Шпаргалка по предмету "Концепции современного естествознания"

Переменный  ток — это ток, сила и направление которого изменяются во времени.(по закону sin и cos)

Переменный ток  получают, используя явление электромагнитной индукции, при котором в проводнике, пересекающем магнитное поле, возникает электродвижущая сила.

Электродвижущая сила переменного тока определяется выражением:

E=E_msin(wt+j),где E_m, — максимальное или амплитудное значение э.д.с., w = 2pf— круговая частота, f == 1/T — частота изменения направления тока в секунду, Т — период колебания, j — фаза относительно некоторого начального момента времени.

Различают мгновенное и действующее значения напряжения и тока, имеющие соотношение:

Еп=Еm/sqrt, Iп=Im/sqrt

Мощность в  цепи переменного тока равна,  ((Em*Im)/2)*cos(фи)

где E_m, и 1_m — амплитудные значения напряжения и тока в электрической цепи, j— сдвиг фазы между ними.

Любой проводник  электрической цепи обладает тремя  видами сопротивления:

1. Активным: R = U/I; (токи, напряжение совпадают по фазе)
2. Индуктивным: Х_L, =wL; (ток отстает по фазе на 90^о)
3. Емкостным: Хс = 1/wС.(опережает по фазе на 90^о)

Поэтому общее  сопротивление цепи, в которой  имеются сопротивление (резистор), индуктивность  и емкость, будет определяться выражением:

При равенстве wД= 1/wС в цепи наступает резонанс.

В связи с  удобством преобразования из высокого напряжения, необходимого для передачи электроэнергии на большие расстояния в низкое, необходимое для непосредственного использования в быту и в технике, переменный ток нашел широкое применение в промышленности и в быту. В промышленности переменный ток используется для питания электромоторов, в основном. асинхронного типа, в быту — для питания электронагревательных приборов, освещения, холодильников, бытовых электромоторов и т. п.

Закон Ома для цепей переменного  тока.

Величина переменного  тока будет тем больше, чем больше напряжение и чем меньше полное сопротивление:

I = U / z.

Последовательный  и параллельный резонансы

Резонанс - резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний при приближении частоты вынуждающего воздействия к некоторой фиксированной частоте (к резонансной частоте).

Параллельный  резонанс - резонанс в электрической цепи из катушки индуктивности и конденсатора, соединённых параллельно относительно источника переменного тока. При нём алгебраическая сумма реактивных проводимостей ветвей равна нулю и общий ток цепи совпадает по фазе с приложенным напряжением.

Использование: для улучшения коэффициента мощности электрических установок, в радиоприёмных устройствах.

Последовательный  резонанс - резонанс в электрической цепи из соединённых последовательно катушки индуктивности и конденсатора. На резонансной частоте сопротивление такой цепи равно нулю, и ток в ней по фазе совпадает с приложенным напряжением.

Использование: для повышения напряжения в импульсных цепях.

Применение в технике и технологиях:

 

• Большинство музыкальных инструментов издают звуки определенных частот благодаря резонансу.  А духовой инструмент - вообще резонанс столба воздуха.
• Все механические и электромеханические часы используют принцип стабильности колебания маятников в условии резонанса (вынужденные колебания равны собственным)

 

 

 

 

 

 

21. Техническое использование переменного тока.

Используется  для передачи и распределения электрической энергии преимущественно благодаря простоте трансформации его напряжения почти без потерь мощности.  Двигатели, основанные на переменном токе, меньше по габаритам, проще по устройству, надёжнее и дешевле. Переменный ток может быть выпрямлен, например полупроводниковыми выпрямителями, а затем с помощью полупроводниковых инверторов преобразован вновь в переменный ток другой, регулируемой частоты; это создаёт возможность использовать простые и дешёвые безколлекторные двигатели.  Переменный ток широко применяется в устройствах связи (радио, телевидение, проволочная телефония на дальние расстояния и т. п.).

22. Закон Фарадея и принцип действия  электрических трансформаторов.  Линии электропередач.

ЭДС, создаваемая во вторичной обмотке, может быть вычислена по закону Фарадея, который гласит, что:

Где

U₂ — Напряжение на вторичной обмотке,

N₂ — число витков во вторичной обмотке,

Φ — суммарный магнитный поток, через один виток обмотки. Если витки обмотки расположены перпендикулярно линиям магнитного поля, то поток будет пропорционален магнитному полю B и площади S через которую он проходит.

ЭДС, создаваемая  в первичной обмотке, соответственно:

Где

U₁ — мгновенное значение напряжения на концах первичной обмотки,

N₁ — число витков в первичной обмотке.

Поделив уравнение U₂ на U₁, получим отношение:

 

Работа  трансформатора основана на двух базовых принципах:

1.Изменяющийся во времени электрический ток создаёт изменяющееся во времени магнитное поле .

2. Изменение магнитного потока, проходящего через обмотку, создаёт ЭДС в этой обмотке.

На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой, подаётся напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной обмотке переменный ток создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе. В результате  электромагнитной индукции, переменный магнитный поток в магнитопроводе создаёт во всех обмотках пропорциональную первой производной магнитного потока, при синусоидальном токе сдвинутой на 90° в обратную сторону по отношению к магнитному потоку. В некоторых трансформаторах, работающих на высоких или сверхвысоких частотах, магнитопровод может отсутствовать.

Линия электропередачи (ЛЭП) — один из компонентов электрической сети, система энергетического оборудования, предназначенная для передачи электроэнергии посредством электрического тока. Также электрическая линия в составе такой системы, выходящая за пределы электростанции или подстанции.

Различают воздушные и кабельные линии электропередач.

По ЛЭП также  передают информацию при помощи высокочастотных сигналов  и ВОЛС. Используются они для диспетчерского управления, передачи телеметрических данных, сигналов релейной защиты и противоаварийной автоматики.

23. Взаимодействие электромагнитного  поля и движущегося заряда. Сила  Лоренца. Принцип действия электрогенераторов.

На электрический  заряд, движущийся в магнитном поле, действует сила Лоренца, равная

               

где q - величина заряда, Кл; u — скорость заряда, м/с; В

— магнитная индукция поля, Г. Эта сила направлена перпендикулярно векторам u и В.

Если проводящий контур движется а стационарном магнитном  поле, то в нем наводится э.д.с. индукции, поскольку на каждый свободный  заряд — носитель тока в проводнике, перемещающийся вместе с проводником  в магнитном поле, действует сила Лоренца, поэтому на отрезке длиной l, движущемся в поле с магнитной индукцией В со скоростью u возникает э.л.с., равная E=-B l u, B                                    

На этом основаны электромеханические электрогенераторы, в которых на статоре размещена обмотка, через которую пропускается постоянный ток, в результате чего в зазоре между статором и ротором (якорем) создается сильное магнитное

поле. На поверхности  ротора уложена вторая обмотка, в  которой при вращении ротора и  пересечении в результате этого силовых линий магнитной индукции создается электродвижущая сила.

Сила Лоренца  используется в кольцевых ускорителях  заряженных частиц для многократного  прогона их (в процессе разгона) по одному и тому же пути.

24. Электромагнитное излучение и его природа. Шкала электромагнитных волн, области применения различных частотных диапазонов в технике и технологиях.

Источником электромагнитного  излучения всегда является вещество. Но разные уровни организации материи  в веществе имеют различный механизм возбуждения электромагнитных волн. Так электромагнитные волны имеют своим источником токи, протекающие в проводниках, электрические переменные напряжения на металлических поверхностях (антеннах) и т. п. Инфракрасное излучение имеет своим источником нагретые предметы и генерируются колебаниями молекул тел. Оптическое

излучение происходит в результате перехода электронов атомов с одних орбит возбужденных) на другие (стационарные). Рентгеновские  лучи имеют в своей основе возбуждение  электронных оболочек атомов внешними воздействиями, например, бомбардировкой электронными лучками. Гамма-излучение имеет источником возбужденные ядра атомов, возбуждение может быть природным, а может явиться результатом наведенной радиоактивности.

Шкала электромагнитных волн:

От 10¹¹-10³ мкм – электромагнитные волны

10³-0,74 мкм – инфракрасное излучение (ИКИ)

0,74--0,4 мкм – видимый свет

0,4мкм- 0,004 мкм – видимый свет

0,01-5 ×10 ^-6 мкм – ультрафиолетовое излучение (УФИ)

5×10⁵-10^-6 мкм и далее – рентгеновские лучи 

Электромагнитные волны иначе называются радиоволнами.

Длинные и средние  волны огибают поверхность, хороши для ближней и дальней радиосвязи, но обладают малой вместимостью; короткие волны — отражаются от поверхности  и обладают большей вместимостью, используются для дальней радиосвязи;

УКВ — распространяются только в зоне прямой видимости, используются для радиосвязи и в телевидении;

ИКИ — применяются для всякого рода тепловых приборов;

видимый свет —  используется во всех оптических приборах;

УФИ — применяется в медицине;

Рентгеновское излучение используется в медицине и в приборах контроля качества изделий; гамма-лучи — колебания поверхности  нуклонов, входящих в состав ядра, используются в парамагнитном резонансе для  определения состава и структуры

вещества.

25. Свойства металлов (электропроводность, звукопроводность, твёрдость, пластичность, ковкость, плавкость, плотность).

Металлы  — группа элементов, обладающая характерными металлическими свойствами, такими как высокая тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и металлический блеск.

Характерные свойства металлов:

1. Металлический  блеск (характерен не только  для металлов: его имеют и неметаллы йод и углерод в виде графита).

2. Хорошая электропроводность.

3. Пластичность.

4. Высокая плотность.

5. Высокая температура плавления.

6. Большая теплопроводность.

7. В реакциях чаще всего являются восстановителями.

Электропроводность — это способность тела проводить электрический ток, а также физическая величина, характеризующая эту способность и обратная электрическому сопротивлению.

Твёрдость — свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, более твёрдого тела —индентора. Твёрдость измеряют в трёх диапазонах: макро, микро, нано.

Пластичность —  способность материала без разрушения получать большие остаточные деформации. Мерой пластичности является удлинение δ при разрыве. Чем больше δ, тем более пластичным считается материал. 

Ковкость

Способность  металлов и сплавов подвергаться ковке и другим видам обработки давлением. Ковкость характеризуется двумя показателями — пластичностью, то есть способностью металла подвергаться деформации под давлением без разрушения, и сопротивлением деформации. У ковких металлов относительно высокая пластичность сочетается с низким сопротивлением деформации.

Плавкость – свойство металлов переходить из твердого кристаллич. состояния в жидкое при нагревании. Среди металлов есть тугоплавкие металлы.

Плотность  —  скалярная физическая величина, определяемая как отношение массы тела к занимаемому этим телом объёму. 

26. Сущность параметров давления  и температуры, их влияние на  фазовое состояние вещества, использование  на практике, в технике и технологиях.

Энергия есть мера движений материи, удельная энергия — мера движения материи, заключенной в единице объема. Удельная энергия газа, выраженная в Дж/м³, есть давление этого газа, выраженное в Па (Паскалях), или. что то же самое, в Н/м², т.е. силе, выраженной в Ньютонах, приходящейся на единицу площади, выраженной в кв. м.:

    

Физическая  сущность давления газа на поверхность заключается в упругой передаче молекулами импульсов движения этой поверхности при изменении своего направления движения в результате соударения с этой поверхностью. Таким образом, давление будет тем больше, чем больше число молекул в единице объема и чем выше их скорость.

Температура — это мера энергии одной молекулы газа:

            

где m — масса  молекулы, u — ее скорость, k = 1,38 • 10^-23 Дж/град.

Для перехода тел  из одного состояния в другое — из твердого в жидкое или из жидкого в газообразное нужно затратить дополнительную энергию — энергию плавления или энергию парообразования соответственно. Для воды эта энергия составляет 6,013 и 40,683 кДж/моль. При обратных фазовых переходах (конденсации или кристаллизации) происходит выделение тепла. Благодаря этому явлению не происходит полного замерзания рек и озер. Дождь идет теплым, что важно для растений. Практическое применение теплоты плавления или

парообразования заключается в первую очередь в учете ее при расчете затрачиваемого на плавление или парообразования тепла. Данное физическое явление может быть в ряде случаев полезно использовано, например, для поддержания постоянства температуры в некотором объеме. В этом случае плавящееся или испаряющееся теле нужно специально подбирать или менять его

давление. Следует  учитывать, что температура фазовых  переходов зависит от давления (фазовая  диаграмма с тройной точкой). Это  используют на практике, например, применение скороварок убыстряет процесс приготовления пищи, т. к.  температура кипения воды повышается. В горах, где давление воздуха ниже, мясо варится более продолжительное время.

27. Источники энергии. Способы преобразования  энергии. ТЭС, ГЭС, АЭС. Альтернативная  энергетика.

1. Гидроисточники и геотермальные источники (основаны на воде). Энергия геотермальных вод – это энергия подземных горячих вод.