Optyka

1.Fale elektromagnetyczne
to rozchodzące się w przestrzeni zaburzenia pól elektrycznego i magnetycznego.
Wszystkie fale elektromagnetyczne są falami poprzecznymi i rozchodzą się w próżni z tą samą szybkością – 300 000 km/h ,lecz różnią się częstotliwościami. W zależności od częstotliwości, fale te mają różne własności. Wszystkie jednak ulegają takim zjawiskom falowym jak: odbicie, załamanie, rozproszenie, dyfrakcja i interferencja.

λ -długości fali, f –częstotliwość, T- okres
Światło białe –mieszanina wszystkich długości fali zawartych w świetle widzialnym niosącym pewne ilości energii.
Rodzaje fal:
-fale radiowe-
-mikrofale-są wykorzystywane w kuchenkach mikrofalowych i radarach
-podczerwone-ma zastosowanie w technice cywilnej i wojskowej, wykorzystuje się je również w noktowizji, fotografowaniu w ciemnościach, spawaniu z użyciem wiązki laserowej.
-nadfioletowe-zabija bakterie, wykorzystywane jest do sterylizacji sal operacyjnych i różnych innych pomieszczeń. W kryminalistyce.
-promieniowanie X-(rentgenowskie)wykorzystuje się w medycynie do wykonywania prześwietleń, a także do badania struktury materiałowej różnych konstrukcji.
-promieniowanie gamma- stosuje się w medycynie do sterylizacji narzędzi chirurgicznych ubrań, w przemyśle spożywczym w celu przedłużenia terminu ważności oraz w radioterapii do leczenia nowotworów.
2.Odbiór drgań elektrycznych- obwód złożony z kondensatora i cewki
Nadajnik-urządzenie wysyłające falę elektromagnetyczną
Odbiornik –urządzenie pozwalające wychwytywać rozchodzące się w przestrzeni fale elektromagnetyczne
Fala nośna-fala elektromagnetyczna o stałej częstotliwości, wytwarzana przez nadajnik fal elektromagnetycznych
Częstotliwość nośna -Częstotliwość fali nośnej
Fala modulowana- fala nośna z nałożoną na siebie falą o częstotliwości odpowiadającej częstotliwości fali akustycznej
Demodulator- urządzenie w odbiorniku, pozwalające oddzielić drgania modulujące o częstotliwości fali akustycznej do fali nośnej
3.optyka-nauka o świetle i jego oddziaływaniach z materią
Źródło światła-każde ciało wytwarzające promieniowanie widzialne kosztem innej energii i wysyłające je w przestrzeń
Szybkość światła – fale elektromagnetyczne w różnych ośrodkach materialnych rozchodzą się z różną szybkością. W próżni ich szybkość jest największa i jest to w ogóle
największa szybkość, z jaką możliwy jest ruch. Oznaczana jest ona literą
c i w przybliżeniu wynosi: c= 3 x 108 m/s
Załamanie fali Gdy fala elektromagnetyczna przechodzi z jednego ośrodka do
drugiego, to nie zmienia się jej częstotliwość, ale zmianie ulega prędkość jej rozchodzenia się. Zmienia się więc także długość fali.
Oddziaływanie fal z materią- Fale elektromagnetyczne przenoszą energię i mogą oddziaływać z materią. Jak się okazuje, fale o dużej częstotliwości mają większą energię niż fale
o małych częstotliwościach. Fale o dużej częstotliwości, a tym samym o małej
długości fali, są na ogół bardziej przenikliwe.
Widmo fal elektromagnetycznych -jest to uporządkowanie fal elektromagnetycznych ze względu na ich częstotliwość lub długość. Fale
elektromagnetyczne, mające różne częstotliwości, mają również różne własności. Fale o podobnych
własnościach tworzą w widmie umowne zakresy.
Światłem-nazywamy promieniowanie z bardzo wąskiego zakresu fal elektromagnetycznych, na które reaguje ludzkie oko. Światło jest dla człowieka głównym źródłem informacji o otaczającym świecie i jest niezbędne do istnienia życiana Ziemi. Długości fal świetlnych mieszczą się w zakresie od 0,4 μm do 0,7 μm. Największą długość ma fala, która wywołuje wrażenie barwy czerwonej, zaś najmniejszą – barwy fioletowej. Głównym źródłem światła jest Słońce.
-Światło przenosi energię. Gdy światło pada na pewne ciało, to energia wewnętrzna tego ciała się zwiększa.
-Światło ma dwoistą naturę: falową i cząsteczkową (korpuskularną). Swoją falową naturę ujawnia w takich zjawiskach jak: dyfrakcja, interferencja czy załamanie, natomiast zjawisko wybijania elektronów z powierzchni metalu czy ugięcie wiązki świetlnej w silnym polu grawitacyjnym dowodzą korpuskularnej natury światła.
-Światło w ośrodkach jednorodnych optycznie rozchodzi się po liniach prostych.
4. dyfrakcja- ugięcie fal
Interferencja-nakładanie się fal
Fale spójne-fale o identycznej długości i częstotliwości, mające stałą różnicę faz
Lasery-są sztucznymi źródłami światła. których emitowane światło jest monochromatyczne i spójne.
5.Promień świetlny -jest to linia, wzdłuż której rozchodzi się światło.
Ośrodek optyczny- ośrodek w którym rozchodzi się światło
Ośrodek optycznie jednorodny-ośrodek optyczny mający jednakowe właściwości fizykochemiczne w całej objętości
Optyka geometryczna- zajmuje się rozchodzeniem się światła w układach, w których światło nie napotyka małych przeszkód lub szczelin. Jest działem optyki, w którym nie uwzględnia się dyfrakcji ani interferencji
6.Prawo odbicia światła-Kąt odbicia jest równy kątowi padania. Promień padający, normalna i promień odbity leżą w jednej płaszczyźnie
normalna –prosta prostopadła do powierzchni
7.Rozszczepienie światła-to jego rozkład na poszczególne barwy składowe w wyniku załamania.
8. Zwierdziadło płaskie-jest to gładka wypoklerowana powierzchcia, która prawie w całości odbija padające na nią światło
Obarzy otrzymywane za pomocą zwierciadła płaskiego są:
-pozorne
-tej samej wielkości co przedmiot
-symetryczne względem zwierciadła
-nie odwrócone
obraz pozorny-obraz powstający w wyniku przedłużeń promieni odbitych lub załamanych
Cechy obrazu pozornego:
-powstaje w wyniku przecięcia przedłużeń promieni odbitych
- nie można go uzyskać na ekranie
obraz rzeczywisty-obraz powstający w wyniku przecięcia promieni odbitych lub załamanych
Zwierciadło kuliste-nazywamy wypolerowaną pokrytą warstwą odbijającą część powierzchni kulistej
Zwierciadło wklęsłe-nazywamy zwierciadło, w którym promienie odbijają się od wewnętrznej części kulistej
Zastosowanie:
- w dętystyce
-w reflektorach samochodów
-w lampie dentystycznej
-w latarkach
Ognisko – punkt leżący na osi głównej, w którym przecinają się wszystkie promienie odbite od zwierciadła, przed odbiciem biegnące równolegle do osi optycznej
Ogniskowa-jest to odległość ogniska od zwierciadła
Cechy obrazu gdy x jest większy od podwójnej ogniskowej
-odwrócony
-pomniejszony
-rzeczywisty
9.Załamanie światła – zjawisko zmiany kierunku promienia świetlnego na granicy dwóch ośrodków
Kąt załamania-kąt pomiędzy promieniem załamanym a prostą prostopadłą do powierzchni granicznej w miejscu padania
Płytka równoległościenna-płytka ograniczona dwiema równoległymi powierzchniami, wykonana z materiału przepuszczającego światło.

Współczynnik załamania :

V1 ,V2- prędkości rozchodzenia się światła odpowiednio w ośrodkach pierwszym i drugim
n- współczynnik załamania światła w ośrodka drugiego wzglądem pierwszego
Prawo załamania :
Promień padający na granicę dwóch ośrodków, normalna oraz promień załamany leżą w jednej płaszczyźnie. Wielkości kątów padania i załamania względem siebie zależą od prędkości rozchodzenia się światła w ośrodkach.
10.Pryzmat-szklana bryła w kształcie graniastosłupa o podstawie trójkąta
ŕPryzmat na skutek zachodzącego w nim dwukrotnego załamania- powoduje rozszczepienie światła białego na pojedyncze barwy monochromatyczne ,którym odpowiadają fale elektro magnetyczne, dając na ekranie barwne widmo.
Kąt łamiący pryzmat- kąt pomiędzy dwiema płaszczyznami pryzmatu
11Soczewka-przezroczysta, oszlifowana i wypolerowana bryła ograniczona dwiema powierzchniami o regularnym kształcie: kulistym lub jedną kulistą i jedną płaską.
Soczewka skupiająca-soczewka, która skupia w jednym punkcie padającą na nią wiązkę promieni równoległych do osi optycznej
-Grubsza soczewka lepiej skupia światło, tzn. ma większą zdolność skupiającą. Zauważ, że ogniskowa f grubszej soczewki jest mniejsza niż cienkiej.
Soczewka rozpraszająca- soczewka, która rozprasza padającą na nią wiązkę promieni równoległych
Ognisko soczewki-punkt, w którym skupiają się promienie świetlne po przejściu przez soczewkę lub ich przedłużenia
Ognisko rzeczywiste w soczewce skupiającej- punkt, w którym skupiają się wszystkie promienie równoległe do osi głównej po przejściu przez soczewkę
Ognisko pozorne w soczewce rozpraszającej – punkt w którym przecinają się przedłużenia promieni załamanych, które przed przejściem przez soczewkę były równoległe do osi optycznej.
Zdolność skupiająca soczewki-odwrotność ogniskowej soczewki D = 1 / f
-im mniejsza jest ogniskowa soczewki, tym większą ma ona zdolność skupiającą. Wielkość tę oznaczamy literą D.
Dioptria-zdolność skupiająca soczewki ogniskowej 1m
12.Wady wzroku:
-krótkowzroczność- aby skorygować należy przed soczewką oczną wmieścić soczewkę rozpraszającą
-dalekowzroczność-aby skorygować Nleży przez okiem umieścić soczewkę skupiającą
13.Cień i półcień-to obszar za oświetlonym nieprzezroczystym przedmiotem, do którego światło nie dochodzi, a półcień to obszar, gdzie światło dochodzi częściowo.
Cień powstaje w wyniku oświetlania przedmiotu. Jest to obszar do którego nie docierają promienie świetlne.
Półcień powstaje, gdy źródło światła jest dużo większe niż oświetlany przedmiot.

OPTYKA

λ -długości fali, f –częstotliwość, T- okres
c = 300 000 km/s = 300 000 000 m/s
Współczynnik załamania :

V1 ,V2- prędkości rozchodzenia się światła odpowiednio w ośrodkach pierwszym i drugim
n- współczynnik załamania światła w ośrodka drugiego wzglądem pierwszego
P1-powiększenie
P2- pomniejszenie

x-odległość przedmiotu od soczewki
y- odległość obrazu od soczewki
f- ogniskowa- odległość ogniska od soczewki
F- ognisko

Z- zdolność skupiająca
f- ogniskowa

Posted in Zagadnienia | Leave a comment

Siły zbieżne

Siłami zbieżnymi nazywamy siły, których kierunki przecinają się.

F1, F2 – siły zbieżne

p1, p2 – kierunki sił

O – punkt przecięcia kierunków sił.

Siły zbieżne mogą mieć taki sam punkt przyłośenia, lub różne punkty przyłożenia, jak na rysunku powyżej.

2. Składanie sił zbieżnych o wspólnym punkcie przyłożenia – metoda równoległoboku sił

Na ciało działają siły F1 i F2. Aby znaleźć siłę wypadkową Fw, budujemy równoległobok sił.

F1, F2 – siły składowe
Fw – siła wypadkowa
a, b – proste równoległe do sił składowych
O – punkt przyłożenia sił składowych i wypadkowej
– kąt między siłami składowymi

Aby zbudować równoległobok sił, należy z końca każdej siły składowej poprowadzić prostą równoległą do drugiej siły składowej. Przekątna równoległoboku łącząca punkt ich przecięcia z punktem przyłożenia sił jest siłą wypadkową.

Wartość tej siły zależy od:
- wartości sił składowych
- kąta zawartego między nimi ().

Siła wypadkowa ma największą wartość, gdy = 0o. Wynosi wtedy Fw = F1 + F2 (zobacz: składanie sił położonych na jednej prostej).

Wartość siły wypadkowej jest najmniejsza, kiedy = 180o. W takim przypadku Fw =

Posted in Zagadnienia | Leave a comment

Siła jako wektor

Jeśli dwa ciała działają na siebie, mówimy, że działają między nimi siły.
Siły nie można zobaczyć, ale można rozpoznać jej działanie po wywoływanych przez nią skutkach.

Skutki działania sił dzielimy na dwie grupy:
- zmiany stanu ruchu (skutki dynamiczne), np. zmiana prędkości lub kierunku ruchu, zatrzymanie ciała, czy wprawienie go w ruch.
- odkształcenie ciała (skutki statyczne), czyli zmiany wymiarów i/lub kszałtu ciała.

Siła jest wektorem, w związku z czym ma cztery cechy: kierunek, zwrot, wartość i punkt przyłożenia.

Siłę oznaczamy literą F.

——————————————————————————–

1. Ramię siły

Ramieniem siły nazywamy odległość punktu obrotu ciała od kierunku danej siły.

O – punkt obrotu

p – kierunek siły F

r – ramię siły F

Ramię siły jest zawsze prostopadłe do kierunku siły.

Jeśli punkt obrotu leży na kierunku siły, to ramię siły jest równe zeru.

——————————————————————————–

2. Moment siły

Moment siły jest to iloczyn wartości siły i jej ramienia.

M = F . r

Moment siły jest wektorem, więc ma cztery cechy: kierunek, zwrot, wartość i punkt przyłożenia. Moment siły może być dodatni lub ujemny.

Moment siły jest dodatni, jeśli siła powoduje obrót ciała w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara, w przeciwnym wypadku jest on ujemny.

——————————————————————————–

3. Siła wypadkowa

Na ciało może działać kilka sił równocześnie. W takim przypadku nazywamy je siłami składowymi.

Siłę, która zastępuje ich działanie nazywamy siłą wypadkową.

Siła wypadkowa wywiera na ciało taki sam skutek, jak kilka sił składowych.

Siłę wypadkową oznaczamy: Fw.

——————————————————————————–

4. Siła równoważąca.

Jeśli działanie sił równoważy się, to ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym (zobacz: pierwsza zasada dynamiki.)

Siłę, która równoważy działanie innych sił (czyli działanie ich siły wypadkowej) nazywamy siłą równoważącą.

Fw – siła wypadkowa

Fr – siła równoważąca

Siła równoważąca musi spełniać trzy warunki:
- wartość siły równoważącej musi być równa wartości siły wypadkowej
- kierunek siły równoważącej jest taki sam, jak kierunek siły wypadkowej
- zwrot siły równoważącej jest przeciwny do zwrotu siły wypadkowej.

Poszukiwanie siły wypadkowej nazywa się składaniem sił.

Posted in Zagadnienia | Leave a comment

Jednostki objętości

Podstawową jednostką objętości jest jeden metr sześcienny (m3).
Podobnie jak metr kwadratowy jest on pochodną jednostką metra.
Objętość 1m3 to objętość sześcianu o boku 1m.

Istnieją także inne jednostki objętości:

JEDNOSTKI OBJĘTOŚCI
JEDNOSTKA SKRÓT WARTOŚĆ
1 eksametr sześcienny 1 Em3 1000000000000000000000000000000000000000000000000000000 m3 1054 m3
1 petametr sześcienny 1 Pm3 1000000000000000000000000000000000000000000000 m3 1045 m3
1 terametr sześcienny 1 Tm3 1000000000000000000000000000000000000 m3 1036 m3
1 gigametr sześcienny 1 Gm3 1000000000000000000000000000 m3 1027 m3
1 megametr sześcienny 1 Mm3 1000000000000000000 m3 1018 m3
1 kilometr sześcienny 1 km3 1000000000 m3 109 m3
1 hektometr sześcienny 1 hm3 1000000 m3 106 m3
1 metr sześcienny 1 m3 1 m3 100 m2
1 decymetr sześcienny 1 dm3 0,001 m3 10-3 m3
1 centymetr sześcienny 1 cm3 0,000001 m3 10-6 m3
1 milimetr sześcienny 1 mm3 0,000000001 m3 10-9 m3
1 mikrometr sześcienny 1 m3 0,000000000000000001 m3 10-18 m3
1 nanometr sześcienny 1 nm3 0,000000000000000000000000001 m3 10-27 m3
1 pikometr sześcienny 1 pm3 0,000000000000000000000000000000000001 m3 10-36 m3
1 femtometr sześcienny 1 fm3 0,000000000000000000000000000000000000000000001 m3 10-45 m3
1 attometr sześcienny 1 am3 0,000000000000000000000000000000000000000000000000000001 m3 10-54 m3

JEDNOSTKI OBJĘTOŚCI CIECZY
JEDNOSTKA SKRÓT WARTOŚĆ
1 eksalitr 1 El 1000000000000000000 l 1018 l
1 petalitr 1 Pl 1000000000000000 l 1015 l
1 teralitr 1 Tl 1000000000000 l 1012 l
1 gigalitr 1 Gl 1000000000 l 109 l
1 megalitr 1 Ml 1000000 l 106 l
1 kilolitr 1 kl 1000 l 103 l
1 hektolitr 1 hl 100 l 102 l
1 litr 1 l 1 l = 1dm3 100 l = 10-3 m3
1 decylitr 1 dl 0,1 l 10-1 l
1 centylitr 1 cl 0,01 l 10-2 l
1 mililitr 1 ml 0,001 l 10-3 l
1 mikrolitr 1 l 0,000001 l 10-6 l
1 nanolitr 1 nl 0,000000001 l 10-9 l
1 pikolitr 1 pl 0,000000000001 l 10-12 l
1 femtolitr 1 fl 0,000000000000001 l 10-15 l
1 attolitr 1 al 0,000000000000000001 l 10-18 l

Posted in Ściągi | Leave a comment

Magnetyzm i elektryczność

W roku 1831 angielski uczony Michael Faraday postanowił rozwiązać zagadkę związku między magnetyzmem i elektrycznością. Sprawa ta fascynowała go już od czasu odkrycia Oersteda. Rozpoczął zatem własne badania nad zachowaniem igły magnetycznej pod wpływem prądu elektrycznego. Uczony francuski André Marie Ampére dowiódł tymczasem, że dwa druty, przez które jednocześnie płynie prąd, odpychają się wzajemnie lub przyciągają, jakby były magnesami.

Faraday miał wiele pomysłów, zastanawiał się, czy można zrobić coś odwrotnego, niż zrobili Oersted i Ampére, na przykład za pomocą magnesu lub prądu spowodować przepływ prądu w innym drucie, wyłącznie przez zbliżenie doń magnesu lub drutu z elektrycznością, bez dotykania tego drugiego drutu. Faraday wziął dość gruby pierścień z żelaza o średnicy około 15 cm. Każdą z jego połówek owinął oddzielnym kawałkiem drutu miedzianego, który jest bardzo dobrym przewodnikiem elektryczności, pozostawiając między nimi niewielką przerwę. Drut jednej połówki pierścienia połączył z kawałkiem drutu przechodzącym nad kompasem. Wiedział, że jeśli prąd popłynie przez drut, igła magnesu powinna się poruszyć. Następnie oba końce miedzianego drutu owiniętego na drugiej połówce pierścienia połączył kolejno z baterią elektryczną.

W chwili, gdy drugim końcem drutu dotknął baterii, zamykając w ten sposób obwód i przepuszczając przez drut prąd elektryczny, igła kompasu drgnęła. Po chwili zatrzymała się. Prąd z baterii płynął, ale igła magnesu pozostawała nieruchoma. Jednak niezaprzeczalnie przez drut z pierwszej połowy pierścienia przepłynął prąd. Igła poruszyła się, a stało się to wtedy, gdy Faraday puścił prąd przez drut połączony z baterią.

Uczony odłączył drut od baterii, spodziewając się uzyskać ciekawszy efekt dzięki niewielkim zmianom. W momencie odłączania igła magnesu znów drgnęła. Nie było już wątpliwości. Prąd płynął przez drut z pierwszej połówki pierścienia, nie mający żadnego połączenia z baterią.

Tam i z powrotem
Faraday czuł, że odkrył coś bardzo ważnego. Rozczarowało go wprawdzie, że ruch igły magnesu był tak nieznaczny. Jak przystało na naukowca, powtarzał test i za każdym razem uzyskiwał ten sam rezultat. Gdy włączał baterię i przesyłał prąd do drugiego drutu, powodował także krótki przepływ prądu w pierwszym drucie. Z kolei każde odłączenie baterii sprawiało, że prąd płynął w przeciwnym kierunku. Impulsy elektryczne były rótkotrwałe. Jeśli prąd z baterii płynął nieprzerwanie, igła kompasu pozostawała nieruchoma. Nagle rozczarowanie Faradaya zmieniło się w entuzjazm. Nareszcie pojął sens tego, co się stało! Ruch pojawiał się w momencie włączania i wyłączania prądu. Zmiany w dopływie prądu w jednym drucie wywoływały pojawienie się prądu w drugim, to zaś wystarczało, by poruszyć igłę magnesu.

Zrobił następny krok – postanowił dowiedzieć się, czy używając magnesu, uzyska taki sam efekt. Owinął drutem cylinder z żelaza. Tym razem nie użył baterii. Do wnętrza cylindra włożył magnes. Za każdym razem, gdy wkładał magnes, przez drut owinięty wokół cylindra przepływał prąd.

Zrodziło to kolejne pytanie: czy wkładanie i wyjmowanie magnesu przymocowanego do specjalnej konstrukcji – ramienia połączonego z obracającym się kołem – może spowodować nieprzerwany przepływ prądu? Faraday spędził nad tym zagadnieniem wiele bezsennych nocy.

Krok po kroku zbliżał się do odpowiedzi, która miała stać się prawdziwym przełomem w nauce. Faraday udowodnił, że umieszczając sztabkę żelaza w pobliżu przepływającego prądu, można zamienić tę sztabkę w magnes. A także, iż prąd zaczyna płynąć przez zwój drutu, jeśli w pobliżu przesuwany jest magnes lub na odwrót: porusza się drutem w pobliżu magnesu.

Z czasem wyniki eksperymentów Faradaya pozwoliły naukowcom na coraz szersze zastosowanie elektryczności. Wykorzystywano wzajemne oddziaływanie elektryczności i magnetyzmu. Zdarzało się, że praktyka była szybsza od teorii. Do dziś zjawisko magnetyzmu nie zostało do końca wyjaśnione. Faradayowi i jego doświadczeniom z 1831 roku zawdzięczamy naukowe podstawy, dzięki którym można było zbudować wiele różnych urządzeń wytwarzających prąd do oświetlenia, ogrzewania itp.

Różne siły
Faraday doszedł w końcu do wniosku, że magnetyzm i elektryczność to dwie postaci tego samego zjawiska, a siły natury, np. światło i ciepło, są przejawem tzw. elektromagnetyzmu. Faraday uznał elektryczność i magnetyzm za siły biorące się bądź z magnesu, bądź ze źródeł energii elektrycznej. Do dziś nazywamy angielskiego uczonego ojcem elektromagnetyzmu

Posted in Zagadnienia | Leave a comment

Zastosowania elektromagnesów

Pierwszy elektromagnes zbudował Wiliam Sturgeon w 1823 roku. Zwinął on wokół żelaznej sztabki izolowany drut miedziany. W czasie przepływu prądu układ ten stawał się silnym magnesem. Od tamtej pory elektromagnes znalazł mnóstwo zastosowań praktycznych.

Elektromagnes-przyrząd wytwarzający zjawiska magnetyczne pod wpływem prądu elektrycznego. Składa się z ferromagnetycznego rdzenia i umieszczonej na nim cewki elektrycznej. Ma zwykle postać cewki osadzonej (nawiniętej) na rdzeniu z materiału silnie magnetycznie czynnego. Przepływ prądu elektrycznego przez cewkę wytwarza pole magnetyczne, które magnesuje rdzeń, ulegając tym samym znacznemu wzmocnieniu; gdy prąd przestaje płynąć, pole cewki znika, rdzeń rozmagnesowuje się i elektromagnes przestaje być źródłem pola magnetycznego.

Zastosowanie elektromagnesów

1.Elektromagnesy znajdują się w automatycznych bezpiecznikach domowej instalacji elektrycznej i wyłącznikach nadmiarowych w elektrycznych stacjach zasilających. Przy zbyt dużym prądzie wytworzone pole magnetyczne przerywa jego przepływ.

2.W telewizorach odchylają one wiązki elektronów, które padają na ekran i tworzą obraz telewizyjny.

3. W telefonie elektromagnes porusza membraną słuchawki, dzięki czemu powstaje słyszany przez nas dźwięk.

4. W głośniku zmienny sygnał elektryczny pochodzący ze wzmacniacza dociera do elektromagnesu, który na przemian przyciąga i odpycha magnes z membraną co powoduje drgania i wytwarzanie dźwięku.

5. Elektromagnesy wchodzą w skład głowic zapisujących i odczytujących informacje na magnetycznych nośnikach: taśmach magnetofonowych, dyskach twardych komputerów i dyskietkach. Dyski twarde mają postać sztywnych krążków składających się z podłoża z metalu lub szkła (dlatego nazywane są “twardymi”), na których jest osadzona warstwa materiału magnetycznego, będąca nośnikiem informacji.

6. Elektromagnesy stosowane są w miernikach elektrycznych. W mierniku z ruchomą cewką miernik magneto magnetyczny) prąd płynący przez jej zwoje wytwarza pole magnetyczne. Wskutek oddziaływania z magnesem otaczającym cewkę obraca się ona wraz ze wskazówką pokazującą na skali wartość prądu.

7.W dzwonku elektrycznym po włączeniu prądu elektromagnes przyciąga młoteczek do dzwonka. Ruch młoteczka przerywa obwód elektryczny i sprężynujący młoteczek powraca do poprzedniej pozycji. Wówczas prąd zaczyna znowu płynąć i sytuacja się powtarza. dzwonek dzwoni tak długo, aż prąd zostanie wyłączony.

8. Potężne elektromagnesy są często używane w składnicach złomu. Po wyłączeniu prądu pole znika i wtedy unoszony ładunek spada. Podobnie w stoczniach służą do transportu blach stalowych, a w halach produkcyjnych utrzymują ciężkie części stalowe obróbce mechanicznej.

Posted in Zagadnienia | Leave a comment

Albert Einstein

Życie i działalność

Młodość i wykształcenie
Albert Einstein urodził się w Ulm, w Niemczech, 14 marca 1879 r. Wykształcenie zdobywał w Monachium, nie przejawiając jednak specjalnego zapału do nauki; ostatecznie został usunięty ze szkoły za fatalne zachowanie. Mając 17 lat zaczął studiować fizykę w Federalnej Wyższej Szkole Technicznej (później przekształconej na politechnikę) w Zurichu (Szwajcaria).
Koleje życia i działalność naukowa
Okres szwajcarski
W 1901 r. Einstein unieważnił swe niemieckie obywatelstwo i stał się naturalizowanym obywatelem Szwajcarii. W latach 1902 – 1905 pracował jako ekspert ds. technicznych
w Szwajcarskim Biurze Patentowym, w Bernie. W 1903 r., poślubił studentkę pochodzenia serbskiego, Milevę Marić. Dwa lata później, w 1905 r., obronił doktorat na Uniwersytecie w Zurychu i ogłosił drukiem szczególną teorię względności. W 1909 r. został profesorem nadzwyczajnym fizyki teoretycznej w Zurichu, a w 1911 r. dostał nominację profesorską w Pradze (stolicy Czech, które wchodziły wówczas w skład Austro-Węgier). Powrócił do Zurychu w roku 1912, by zostać profesorem na tamtejszej politechnice.
Powrót do Niemiec
Na początku 1914 r. Einstein został mianowany dyrektorem Instytutu Fizyki im. Cesarza Wilhelma w Berlinie, w Niemczech, a w roku następnym ogłosił ogólną teorię względności. Po wybuchu I wojny światowej, w roku 1914, żona Einsteina wraz z całą rodziną wyjechała do Szwajcarii, skąd nie było już dla nich powrotu. Ta przymusowa separacja doprowadziła do rozwodu; w 1919 r. Einstein związał się ze swą owdowiałą kuzynką, Elsą Einstein.
Na uchodźstwie w USA
Pomimo międzynarodowego uznania, a także Nagrody Nobla (1921 r.) w dziedzinie fizyki, Einstein cały czas atakowany był przez antysemickie ugrupowania w Niemczech. Kiedy w 1933 r. w Berlinie doszli do władzy naziści Adolfa Hitlera, zrezygnował ze stanowiska w Instytucie. Najpierw szukał schronienia w Wielkiej Brytanii, a później
w Stanach Zjednoczonych, gdzie został profesorem w Institute of Advanced Study
w Princeton, w New Jersey. W 1940 r. przyjął obywatelstwo amerykańskie. W 1950 r. opublikował rozprawę poświęconą jednolitej (unitarnej) teorii pola, która nie uzyskała jednak pełnej akceptacji wśród innych naukowców. Zmarł w Princeton, 18 kwietnia 1955 r. Wkrótce po jego śmierci pierwiastek numer 99 w tablicy okresowej otrzymał nazwę einstein (Es).
Osiągnięcia naukowe
Referaty z roku 1905
W 1905 r. Einstein opublikował na łamach Annalen der Physik (Roczników Fizycznych) kilka przełomowych artykułów. Jeden z nich, traktujący o ruchach Browna, dostarczył dowodu bezpośrednio na istnienie cząsteczek. Natomiast zjawisko fotoelektryczne wykorzystane zostało w kontekście teorii kwantowej Maxa Plancka do wykazania, że promieniowanie elektromagnetyczne (w tym światło) składa się z osobnych cząstek zwanych fotonami, z których każda posiada określoną ilość energii. Najgłośniejszą pracą Einsteina z 1905 roku jest artykuł o szczególnej teorii względności, w którym wykazał, że prędkość światła jest podstawową stałą oraz, że czas, masa i prędkość nie posiadają charakteru absolutnego i jedynego, ale ich wielkości zależą od układu odniesienia obserwatora.
Ogólna teoria względności
W 1915 r. Einstein wydał Die Grundlage der Allgemeinen Relativitätstheorie (Podstawy ogólnej teorii względności). Przedmiotem teorii jest zjawisko grawitacji, a jej największą zasługę stanowi opracowanie czterowymiarowego modelu wszechświata; przestrzeń
i czas tworzą w nim wspólne continuum (tzw. czasoprzestrzeń). W ujęciu zaproponowanym przez Einsteina obecność bardzo dużej masy może doprowadzić do zakrzywienia czasoprzestrzeni, dając efekt grawitacji. Kolejną pracą była opublikowana w 1921 r. Über die Spezielle und die Allgemeine Relativitätstheorie (Szczególna i ogólna teoria względności).
Dowód
W 1919 r. Towarzystwo Królewskie w Londynie obwieściło, że uzyskano dane, potwierdzające ogólną teorię względności Einsteina; było to podczas całkowitego zaćmienia Słońca, obserwowanego przez brytyjskiego astrofizyka Arthura Eddingtona (1882–1944). Eddington zobaczył, że promienie świetlne pochodzące z gwiazd znajdujących się blisko Słońca są zakrzywione, dzięki czemu gwiazdy te były widoczne w odrobinę niewłaściwych dla nich pozycjach na niebie. Tę nieprawidłowość można było wytłumaczyć jedynie przy odwołaniu się do idei Einsteina; mówiła ona, że duża masa Słońca zniekształca czasoprzestrzeń, powodując w efekcie odchylenie promieni świetlnych przechodzących w pobliżu.
Autorytet Einsteina
Światowa sława, jaką zyskał Einstein oznaczała, że mógł firmować swym nazwiskiem przedsięwzięcia, w które święcie wierzył.
Początki postawy pacyfistycznej
Podczas I wojny światowej Einstein namawiał do zakończenia bratobójczej walki,
a w latach 20. stał się pacyfistą. W 1931 r. przyczynił się do uformowania grupy nacisku walczącej o propagowanie ideałów pokojowych, która przyjęła nazwę: Międzynarodowa Fundacja Przeciwników Wojny im. Alberta Einsteina, zaś dwa lata później wydał wraz z Sigmundem Freudem (1856–1939) książkę zatytułowaną Dlaczego wojna? Jednakże, obserwując rozwój wydarzeń w Niemczech pod rządami Adolfa Hitlera, Einstein doszedł do wniosku, że do zgniecenia hydry nazistowskiej konieczne jest zastosowanie siły.
Bomba atomowa
W 1939 r. rozniosła się pogłoska, że niemieccy naukowcy pracują nad bronią wykorzystującą energię jądrową. Po wybuchu II wojny światowej Einstein dał się przekonać kolegom naukowcom, w tym Enrico Fermiemu, by napisać list do prezydenta Stanów Zjednoczonych F.D. Roosevelta. Ostrzegał w nim o straszliwych konsekwencjach takiego wynalazku, a także poprosił o intesyfikację wysiłków na rzecz skonstruowania bomby atomowej przez USA. Na dobrą sprawę Einstein nie odegrał kluczowej roli w ostatecznym wynalezieniu bomby, co więcej, podejrzewa się, że nie miał nawet pojęcia o tym, że broń ta jest przygotowywana.
Całkowite rozbrojenie atomowe
Po zrzuceniu dwóch bomb atomowych na Japonię w 1945 r., zanotowano słowa Einsteina, który powiedział, że gdyby wiadomo mu było do jakich spustoszeń może doprowadzić sformułowana przez niego teoria, to wolałby zostać zegarmistrzem.
W późniejszych latach poświęcił się próbom utworzenia rządu światowego oraz zakazania raz na zawsze wywoływania wojen. Jednym z jego ostatnich aktów publicznych stał się podpis złożony pod apelem, którego pomysłodawcą był Bertrand Russell, wzywającym rządy wielkich mocarstw do rezygnacji z posiadania broni masowego rażenia.
Syjonizm
Einstein od lat 20. stał się żarliwym syjonistą, nalegającym na utworzenie państwa żydowskiego na terytorium Palestyny. W sposób szczególny zależało mu na utworzeniu Uniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie. W 1952 r. zaproponowano uczonemu objęcie prezydentury w państwie Izrael, ale nie dał się do tego przekonać.

Teoria względności
Teoria, opracowana przez Einsteina, opisująca zależność praw fizyki od własności czasoprzestrzeni i układu odniesienia. W pierwszej próbie (1905) opracowania teoria względności (później nazwanej szczególną teorią względności) uczony analizował własności fizyczne zjawisk zachodzących w płaskiej (pustej) czasoprzestrzeni. Ogólna teoria względności (1916) natomiast odnosi się już do zjawisk zachodzących w czasoprzestrzeni wypełnionej masywnymi obiektami i przez to właśnie zakrzywionej.

Szczególna teoria względności
Podstawowe idee szczególnej teorii względności zostały zawarte w pracy “O elektrodynamice poruszających się ciał” ( lub “O elektrodynamice ciał w ruchu”; tytuł oryginału: “Zur Elektrodynamik bewegter Körper”), opublikowanej w roku 1905. Einstein wysunął nowe koncepcje czasu i przestrzeni, zerwał z pojęciem czasu absolutnego, łącząc czas i przestrzeń w czterowymiarową czasoprzestrzeń. W kolejnych pracach Einstein opracował zgodne z nową teorią zasady mechaniki, tworząc fizykę relatywistyczną. Elektrodynamika opisana równaniami Maxwella (podstawowe równania klasycznej elektrodynamiki, opisujące związki pomiędzy natężeniami pola elektrycznego, magnetycznego i ładunkiem elektrycznym) zgodna była z teorią względności.
Podstawowe założenie szczególnej teorii względności to:-stałość prędkości światła w każdym układzie odniesienia (doświadczenie Michelsona-Morleya: słynne doświadczenie mające wyznaczyć prędkość światła względem Ziemi, hipotetycznego eteru, przeprowadzone po raz pierwszy w 1881 przez A.A. Michelsona, który w 1887 powtórzył je wraz z E.W. Morleyem.Dało ono wynik negatywny [tj. wykazało niezależność prędkości światła od prędkości Ziemi w przestrzeni], co stało się doświadczalnym potwierdzeniem stałości prędkości światła
w każdym układzie odniesienia)- wynika z tego prawo transformacji współrzędnych przestrzennych i czasu przy przejściu od jednego układu odniesienia do drugiego opisane przez transformację Lorentza (przekształcenie matematyczne opisujące transformacje wielkości fizycznych w czasoprzestrzeni czterowymiarowej przy przechodzeniu od jednego inercjalnego układu odniesienia, określonego przez współrzędne przestrzenne x, y, z i współrzędną czasową t, do drugiego, określonego przez współrzędne x’, y’, z’ oraz t’. W najprostszym przypadku, jeśli układ (x’, y’, z’, t’) porusza się jednostajnie w kierunku osi x z prędkością v, to transformacja Lorentza ma postać (c – prędkość światła w próżni): postulat prawdziwości zasady względności głoszącej, że prawa fizyki mają taką samą postać w każdym inercyjnym (inercjalnym) układzie odniesienia – I.U.O.
Einstein wykorzystał wprowadzony przez H. Poincarego i udoskonalony przez H. Minkowskiego formalizm czterowymiarowej płaskiej czasoprzestrzeni (przestrzeń czterowymiarowa, w której oprócz trzech składowych przestrzennych występuje składowa czasowa; inaczej: przestrzeń zdarzeń fizycznych). Elementem rewolucyjnym było nadanie fizycznej realności prawu przekształcającemu przy zmianie układu odniesienia, oprócz współrzędnych przestrzennych, również czas (wcześniej traktowano je czysto formalnie). Przestrzeń przestała tak pełnić rolę obiektywnej “sceny” zjawisk przyrody, a czas stracił swoją absolutność – stały się one względne, zależne od układu odniesienia, gdyż zgodnie z STW dwa zdarzenia równoczesne w pewnym układzie odniesienia nie muszą być równoczesne w innym.
W szczególnej teoria względności energia i pęd cząstki tworzą czterowektor, dla cząstki swobodnej spełniony jest związek (E/c)2 = p2 + m2c2, gdzie m – masa cząstki. Dla cząstki spoczywającej, tj. przy p = 0 wzór ten sprowadza się do wyrażenia E=m0c2, które interpretuje się jako równoważność masy i energii.

Ogólna teoria względności
Współczesna teoria grawitacji, tłumacząca zjawiska grawitacyjne geometrycznymi własnościami zakrzywionej czasoprzestrzeni. Jej podstawowe idee (wynikające z rozważań nad zasadą równoważności oraz z dążenia do uniezależnienia opisu zjawisk od układu odniesienia) sformułował A. Einstein (1916).
Ogólna teoria względności opiera się na czterech postulatach:
czasoprzestrzeń zgodna jest lokalnie ze szczególną teorią względności, tj. w każdym dostatecznie małym otoczeniu każdego punktu może ona być przybliżona przez płaską czterowymiarową przestrzeń Minkowskiego (czasoprzestrzeń szczególnej teorii względności; oś czasu jest urojona, osie przestrzenne są rzeczywiste. Punkty w przestrzeni Minkowskiego noszą nazwę punktochwil lub zdarzeń elementarnych)czasoprzestrzeń jest czterowymiarową przestrzenią topologiczną, różniczkowalną i spójną – w każdym jej punkcie określone są metryczny tensor oraz jej krzywizna wyrażona przez tensor Riemanna tensor metryczny spełnia równanie pola Einsteina linie świata cząstek próbnych (tj. cząstek posiadających energię wpływającą w stopniu znikomym na krzywiznę przestrzeni) są geodetykami w czasoprzestrzeni
Pierwszymi doświadczalnymi dowodami prawdziwości ogólnej teorii względności były: wyjaśnienie tzw. nadwyżki ruchu peryhelium orbity Merkurego (a póĽniej również analogicznego ruchu dla Wenus i Ziemi) oraz stwierdzenie zakrzywienia biegu promieni światła gwiazd w czasie zaćmienia Słońca (w 1919 r.). Kolejne potwierdzenie przyniosło odkrycie soczewkowania grawitacyjnego i badanie układu podwójnego z pulsarem. Ogólna teoria względności przewiduje istnienie fal grawitacyjnych i czarnych dziur. Pozwala też konstruować naukowe modele Wszechświata jako całości. Nie jest ona teorią kwantową, przez co stoi
w pewnej opozycji do współczesnej fizyki. Trwają poszukiwania kwantowej teorii grawitacji…

Inne osiągnięcia
Najlepiej znanymi osiągnięciami Einsteina są dwie teorie względności, ale inne dokonania oczywiście też zapewniłyby mu sławę naukowa. W istocie, Einstein uzyskał w 1921r. nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki przede wszystkim za prace wyjaśniającą ważne zjawisko fotoelektryczne, które stanowiło do owego czasu zagadkę dla fizyków. W swoim opracowaniu założył, ze istnieją fotony, czyli cząstki światła. Ponieważ na długo przedtem stwierdzono
w doświadczeniach poświeconych interferencji, że światło składa się z fal elektromagnetycznych, fale zaś i cząstki uznawano za pojęcia w sposób oczywisty przeciwstawne, wobec tego hipoteza Einsteina stanowiła radykalne i paradoksalne zaprzeczenie klasycznej teorii. Okazało się jednak, że jego wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego ma duże znaczenie praktyczne, a hipoteza istnienia fotonów wywarła istotny wpływ na rozwój teorii kwantów i stanowi obecnie jej integralna cześć.
Przy ocenie znaczenia Einsteina nasuwa się porównanie z Isaakiem Newtonem. Teorie Newtona są w zasadzie łatwe do zrozumienia, a jego geniusz wyraził się
w tym, że to on pierwszy je sformułował. Natomiast teorie względności Einsteina są bardzo trudne do zrozumienia, nawet gdy ktoś korzysta ze szczegółowych objaśnień. O ile, zatem trudniej było je stworzyć! Niektóre koncepcje Newtona stały w radykalnej sprzeczności
z panującymi ówcześnie poglądami naukowymi, jednak jego teoria nigdy nie wydawała się wewnętrznie sprzeczna. Inaczej jest w przypadku teorii względności, która obfituje w paradoksy. Geniusz Einsteina polegał miedzy innymi na tym, że na samym początku, kiedy jego koncepcje wciąż jeszcze były niesprawdzonymi hipotezami początkującego badacza, w obliczu jawnych sprzeczności nie poddał się i nie zrezygnował. Zamiast tego pracował usilnie, dopóki nie zdołał wykazać, że sprzeczności są jedynie pozorne i w każdym przypadku istnieje subtelny, ale poprawny sposób rozwiązania paradoksu. Dziś uważamy, że teoria Einsteina jest w istocie bardziej “poprawna” niż teoria Newtona. Dlaczego zatem Einstein znajduje się niżej na naszej liście? Przede wszystkim dlatego, ze teorie Newtona położyły podwaliny pod nowożytną naukę
i technologie. W większości dziedzin techniki osiągnięty obecnie poziom wcale by się nie zmienił, gdybyśmy wciąż znali jedynie odkrycia Newtona, nie zas Einsteina. Istnieje jeszcze inny czynnik, który wpłynął na takie właśnie usytuowanie Einsteina na liście. W większości wypadków do rozwoju jakiejś ważnej idei przyczyniło się wielu ludzi. Tak było z pewnością
z historia socjalizmu czy rozwojem elektromagnetyzmu. Powstanie teorii względności nie było stuprocentowa zasługą samego tylko Einsteina, ale to on poczynił się do tego w największym stopniu. Należy uczciwie powiedzieć, ze teorie względności dziełem jednego, wybitnego geniusza w stopniu daleko większym niż jakiekolwiek inne idee o porównywalnym znaczeniu.
Einstein przewidział także kluczowe dla działania laserów zjawisko emisji wymuszonej.
W okresie II wojny światowej uczony brał czynny udział w Manhattan Project (amerykanskim programie badań służącym do uzyskania broni jądrowej).
EINSTEIN (ES)Radioaktywny pierwiastek metaliczny z grupy aktynowców, nazwany na cześć Alberta Einsteina. Nie występuje w przyrodzie, jest otrzymywany syntetycznie poprzez bombardowanie neutronami takich pierwiastków, jak pluton czy kiur. Bardzo niewiele wiadomo o jego właściwościach.

Wkład w astronomie
Uczony ten jest jednym z największych fizyków wszystkich czasów. Olbrzymią jego zasługą jest wkład, jaki wniósł w dziedzinie astrofizyki i mechaniki nieba.
Dla teoretycznych dociekań astrofizycznych podstawowe znaczenie ma wzór Einsteina
o równości energii (E) i masy (m):

(E = mc2)

gdzie c oznacza prędkość światła w próżni. Wzór ten wskazuje źródło olbrzymich ilości energii promienistej wydzielanej przez gwiazdy kosztem ich masy.

A oto jego udział w zagadnieniach astronomicznych. Opierając się na swej ogólnej teorii względności, wyjaśnił przyczynę powolnego ruchu peryheliów orbit planetarnych. Klasyczna teoria grawitacyjna Newtona nie umie tego wytłumaczyć. Einstein jako przyczynę wskazał ruch obrotowy globu słonecznego, który niejako pociąga naprzód po orbicie peryhelia planet. Przewidział też teoretycznie uginanie się światła w pobliżu ciał niebieskich o dużych masach, co później stwierdzono obserwacyjnie, fotografując gwiazdy widoczne obok Słońca w czasie jego całkowitego zaćmienia. Nadto udowodnił, że masa każdego ciała wzrasta w miarę zbliżania się prędkości jego ruchu do prędkości światła.
Einstein stał się postacią znaną wśród najszerszych warstw ludności. Listy adresowane: “Einstein, Europa” były mu doręczane w normalnym terminie. Uczony wszakże dla swych rozmyślań szukał przede wszystkim spokoju i samotności. Zawsze chętnie wspominał swe samotne przejażdżki małą łodzią żaglową po jednym z niemieckich jezior. Grywał też często na skrzypcach. A jakiż był roztargniony! Gdy na przykład pewnego razu z okazji jakiegoś oficjalnego występu w Londynie żona zapakowała mu do walizki strój wieczorowy, po powrocie znalazła go w stanie nienaruszonym.

Wzory i objaśnienia osiągnięć Einsteina

Rok 1905 to był annus mirabilis (niezwykły rok) Alberta Einsteina – genialnego fizyka teoretyka. Podał on wtedy teoretyczne wyjaśnienie ruchów Browna – chaotycznych ruchów drobnych cząstek zawiesiny w cieczy lub gazie, wyjaśnił efekt fotoelektryczny i sformułował szczególną teorie względności.
Z końcem XIX wieku odkryto efekt fotoelektryczny – wybijanie elektronów z powierzchni metalu przez nadfiolet lub światło widzialne. Zauważono, że liczba fotoelektronów jest proporcjonalna od natężenia światła (dzisiaj : liczby fotonów), a ich energia kinetyczna – zależy od częstości drgań fali świetlnej, a nie od natężenia. Wyjaśnienie tego efektu jest proste gdy przyjmie się, że energia pola elektromagnetycznego jest skwantowana na osobne porcje. Każdy kwant niesie energię hn i nazywa się fotonem. Foton przekazuje elektronowi metalu swą energię tylko w całości. Energia ta musi być większa niż praca wyjścia z metalu (W), dlatego fotony podczerwone nie potrafią wybić elektronu.

hn – W > 0 = Ekin

Większe natężenie światła to więcej fotonów, dlatego wybijanych jest więcej elektronów. Im większa częstotliwość n drgań światła tym większa różnica między hn a stałą pracą wyjścia W, więc tym większa energia kinetyczna wybijanych elektronów.

SZCZEGÓLNA TEORIA WZGLĘDNOŚCI
Właściwie cała szczególna teoria względności zawiera się w transformacjach Lorentza :

, y = y’, z = z’,

Zauważmy, że (1 – v2/c2)1/2 ŕ 1, gdy c ŕ∞ Lub gdy v<

1) Skrócenie Lorentza
Załóżmy, że układ inercjalny K’ (np. pociąg) porusza się wzdłuż osi X względem układu inercjalnego K (np. drzewa przy nasypie). W układzie K’ na osi X umieszczamy pręt. W tym układzie jego długość wynosi x’ – 0 = x’ = L’. Jaką długość będzie miał pręt względem układu K?
Musimy użyć przekształcenia Lorentza, w którym występuje czas mierzony w układzie K, bo
w tych samych chwilach tego czasu będziemy odznaczać na osi X położenia końca (x2)
i początku pręta (x1).

Długość pręta wynosić będzie :

L = x2 – x1 = ( + vt) – (0 + vt) = L’

Widzimy więc, że długość spoczynkowa L’ jest większa od długości mierzonej w układzie, względem którego pręt porusza się (L). Pręt ze wzrostem prędkości v staje się coraz krótszy.

2) Dylatacja (zwolnienie) czasu
Załóżmy, że w układzie pociągu tyka zegar świetlny i odmierza czas t’ (przedział czasowy
w spoczynku). Jaki czas t (przedział czasowy w ruchu) odmierza ten zegar względem obserwatora stojącego przy drzewie przy nasypie?

t = 2S/c ŕ S = ct/2,
d = vt ŕ ½ D = ½ vt
t’ = 2H/c ŕ H = ct’/2
Gdy podstawimy te wielkości do wzoru : S2 = (½ D)2 + H2

otrzymamy zależność :

Zależność tę można też otrzymać z transformacji Lorentza :

t = t2 – t1 = =

Zegar zdaniem obserwatora przy nasypie tyka wolniej i jego tykanie staje się coraz wolniejsze wraz ze wzrostem prędkości v.
Zdaniem Galileusza i Newtona czas i przestrzeń są absolutne. Są one niczym niezmienne ściany teatru, w którym rozgrywają się zjawiska. Einstein zrewolucjonizował to spojrzenie. Upływ czasu i odległości przestrzenne zależą od ruchu i są mierzone jako różne w różnych układach odniesienia.

3) Paradoks bliźniąt
Załóżmy, że Klaudia wyrusza rakietą z prędkością 0,9 c w kierunku gwiazdy Proxima Centauri oddalonej od Ziemi o około 4 lata świetlne i z powrotem, a Ania zostaje na Ziemi. Czas
w poruszającej się rakiecie biegnie wolniej, więc wyniesie on :

= 8 [1 – (0,9c)2/c2)]1/2 = 8 x 0,19 ≈ 1,5 lat

Klaudia po powrocie na Ziemię powinna mieć tylko 1,5 lat więcej, podczas gdy Ania – o 8 lat więcej. W tym rozumowaniu istnieje pewien problem. Klaudia porusza się względem Ziemi
z prędkością 0,9 c. Ruch jednostajny prostoliniowy, jak już wiemy, jest względny. Ziemia
z Klaudią porusza się względem Ani też z prędkością 0,9 c. Obie kobiety powinny więc „zestarzeć się” o tę sama liczbę lat.
Rację ma nasze pierwsze rozumowanie. Klaudia poruszająca się w rakiecie startując i zawracając zmienia prędkość, więc doznaje przyspieszeń. W układzie przyspieszającym (nieinercjalnym) pojawiają się bezźródłowe siły pozorne. W przypadku Ani będzie to siła bezwładności. Jest to siła, która przy hamowaniu „pcha nas do przodu”, a przy dodawaniu prędkości – wciska nas
w fotel.
Rozpatrzmy siły w układzie K‘ poruszającym się względem K ruchem jednostajnym przyspieszonym (klasycznie).

F = m d2x/dt2 = m d2(x’ + ½ at2)/dt2 = F’ + mabezwł

Widzimy więc, że w obydwu układach odniesienia siły nie są równe. W układzie przyspieszającym jest siła bezwładności i to ona pozwala odróżnić ruch od spoczynku
(w spoczynku tej siły nie będzie). Tak więc ruch przyspieszony jest bezwzględny, absolutny bo obserwując wtedy zjawiska wewnątrz układu odniesienia możemy stwierdzić, czy jesteśmy
w ruchu. Weźmy obrazowy przykład szklanki z wodą w przedziale kolejowym. Gdy pociąg stoi na stacji lub porusza się prostoliniowo ze stałą prędkością, z wodą w szklance nic się nie dzieje (ŕprzypomnijmy sobie zasadę względności Galileusza). Więc obserwując wtedy szklankę
z wodą umieszczoną wewnątrz przedziału nie jesteśmy w stanie stwierdzić czy poruszamy się ze stałą prędkością po linii prostej, czy spoczywamy. Stany : ruch i bezruch pozostaną całkowicie nierozróżnialne. Gdy pociąg przyspiesza lub hamuje (czyli ma przyspieszenie ujemne), wtedy tafla wody w szklance przechyla się wskutek działania siły bezwładności. A więc obserwując to zjawisko możemy stwierdzić bez żadnych wątpliwości i wyglądania poza przedział, że się poruszamy (ruchem przyspieszonym).
Podsumowując nasze rozważania, to Klaudia przyspieszająca i hamująca w swoim statku kosmicznym, porusza się naprawdę i to ona po powrocie na Ziemię będzie młodsza.

4) Względność równoczesności
Ustawmy 2 lampki w przeciwnych końcach wagonu kolejowego. Uruchomione zostają przez jeden przycisk, a kable prowadzące do nich są tej samej długości. Obserwator w środku wagonu zobaczy obydwa błyski jako równoczesne, bo sygnały świetlne pędzące z prędkością c będą miały do pokonania tę sam dystans (1/2 dł. wagonu). Obserwator przy nasypie zobaczy rozbłyski nierównocześnie. Jeden sygnał będzie musiał pokonać dystans : odległość od wagonu + długość wagonu, a drugi – tylko odległość od wagonu. Równoczesność jest więc pojęciem względnym
i zależy od obserwatora. Gdyby prędkość c była nieskończona każdy dystans pokonywany byłby w czasie 0 i wszystkie zdarzenia we Wszechświecie byłyby bezwzględnie równoczesne, czyli równoczesność nie byłaby wtedy względna.

5) Relatywistyczne składanie prędkości
Załóżmy że układ K’ porusza się względem K z prędkością v, a coś w układzie K’ porusza się względem niego z prędkością r (np. piłeczka rzucona poziomo w przedziale). Z jaką prędkością
u porusza się ta piłeczka względem obserwatora przy drzewie przy nasypie (układ K) ?
Wykorzystajmy transformację Lorentza i podzielmy x przez t :

u = x/t =

Teraz cały ułamek (licznik i mianownik) z prawej strony podzielmy przez t’.

u =

Wyraz x’/ t’ to jest po prostu nasze r – prędkość piłki w układzie K’. A więc :

Widzimy więc, że przy relatywistycznym składaniu prędkości u nie jest zwykłą sumą prędkości pociągu i prędkości piłki w pociągu. Jest ona dzielona przez
[1 + (vr/ c2)]. Gdy v i r są małe, dużo mniejsze od c, (vr/ c2) jest bliskie 0 i wtedy mamy klasyczne składanie prędkości : u = r +v. Wszystko się zgadza, bo świat małych prędkości (i też dużych mas) to świat klasyczny.
Gdy r = c i v = c, u = 2c/2 = c. Widzimy więc, że bariera c w czarodziejski sposób nie może zostać przekroczona. Z powodu czynnika skracającego [1 + (vr/ c2)] prędkość względna 2 poruszających się naprzeciw siebie fotonów nie wynosi 2c, tylko c.

6) Relatywistyczna masa
Einstein podał też wzór pokazujący, że masa nie jest niezmienna, lecz jej wartość (m) zwiększa się dla obserwatora, względem którego się ona porusza.

gdzie m0 to masa w układzie, względem którego ona spoczywa, tzw. masa spoczynkowa.
Wyraz powyższy można rozwinąć w szereg potęgowy :

m = m0 / [1 – (v2/c2)]1/2 = m0 (1 + ½ v2/c2 + 3/8 v4/c4 +….)

A więc : mc2 ≈ m0c2 + ½ m0v2 (energia kinetyczna)

E = mc2 gdzie E – energia całkowita

Wzór ten pokazuje równoważność masy i energii. W teorii względności ciało poruszające się ma nie tylko energię kinetyczną, ale także energię związaną z masą spoczynkową. To właśnie 10 g tej masy pochodzącej z jąder uranu zostało zamienione na energię podczas wybuchu bomby atomowej w Hiroszimie. Ten ubytek masy spoczynkowej produktów względem substratów nazywamy defektem masy.
Relatywistyczny pęd ma zatem wartość : m0 v / [1 – (v2/c2)]1/2 . Im większą ciało ma prędkość, tym większa jest jego masa. Jak już wiemy, masa jest miarą bezwładności, a więc tym trudniej dalej zwiększać prędkość ciała. Przy granicznej prędkości c masa jest nieskończona, a więc potrzeba byłoby nieskończonej energii by ją ciału nadać. Ciała materialne nie mogą więc osiągnąć prędkości c, choć możliwe jest zbliżanie się do nie na dowolną odległość. Prędkości
c nie możnaby też przekroczyć, bo teoretyczne ciało o nieskończonej masie miałoby nieskończoną bezwładność, a więc nie byłoby możliwe dalsze zwiększanie jego prędkości.

7) Relatywistyczna II zasada dynamiki
Jak pamiętamy z rozdziału o Izaaku Newtonie II zasada dynamiki Newtona obowiązuje przy prędkościach dużo mniejszych od c. Jest więc klasyczna i nie jest relatywistyczna. Aby otrzymać relatywistyczną II zasadę dynamiki, musimy do ogólnego wzoru na siłę : F = dp/dt podstawić relatywistyczny wzór na pęd, który już znamy :

A więc,

F = d(m0 v / [1 – (v2/c2)]1/2)/dt

W tym przypadku musimy brać pochodną nie tylko prędkości, ale także masy (bo zmienia się ona z prędkością), więc zastosujemy tu wzór na pochodną iloczynu : f ’(uy) = f ’(u)y + f ’(y)u :

F = v d(m0/ [1 – (v2/c2)]1/2)/dt + m0 v / [1 – (v2/c2)]1/2 (dv/dt)

Po odpowiednich przekształceniach otrzymujemy wzór relatywistycznej II zasady dynamiki :

Jak widać także z tego wzoru, gdy prędkość v = c, siła ma wartość nieskończoną, czyli aby jeszcze nadać przyspieszenie ciału poruszającemu się z prędkością światła trzeba nieskończonej siły. Znaczy to po prostu tyle, że bariera światła jest nieprzekraczalna.

8) Interwał czasoprzestrzenny
W teorii względności czas i przestrzeń są ze sobą powiązane. Widać to wyraźnie przy przekształceniach Lorentza. Mimo, że w zależności od układu odniesienia mierzone przedziały czasowe i odległości zmieniają się, istnieje pewien niezmiennik. Nosi on nazwę interwału czasoprzestrzennego i jego cecha charakterystyczna nazywa się niezmienniczością interwału. Ma on postać :

Δs2 =(Δx2 + Δy2 + Δz2 – cΔt2)

Pierwiastek interwału jest miarą odległości w czasoprzestrzeni. Dla światła wynosi on 0.

PODSTAWĄ SZCZEGÓLNEJ TEORII WZGLĘDNOŚCI SĄ DWA ZAŁOŻENIA :
· PRĘDKOŚĆ ŚWIATŁA JEST W KAŻDYM UKŁADZIE INERCJALNYM TAKA SAMA I WYNOSI C.
· PRĘDKOŚĆ ŚWIATŁA JEST PRĘDKOŚCIĄ MAKSYMALNĄ

OGÓLNA TEORIA WZGLĘDNOŚCI
Została ona sformułowana pod koniec 1915 roku. Poszerza ona szczególną teorię względności
o nieinercjalne układy odniesienia (czyli zmieniające swą prędkość) i zjawiska grawitacyjne. Bardzo istotnym punktem wyjścia była genialna myśl Einsteina utożsamiająca obserwatora podlegającego przyspieszeniu bez wpływu grawitacji z obserwatorem nieprzyspieszającym znajdującym się w polu grawitacyjnym. Ściślej mówiąc, stwierdził on, że lokalnie nie da się odróżnić czy na masę m działa siła mg w polu grawitacyjnym, czy układ z masą m porusza się do góry z przyspieszeniem –g. Jest to tzw. zasada równoważności. Na przykład gdy winda przyspiesza do góry powstająca siła „wciska” nas w podłogę. Gdybyśmy upuścili masę
w windzie spadającej z przyspieszeniem g, cały czas widzielibyśmy ją przed oczami. Nie spadłaby ona na podłogę. Pole grawitacyjne lokalnie zostałoby wygaszone.
Z zasadą równoważności powiązana jest także równość masy bezwładnej i masy grawitacyjnej. Masa bezwładna jest miarą reakcji ciała na siłę zmieniającą jej prędkość. Występuje ona we wzorze : F = mba. Masa grawitacyjna bierze udział w generowaniu siły grawitacyjnej między dwoma ciałami : F = G Mg mg / r2. Jak już pisaliśmy w rozdziale
o Galileuszu ciała spadają na Ziemię z tym samym przyspieszeniem. Przyspieszenie to nadaje siła grawitacyjna, więc możemy powiązać obydwa wzory :

a = F / mb = G Mg mg / mb r2

Przyspieszenie to nie zależy od masy ciała (fakt doświadczalny) wtedy, gdy mg = mb i ułamek skraca się. A więc trzeba przyjąć, że mg = mb.
W przypadku windy siły grawitacyjna i bezwładności mgg i mbg są nierozróżnialne, właśnie dlatego, że mg = mb.

Gdybyśmy wypuścili promień światła poziomo w windzie poruszającej się do góry, jego tor zakrzywiałby się w kierunku podłogi, bo zbliżałaby się ona do źródła światła.
Już w XIX wieku Georg Riemann postulował, że zakrzywienie czasoprzestrzeni jest źródłem sił. Einstein stwierdził, zgodnie z zasadą równoważności, że tor światła w windzie w polu grawitacyjnym też uległby zakrzywieniu. Na światło działałaby więc siła grawitacyjna. Stało się jasne, że obecność materii-energii powoduje zakrzywienie czasoprzestrzeni i dzięki niemu wpływa ona na ruch innych ciał. Do stworzenia ogólnej teorii względności – nowej teorii grawitacji doskonale nadawała się geometria zakrzywionych czasoprzestrzeni odkryta w 1845 roku przez G. Riemanna.
Sformułowane przez Einsteina równanie pola grawitacyjnego jest równaniem tensorowym. Tensor to wektor wyższego rzędu. W trójwymiarowej przestrzeni najprostszy tensor (nie skalar, nie wektor) ma 32 = 9 składowych. Równanie to ma postać :

Rik – ½ Rgik = (- 8pG/c2) Tik

Po lewej stronie równania znajdują się tensory Rik i gik związane z geometrią czasoprzestrzeni, po prawej – tensor energii-pędu Tik. Symbol G oznacza newtonowską stałą grawitacyjną. Ogólna teoria względności (OTW) była nową, znakomitą teorią i jak na nową teorię przystało, powinna była wchłonąć starą (prawo powszechnego ciążenia Newtona), tzn. wyjaśnić wszystko to, co potrafiła wyjaśnić teoria stara, wyjaśnić fakty, z którymi ona sobie nie radziła i najlepiej przewidywać nowe zjawiska. OTW zdecydowanie spełniła te kryteria. Wchłonęła teorię newtonowską, wyjaśniła problematyczne do tej pory zjawiska związane z orbitą Merkurego
i przewidziała wyraźne zakrzywienie promieni świetlnych przebiegających w pobliżu dużych mas, co zostało potwierdzone eksperymentalnie podczas zaćmienia Słońca w 1919 roku. OTW przewiduje również istnienie czarnych dziur, choć już przed jej sformułowaniem, w 1784 r. niejaki John Michell postulował, że obiekty o dużych masach i gęstościach powinny więzić
w swym polu grawitacyjnym nawet światło. Jak do tej pory odkryto kilkanaście czarnych dziur.
Z OTW wynika także, że Wszechświat nie może być statyczny. Może albo rozszerzać się albo kurczyć. Einstein był tak przywiązany do idei statycznego Wszechświata, że dodał do powyższego równania pola antygrawitacyjną, równoważącą stałą kosmologiczną. Gdy Hubble
w 1929 roku odkrył, że Wszechświat się rozszerza Einstein nazwał stałą kosmologiczną największą pomyłką swego życia.
Kolejnym przewidywaniem OTW była zależność upływu czasu od pola grawitacyjnego. Im bardziej oddalony od źródła pola jest zegar tym szybciej chodzi. To teoretyczne zjawisko przeszło również pomyślny test eksperymentalny, który był zgodny z teorią z niesamowitą dokładnością 7 na 100 000.
Einstein do końca życia pracował intensywnie nad sformułowaniem jednolitej teorii pola, która miała zjednoczyć wszystkie oddziaływania występujące w przyrodzie. Niestety odrzucił on mechanikę kwantową, która stanowi bardzo mocne narządzie we współczesnych teoriach. Poza tym zaczął formułować swą teorię próbując najpierw zjednoczyć elektromagnetyzm z grawitacją. Dzisiaj wiemy, że elektromagnetyzm jest najbliżej spokrewniony z oddziaływaniem słabym. Wszystko to w połączeniu z brakiem wielu danych (Einstein zmarł w latach 50-tych XX wieku) sprawiło, że wysiłki tego największego fizyka nie przyniosły rezultatu.

Posted in Referaty | Leave a comment

Fale elektromagnetyczne

własności i zastosowania poszczególnych rodzajów fal

Każdy rodzaj fal ma swoją specyfikę, mimo cech wspólnych charakteryzujących wszystkie fale. Specyficzną cechą fal elektromagnetycznych, w odróżnieniu od fal sprężystych, jest to, że rozchodzą się w próżni (nie potrzebują ośrodka). Ponadto obejmują bardzo szeroki zakres częstości i długości fal. Fale elektromagnetyczne różniące się znacznie częstością i długością mają różne własności. Dlatego z falami elektromagnetycznymi związana jest duża różnorodność zjawisk fizycznych wykorzystywanych w różnych obszarach działalności człowieka. Najdłuższe fale (o najmniejszej częstości) służą do przesyłania audycji radiowych na duże odległości, krótsze fale są wykorzystywane w komunikacji telewizyjnej i satelitarnej. Wąski zakres stosunkowo krótkich fal elektromagnetycznych wykorzystują nasze oczy i dzięki temu możemy widzieć. Specyfika tych fal jest ujęta w oddzielnym dziale fizyki – optyce. Współczesna technika laserowa wykorzystuje fale z okolic tego zakresu. Jeszcze krótsze fale – promienie Rentgena wykorzystujemy w wielu dziedzinach, a przede wszystkim w medycynie. Najkrótsze fale – promieniowanie gamma charakteryzują się m. in. niezwykłą przenikliwością. W obszarze tych niezwykle krótkich fal ujawnia się wyraźnie nowa cecha: dualizm falowo-korpuskulamy, trudne do pojęcia zjawisko charakterystyczne dla mikromaterii .

Promieniowanie gamma
Promieniowanie gamma to wysokoenergetyczna forma promieniowania elektromagnetycznego o długości fali poniżej 10 pm. Fale elektromagnetyczne większej długości fali to promieniowania X. Zgodnie z teorią fotonową można obliczyć, że foton promieniowania gamma ma energię większą niż 100 keV. Promieniowanie gamma jest zaliczane do promieniowania jonizującego razem z promieniowaniem alfa oraz promieniowaniem beta. Nazwa promieniowania gamma pochodzi od greckiej litery γ. Rozróżnienie promieniowania gamma oraz promieniowania X opiera się na ich źródłach a nie na długości fali.

Źródła promieniowania gamma:
·Reakcja rozpadu – jądra atomowe izotopów promieniotwórczych ulegają rozpadowi, co powoduje emisję fotonu gamma.
·Reakcja syntezy – dwa jądra atomowe zderzają się tworząc nowe jądro i emitując foton gamma.
·Anihilacja – zderzenie cząstki i antycząstki, np elektronu i pozytronu powoduje anihilację obu tych cząstek i emisję dwóch fotonów gamma.

Promienie gamma w wojnie atomowej
Ogromna skuteczność ataku atomowego nie wynika tylko ze zniszczeń. Wybuch powoduje emisję promieniowania gamma, które jest bardzo przenikliwe. Aby zredukować natężenie promieniowania o połowę potrzeba warstwy ołowiu o grubości 1 cm albo warstwy betonu o grubości 6 cm. Ściany domów ani normalne budynki nie dają ochrony przed napromieniowaniem, co powoduje, że wszystkie osoby przebywające blisko punktu eksplozji umrą na chorobę popromienną. Grzyb atomowy zawiera ogromne ilości radioaktywnych pyłów. Powstaje opad radioaktywny, który wprowadza promieniotwórcze substancje do wody i żywności. Promieniowanie gamma przenika z tych produktów do wnętrza ciał ludzi i powoduje wzrost dawki promieniowania. Dzięki temu miejsce eksplozji jest skażone i przez długi czas nie nadaje się do życia.

Zastosowania:
Promienie gamma mogą służyć do sterylizacji wyposażenia medycznego, jak również produktów spożywczych. W medycynie używa się ich w radioterapii do leczenia raka.

Ultrafiolet
Ultrafiolet (UV) to promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali krótszej niż światło widzialne i dłuższej niż promieniowanie X. Oznacza to zakres długości od 10 nm do 380 nm. Słowo “ultrafiolet” oznacza “powyżej fioletu” i utworzone jest z łacińskiego słowa “ultra” (ponad) i słowa “fiolet” oznaczającego barwę o najmniejszej długości fali w świetle widzialnym.

Zakresy promieniowania ultrafioletowego
Wyróżnia się dwa schematy podziału promieniowania ultrafioletowego na zakresy:
·techniczny
odaleki ultrafiolet – długość 10-200 nm
obliski ultrafiolet – długość 200-380 nm
·ze względu na działanie na człowieka
oUV-C – długość 10-280nm
oUV-B – długość 280-315nm
oUV-A – długość 315-380nm

Słońce i atmosfera Ziemi
Słońce emituje ultrafiolet w zakresie UV-A oraz UV-B, ale ziemska atmosfera pochłania część tego promieniowania w warstwie ozonowej. W efekcie 99% ultrafioletu, który dociera do powierzchni, to UV-A.

Wpływ na zdrowie
Promieniowanie UV-A jest mniej szkodliwe, ale powoduje oparzenia słoneczne po zbyt długim opalaniu. Silne dawki UV-B są niebezpieczne dla oka i mogą powodować zaćmę. Promieniowanie UV-B i UV-C uszkadza włókna kolagenowe w skórze, co przyspiesza starzenie się. Długie wystawienie na działanie UV-B ma związek z czerniakiem. Promieniowanie prowadzi do uszkodzenia łańcuchów DNA. W komórkach dochodzi do szeregu mutacji. Jeżeli człowiek posiada odpowiednie dziedziczne predyspozycje, może to spowodować powstanie zmiany rakowej.

Astronomia
Astronomia przez długi czas nie mogła być rozwijana w oparciu o obserwacje w ultrafiolecie. Atmosfera Ziemi zbyt silnie pochłania to promieniowanie. Dopiero wyniesienie ponad nią teleskopu Hubble’a pozwoliło na obserwację ciał niebieskich wysyłających ultrafiolet.
Zastosowania:
Lampa jarzeniowa produkuje ultrafiolet z użyciem rozprężonych par rtęci, przez które płynie stały prąd elektryczny. Luminofor pochłania to promieniowanie i emituje światło białe. Lampa kwarcowa emituje promieniowanie ultrafioletowe, które wykorzystuje się w solarium do sztucznego opalania. Ultrafiolet powoduje świecenie – fluorescencję wielu substancji chemicznych. Można go wykorzystać do analizy zabezpieczonych przed podrobieniem banknotów albo w oględzinach miejsca zbrodni. Fluorescencyjne znacznik mogą służyć do oznaczania badanych substancji organicznych, dzięki czemu można łatwo obserwować ich przemiany w organizmach żywych. Ultrafiolet ma własność bakteriobójcze. Promieniowanie ultrafioletowe pozwala na wykonanie w technice fotolitografii elementów półprzewodnikowych. Można uzyskać rozdzielczości wzorów rzędu 90 nm (procesor Intel Pentium IV.) Niektóre owady, np. pszczoły widzą promieniowanie ultrafioletowe. Wiele kwiatów ma specjalne barwniki, które reagują na ultrafiolet.

Promieniowanie X
Promieniowanie X to rodzaj promieniowania elektromagnetycznego, którego długość fali mieści się w zakresie od 5 pm do 10 nm. Promieniowanie X znajduje się pomiędzy ultrafioletem i promieniowaniem gamma.
Zakresy promieniowania X:
·twarde promieniowanie X – długość od 5 pm do 100 pm
·miękkie promieniowanie X – długość od 0,1 nm do 10 nm

Źródła promieniowania
Promieniowanie X jest wytwarzane przez rozpędzone elektrony, które uderzają w elektrody w lampie rentgenowskiej.

Promieniowanie i medycyna
Promieniowanie X jest wykorzystywane do uzyskiwania zdjęć rentgenowskich, które pozwalają na diagnostykę złamań kości. Naświetlanie promieniami X zabija komórki nowotworowe, co wykorzystuje się w radioterapii. Jednak przyjęcie dużej dawki promieniowania X może powodować oparzenia i chorobę popromienną.

Podczerwień
Podczerwień (IR) to promieniowanie elektromagnetyczne mieszczące się w zakresie długości fal pomiędzy światłem widzialnym i mikrofalami. Oznacza to zakres od 700nm do 1 mm.
Podczerwień często dzieli się na bliską (NIR, 0,7-5µm), średnią (MIR 5-30µm) oraz daleką (FIR 30 – 1000 µm), ale są to tylko umowne granice. Podczerwień często wiąże się z ciepłem, co wynika z faktu, że obiekty w temperaturze pokojowej samoistnie emitują promieniowanie o takiej długości.

Zastosowania:
Są dwa sposoby wykorzystania podczerwieni. Można zbudować bierny detektor, który odbiera to promieniowanie i na jego podstawie zbiera informacje o temperaturze emitujących je przedmiotów. Zasada ta umożliwia zbudowanie noktowizora, który pozwala widzieć w ciemności obiekty cieplejsze od otoczenia. Inne zastosowanie to pirometr służący do zdalnego pomiaru temperatury.
Druga metoda wykorzystania podczerwieni polega na sztucznej emisji tego promieniowania i obserwacji zwróconego z detektora sygnału. Najpopularniejszym źródłem podczerwieni jest fotodiodaLED, ale czasami wykorzystuje się też półprzewodnikowe lasery podczerwone. Oto kilka przykładów zastosowania:
·odczyt płyt CD laserem o długościach 650 – 790nm,
·pomiar odległości – dalmierz podczerwony w zakresie 0,25 -1,5 m
·przekaz danych w światłowodzie – prędkości powyżej 1 Gb/s
·przekaz danych w powietrzu, zdalne sterowanie z pilota
komunikacja w standardzie IrDA

Światło widzialne
Światłem widzialnym nazywamy tę część promieniowania elektromagnetycznego, która jest odbierana przez siatkówkę oka ludzkiego. Zawiera się ona w przybliżeniu w zakresie długości fal 380-780 nm.
Światło widzialne wraz z sąsiednimi zakresami, czyli ultrafioletem (o długościach mniejszych od światła widzialnego), oraz podczerwienią (o długościach większych) zalicza się z fizycznego punktu widzenia do światła.

Czułość widmowa oka.Współczynnik K podaje jak odbieramy fale o poszczególnych długościach w stosunku do wartości maksymalnej. Linią przerywaną zaznaczono czułość pręcików, a ciągłą wypadkową czułość czopków

Fale radiowe
Fale radiowe (promieniowanie radiowe) – promieniowanie elektromagnetyczne o częstotliwości 3 kHz – 3 THz (3*103 – 3*1012 Hz). Zakres częstotliwości często jest podawany znacznie szerszy. Zależnie od długości dzielą się na pasma radiowe.
Żródłami naturalnymi są wyładowania atmosferyczne, gwiazdy, a sztucznymi nadajniki, silniki komutatorowe, komputery.

Długość fali[m]Częstotliwość [MHz]Uwagi dotyczące propagacji fali na ZiemiZastosowanie
100000 – 10 0000.003 – 0.03słabo tłumiona fala powierzchniowa i fale jonosferyczneradionawigacja, radiotelegrafia dalekosiężna
10 000 – 1 0000.03 – 0.3fala powierzchniowa tłumiona, fala jonosferycznaradiotelegrafia, radiolatarnie, radiofonia
1000 – 750.3 – 4zależność od pory dnia: w dzień fala powierzchniowa, w nocy fala jonosferyczna, zjawiska zaniku selektywnego, interferencjiradiofonia, radiokomunikacja lotnicza i morska
75 – 104 – 30dominuje fala jonosferyczna, wielokrotnie odbitaradiofonia i radiokomunikacja
10-0.330 – 1000fala nadziemna, głównie w obszarze widoczności nadajnikatelewizja, radiofonia, radiokomunikacja, łączność kosmiczna
0.3 – 0.00011 000 -3 000 000fala troposferycznaradiolokacja, łączność kosmiczna

Mikrofale
Mikrofale to rodzaj promieniowania elektromagnetycznego o długości fali pomiędzy podczerwienią i falami radiowymi, co oznacza zakres 1mm-30cm (częstotliwość 1-300 GHz). Mikrofale odkrył James Clerk Maxwell w 1864 roku.

Zastosowania:
·kuchenka mikrofalowa używa magnetronu do wytwarzania fal o częstotliwości ok 2,4 GHz, co pozwala na gotowanie jedzenia; taki rodzaj promieniowania działa na cząsteczki wody, które zaczynają drgać wytwarzając przez to ciepło.
·maser to urządzenie podobne do lasera, tyle że działa w zakresie mikrofalowym
·mikrofale pozwalają na transmisję danych do satelitów, bo nie są pochłaniane przez atmosferę
·radar
·telefony komórkowe standardu GSM pracują w częstotliwościach 870-960 MHz oraz 1710-1880 MHz
·system globalnego pozycjonowania (GPS) wykorzystuje fale o częstotliwości 1575 MHz
·bezprzewodowe sieci komputerowe (WLAN) albo bluetooth użwaja mikrofal w zakresie 2,4 GHz
·transmisja danych w telewizji kablowej albo poprzez
internetowe modemy kablowe (DSL) odbywa się w tym samym zakresie, tyle że medium jest kabel, a nie powietrze

Większość zastosowań opiera się na zakresie fal od 1 do 40 GHz

Posted in Referaty | Leave a comment

Energia jako wielkość fizyczna

CZY ENERGIA JEST NAM POTRZEBNA ?
Rozwój społeczny i gospodarczy każdego państwa wiąże się ze zwiększonym zapotrzebowaniem na energię. Stąd światowa produkcja surowców energetycznych od czasu pierwszej rewolucji przemysłowej systematycznie wzrasta.
Energia zawsze była i będzie potrzebna ludziom w ich życiu. Jej wykorzystywanie może być różne, ale przede wszystkim potrzebujemy jej do produkcji energii elektrycznej, w transporcie, ogrzewaniu domostw i oświetlaniu.
Źródła energii pierwotnej to: nieodnawialne (organiczne): paliwa kopalne (węgiel, ropa, gaz ), paliwo jądrowe, energia geotermiczna i odnawialne źródła energii. Do odnawialnych źródeł energii zalicza się energię słoneczna, wodną, wiatrową, pływów i fal morskich, a także energie biomasy. Najcenniejsza formą energii końcowej jest energia elektryczna, która sprawnie i bez zanieczyszczenia środowisko przetwarza się w energię użytkową.
Perspektywy wyczerpania się paliw kopalnych oraz obawy zanieczyszczenia środowiska naturalnego znacznie zwiększyły zainteresowanie odnawialnymi źródłami energii. Wykorzystanie prawie wszystkich alternatywnych źródeł energii elektrycznej jest związane z minimalnym, bądź nawet żadnym wpływem na środowisko. Z tego względu stanowią bardzo atrakcyjną alternatywę w stosunku do konwencjonalnych źródeł. Istnieją jednak różne ograniczenia w ich stosowaniu, najważniejsze jednak to ograniczenia natury:
 technologicznej – ze względu na postać ich występowania i możliwości praktycznego wykorzystania.
 ekonomicznej – związane z dużymi kosztami ich stosowania
Alternatywne źródła energii
Energia była, jest i będzie potrzebna ludziom w ich życiu. Jej postać, forma czy wykorzystanie może być różne, ale przede wszystkim potrzebujemy jej przy produkcji przemysłowej, transporcie, ogrzewaniu czy oświetleniu. Początkowo tej energii dostarczało nam środowisko w postaci zasobów naturalnych nieprzetworzonych opału i paliw np. drewna, węgla, ropy naftowej czy gazu. Również dawniej przetwarzano energię w wiatrakach czy młynach wodnych. Jednak ciągły wzrost zapotrzebowania na energię i to w różnych postaciach, kurczenie się zasobów kopalnianych, względy ekologiczne i ekonomiczne stawiają przed ludźmi nowe zadania i wyzwania w tej dziedzinie. Rozwój techniki w drugiej połowie XIX wieku i powstanie ogromnej ilości urządzeń elektrycznych. wymusił rozwój elektrowni, których zadaniem jest dostarczać prąd elektryczny do poszczególnych odbiorców. Elektrownie mogą pobierać energię potrzebną do wytworzenia prądu z różnych źródeł. Mogą być to elektrownie cieplne, jądrowe, wiatrowe, słoneczne, geotermalne.
Większość tej energii dostarczają surowce energetyczne konwekcjonalne.
Wykorzystanie paliw kopalnianych do produkcji energii elektrycznej niesie za sobą wiele zanieczyszczeń i niebezpieczeństw dla człowieka i jego środowiska. Dlatego człowiek powinien wykorzystać w pełni inne, przyjazne dla środowiska naturalnego źródła energii.
Ekologiczne źródła energii mogą w przyszłości pokryć zapotrzebowanie ludzi na energię. Obecnie zdecydowanie za mały jest ich udział w produkcji energii elektrycznej.
Energia to podstawowa wielkość fizyczna, opisująca zdolność danego ciała materialnego do wykonania określonej pracy.
ENERGIA MECHANICZNA,
energia związana z ruchem układu mech. jako całości lub poszczególnych jego części względem siebie; Em=Ek+Ep
ENERGIA KINETYCZNA
Kinetyczna- część energii układu mech. (np. ciała sztywnego) zależna od prędkości jego punktów.
Ek=mv2
ENERGIA ELEKTRYCZNA,
Elektryczna- energia układu ładunków elektrycznych nieruchomych (energia elektrostatyczna) lub ruchomych (energia elektrodynamiczna); może być zamieniana w ciepło (np. w grzejnikach), energię mechaniczną (w silniku elektrycznym) itp.
E=UIt
ENERGIA SPRĘŻYSTA
Sprężysta- mech. Energia potencjalna sprężystego odkształcenia ciała; zależy od naprężeń w ciele i jego właściwości mech.; przy znikaniu odkształcenia zostaje zwrócona (np. w sprężynie).
ENERGIA WIĄZANIA,
Energia potrzebna do rozdzielenia związanego układu fizycznego (np. cząsteczki) na części składowe i oddalenie ich od siebie tak, aby nie oddziaływały ze sobą; jednocześnie energia, która wydziela się przy łączeniu (wiązaniu) się oddzielnych składników w jedną całość (np. e. w. Nukleonów w jądro atomów).
ENERGIA SWOBODNA
(funkcja Helmholtza, F ), jedna z funkcji stanu termodynamicznego; F = U — TS ( U — energia wewn. układu, S — jego entropia, T — temp. bezwzględna); w izotermicznych procesach odwracalnych równa pracy wykonanej nad układem.
ENERGIA POTENCJALNA,
część energii mech. układu fiz. zależna od wzajemnego rozmieszczenia części układu (np. energia sprężysta) i ich położenia w zewn. polu sił (np. polu grawitacyjnym, polu elektr.).
Ep= mgh
ENERGIA JONIZACJI,
energia potrzebna do oderwania elektronu od obojętnego atomu lub cząst. i wytworzenia jonu; wartość energii j. zależy od rodzaju atomu (cząst.) i stanu elektronu w atomie; energie potrzebne do oderwania kolejnych elektronów z otrzymanego jonu zwą się odpowiednio drugą, trzecią, …, e.j.; wyrażana zwykle w elektronowoltach (eV).
ENERGIA WEWNĘTRZNA
Wewnętrzna- funkcja stanu układu termodynamicznego, jeden potencjałów termodynamicznych; jest równa sumie średniej energii ruchu (postępowego, obrotowego lub drgającego) i średniej energii wzajemnego oddziaływania mikrocząsteczek (cząsteczek, atomów elektronów) układu fizycznego. Ew=W+Q

ENERGIA SŁONECZNA
Głównym źródłem energii s. są reakcje termojądrowe zachodzące w jądrze Słońca, polegające na przemianie jąder wodoru w jądra helu.
Energia ta jest najbezpieczniejsza ze wszystkich źródeł uzyskiwania energii. Jest ogromna, ale bardzo rozproszona. By wytworzyć z niej energię elektryczna buduje się elektrownie i ogniwa fotowoloiczne. Baterie słoneczne, czyli urządzenia elektroniczne też produkują energię elektryczną. Wykorzystują one zjawisko fotowoloiczne do przemiany światła na prąd elektryczny.
ENERGIA WIATROWA
Wiejący wiatr to masy powietrza atmosferycznego poruszające się nad powierzchnią ziemi z pewna prędkością. Masa i prędkość to energia. Energię wiatru można okiełzać i wykorzystać przy pomocy turbin wiatrowych. Turbiny wiatrowe produkują energię w sposób ekologicznie bezpieczny.
Energetyka wiatrowa staje się coraz powszechniejsza na świecie.
Współczesne elektrownie wiatrowe nie służą już do wytwarzania energii mechanicznej (np. do poruszania kół młyńskich) lecz do “produkcji” energii elektrycznej. Podstawową rolę w tych elektrowniach pełnią najrozmaitszych kształtów gigantyczne wiatraki z łopatkami o szerokości dochodzącej 100m. Wiatraki te napędzają generatory prądu, kierując w ten sposób powstały prąd bezpośrednio do sieci lub akumulują go w akumulatorach na okres, gdy siła wiatru bardzo słabnie.
ENERGIA WODNA
Energetyka wodna zajmuje się pozyskiwaniem energii wód i jej przetwarzaniem na energię mechaniczną i elektryczną przy użyciu silników wodnych i hydrogeneratorów w siłowniach wodnych oraz elektrowniach wodnych , a także innych urządzeń. Energetyka wodna opiera się przede wszystkim na wykorzystaniu energii wód śródlądowych o dużym natężeniu przepływu i dużym spadzie – mierzonym różnicą poziomów wody górnej i dolnej z uwzględnieniem strat przepływu . Wykorzystanie w elektrowniach energii wód śródlądowych oraz pływów wód morskich polega na zredukowaniu w granicach pewnego obszaru naturalnych strat energii wody i uzyskaniu jej spiętrzenia względem poziomu odpływu. Duże znaczenie mają elektrownie wodne szczytowo-pompowe, pozwalające na użycie wody jako magazynu energii. Rozwój hydroenergetyki jest uzależniony od zasobów energii wód, tak zwanych zasobów hydroenergetycznych. Za rozwojem hydroenergetyki przemawia fakt , że koszt energii elektrycznej produkowanej w elektrowni wodnej jest niższy niż energii elektrycznej produkowanej w elektrowni cieplnej.
ENERGIA GEOTERMALNA
Energia geotermalna – energia wnętrza Ziemi – czyli naturalne ciepło wnętrza naszej planety zgromadzone w skalach i wypełniających je wodach.
Jednakże ten sposób pozyskiwania energii nie jest tak ekologiczny jak energia wiatru czy słońca. Eksploatacja energii geotermalnej powoduje poważne problemy ekologiczne, z których najważniejszy polega na kłopotach wiązanych z emisją szkodliwych gazów uwalniających się z geopłynu, oraz zagrożenie dla zdrowia powoduje radon, produkt rozpadu radioaktywnego uranu, wydobywający się wraz z parą ze studni geotermalnej.
ENERGIA FAL MORSKICH
Istnieją dwa rozwiązania wykorzystania energii fal morskich napędzających albo turbinę wodną albo powietrzną. W pierwszym rozwiązaniu woda morska pchana kolejnymi falami wpływa zwężającą się sztolnią do położonego na górze zbiornika. Gdy w zbiorniku tym jest wystarczająca ilość wody, wówczas przelewa się ona przez upust i napędza turbinę rurową Kaplana, sprzężona z generatorem. Po przepłynięciu przez turbinę woda wraca do morza. Wykorzystana jest więc przemiana energii kinetycznej fal morskich w energię potencjalną spadu. W drugim rozwiązaniu zbiornik jest zbudowany na platformach na brzegu morza. Fale wlewają się na podstawę platformy i wypychają powietrze do górnej części zbiornika. Sprężone przez fale powietrze wprawia w ruch turbinę Wellsa, która napędza generator.
ENERGIA CIEPLNA OCEANU
Przemiana energii cieplej oceanu to wykorzystanie różnicy temperatury wody na powierzchni i w głębi morza lub oceanu. Jest to możliwe na obszarach równikowych; woda morska ma tam na powierzchni temperaturę ok. 30 0C, a na głębokości 300-500m temperaturę ok. 7C. Wykorzystanie tej różnicy polega na zastosowaniu czynnika roboczego, który paruje w temperaturze wody powierzchniowej i jest skraplany za pomocą wody czerpanej z głębokości 300-500m. Czynnikiem takim jest amoniak, freon lub propan. Cała instalacja wraz z generatorem znajduje się na platformie pływającej.
ENERGIA GEOTERMICZNA
Wnętrze Ziemi jest bardzo gorące. Co 100 m w głąb Ziemi temperatura wzrasta o 3C . W niektórych miejscach na Ziemi wrząca woda lub para wodna wytryskuje na powierzchnię jako gejzery. Są to źródła geotermiczne.
Chcąc wykorzystać to źródło energii wykonuje się dwa odwierty w głąb Ziemi, w gorącą warstwę skalną. W jeden odwiert pompuje się pod ciśnieniem zimną wodę, która się rozgrzewa, zamienia w gorącą parę i drugim odwiertem dociera na powierzchnię, gdzie jak w każdej innej elektrowni, napędza turbiny wytwarzające prąd.
BIOGAZ
Bardzo korzystna dla środowiska naturalnego jest energia uzyskiwana z odnawialnych (bo odrastających) surowców pochodzenia roślinnego, tzw. bioenergia.
Pochodzi ona głównie z roślin i odchodów zwierzęcych, przez wytwarzanie tzw. biogazu, głównie metanu. Gaz ten powstaje podczas rozkładu substancji organicznych (roślinnych i zwierzęcych), gdy proces ten przebiega bez dostępu
powietrza.
BIOMASA
Biomasę określa się jako masę materii organicznej, zawartą w organizmach zwierzęcych lub roślinnych. Wyrażana jest w jednostkach tzw. świeżej masy (naturalna masa organizmów) oraz suchej masy (masa bezwodna).
Termin biomasa dotyczy całego szeregu odnawialnych technologii energetycznych.

ENERGIA JĄDROWA
Wyzwolenie energii jądrowej polega na rozszczepieniu jądra ciężkiego atomu, złożonego z protonów i neutronów, na dwa jądra pierwiastków lżejszych, wydzielając w skutek ubytku masy energię cieplną i wyzwalając od 0 do 8 neutronów. Wyemitowane neutrony mogą trafić w inne jądra, które ulegają rozszczepieniu. W rezultacie powstaje coraz więcej swobodnych neutronów i coraz więcej jąder ciężkich atomów rozszczepia się, co zwiększa porcję energii.
Elektrownie jądrowe podczas eksploatacji wywierają negatywny wpływ na środowisko poprzez wydzielanie produktów promieniotwórczych do atmosfery, wydzielanie ciepła odpadowego do wody chłodzącej oraz podczas produkcji paliwa jądrowego powstają również odpady radioaktywne.
Elektrownia taka pozwala częściowo zastąpić nieodnawialne źródła energii takie jak węgiel, ropa naftowa czy gaz ziemny. Najczęściej wykorzystuje się w nich ciśnieniowe reaktory wodne.
ROPA NAFTOWA
Powstała ze szczątków organizmów roślinnych i zwierzęcych, które w dawnych okresach geologicznych występowały na Ziemi, w morzach i oceanach. Skład ropy jest zmienny i zależy od miejsca wydobycia.
Jest ona głównym źródłem energii w transporcie. Podczas jej przewozu dochodzi do katastrof, które wyrządzają duże szkody w środowisku naturalny, skażenia wód oraz zanieczyszczenia fauny i flory. Ropa wylana na powierzchnię morza, może wyrządzić ogromne straty w środowisku, konieczna jest wtedy szybka akcja ratownicza.
WĘGIEL BRUNATNY
jeden z węgli kopalnych, zawiera 65–78% pierwiastka węgla. Rozróżnia się kilka odmian węgla brunatnego. Stosowany jest jako tani materiał opałowy gł. w postaci brykietów (z powodu dużej zawartości siarki — 4%, spalanie węgla brunatnego jest szkodliwe dla środowiska); jest cennym surowcem chemicznym przerabianym w procesach wytlewania, zgazowania i uwodorniania węgla.
WĘGIEL KAMIENNY
jeden z węgli kopalnych, zawiera 78–92% pierwiastka węgla (do węgla kamiennego zalicza się też antracyt, zawierający do 97% węgla. Większość węgla kamiennego należy do węgli humusowych. Węgiel kamienny ma niejednorodną budowę, składa się z kilku składników (odmian) petrograf. różniących się połyskiem i twardością występujących w postaci pasemek w różnych proporcjach.
Węgiel kamienny jest ważnym paliwem wykorzystywanym bezpośrednio (spalanie) lub po przeróbce chemicznej do celów energetycznych, a także surowcem dla przemysłu chemicznego.
GAZ ZIEMNY,
mieszanina węglowodorów, oraz (w zmiennych ilościach) azotu, dwutlenku węgla, siarkowodoru, gazów szlachetnych. Występuje gł. w porowatych piaskach, piaskowcach, wapieniach i dolomitach, niekiedy także w szczelinach skał magmowych. Powstaje w wyniku analogicznych procesów jak ropa naft. lub stanowi jeden z produktów uwęglania substancji roślinnej. Gaz ziemny jest cennym surowcem w produkcji sadzy, gazu syntezowego oraz jest stosowany jako paliwo. Wartość opałowa: 35,2 · 106–62,8 · 106 J/m3 (8400–15 000 kcal/m3).

Posted in Referaty | Leave a comment

Historia atomu

460 – 370 p.n.e. Demokryt rozwinal teorie wedlug ktorej wszechswiat sklada sie z pustej przestrzeni i niemal nieskonczonej liczby niewidzialnych czastek, ktore roznia sie miedzy soba ksztaltem, polozeniem i uporzadkowaniem. Wszystko jest zbudowane z niewidzialnych czastek nazwanych atomami.

1805 Dalton. Ułożenie teorii atomistycznej
1. Pierwiastki składają się z niezmiernie małych, niepodzielnych cząstek (atomów), które zachowują swoją indywidualność podczas przemian fizycznych i chemicznych.
2. Wszystkie atomy jednego pierwiastka są jednakowe i mają ten sam ciężar. Od atomów innych pierwiastków różnią się ciężarem i właściwościami.
3. Chemiczne łączenie się pierwiastków jest łączeniem się poszczególnych atomów.

1874 George Stoney stworzyl teorie elektronu i wyznaczyl jego mase.

1898 Joseph Thompson zmierzyl wlasnosci elektronu i stworzyl swoj model “ciasta z rodzynkami” budowy atomu — naladowanej dodatnio kuli z ujemnymi rodzynkami-elektronami wewnatrz niej.

1903 Thomson zaproponował model budowy atomu

1911 Ruthendorf zaproponował jądrowy model atomu

1913 Niels Bohr tworzy kwantowy model atomu.

1919 Ernest Rutherford dostarcza pierwszej wskazowki istnienia protonu.

1921 James Chadwick i E.S. Bieler wnioskuja o istnieniu sil jadrowych, ktore utrzymuja jadro atomowe w calosci.

1925 Wolfgang Pauli formuluje zasade dla elektronow w atomie, znana dzis jako zakaz Paukiego.

1931 Paul Dirac stwierdza, ze dodatnie czastki wynikajace z jego rownania powinny istniec (i nadaje im nazwe “pozytony”). Sa one identyczne z elektronami, ale o dodatnim ladunku. Jest to pierwszy przyklad antyczastki. 1931

James Chadwick odkrywa neutron. Problem wiazania i rozpadu jadra nabiera pierwszorzednej wagi.

1938 E.C.G. Stuckelberg zauwazyl, ze protony i neutrony nie rozpadaja sie na kombinacje elektronow, neutrin, mionow lub ich antyczastek. Trwalosci protonu nie da sie wytlumaczyc prawami zachowania energii i ladunku. Zasugerowal on, ze ciezkie czastki p odlegaja niezaleznemu prawu zachowania.

1941 C. Moller and Abraham Pais wprowadzili pojecie “nukleonu” jako wspolnego okreslenia dla protonu i neutronu

1953 – 57 Rozpraszanie elektronow przez jadra ujawnia jak rozlozony jest ladunek w protonach, a nawet neutronach. Elektromagnetyczna budowa protonow i neutronow wskazuje na ich wewnetrzna strukture, chociaz wciaz sa uwazane za czastki elementarne.

Posted in Referaty | Leave a comment