индукция.

Явлението на възникване на индуцирано ЕДН в проводника от изменението на собсвения магнитен поток Ф, се нарича самоиндукция. Самоиндуцираното ЕДН ще се изрази чрез закона на Фарадей.

Единицата за индуктивност е Хенри. 1Хенри е индуктивноста на такава намотка при коята при протичане на ток 1 ампер се създава магнитен поток 1 вебер.

Взаимна индукция е явлението на възникване на ЕДН в една от намотките при промяна на тока в другата намотка.

[18]

Извод: електромагнитно поле – природен феномен, който възниква от дълбините на материата или от така наречения вакуум на електромагнитното поле.

Извод 2: електромагнитното поле се състои от два компонента: електрическо поле и магнитно поле които са относително независими.

Електромагнитна вълна – представлява разпространяваща се в пространството електромагнитно поле.

Свойства на електромагнитната вълна- напречни вълни()

Електромагнитната вълна се разпространява със скоростта на светлината. (v=c)

Разпространение на вълната в други среди ( ) n – показател на пречупване на средата.

Уравнение на Максуел – разпространението и вида на електромагнитните вълни се описва с теорията на Максуел, която е макроскопична теория, понеже описва вида на електромагнитната вълна във връзка с макроскопичните параметри на средата в която се разпространява.

Материални уравнения:

Изводи:

1. 
   с решаването на тези системи от уравнения се определят електромагнитните вълни.
   

Второ уравнение на Максуел.

Диференциална форма на закона за пълния ток в среда.

• 
  добавката на Максуел
  

Видове токове:

Трето уравнение:

Диференциална форма на теоремата на Гаус за електрическото поле.

Четвърто уравнение:

Показва че магнитните заряди няма и затова дивергенцията на магнитното поле е винаги нула. – представлява теоремата на Гаус за електромагнитно поле.

[19]

Основни свойства:

1. 
   Когато електромагнитното поле е с висока честота то се накъсва на отделни вълнови пакети.
   
2. 
   Те се разпространяват с постоянна скорост и във вакуум е точно равна на скоростта на светлината c
   
3. 
   Електромагнитните вълни са напречни вълни понеже електрическото и магнитно поле трептят перпендикулярно на посоката на разпространение.
   
4. 
   Електромагнитните вълни се генерират от ускорително движещи се електрични заряди. Всеки електричен заряд който се движи ускорително, излъчва електромагнитни вълни и те се използват в техническите устройства.
   
5. 
   Електромагнитните вълни са важни за природата за човека и техниката, тъй като самите ние сме изградени от електромагнитни полета, виждаме ги, топлим се с тях и предаваме информация с тях.
   

Тя се оказва че е точно сумата от енергията на електричното поле и магнитното поле

Количеството енергия което пренася електромагнитната вълна през единица повърхност напречно на посоката на разпространение се определя с една величина.

S=ExH

Ако една електромагнитна вълна притежава енергия то тя носи със себе си определено количество движение (импулс

Трептения наричаме всяко движение или изменение на състоянието на материална точка. Тези движения в една или друга степен се повтарят във времето. Периодичните трептения са движения или процеси чиито състояния точно се повтарят през равни интервали от време. Под период се разбира най-малкия интервал от време през който се повтарят всички величини с които описване трептенето. Броя на периодите за единица време се нарича честота. [s^-1] В зависимост от характера на външното въздействие трептенията биват: свободни – извършват се в система която е предоставена сама на себе си, след като е изведена от равновесното и състояние;

Принудени – такива в процеса на които трептящата система е подложена на външна периодично изменяща се сила.

Затихващи трептения – свободни трептения, които се извършват в реални системи

Явлението на разко нарастване на амплитудата на принудителни трептения, когато честотата на външната принудителна сила Ω се приближава към резонанстната честота Ω₀ се нарича механичен резонанс.

Изводи:
1. Резонансната честота засиви, както от собствената честота ω₀ на механичната система, така и от големината на механичните загуби δ.

2. Когато изнасяме големината на механичните загуби δ, можем да изменяме резонансната честота на механични системи.

3. В механичните системи, в които няма загуби, т.е. δ=0 резонансната честота съвпада със собствената на механичните системи, т.е. Ω₀=ω₀

Събиране на трептения с еднакви направления имаме два случая:

Събиране на кохерентни и събиране на некохерентни трептения. Кохерентни трептения са тези които имат еднакви честоти и равни фази.

[21]

Механична вълна: разпространяващите се в пространството механични трептения се наричат механични вълни.

• 
  надлъжни механически вълни – те са тези при които частиците на средата трептят успоредно на посоката на разпространение на механическата вълна(звукова вълна)
  
• 
  напречни механически вълни – механически вълни при които частиците на средата трептят перпендикулярно на посоката на разпространение на механическите вълни.
  
• 
  Повърхностни механически вълни – са тези вълни които се разпространяват по повърхността на твърди тела на границата на несмесващи се течности и други.
  
• 
  Надлъжни повърхностни вълни – когато частиците на повърхността трептят успоредно на посоката на разпространение
  
• 
  Напречни повърхностни вълни – частиците на средата трептят перпендикулярно на посоката на разпространение
  
• 
  Смесени вълни – частиците трептят хоризонтално и вертикално
  
• 
  Еластичност на вълните – механически вълни които се разпространяват в еластична среда
  

• 
  еластична материални среда – вещество което притежава еластични свойства.
  

Теорема на Хемхолц -

Извод: според теоремата намирането на вида на механичната вълна може да се сведе до намирането на нейните скаларни и векторни потенциали

Явлението на наслагване на вълни при което става устойчиво във времето взаимно усилване на интензивността в едни точки от пространството и отслабване в други в зависимост от състоянието във фазите на двете вълни се нарича интерференция.

Стоящи вълни се образуват от интерференцията на две синусни вълни с еднакви честоти и амплитуди и разпространяващи се във взаимно противоположни посоки.

[22]

Интерференцията е явление на възникване на стационарна светлинна картина в дадена повърхност или в обем на проздрачно тяло. Когато сумираме два директни светлинни източника, следствие на което възниква стационарна светлинна картина от минимуми и максимуми – това се нарича интерференчна картина.

Интерференцията се дължи на свойството кохерентност на фотоните.

Кохерентни вълни са тези които имат еднакви честоти и постоянна фазова разлика Продължителността на разпространение на светлинните вълни се нарича временна кохерентност – τ

Особености на интерференцията – интерференчната картина възниква във обем или в прозрачно твърдо тяло. За да възникне интерференция трябва светлинните слоеве да са кохерентни.

Опит на Юнг

Значение: Първи опит при който е демонстрирано явлението интерференция.

Извод: Интерференцията е отражение на вълновите свойства на фотоните на светлинната вълна.

Интерференция от плоско-паралелна пластинка: оптическа система от две успоредни оптически равнини, обема им който е запълнен от прозрачна среда с коефициент на пречупване n по голямо отколкото тази на околната среда.

Приложение – за контролиране качеството на оптичните детайли и запис на информация.

[23]

Дифракция – явление на отклонение на светлината от праволинейното и разпространение когато минава близко до границата на материални обекти

Когато преизлъчването става близко до границата на материалния обект светлината си променя посоката.

Разпространение на светлината: всяка точка до която достига светлина се превръща в източник на вторични кохерентни електромагнитни вълни.

Извод: явлението дифракция възниква поради това че границата деформира вторичните вълни и част от светлината се разпространява зад преградата.

Видове дифракции:

• 
  естествена дифракция на светлинните снопове – всеки светлинен сноп се разширява следствие на нееднородното взаимодействие на вторичните вълни в средата и края на снопа.
  

Разширението на светлинните снопове се нарича разходимост. Най-малката разходимост имат лазерните снопове. Ъгълът θ се нарича ъгъл на разходимост. θ=1,2.α/D

Дифракция на Френел - това е дифракцията която настъпва когато светлината взаимодейства с големи по размери отвири и препятствия.

Примеси: телескопи,микроскопи и фотоапарати.

Принцип на Хюйгенс-Френел – във всяка точка на вълновия фронт на една светлинна вълна, светлинната вълна може да се представи като резултат от суперпозицията на вторичните вълни излъчени в някакъв предишен момент от разпространението на вълната.

Извод: принципа отразява начина по който се разпространява вълната .

Дифракция от процеп – значение – тесния дълъг процеп е оптическа система с дифракция на Фраунховер, която се използва във всички електрически прибори.

Дифракционна решетка – система от тесни отражателни елементи или отвори чийто размери са съизмерими с дължината на светлинната вълна.Тя има способността да отклонява в различна пространствена посока светлинните излъчвания с различна дължина на вълната.

[24]

Естествена и поляризирана светлина.

Неполяризирана светлина е тази при която векторите на ел.полето на фотоните са ориентирани в произволно посоки спрямо светлинния сноп.

Естествената светлина е съставена от трептения които се извършват във всички посоки перпендикулярно на посоката на разпространение на лъча.

Значение на поляризирана светлина – за получаване на детайлни изображения в биологията и за получаване на изображения с поляризирана светлина.

Методи за получаване на поляризирана светлина – чрез явлението “Двойно лъчепропускане” в анизотропни кристали.

Анизотропен кристал е кристал който има различни свойства.

Двойно лъчепропускване – явление при което светлинната вълна в анизотропния кристал спонтанно се разпада на 2 поляризирани вълни с взаимни перпендикулярни поляризации.

Закон на Брюстер – отразява явлението на преминаване на светлинни вълни с определена поляризация от една оптическа среда в друга без никакви загуби.

Закон на Малюс- интензитета на преминалата светлина I през анализатора която е поляризирана от поляризатор е пропорционален на квадрата на косинуса на ъгъла между тях.

[25]

Живота на земята съществува на базата на светлината излъчена от слънцето.

Топлината е енергията запасена в топлинните трептения на атомите, молекулите и йоните и частичките на веществото.

Топлинно излъчване – електромагнитното излъчване излъчено от топлинните трептения на заредените частички на веществото.

Излъчване и поглъщане на топлината – топлината м/у материалните тела се обменя с топлинно излъчване.

Всяко тяло, на което температурата е > 0^оК непрекъснато поглъща и излъчва електромагнитно топлинно излъчване.

- колкото температурата нараства тялото повече поглъща повече, от колкото излъчва

- ако температурата му намалява тялото поглъща по-малко, от колкото излъчва

Излъчвателна способност на нагретите тела:

- диференциална излъчвателна способност

- интегрална излъчвателна способност – която представлява плътността на мощността, която се излъчва от единица повърхност.

Поглъщателна способност на **********************************

- интегралн *********

Абсолютно черно тяло – тяло което напълно поглъща топлинното излъчване при всяка своя температура или всяка честота на топлинното излъчване. Ат=1 Пример – интегрираща сфера.

Основни закони на класическата теория за топлинно излъчване:

- основава се на законите на класическата физика, която изхожда от неправилни постановки, което означава че е частично вярно.

Закон на Кирхов – м/у излъчвателната способност на едно тяло и поглъщащата му способност е в сила зависимостта, че отношението от излъчвателната към поглъщателната способност е точно равна на излъчвателната способност на абсолютно черно тяло. ******

Ако едно материално тяло не може да поглъща топлинно излъчване с определена дължина на вълната то то не може да излъчва топлинно излъчване със същата честота на вълната. . Закона на Кирхов показва, че по-прозрачните тела по-малко поглъщат топлинно излъчване, но и по-малко излъчват.

Закон на Стефан – Боуман ФОРМУЛА

Закон на Вин ФОРМУЛА

Формула на Релей – Джинс

Квантова теория на Планк за топлинното излъчване – правилно описва обмена на топлинно излъчване в света и техниката, изхожда от квантова гледна точка, т.е. че енергията в микро света може да се поглъща и излъчва само на определени порции кванти.

Излъчвателната способност на абсолютно черно тяло, може да се опише чрез зависимостта ФОРМУЛА

Топлинно излъчване е това излъчване, което се излъчва от топлинните трептения.

[26]

Фотоефект – явление на получаване на свободни токови носители при поглъщане на фотони от веществото.

При фотоефекта от веществото се избиват свободни електрони извън обема на твърдото тяло или вътре в неговата структура.

Видове фотоефекти:

- Външен фотоефект – погълнатата светлина води до появата на свободни електрони отвън на твърдото тяло.

- Вътрешен фотоефект - получените свободни електрони остават в обема на твърдо тяло, само преминават от валентната зона в зона на проводимост – свободни токови носители.

Приложение: прибори за нощно виждане, дисплей, слънчеви батерии и др.

Уравнение на Айнщайн:

Фотоелектрони – отделените свободни електрони под действието на светлината.

Уравнение на Айнщайн – отразява процесите протичащи при външен фотоефект. Явлението се наблюдава когато във вакуумна среда облъчим метален катод, то в следствие на погълнатата енергия на електроните се отделят

Уравнение на Айнщайн -

Енергията на фотона се изразходва като работа необходима за отделянето на електрона, а останалата част се изразходва за увеличаване кинетическата енергия на фотоелектрони. Уравнението показва квантовия характер на електроните в света – енергията () не се разпределя между много електрони, а се поглъща цялостно.

Закони за фотоефекта – доказват квантовия характер на процесите в микросвета.

Закони за външния фотоефект:

- Скоростта на фотоелектроните нараства, когато се увеличи енергията на погълнатите фотони

- Броят на отделените фотоелектрони е пропорционален на интензивността на светлината

- Червена граница на фотоефекта – при промяна енергията на фотоните в определен момент ефекта се прекратява

- Фотоефекта протича за времена от порядъка на 10^-16 [s] и е много бърз процес.

[27]

Лазери – единствените източници на кохерентна светлина за разлика от всички други светлинни източници в природата, науката и техниката.

Наименование LASER – усилване на светлината чрез явлението свимулирано излъчване, MASER – кохерентен радар

Основно св-во на лазерното излъчване – лазерното излъчване е кохерентно. Това е излъчване, при което всички фотони на светлинната вълна имат една и съща честота W₀=const, една и съща поляризация, посока на разпространение.

Всички фотони на лазера са напълно идентични. Всички уникални св-ва на лазерите произтичат от кохерентноста на тяхното излъчване.

Св-ва на лазерното излъчване:

- възможността да се концентрира в много малки пространствени области. С лазерното излъчване могат да се стопява и разрязва най-твърдия метал.

- способността да се концентрира в много малки времови интервали

- висока насоченост

Физически основи на лазерите:

Действие на лазерите: стимулирано излъчване – това в излъчване при което преди изтичането на времето τ, покрай възбудения атом минава фотон който чрез своето влияние принуждава атома да излъчи абсолютно същия фотон.Излъчения по този начин фотон има същата характеристика като на този който го е предизвикал.

Видове излъчване на светлината:

- спонтанно излъчване – процес на излъчване, при които след поглъщане на енергия от веществото електроните преминават на по високо енергетично състояние.

- стационарно излъчване – излъчване, което преди изтичане на времето покрай възбуденият атом преминава фотон, който чрез своето влияние принуждава атома да излъчи абсолютно същия фотон. Излъчения по този начин фотон има същата характеристика като този, който е предизвикал. Този процес обяснява действието на лазерите.

Работа на лазера: включва се източника на светлина, осветява се фотона, при което се създават нови футони.

Основни видове лазери. Според вида на активното вещество:

- твърдотелни - рубонови

- течни – активната среда е течност с разтворено вещество, което излъчва светлина. Лазери на органични багрила.

- газови лазери

- други видове

Класификация според начина на действие: