Физика лекции и примеры решения задач

Преобразование переменного тока. Трансформатор.

Трансформатор (от лат. transformo — преобразовывать) – аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения при неизменной частоте.

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. В простейшем случае трансформатор состоит из замкнутого стального сердечника, на который надеты две катушки с проволочными обмотками. Та из обмоток, которая подключается к источнику переменного напряжения, называется первичной, а та, к которой присоединяют «нагрузку», т. е. приборы, потребляющие электроэнергию, называется вторичной.

 Схема трансформатораПеременный ток создаёт в первичной обмотке переменное магнитное поле, которое и является причиной ЭДС взаимной индукции во вторичной обмотке.

Холостой ход трансформатора- (когда ток во вторичной обмотке отсутствует). КОЭФФИЦИЕНТ ТРАНСФОРМАЦИИ (K) – отношение действующих значений напряжения на первичной и вторичной обмотках трансформатора.

Работа нагруженного трансформатора. Когда во вторичную обмотку включают нагрузку, то некоторое время происходят колебания U и I, но в конце концов устанавливаются определённые значения величин. КПД современных трансформаторов большой мощности доходит до 99%. Повышая с помощью трансформатора напряжение в несколько раз, мы во столько же раз уменьшаем силу тока (и наоборот). U1I1 ≈ U2I2 Трансформаторы повсеместно используются при питании от сети потребителей, работающих при других напряжениях: рентгеновские, технологические и медицинские установки, электропечи, плазменные и лазерные установки, устройства радиолокации и электроники. Почти во всех технических устройствах, использующих электрический ток, трансформатор - обязательная составная часть.  Передача электроэнергии

 


Задача №1. Под каким напряжением находится первичная обмотка трансформатора, имеющая 1000 витков, если напряжение на вторичной обмотке, содержащей 3500 витков, равно 105 В?

Задача №2. Понижающий трансформатор со 110 витками во вторичной обмотке понижает напряжение от 22 000 В до 110 В. Сколько витков в его первичной обмотке? Домашнее задание. Выучить конспект. Прочитать § 15.12 (Дмитриева). Решить задачу: № 986. Трансформатор, содержащий в первичной обмотке 840 витков, повышает напряжение с 220 до 660 В. Каков коэффициент трансформации? Сколько витков во вторичной обмотке?

Занятие № 67

Электромагнитное поле, волны (по Максвеллу). Свойства волн, распространение волн.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ – распространяющиеся в пространстве возмущения электромагнитного поля. Теоретически предсказаны Дж. Максвеллом (1865); экспериментально открыты немецким физиком Г. Герцем (1888). Обобщение сделанное Максвеллом: магнитное поле может возбуждаться не только движущимися электрическими зарядами, но и любыми переменными во времени электрическими полями. Переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле, переменное магнитное поле в свою очередь приводит к возникновению переменного электрического поля и т.д. Электромагнитные волны обладают теми же свойствами, что и волны любой другой природы, с учётом того, что они поперечны.

 volna СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН. Электромагнитные волны обладают следующими свойствами: 1. Электромагнитные волны (в отличие от упругих) могут распространяться не только в различных средах, но и в вакууме.  2. Скорость электромагнитных волн в вакууме является фундаментальной физической константой, одинаковой для всех систем отсчета: с = 299 792 458 м/с ≈300 000 км/с. 3. Скорость электромагнитных волн в веществе меньше, чем в вакууме.  4. Электромагнитные волны с частотой от 400 до 800 ТГц вызывают у человека ощущение света. 5. Электромагнитные волны являются поперечными, т.  е. векторы Е и В в электромагнитной волне перпендикулярны направлению ее распространения. 6. Электромагнитные волны огибают препятствия, размеры которых сравнимы с длиной волны (дифракция). 7. Для когерентных электромагнитных волн наблюдается явление интерференции. 8. Электромагнитные волны преломляются на границе раздела двух сред. 9. Электромагнитные волны могут поглощаться веществом. 10. Электромагнитные волны, особенно низкочастотные, хорошо отражаются от металлов. 11. Для электромагнитных волн, распространяющихся в веществе, имеет место дисперсия. 12. При переходе электромагнитной волны из одной среды в другую частота волны остается неизменной. 13.Расстояние, на которое распространяется электромагнитная волна за время, равное периоду колебаний векторов в ней, называется длиной электромагнитной волны. СКОРОСТЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН – скорость, с которой распространяется возмущение электромагнитного поля. В вакууме эта скорость равна скорости света. В других средах меньше. Задача №1. Определите длину волны электромагнитного излучения, если период колебаний составляет 0,2 мкс. Задача №2. Генератор УВЧ работает на частоте 150 МГц. Какова длина волны электромагнитного излучения генератора? Домашнее задание. Выучить конспект. Прочитать § 13.2. Решить задачу: № 997. Радиостанция ведёт передачу на частоте 75 МГц (УКВ). Найти длину волны.

Физические основы радиосвязи.

Впервые Александр Степанович Попов публично продемонстрировал свой приёмник 25 апреля (7 мая) 1895 г. на заседании Физического отделения Русского физико-химического общества в физической лаборатории Петербургского университета. Этот день в нашей стране ежегодно отмечается как День радио.

 

АНТЕННА (лат. antenna – мачта) – устройство для излучения или приема радиоволн. ЗАЗЕМЛЕНИЕ 1) устройство для электрического соединения с землей аппаратов, машин, приборов и т. п. 2) процесс передачи электрического заряда Земле. Земной шар намного больше тел, находящихся на нем, и поэтому, после соприкосновения с Землей заряженное тело отдает ей почти весь свой заряд и становится практически нейтральным. МОДУЛЯЦИЯ – изменение во времени амплитуды, частоты или фазы высокочастотных колебаний по определенному закону. АМПЛИТУДНАЯ МОДУЛЯЦИЯ – изменение амплитуды высокочастотных электромагнитных колебаний с частотой, равной частоте звукового сигнала. 

  ДЕМОДУЛЯЦИЯ (детектирование) – процесс выделения низкочастотных (звуковых) колебаний из модулированных колебаний высокой частоты; процесс, обратный модуляции колебаний. Применяется в радиоприемных устройствах, телевидении и др.

  

РАДИОВОЛНЫ – электромагнитные волны с длиной волны от 5×10–5 до 1010 м. В настоящее время принято выделять следующие диапазоны радиоволн: сверхдлинные волны (с длиной волны в вакууме от 100 до 10 км). Радиоволны находят широкое применение в жизни и деятельности людей. Они применяются в радиовещании, телевидении, радиолокации, радиоастрономии, радиосвязи. Задача №1. В каком диапазоне длин волн работает приёмник, если ёмкость конденсатора в его колебательном контуре можно плавно изменять от 200 до 1800 пФ, а индуктивность катушки постоянна и равна 60 мкГн? 

Домашнее задание. Выучить конспект. Прочитать § 13.3. Решить задачу: №1009. На каком расстоянии от антенны радиолокатора находится объект, если отражённый от него радиосигнал возвратился обратно через 200 мкс?

Занятие №69

Электромагнитная природа света. Принцип Гюйгенса.
Световой поток и освещённость. Светимость звёзд.

До середины 19 века под светом понимали то, что воспринимается нашим глазом, т.е. то что сейчас называется видимым излучением. Природа света в то время была не ясна. Одни учёные, в частности И. Ньютон и его последователи, рассматривали свет как поток частиц (корпускул). Другие учёные, например Х. Гюйгенс, Т. Юнг, О. Френель рассматривали свет как упругую волну в некоторой особой среде- мировом эфире. Каждая теория обладала достоинствами и недостатками. И лишь в 60-х годах 19 столетия после создания Максвеллом математической теории электромагнитного поля и открытия электромагнитных волн природа света была раскрыта. Оказалось, что свет представляет собой не упругую, а электромагнитную волну. Это открытие сняло все трудности. Открытие Эйнштейном в 1905 году квантовых свойств света сохранило неизменным представление о свете как о электромагнитной волне, изменилось лишь понимание механизма излучения и поглощения света и его взаимодействия с веществом. На базе исследований оптических явлений возникли две фундаментальные области современной физики: теория относительности и квантовая физика. Подлинная революция произошла в оптике в 60-е годы прошлого столетия, в связи с изобретением оптических квантовых генераторов (лазеров). Фронтом волны называют поверхность, все точки которой колеблются в одинаковых фазах. Иначе фронт волны ещё называют поверхностью равных фаз. Принцип Гюйгенса. Каждая точка до которой доходит волна, является в свою очередь, центром вторичных волн; поверхность, огибающая в некоторый момент времени эти вторичные волны, указывает положение фронта распространившейся к этому времени волны.

Световой поток — соответствующая энергетическому потоку излучения световая величина, то есть мощность излучения, воспринимаемая нормальным человеческим глазом. Обозначение: Φ Единица измерения СИ: люмен (лм).

Освещенность - поверхностная плотность светового потока, падающего на поверхность, равная отношению светового потока к величине освещаемой поверхности, по которой он равномерно распределен. Единицей освещенности является люкс (лк).

Светимость звезд. Полную мощность излучения звезды во всем диапазоне электромагнитного спектра называют истинной или болометрической «светимостью».

Задача №1. От ближайшей звезды (α Центавра) свет доходит до Земли за 4,3 года. Каково расстояние до звезды?

Задача №2. Чему равна скорость света, если расстояние от Луны до Земли, примерно равное 3,84 .105 км, он проходит за 1,28 с?

Домашнее задание. Выучить конспект. Прочитать §14.1, 18.2. Решить задачу: №1019. Сколько времени идёт свет от Солнца до Земли?


Примеры решения задач по различным разделам физики