Тема 1.2.6. Экологические проблемы, связанные с применением тепловых машин, и проблема энергосбережения.
В своей жизни мы постоянно встречаемся с разнообразными двигателями. Они приводят в движение автомобили и самолеты , трактора, корабли и железнодорожные локомотивы. Электрический ток вырабатывается преимущественно с помощью тепловых машин. Именно появление и развитие тепловых машин создало возможность для быстрого развития промышленности в 18-19 вв.
Работа тепловых машин связана с использованием ископаемого топлива. Современное мировое сообщество использует энергетические ресурсы в громадных масштабах. Например, за 1979 г. энергопотребление составило примерно 3*10.17 кДж.
Все тепловые потери в различных тепловых двигателях приводят к повышению внутренней энергии окружающих тел и в конечном счете атмосферы. Казалось бы, что выработка 3*10.17 кДж энергии в год, отнесенная к площади освоенной человеком суши(8,5 млрд га) даст ничтожную величину 0,11 Вт/м2 по сравнению с поступлением лучистой энергии Солнца на земную поверхность: 1,36 кВт/м2.
Однако при повышении ежегодного использования первичных энергоресурсов всего в 100 раз средняя температура на Земле повысится примерно на 1 градус. Дальнейшее повышение температуры может привести к интенсивному таянию ледников и катастрофическому повышению уровня Мирового океана, к изменению природных комплексов, что существенно изменит условия жизни человека на планете. Но темпы роста энергопотребления увеличиваются, и сейчас создалось такое положение , что до увеличения температуры атмосферы потребуется всего несколько десятков лет.
Однако человечество не может отказаться от использования машин в своей деятельности. Чтобы произвести одну и ту же необходимую работу , следует повысить КПД двигателя, что позволит расходовать меньше топлива, т.е. позволит не увеличивать энергопотребление. Бороться с негативными последствиями применения тепловых машин можно только путем увеличения эффективности использования энергии, путем ее экономии.
Топки тепловых электростанций, двигатели внутреннего сгорания автомобилей, самолетов и других машин выбрасывают в атмосферу вредные для человека, животных и растений вещества, например, сернистые соединения (при сгорании каменного угля), оксиды азота, углеводороды, оксид углерода(угарный газ СО), хлор и т.д. Эти вещества попадают в атмосферу (в атмосфере Северной Америки и Западной Европы сформировались два гигантских зонта загрязнения. В большей степени этому способствовали высокие трубы котелен (300 м и выше), которые рассеивают загрязняющие вещества над очень большими территориями. Оксиды серы и азота, образующиеся при сгорании топлива , соединяются с атмосферной влагой, образуя серную и азотную кислоты. Это стало причиной устойчивого выпадения кислотных осадков на ландшафты востока Северной Америки и почти всей Европы.
Огромный ущерб от кислотных осадков проявился в первую очередь в Канаде и Скандинавии, затем в Средней Европе в форме уничтожения хвойных лесов, уменьшения численности или вымирания ценных популяций рыб, снижения урожайности зерновых культур и сахарной свеклы. Загрязнение воздуха и водоемов, гибель хвойных лесов и некоторые другие факты отмечены в ряде регионов не только европейской, но и азиатской части России, а из нее- различные части ландшафта.
Особую опасность в увеличении вредных выбросов в атмосферу представляют двигатели внутреннего сгорания, ( Число машин угрожающе растет, а очистка отработанных газов затруднена. Проводится регулировка двигателей для более полного сгорания топлива и уменьшения содержания угарного газа Сов выбрасываемых продуктах сгорания. Разрабатываются двигатели, не выбрасывающие вредные вещества с отработанными газами, например, работающие на смеси водорода и кислорода.) установленные на автомобилях ,самолетах и ракетах.
Применение паровых трубин на электростанциях требует много воды и больших площадей, занимаемых под пруды для охлаждения отработанного пара. ( Например, в 1980 г. в нашей стране для этих целей потребовалось около 200 км*3 воды, что составило 35% промышленного водоснабжения. С увеличением мощности электростанций потребность в воде и новых площадях резко возрастает. Для экономии площади и водных ресурсов целесообразно сооружать комплексы электростанций, но обязательно с замкнутым циклом водоснабжения.)
Из-за большого электропотребления в ряде регионов планеты возможность самоочищения их воздушных бассейнов оказалась уже исчерпанной. Необходимость значительно снизить выброс загрязняющих веществ привела к использованию новых видов топлива, в частности к строительству атомных электростанций ( АЭС).
Но на атомных электростанциях встают другие проблемы: захоронение опасных радиоактивных отходов, а также проблема безопасности. Это показала катастрофа на Чернобыльской АЭС. При решении экологических проблем, связанных с использованием тепловых машин, важнейшую роль должны играть постоянная экономия всез видов энергии, переход на энергосберегающие технологии.
Раздел 1.3 Электромагнитные явления
Тема 1.3.1 Электрические заряды и их взаимодействие. Электрическое поле. Проводники и изоляторы в электрическом поле.
План:
1. Общее сведение.
2. Электронизация тел при их контакте.
3. Электрические заряды.
4. Электрическое поле.
5. Проводники и изоляторы в электрическом поле.
1. Еще в древности было замечено, что два потертых тряпочкой кусочка янтаря начинают отталкиваться друг от друга. Такое взаимодействие в отличии от механического назвали электрическим (от греч. «электрон» — янтарь).
Ознакомимся с этим явлением на примере следующего эксперимента. Пусть два стержня из пластмассы установлены на иглах, на которых они могут свободно поворачиваться (рис. 8.1).
На одном стержне укреплена хорошо отшлифованная металлическая пластинка, на другом — пластинка из плексигласа, также хорошо отшлифованная. Снимем стержни с игл и приведем пластинки в соприкосновение. Если вновь поставить стержни на иглы и отпустить, то пластинки притянутся друг к другу. Эта сила не является гравитационной, ибо масса тел до и после контакта остается неизменной, а гравитационные силы зависят только от масс тел и расстояния между ними. Следовательно, в данном эксперименте мы встречаемся с другим классом сил, которые называют электрическими.
Если между телами действует
электрическая сила, то говорят,
что тела имеют электрический
заряд. Явление перераспределения
зарядов на телах называют
электризацией. Примерами
электризации служат описанные выше опыты с янтарем, а также с плексигласовой и металлической пластинами.
2. Если проделать опыты с двумя металлическими и двумя плексигласовыми пластинами, то окажется, что при контакте электризуются пластины только из разных веществ, причем разнородные пластины притягиваются, из одинаковых веществ — отталкиваются. Это свидетельствует о том, что, во-первых, при контакте электризуются оба тела и, во-вторых, что существуют электрические заряды двух разных родов.
•Далее, опыт показывает, что если две наэлектризованные пластины из разных веществ вновь соединить вместе, то их электризация исчезает.
3. Известно, что две величины в сумме дают нуль, если они имеют одинаковые модули и противоположные знаки. На основании этого алгебраического правила условились обозначать электрические заряды с противоположными свойствами приписывать разные знаки: плюс и минус. Тела или частицы с электрическими зарядами одинакового знака отталкиваются друг от друга, а с зарядами противоположного знака притягиваются.
Условились в том случае, когда стеклянная палочка контактирует с шелком, заряд палочки считать положительным, а заряд шелка — отрицательным. Таким образом, если наэлектризованные тела или частицы притягиваются к стеклянной палочке, потертой о шелк, то они заражены отрицательно, а если отталкиваются — положительно.
Обычно при контакте металлов с неметаллами первые заряжаются положительно, а вторые — отрицательно.
4. Наэлектризовать можно все тела: не только твердые, но и жидкости и газы. Так, если подвешенный к динамометру твердый металлический шарик опустить в керосин, а затем вынуть и удерживать над поверхностью жидкости, то показание динамометра будет несколько большим, чем до контакта шарика с жидкостью. При контакте шарика с жидкостью происходит их электризация, вследствие чего возникает дополнительная к силе тяжести электрическая сила.
Электризацию газа можно наблюдать на следующем опыте: если в колбу насыпать медные опилки, а затем налить азотную кислоту, то выделяющийся из колбы через узкую трубку газообразный диоксид азота, имеющий бурый цвет, отклоняется в присутствие наэлектризованного тела.
5. Явление отталкивания одноименно заряженных тел можно наблюдать с помощью электроскопа (рис.8.2, а).
Металлический стержень, к которому прикреплены два свободно висящих металлических листка, вставлен через пластмассовую пробку в металлический -корпус.
Если коснуться заряженным телом стержня, то листки, зарядившись одноименно, отталкиваются друг от друга и отклоняются на некоторый угол, тем больший, чем сильней.
При другой конструкции электроскопа (рис.8.2,6) наблюдают поворот легкой стрелки, которая, зарядившись одноименно со стержнем, отталкивается от него. И здесь угол отклонения стрелки зависит от степени электризации стержня и стрелки, т.е. зависит от величины заряда на стержне и стрелке. Такой электроскоп с заземленным корпусом называют электрометром.
6 .Изучение явления электризации наряду с рядом других фундаментальных экспериментов, рассмотренных в начальном курсе физики, позволило сформировать основные представления о строении вещества. Оказалось, что в природе существует ряд микрочастиц с зарядами противоположных знаков. Наиболее известные из этих частиц — это электрон массой 9,1*10~31 кг и протон, масса которого в 1845 раз больше массы электрона. Электрон заряжен отрицательно, а протон — положительно, причем модули зарядов протона и электрона в точности равны.
Так как из электронов и протонов построены атомы вещества, то электрические заряды органически входят в состав всех тел. Электроны и протоны входят в состав атома в таких количествах, что их заряды компенсируют друг друга и атом оказывается электронейтральным. Точно так же электронейтральными оказываются макроскопические тела, состоящие из огромного числа атомов и молекул.
7 .Опыт показал, что заряд электрона е представляет собой наименьший известный в настоящее время в природе заряд, который может нести на себе тело или отдельная свободная частица. Поэтому его назвали элементарным зарядом. Таким образом, макроскопический заряд тела кратен заряду электрона и может принимать значения 0, +е, +2е, +3е,… В этом случае говорят, что заряд квантуется (иными словами, принимает дискретные значения).
В макроскопических явлениях число электронов на заряженных телах велико, а заряд каждого электрона настолько мал по сравнению с макроскопическими изменениями заряда, что дискретностью электронного заряда можно пренебречь и считать изменение заряда непрерывным.
8 .Современная теория строения вещества дает возможность объяснить целый ряд наблюдаемых на опыте явлений. Так, электризация контактирующих тел различной природы объясняется на основе электронных представлений. Как известно, атом состоит из продолжительного заряженного ядра и вращающихся вокруг него электронов. Оказывается, атомы некоторых веществ (например, водорода или металлов) легко отдают электрон другим атомам, а атомы таких веществ, как фтор, хлор и другие неметаллы, легко присоединяют к себе лишний электрон. Поэтому при контакте двух тел обычно одно из них теряет электроны и тем самым заряжается положительно; втрое тело присоединяет к себе лишние электроны и заряжается отрицательно. Чем больше площадь контакта между этими телами, тем больше электронов сможет перейти от одного тела к другому, и тем больший электрический заряд мы обнаружим на них.
Следствием действия электрических сил является сила упругости, о которой шла речь в 2.3.
9 .По электрическим свойствам все тела можно разбить на три обширные группы
- проводники, к которым относят металлы, расплавы и растворы электролитов, графит;
- все эти вещества содержат много свободных электронов или ионов и потому хорошо проводят электрический ток;
- полупроводники, к которым относят германий, кремний, селен и ряд
других веществ;
- диэлектрики или изоляторы, например, стекло, фарфор, кварц, плексиглас, резина, дистиллированная вода, керосин, масло растительное, а так же все газы.
Указанное разделение веществ весьма условно, ибо в зависимости от внешних условий свойства вещества могут существенно изменяться. Например, если разогреть такой хороший диэлектрик, как стекло, то он превращается в проводник. При очень высоких температурах или при радиоактивном облучении газы также становятся хорошими проводниками.
Электрические поля.
По современным физическим представлениям, начало которым было положено работами М. Фарадея и Дж. Максвелла, электрическое взаимодействие осуществляется по схеме «заряд — поле — заряд»: с каждым зарядом связано электрическое поле, которое действует на все остальные заряженные частицы.
Электрическое поле материально. Оно существует независимо от нашего сознания и может быть обнаружено по его воздействию на физические объекты, например на измерительные приборы, что является одним из его основных свойств.
Электрические поля неподвижных зарядов называют электростатическими. Силовой количественной характеристикой электрического поля является векторная величина, называемая напряженностью электрического поля:
E=F/q
Напряженность поля — физическая величина, численно равная отношению силы F, действующей в данной точке поля на пробный положительный
заряд q, к этому заряду .
Направление вектора напряженности, как это видно из определения E=f/q, совпадает с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд.
ньютон на кулон (Н/Кл).
Если известна напряженность поля заряженного тела, то всегда можно найти силу, действующую на заряд, находящийся в данном поле. 10.Электрическое поле представляет с собой особый вид материи, отличающиеся от вещества и существующий вокруг любых заряженных тел.
Ни увидеть его, ни потрогать невозможно. О существовании электрического поля можно судить лишь по его действиям.
Простые опыты позволяют установить основные свойства электрического поля.
1 .Электрическое поле заряженного тела действует с некоторой силой на всякое другое заряженное тело, оказавшееся в этом поле.
Об этом свидетельствуют все опыты по взаимодействию заряженных тел. Так, например, заряженная гильза, оказавшаяся в электрическом поле наэлектризованной палочки, подвергалось действию силы притяжения к ней.
2 .Вблизи заряженных тел создаваемое ими поле сильнее, а в дали слабее.
Силу, с которой электрическое поле действует на заряженное тело (или частицу), называют электрической силой:
F эл — электрическая сила.
Под действием этой силы частица, оказавшаяся в электрическом поле,
приобретает ускорение α ,которая можно определить с помощью второго
закона Ньютона: α=F/m
где т — масса данной частицы.
силовые линии.
Контрольные вопросы
1. Что называют электризацией?
2.Одно или оба тела электризуются при трении?
3. Какие два рода электрических зарядов существует в природе? Привести примеры.
Тема 1.3.2: Постоянный электрический ток. Сила тока, напряжение, электрическое сопротивление.
План.
1. Постоянный электрический ток.
2. Сила тока.
3. Электрическое напряжение.
4. Электрическое сопротивление.
условились
Для существования электрического тока в веществе необходимо выполнение следующих двух условий:
1) в веществе должны иметься свободные заряженные частицы, т.е. такие частицы, которые могут свободно перемещаться по всему объему тела (иначе их называют носителями тока).
2) на эти частицы должна действовать некоторая сила, заставляющая их двигаться в определенном направлении.
Носителям тока в металлах являются свободные электроны.
амперметрами.
силой тока?
На нем выделено поперечное сечение проводника, через которое проходят
заряженные частицы при наличии в проводнике электрического тока. В металлическом проводнике этими частицами являются свободные электроны. В процессе своего движения вдоль проводника электроны переносят некоторый заряд. Чем больше электронов и чем быстрее они движутся, тем больший заряд будет им перенесен за одно и тоже время.
Силой тока называется физическая величина, показывающая какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за 1 с.
Количественной характеристикой электрического тока является сила тока — величина, равная отношению заряда, который переноситься через поперечное сечение проводника за промежуток времени t, к этому промежутку:
Чтобы найти силу тока I, надо электрический заряд q, прошедшее через поперечное сечение проводника за время t, разделить на это время:
I=q/t
Единица силы тока называется ампером (А).
Если сила тока I известна, то можно найти заряд q, проходящий через сечение проводника за время t. Для этого надо силу тока умножить на время:
q=It.
Полученное выражение позволяет определить единицу электрического заряда — кулон (Кл):
1 Кл = 1 А.1с=1 А . с
1 Кл — это заряд, который проходит за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А.
Величину, равную отношению полной работы, совершаемой при перемещении заряда на неоднородном участке цепи , называют напряжением да данном участке:
U= A/q.
Электрическое сопротивление
R=U/I.
Для этого нужно измерить напряжение на концах проводника и силу тока через него.
Сопротивление зависит от материала проводника и его геометрических размеров. Сопротивление проводника длиной Lс постоянной площадью поперечного сечения Sравно:
R=p(l/s)
удельным сопротивлением
Омом. Проводник имеет сопротивление 1 Ом, если при разности потенциалов 1В сила тока в нем 1 А.
Единицей удельного сопротивления является 1 Ом * м. Удельное сопротивление металлов мало. А вот диэлектрики обладают очень большим удельным сопротивлением.
