Просторова електромагнітна хвиля в комплексній інтерпретації

Просторова електромагнітна хвиля в комплексній інтерпретації

Хвилі

Хвилею називають коливання, що розповсюджуються в просторі з часом. Найважливішою характеристикою хвилі є її швидкість. Хвилі будь-якої природи не розповсюджуються в просторі миттєво.

Хвилі бувають двох видів: поперечні і подовжні. Поперечними називають хвилі, що розповсюджуються в перпендикулярному напрямі розповсюдженню хвилі. Подовжніми хвилями називають хвилі, що розповсюджуються вздовж напряму розповсюдженню хвилі.

Основна властивість всіх хвиль незалежно від їх природи полягає в переміщенні енергії без перенесення речовини.

Довжиною хвилі називається відстань між найближчими точками, що коливаються в однакових фазах. Хвилі різної довжини використовуються в різних галузях людської діяльності. ДХ – довгі хвилі (їх довжина може досягати кілометра); СХ – середні хвилі ; КХ – короткі хвилі ; УКХ – ультра короткі хвилі.

Різні види механічних хвиль, як поперечні, так і подовжні можуть розповсюджуватися тільки в безперервному середовищі, в твердих тілах, рідинах і газах.

У вакуумі механічні хвилі розповсюджуватися не можуть.

Максвел на підставі вивчення експериментальних праць Фарадея з електрики і магнетизму в 1864г. висунув гіпотезу про існування в природі особливих хвиль, здатних розповсюджуватись у вакуумі. Ці хвилі Максвел назвав електромагнітними хвилями.

Для висунення гіпотези про можливість виникнення електромагнітних хвиль Максвел мав наступні підстави. Винайдення індукційного струму Фарадєєм. Максвел пояснив появу індукційного струму виникненням вихрового електричного поля при будь-якій зміні магнітного поля. Потім він припустив, що електричне поле володіє такими ж властивостями: при будь-якій зміні електричного поля в оточуючому просторі виникає вихрове електричне поле.

Процес взаємного породження магнітного і електричного полів, який одного разу почався, повинен далі безперервно продовжуватися і охоплювати все нові і нові області в оточуючому просторі.
Процес розповсюдження змінних магнітного і електричного полів і є електромагнітна хвиля.

Електромагнітні хвилі можуть існувати і розповсюджуватися у вакуумі.

Умова виникнення електромагнітних хвиль.

Для утворення інтенсивних електромагнітних хвиль необхідно створити електромагнітні коливання достатньо високої частоти.
Зміни електромагнітного поля відбуваються при зміні сили струму в провіднику, а сила струму в провіднику змінюється при зміні швидкості руху електричних зарядів в ньому, тобто при русі зарядів з прискоренням.
Отже, електромагнітні хвилі повинні виникати при прискореному русі електромагнітних зарядів.

Досвід Герца

Генріх Рудольф Герц (1857 – 1894), німецький фізик. Експериментально довів (1886 – 1889) існування електромагнітних хвиль (використовуючи вібратор Герца). Додав рівнянням Максвела симетричну форму. Експериментально підтвердив тотожність основних властивостей електромагнітних і світлових хвиль. Відкрив зовнішній фотоефект (1887).

а) Електромагнітні хвилі були вперше експериментально отримані Герцем в 1887г. В його дослідах прискорений рух електричних зарядів збуджувався в двох металевих стрижнях з кулями на кінцях (вібратор Герца). Коливання електричних зарядів у вібраторі створюють електромагнітну хвилю. Тільки коливання у вібраторі створює не одна заряджена частинка, а величезне число електронів, які рухаються злагоджено. В електромагнітній хвилі вектори Е і В перпендикулярні один одному. Вектор Е лежить в площині, що проходить через вібратор, а вектор В перпендикулярний цій площині. Випромінювання хвиль відбувається з максимальною інтенсивністю в напрямку, перпенди-кулярному осі вібратора. Вздовж осі випромінювання не відбуваються.
В звичайному коливальному контурі (його можна назвати закритим), майже все магнітне поле зосереджено всередині катушки, а електричне усередині конденсатора. Оддалік контура електромагнітного поля практично немає. Такий контур дуже слабо випромінює електромагнітні хвилі.
Для отримання електромагнітних хвиль Герц використовував простий пристрій, який називається зараз вібратором Герца. Цей пристрій є відкритим коливальним контуром.

До відкритого коливального контура можна перейти від закритого, якщо поступово розсовувати пластини конденсатора, зменшуючи їх площу і одночасно зменшуючи кількість витків в катушці. Врешті-решт вийде прямий дріт. Це і є відкритий коливальний контур. Місткість і індуктив-ність вібратора Герца мала. Тому частота коливань відносно велика.

б) В дослідах Герца довжина хвилі складала декілька десятків сантиметрів. Обчисливши власну частоту електромагнітних коливань вібратора, Герц зміг визначити швидкість електромагнітної хвилі за формулою. Вона виявилася приблизно рівна швидкості світла: с ≈ 300000 км/с. Досвід Герца блискуче підтвердив прогнози Максвела.

Винайдення радіо О.С.Поповим.

Олександр Степанович Попов

Олександр Степанович Попов

В Росії одним з перших почав вивчати електромагнітні хвилі викладач офіцерських курсів в Кронштадті Олександр Степанович Попов.

Попов Олександр Степанович (1859-1905), російський фізик і електротехнік, винахідник електричного зв’язку без дротів (радіозв’язку). В1895 році продемонстрував винайдений ним перший в світі радіоприймач. Весною 1897 року досяг дальності радіозв’язку 600м, влітку 1897 – 5 кілометрів, в 1901 – близько 150 кілометрів. Створив (1895) прилад для реєстрації грозових розрядів («грозовідмітник»). Отримав золоту медаль на Всесвітній виставці 1900 року в Парижі.

markoni-popov

Приймач Попова складався з:
1 – антени,
2 – когерера,
3 – електромагнітного реле,
4 – електричного дзвінка,
5 – джерела постійного струму.

Можливість практичного застосування електромагнітних хвиль для встановлення зв’язку без дротів була вперше продемонстрована 7 травня 1895 року. Цей день вважається днем народження радіо.
Електромагнітні хвилі викликали вимушені коливання струму і напруги в антені. Змінна напруга з антени подавалася на два електроди, які були розташовані в скляній трубці, заповненій металевою тирсою. Ця трубка і є когерер. Послідовно з когерером включалися реле і джерело постійного струму.

Через погані контакти між тирсою опір когерера зазвичай великий, тому електричний струм в ланцюзі малий і реле дзвінка не замикає. Під дією змінної напруги високої частоти в когерере виникають електричні розряди між тирсою, частинки тирси спекаються і його опір зменшується в 100 – 200 разів. Сила струму в катушці електромагнітного реле зростає, і реле включає електричний дзвінок. Так реєструється прийом електромагнітної хвилі антеною.

Удар молоточка дзвінка струшує тирсу і повертає його в початковий стан, приймач знову готовий до реєстрації електромагнітної хвилі антеною.

б) Сучасні радіоприймачі зовсім несхожі на свого прабатька, але принцип дії залишився той самий, що і в приймачі Попова. Сучасний приймач також має антену, в якій хвиля, що приходить, викликає дуже слабі магнітні коливання. Як і в приймачі Попова, енергія цих коливань не використовується безпосередньо для прийому. Приглушені сигнали лише керують джерелами енергії, які живлять наступні ланцюги. Зараз таке керування здійснюється за допомогою напівпровідникових приладів.

В 1899 році була знайдена можливість прийому сигналів за допомогою телефону. На початку 1900 року радіозв’язок був успішно використаний під час рятувальних робіт у Фінській затоці. За участю Попова розпочалося впровадження радіозв’язку на флоті і в армії Росії.

За кордоном удосконаленням подібних приладів займалася фірма, організована італійським ученим Марконі. Досліди, поставлені в широкому масштабі, дозволили здійснити радіотелеграфну передачу через Атлантичний океан.

Найважливішим етапом розвитку радіозв’язку було створення в 1913 році генератора незгасаючих електромагнітних коливань.

Принципи радіозв’язку. Модуляція.

Окрім передачі телеграфних сигналів, що складаються з коротких і більш тривалих імпульсів електромагнітних хвиль, став можливим надійний і високоякісний радіотелефонний зв’язок – передача мови і музики за допомогою електромагнітних хвиль.

При радіотелефонному зв’язку коливання тиску повітря в звуковій хвилі перетворюються за допомогою мікрофону в електричні коливання тієї ж форми. Здавалося б, якщо ці коливання посилити і подати в антену, то можна буде передавати на відстані мову і музику за допомогою електромагнітних хвиль. Проте насправді такий спосіб передачі нездійснений.

Справа в тому що, коливання звукової частоти є порівняно повільними коливаннями, а електромагнітні хвилі низкої (звукової) частоти майже зовсім не випромінюються.

Для передачі цих хвиль на великі відстані їх необхідно перетворити в коливання високої частоти, але так, щоб не зіпсувати інформацію, яку вони несуть. Процес перетворення електромагнітних коливань низької частоти в коливання високої частоти називається модуляцією. Для перетворення звукових хвиль використовується амплітудна модуляція.

В процесі модуляції відбувається накладення амплітуди низькочастотних сигналів на високочастотний сигнал.

Модуляція – повільний процес. Це такі зміни у високочастотній коливальній системі, при яких вона встигає зробити дуже багато високочастотних коливань, перш ніж їх амплітуда зміниться помітним чином.

Без модуляції немає ані телеграфної, ані телефонної, ні телевізійної передачі.

Для здійснення амплітудної модуляції електромагнітних коливань високої частоти в електричний ланцюг транзисторного генера-тора послідовно з коливальним контуром включають катушку трансформатора. На другу катушку трансформатора подається змінна напруга звукової частоти, наприклад, з виходу мікрофону після необхідного посилення. Змінний струм в другій катушці трансформатора викликає появу напруги на кінцях першої катушки трансформатора.

Змінна напруга звукової частоти складається з постійною напругою джерела струму; зміни напруги між емітером і колектором транзистора приводять до змін із звуковою частотою амплітуди коливань сили струму високої частоти в контурі генератора. Такі коливання високої частоти називаються амплітудно-модульованими.

З коливальним контуром генератора індуктивно зв’язана антена радіопередавача. Вимушені коливання струму високої частоти, що відбувається в антені, створюють електромагнітні хвилі.

5. Будова найпростішого детекторного приймача. Детектування. Найпростіший радіоприймач з УВЧ і УНЧ.

Електромагнітні хвилі, що випромінюють антеною радіопередавача, викликають вимушені коливання вільних електронів в будь-якому провіднику. Напруга між кінцями провідника, в якому електромагнітна хвиля порушує вимушені коливання електричного струму, пропорційно довжині провідника. Тому для прийому електро-магнітних хвиль в найпростішому детекторному радіоприймачі зас-тосовується довгий дріт – приймальна антена. Для того, щоб слухати тільки одну радіопередачу, коливання напруги не направляють безпосередньо на вхід підсилювача, а спочатку подають на коливальний контур з власною частотою, що змінюється, коливань. Зміна власної частоти коливань в контурі приймача проводиться зазвичай зміною електроємності змінного конденсатора. При збігу частоти вимушених коливань в антені з власною частотою контура наступає резонанс, при цьому амплітуда вимушених коливань напруги на обкладаннях конденсатора контура досягає максимального значення. Таким чином, з великого числа електромагнітних коливань, які утворюються в антені, виділяються коливання потрібної частоти.

З коливального контура приймача модульовані коливання високої частоти поступають на детектор. В якості детектора можна використовувати напівпровідниковий діод, який пропускає змінний струм високої частоти тільки в одному напрямку. В перебігу кожного напівперіоду високої частоти імпульси струму заряджають конденсатор, разом з тим конденсатор поволі розряджається через резистор. Якщо значення електроємності конденсатора і електричного опору резистора вибрані правильно, то через резистор протікатиме струм, що змінюється в часі із звуковою частотою, використаною при модуляції коливань в радіопередавачі. Для перетворення електричних коливань в звукові змінна напруга звукової частоти подається на телефон.

Детекторний радіоприймач досить недосконалий. Він не володіє високою чутливістю і тому успішно може приймати радіопередачі тільки від потужних радіостанцій або від радіопередавачів, які знаходяться не на великій відстані.

Для підвищення чутливості в сучасних радіоприймачах сигнал з коливального контура поступає на вхід підсилювача високої частоти (ПВЧ), а з виходу підсилювача високочастотні електричні коливання поступають на детектор. Для збільшення потужності звукового сигналу на виході радіоприймача електричні коливання звукової частоти з виходу детектора поступають на вхід підсилювача низької частоти.

Змінна напруга звукової частоти з виходу ПНЧ подається на динамік.

Для посилення електричних коливань високої і низької частот можуть бути використаний схеми з електронними лампами або транзисторами.

Шановні студенти групи ФК — 15, на понеділок з фізики

потрібно вивчити:

1. Повторити електромагнітні коливання(буде тест);

2.повторити змінний струм;

3. завершити лабораторну роботу.

4. Почати читати про електромагнітні хвилі.

Нікола Тесла (10 липня 1856, Смілян, Австро-Угорщина, нині в Хорватії — 7 січня 1943, Нью-Йорк, США) — фізик, інженер, винахідник в області електротехніки і радіотехніки. Серб за національністю. Народився і виріс в Австро-Угорщині, в наступні роки в основному працював у Франції та США. У 1891 році отримав американське громадянство.

Широко відомий завдяки своїм науково-революційному вкладом у вивчення властивостей електрики і магнетизму в кінці XIX — початку XX століть. Патенти і теоретичні роботи Тесли сформували базис для сучасних пристроїв, що працюють на змінному струмі, багатофазних систем та електродвигуна, що дозволили зробити другий етап промислової революції. Також він відомий як прихильник теорії «ефіру».

Никола Тесла

Іменем Тесли названа одиниця вимірювання густини магнітного потоку (магнітної індукції). Серед нагород вченого — медалі Е. Крессона, Дж. Скотта, Т. Едісона.

Сучасники-біографи вважали Теслу «людиною, який винайшов XX століття» і «» святим заступником «сучасного електрики». Після демонстрації радіо і перемоги в «Війнах струмів» Тесла одержав повсюдне визнання як видатний інженер-електрик. Ранні роботи Тесли проклали шлях сучасній електротехніці, його відкриття раннього періоду мали інноваційне значення. У США за популярністю Тесла міг конкурувати з будь-яким винахідником або вченим в історії або популярній культурі.

Міністр культури та екології Республіки Сербія називає Ніколу Теслу одним з найбільших учених у всій світовій історії. Бранко Ковачевич, декан електротехнічного факультету Белградського університету, стверджує, що Нікола Тесла наперед знав, як буде розвиватися наука.

Трансформатор Тесла, також котушка Тесли (англ. Tesla coil) — єдине з винаходів Ніколи Тесла, що носять його ім’я сьогодні. Це класичний резонансний трансформатор, що виробляє висока напруга при високій частоті. Воно використовувалося Теслою в декількох розмірах і варіаціях для його експериментів. Прилад був заявлений патентом № 568176 від 22 вересня 1896 року, як «Апарат для виробництва електричних струмів високої частоти і потенціалу».

Використання трансформатора Тесли:

Вихідна напруга трансформатора Тесли може досягати декількох мільйонів вольт. Ця напруга у резонансній частоті здатне створювати значні електричні розряди в повітрі, які можуть мати багатометрову довжину. Ці явища зачаровують людей з різних причин, тому трансформатор Тесли використовується як декоративний виріб.

Трансформатор Теслы
Трансформатор використовувався Теслою для генерації та розповсюдження електричних коливань, спрямованих на керування пристроями на відстані без проводів (радіоуправління), бездротової передачі даних (радіо) і бездротової передачі енергії. На початку XX століття трансформатор Тесли також знайшов популярне використання в медицині. Пацієнтів обробляли слабкими високочастотними струмами, які протікаючи по тонкому шару поверхні шкіри нібито не завдавали шкоди внутрішнім органам, надаючи при цьому «тонізуючу» і «оздоровлюючу» вплив.

Останні дослідження механізму впливу потужних ВЧ струмів на живий організм показали негативність їх впливу. Так само він використовувався як знаряддя тортур. Потужні розряди високої частоти майже завжди призводили до смерті.

У наші дні трансформатор Тесли не має широкого практичного застосування. Він виготовляється багатьма любителями високовольтної техніки та супроводжуючих її роботу ефектів. Також він іноді використовується для запалювання газорозрядних ламп і для пошуку течі у вакуумних системах.

Трансформатор Теслы

Під час роботи котушка Тесли створює красиві ефекти, пов’язані з утворенням різних видів газових розрядів. Багато людей збирають трансформатори Тесли заради того, щоб подивитися на ці вражаючі, красиві явища. У цілому котушка Тесли виробляє 4 види розрядів:

1. Стримери (від англ. Streamer) — тьмяно світяться тонкі розгалужені канали, які містять іонізовані атоми газу й отщепленим від них вільні електрони. Протікає від термінала (або від найбільш гострих, викривлених ВВ-частин) котушки прямо в повітря, не йдучи в землю, так як заряд рівномірно стікає з поверхні розряду через повітря в землю. Стример — це, по суті справи, видима іонізація повітря (свічення іонів), створювана ВВ-полем трансформатора.
2. Спарк (від англ. Spark) — це іскровий розряд. Йде з терміналу (чи з найбільш гострих, викривлених ВВ частин) безпосередньо в землю або в заземлений предмет. Являє собою пучок яскравих, швидко зникаючих або змінюють один одного ниткоподібних, часто сильно розгалужених смужок — іскрових каналів. Також має місце бути особливий вид іскрового розряду — ковзний іскровий розряд.
3. Коронний розряд — світіння іонів повітря в електричному полі високої напруги. Створює гарне блакитнувате світіння навколо ВВ-частин конструкції з сильною кривизною поверхні.
4. Дугового розряд — утворюється в багатьох випадках. Наприклад, при достатній потужності трансформатора, якщо до його терміналу близько піднести заземлений предмет, між ним і терміналом може спалахнути дуга (іноді потрібно безпосередньо доторкнутися предметом до терміналу і потім розтягнути дугу, відводячи предмет на більшу відстань). Особливо це властиво ламповим котушок Тесли. Якщо котушка недостатньо потужна і надійна, то спровокований дугового розряд може пошкодити її компоненти.

Часто можна спостерігати (особливо поблизу потужних котушок), як розряди йдуть не тільки від самої котушки (її терміналу і т. д.), але і в її бік від заземлених предметів. Також на таких предметах може виникати і коронний розряд. Рідко можна спостерігати також тліючий розряд. Цікаво зауважити, що різні хімічні речовини, нанесені на розрядний термінал, здатні міняти колір розряду. Наприклад, натрій змінює звичайне забарвлення спарка на помаранчевий, а бром — на зелений.

Робота резонансного трансформатора супроводжується характерним електричним тріском. Поява цього явища пов’язано з перетворенням стримерів в іскрові канали (див. статтю іскровий розряд), який супроводжується різким зростанням сили струму та кількості енергії, що виділяється в них. Кожен канал швидко розширюється, в ньому стрибкоподібно підвищується тиск, в результаті чого на його кордонах виникає ударна хвиля. Сукупність ударних хвиль від розширюються іскрових каналів породжує звук, що сприймається як «тріск» іскри.

Трансформатор Теслы

Багато людей вважають, що котушки Тесли — це особливі артефакти з винятковими властивостями. Існує думка, що трансформатор Тесли може бути генератором вільної енергії і є вічним двигуном, виходячи з того, що сам Тесла вважав, що його генератор бере енергію з ефіру (особливої невидимої матерії в якій поширюються електромагнітні хвилі) через іскровий проміжок. Іноді можна почути, що за допомогою «Котушки Тесли» можна створити антигравітацію і ефективно передавати електроенергію на великі відстані без проводів. Дані властивості поки ніяк не перевірені і не підтверджені наукою. Однак, сам Тесла говорив про те, що такі здібності незабаром будуть доступні людству за допомогою його винаходів. Але згодом порахував, що люди не готові до цього.

Трансформа́тор пристрій, що використовується для зміни напруги й сили змінного струму.

Трансформатори широко застосовуються в лініях електропередач, в розподільних та побутових пристроях. Передача електроенергії відбувається з меншими втратами при високій напрузі й малій силі струму. Тому зазвичай лінії електропередач високовольтні. Водночас побутові й промислові машини вимагають високої сили струму й малої напруги, тому перед споживанням електроенергія перетворюється в низьковольтну.

Трансформатори характеризуються дуже високим коефіцієнтом корисної дії.

Вперше трансформатори, як такі були продемонстровані в 1882 році, хоча ще в 1876 році Яблочков використовував аналогічний пристрій для створених ним освітлювальних пристроїв — «свічок Яблочкова».

Файл:Transformer3d col3.svg
Файл:WeldingTransformer-1.63.png

Будова й принцип дії

Файл:Transformer under load.svg

 

Позначення трансформатора у схемі

Трансформатор складається з обмоток на спільному осерді. Одна з обомоток під’єднана до джерела змінного струму. Ця обмотка називається первинною. Інша обмотка, вторинна, служить джерелом струму для навантаження. Створений струмом у первинній обмотці змінний магнітний потік викликає появу е.р.с. у вторинній обмотці, оскільки обидві обмотки мають спільне осердя. Співвідношення е.р.с. у вторинній обмотці й напруги на первинній залежить від кількості витків у обох обмотках. В ідеальному випадку

\frac{U_{S}}{U_{P}} = \frac{N_{S}}{N_{P}} = \frac{I_P}{I_S},

де індексом P позначені величини, що стосуються первинної обмотки, а індексом S — відповідні величини для вторинної обмотки, U — напруга, N — кількість витків, I — сила струму.

Файл:PoleMountTransformer02.jpg

 

Трифазний трансформатор

Втрати енергії

У реальних трансформаторах енергія не передається від первинного кола до вторинного без втрат. Існує низка фізичних причин, що їх зумовлюють.

Однією з причин втрат є активний опір обмоток. При протіканні струму через трансформатор, він нагрівається і віддає тепло оточенню. При високій частоті опір збільшується завдяки скін-ефекту та ефекту близкості, які зменшують площу перерізу провідника, через який протікає струм.

Ще одна причина втрат — перемагнічування осердя завдяки гістерезису. Ці втрати для конкретної речовини осердя пропорційні частоті й залежать від пікового потоку магнітного поля через осердя.

Інше причина втрат — струми Фуко. Змінне магнітне поле в осерді породжує змінне вихрове електричне поле, яке викликає додаткові вихрові струми, що теж призводять до нагрівання. Для зменшення струмів Фуко осердя виготовляють із тонких пластинок, оскільки втрати, пов’язані зі струмами Фуко, обернено квадратично залежать від товщини матеріалу.

Частина енергії втрачається на механічні коливання. Феромагнітний матеріал осердя розширюється і стискаєть у змінному магнітному полі завдяки явищу магнітострикції. Цим пояснюється гудіння трансформатора, що супроводжує його роботу. Додатково, первинна й вторинна обмотка притягаються й відштовхуються у змінному магнітному полі, змушуючи також коливатися і корпус трансформатора.

Магнітний потік, що виходить за межі осердя, сам по собі не призводить до втрати енергії, але він може призводити до появи вихрових струмів Фуко в металевих деталях корпусу й кріплення, що теж зумовлює невеликі втрати енергії.

Загалом, великі трансформатори мають високий коефіцієнт корисної дії, до 98 %. Трансформатори з надпровідних матеріалів можуть збільшити цей коефіцієнт до 99,85 %.

Втрати у трансформаторах залежать від навантаження. Втрати без навантаження зумовлені в основному опором обмоток, тоді як причиною втрат при повному навантаженні зазвичай є гістерезис та вихрові струми. Втрати при відсутності навантаження можуть бути значними, тому навіть, якщо до вторинної обмотки нічого не підключено, трансформатори повинні задовільняти умовам економної роботи. Конструювання трансформаторів із малими втратами вимагає великого осердя, високоякісної електричної сталі, товстіших провідників, що збільшує початкові затрати, але окупається при експуатації.

Різновиди

Автотрансформатор

Автотрансформатор — варіант трансформатора, в якому первинна і вторинна обмотки сполучені безпосередньо, і мають за рахунок цього не тільки електромагнітний зв’язок, а й електричний. Обмотка автотрансформатора має кілька виводів (як мінімум 3), підключаючись до яких, можна отримувати різні напруги. Перевагою автотрансформатора є вищий ККД, оскільки лише частина потужності піддається перетворенню — це особливо суттєво, коли вхідна і вихідна напруги відрізняються незначно. Недоліком є відсутність електричної ізоляції (гальванічної розв’язки) між первинним і вторинним колом. У промислових мережах, де наявність заземлення нульового провода обов’язкова, цей чинник ролі не грає, зате суттєвою є менша витрата сталі для осердя, міді для обмоток, менша вага і габарити, і в результаті — менша вартість.

 

Сьогодні студент I — курсу, групи ФК — 15 Соломчук Олександр продемонстрував власний винахід, цим самим поповнив цікаву фізичну скриньку, за що ми йому дякуємо.

За допомогою побутових засобів Олександр знайшов час і зробив цей пристрій. Він складається з : обмотки і феромагнітного осердя, який набуває властивостей магніту при проходженні по обмотці струму. У електромагнітах, призначених, перш за все, для створення механічного зусилля також присутній якір (рухома частина магнітопроводу), що передає зусилля.

В нашому випадку це був цвях з нержавіючої сталі, металева обмотка, яка накручувалася на цвях, та «крона». Для цвяха, на який Сашко намотав обмотку, він  вирізав спеціальні дерев`яні підставки, а також для «крони», яка і була джерелом струму.

Дякуємо Олександру і бажаємо успіхув в подальших винаходах!!!!

Молодець.

Сегодня отмечается Международный день числа Пи

Щорічно 14 березня відзначається Міжнародний день числа Пі.

Свято було засновано у 1987 році фізиком з Сан-Франциско Ларрі Шоу, який помітив, що в американській системі запису дат (місяць / число) дата 14 березня — 3 / 14 — і час 1:59 збігається з першими розрядами числа π = 3, 14159.С тих пір кожен рік люди не байдужі до математики відзначають День числа Пі.
Як повідомляє Wikipedia, у цей день прийнято читати хвалебні промови на честь числа Пі, його ролі в житті людства, актівисти малюють антиутопічні картини світу без Пі, печуть і їдять пі-ріг із зображенням грецької букви Пі або з першими цифрами самого числа, п’ють напої і грають в ігри, що починаються на пі, вирішують математичні головоломки і загадки, водять хороводи навколо предметів, пов’язаних з цим числом.
Число Пі — математична константа, що виражає відношення довжини кола до довжини її діаметру. Позначається буквою грецького алфавіту пі. Стара назва — лудольфово число. Пі — ірраціональне число, тобто його значення не може бути точно виражено у вигляді дробу. Отже, його десяткове подання ніколи не закінчується і не є періодичним. Ірраціональність числа Пі була вперше доведена Іоганном Ламбертом в 1761 році.
Вперше позначенням цього числа грецькою буквою Пі скористався британський математик Джонс в 1706 році, а загальноприйнятим воно стало після робіт Леонарда Ейлера у 1737 році.
Історія числа Пі йшла паралельно з розвитком всієї математики. Деякі автори розділяють увесь процес на 3 періоди: стародавній період, протягом якого π вивчався з позиції геометрії, класична ера, що послідувала за розвитком математичного аналізу в Європі в XVII столітті, і ера цифрових комп’ютерів.
Святкування Міжнародної дня числа Пі пройдуть і в Україну, так сьогодні в Сімферополі наукова бібліотека імені Івана Франка та арт-група Хаос представлять проект Інша реальність. «Центральна частина проекту — картина Хаос, мозаїка 3 метри на 3 метри, створена на основі 100 000 знаків числа ПІ після коми», — повідомляють організатори проекту.
«Для кожної цифри випадковим чином був підібраний один з дев’яти квітів і таким же випадковим чином цей колір був закріплений за кожним учасником проекту. Потім кожен квадрат (9мм х 9 мм) був зафарбований вручну. В результаті вийшло візуальне зображення, яке показує, яким може виглядати справжній ідеальний Хаос «, — говориться в прес-релізі учасників проекту.
Також організатори відзначають, що кожен учасник проекту створив своє бачення Хаосу в індивідуальній роботі, основною умовою, якої полягало в тому, що зображення повинно бути отримано абсолютно спонтанним чином без втручання усвідомленого творчості.

Презентація до дня 8-го березня

Презентації до дня 8-го березня

Земля зітхає ледве чутно
І прокидається від сну…
І березень дарує чудо,
Розпочинаючи весну.

Це чудо-в усмішках чарівних,
У морі квітів навкруги.

Ми Вас вітаємо царівни,
Найкращі, милі, дорогі!

Звук — коливальний рух частинок пружного середовища, що поширюється у вигляді хвиль у газі, рідині чи твердому тілі. Більшість явищ у природі супроводжуються характериними звуками, які сприймаються та розпізнаються вухом людини і тварин і служать для орієнтування та спілкування. Розділ науки, що вивчає звуки, називається акустикою.

Характеристики звуку

Характеристиками звуку є частота, довжина хвилі, амплітуда і швидкість, а також тембр.

Частота

Найпростішим типом звуку є звук, в якому тиск у кожній точці простору змінюється за синосуїдним законом, тобто здійснює гармонічні коливання з певною частотою. Частота — це кількість коливань певної точки звукової хвилі в секунду. Одному циклу коливання в секунду відповідає величина 1 Гц (1/с).

Людина чує звук з частотами від 16 Гц до 20 кГц. Границі чутності визначені не сторого і змінюються від людини до людини. Деякі тварини можуть чути звуки з частотою, нижчою від 16 Гц, інші — з частотою понад 20 кГц.

Діапазон від 16 Гц до 20 кГц називають чутним діапазоном. Звуки з частотами до 16 Гц називаються інфразвуком, понад 20000 Гц — ультразвуком. Звуки з частотою 109-1013 Гц називають гіперзвуком.

Людське вухо сприймає розрізняє частоту звукових коливань як висоту звуку або тон.

Класифікація звуків

Більшість звуків, які зустрічаються в природі складні, тобто є накладанням хвиль різної частоти. Накладання хвиль різної частоти надає звуку забарвлення, яке називають тембром.

За частотними характеристиками акустичної хвилі розрізняють:

  • простий тон — синусоїдні коливання .Звукові коливання простого тону в достатньо хорошому наближенні дають звукові генератори і камертон.
  • складний тон
    • гармонічний — визначеної звуковисотності, що складається з основного тону та обертонів. Звуки такого спектрального складу дають музичні інструменти. Тембр звуку, тобто співвідношення обертонів та основного тону надає кожному музичному інструменту своє характерне звучання.
    • негармонічний — приблизно визначеної звуковисотності, що складається з основного тону та негармонічних обертонів.
  • шум
    • білий шум — хаотичні коливання, спектральні складові розміщуються рівномірно по всьому діапазону .
    • кольоровий шум — хаотичні коливання, спектральні складові розміщуються нерівномірно по всьому діапазону, як правило з поступовим зменшенням інтенсивності від низьких до високих частот .

Швидкість звуку

Швидкість звуку залежить від середовища, через яке проходять звукові хвилі і визначається його параметрами — модулями пружності. Швидкість звуку в газах залежить від температури, від маси молекули газу. Загалом вона дорівнює кореню квадратному похідної від модуля пружності середовища відносно густини. При великих інтенсивностях звуку вона залежить також від амплітуди.

Швидкість звуку в повітрі за нормальних умов становить 340 м/с. Вона дещо зростає з підвищенням температури і зменшується при її пониженні. Швидкість звуку в повітрі практично не залежить від частоти, тому звук розповсюжується на великі вістані без спотворень.

В твердих тілах та рідинах звук загалом розповсюджується швидше, ніж у повітрі.

Довжина хвилі

Довжина звукової хвилі визначається її частотою та швидкістю:

,

де λ — довжина хвилі, ν — частота, s — швидкість звуку.

Довжини звукових хвиль чутного діапазону лежать у межах від приблизно 2 см до приблизно 20 м.

Гучність

Гучність звуку визначається амплітудою коливань, однак гучність — суб’єктивна характеристика інтенсивності звуку, тоді як об’єктивною фізичною характеристикою є звуковий тиск.

Людське вухо сприймає гучність у приблизно логарифмічному масштабі за законом Вебера-Фехнера, тому гучність вимірюється в логарифмічних одиницях — децибелах, тоді як звуковий тиск вимірюється в паскалях. Логарифмічний масштаб сприйняття означає, що людина може почути новий звук на деякому звуковому тлі тільки тоді, коли його ампілітуда перевищує амплітуду тла не на деяку певну абсолютну величину, а на певний множник, який залежить від частоти.

Аналогічно, у логарифмічному масштабі людське вухо розрізняє тони.

Розповсюдження звуку

У газах та рідинах звук розповсюджується як повздовжня хвиля, тобто як послідовність стиснень та розширень. У твердих тілах крім повздовжніх звукових хвиль можуть поширюватись також поперечні звукові хвилі, в яких коливання відбуваються у напрямку перпендикулярному до напрямку розповсюдження. Повздовжні та поперечні хвилі розповсюджуються із різними швикостями. В неізотропних середовищах, кристалах спостерігається анізотропія швидкості, коли швидкість звуку змінюється в залежності від напрямку розповсюдження.

Розповсюдження звуку є адіабатичним процесом, тобто коливання тиску й густини відбувається швидше, ніж встигає вирівнятися температура. Це означає, що локальна температура змінюється разом із густиною — при стискуванні відбувається нагрівання, при розширенні охолодження.

Звукова хвиля, зустрівши на своєму шляху перешкоду, дифрагує, тобто огинає перешкоду, якщо її розмір менший або порівняний із довжиною хвилі. Звукова хвиля також частково відбивається від перешкоди. Відбивання більше, якщо розмір перешкоди більший від довжини хвилі. Завдяки відбиттю звукової хвилі від перешкод виникає таке акустичне явище, як луна. Людське вухо не розрізняє дуже близькі за часом звуки, тому мінімальна відстань, з якої людина чує луну складає приблизно 16 м.

Реєстрація, запис та відтворення звуку

Звук реєструють за домогою мікрофонів — приладів, що перетворюють звукові коливання у електричні. Зареєстровані звукові коливання можна передати на віддаль засобами телекомунікації — телефоном або радіо або записати на носії інформації. Переданий або записаний звук відтворюється за допомогою гучномовців, які перетворюють електричні коливання у звукові хвилі.

Найнижчий звук у Всесвіті

Акустичні хвилі, згенеровані надмасивною чорною дірою в центрі скупчення галактик Персей в 250 млн світлових років від Землі, генерують звук на 57 октав нижче ноти «сі» середньої октави (це відповідає частоті 3,2*10-15 Гц, або — одне коливання на 10 млн років), що розповсюджується через тонкий шар газу навколо чорної діри. Це явище було відкрито астрономами Кембріджського університету (Велика Британія) під керівництвом Ендрю Фабіана в рентгенівській обсерваторії Чандра. Цей звук зареєстрований у «Книзі рекордів Гінеса», як найнижчий звук у Всесвіті.

 

Коливання і хвилі

Механічні коливання. Гармонічні коливання та їхні характеристики

Механічне коливання — такий вид руху тіла, під час якого воно багаторазово проходить одні й ті самі положення.
Коливання називаються гармонічними, якщо їх характеристики (наприклад, зміщення тіла з положення рівноваги) змінюються у часі за законом синуса або косинуса.
Вільними (власними) називаються коливання, які здійснює тіло за рахунок початкової енергії, без зовнішньої дії під час коливань. Приклад: коливання математичного маятника, який відхилили від положення рівноваги і відпустили.
Деякі фізичні характеристики коливань матеріальної точки (наприклад, період, частота, циклічна частота) дуже схожі на характеристики руху матеріальної точки по колу.
Період — час одного коливання, Коливання і хвилі, обернена величина — частотаКоливання і хвилі; Коливання і хвилі, Коливання і хвилі (герц), Коливання і хвилі.
Величина, аналогічна кутовій швидкості обертання Коливання і хвилі, називається циклічною (круговою) частотою коливань: Коливання і хвилі.
Амплітудою коливаньА називається максимальне зміщення матеріальної точки з положення рівноваги: Коливання і хвилі.
Рівняння гармонічних коливань Коливання і хвилі. Аргумент синуса Коливання і хвилі називається фазою коливань і позначається Коливання і хвилі. Фаза показує, яка частина повного коливання здійснилась на даний момент часу.
Якби в початковий момент Коливання і хвилі маятник не проходив через положення рівноваги, тобто нитка математичного маятника утворювала б кут Коливання і хвилі з вертикаллю, то рівняння коливань мало б вигляд Коливання і хвилі, де весь вираз у дужках — фаза коливань, а Коливання і хвилі— початкова фаза коливань.

Математичний і пружинний маятники. Періоди їх коливань

Математичний маятник — тіло типу матеріальної точки, підвішене на довгій невагомій нерозтяжній нитці (а).
При відхиленні нитки від вертикального положення система нитка–тягарець може здійснювати коливання у вертикальній площині. Коливання відбуваються під дією повертаючої сили Коливання і хвилі, яка є складовою сили тяжіння Коливання і хвилі.
Значення періоду T тим більше, чим більша довжина маятника l (тягарець на довгій нитці коливається «не поспішаючи»). Числове значення T визначається також значенням прискорення, що його надає тілу сила тяжіння (отже, значення T на Землі і Місяці відрізняються).
Період коливань математичного маятника Коливання і хвилі.
Пружинний маятник (б) складається з тягарця масою m, з’єднаного з пружиною жорсткістю k. Якщо зовнішньою силою вивести систему з положення рівноваги, вона може коливатися відносно положенняO.
Період коливань пружинного маятникаКоливання і хвилі.
Коливання і хвилі
Коливання такого маятника відбувається під дією сили пружності, отже, на відміну від математичного, пружинний маятник може бути розташований і горизонтально.

Перетворення енергії в коливальному русі

Під час коливань безперервно відбувається перетворення одного виду механічної енергії на інший.
а) Нехай спочатку кулька математичного маятника, зображенного на рисунку, утримується у точці B, при цьомуКоливання і хвилі,Коливання і хвилі;
б) при русі від точки B до точки A: Коливання і хвилізменшується, Коливання і хвилі зростає;
в) у точці A: Коливання і хвилі, Коливання і хвилі;
г) при русі від точки A до точки C (внаслідок інерції) Коливання і хвилі зменшується, Коливання і хвилі зростає;
д) після досягнення точки C (Коливання і хвилі, Коливання і хвилі) кулька починає рухатися у протилежний бік.