ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ

Законы сохранения справедливы только для замкнутой системы тел.

Потенциальная энергия зависит только от расстояния между телами. Кинетическая энергия зависит только от скорости тела. Кинетическая энергия всегда положительна. Потенциальная энергия может быть как положительной, так и отрицательной.

И потенциальная и кинетическая энергии точно определены, если известны координаты и скорости всех тел системы.

В замкнутой системе тел положительная работа внутренних сил всегда приводит к увеличению кинетической энергии, но обязательно уменьшает энергию потенциальную:

И потенциальная и кинетическая энергии точно определены, если известны координаты и скорости всех тел системы. Благодаря этому выполняется закон сохранения энергии: ΔE_k = - ΔE_p .

E = ΔE_k + ΔE_p -полная механическая энергия системы.

В замкнутой системе механическая энергия сохраняется: E = ΔE_k + ΔE_p = const.

Например:

+ m·g·h = const или + m·g·h₁ = + m·g·h₂ – это уравнение позволяет находить скорость камня v₂ на любой высоте h₂ над Землей, если известна начальная скорость v₁ камня на исходной высоте h₁.

Закон сохранения энергии обобщается для любого количества тел.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ГАЗАХ

В обычном состоянии газы являются изоляторами, то есть не проводят электрический ток.

1 – газовый промежуток, 2 – аккумуляторная батарея, 3 – гальванометр.

В этом достаточно легко убедиться, посмотрев, что при выключении рубильника или повороте выключателя между участками электрической цепи образуется воздушный промежуток и при этом ток перестает течь по цепи. Изолирующие свойства газа объясняются тем, что атомы и молекулы газов в естественном состоянии являются нейтральными, незаряженными частицами. Поэтому в обычных условиях в газе почти нет свободных носителей заряда, движение которых может создать электрический ток.

Для того чтобы сделать газ проводящим, нужно тем или иным способом внести в него или создать в нем свободные носители заряда – заряженные частицы. Возможны два случая:

1. Эти заряженные частицы создаются действием какого-либо внешнего фактора или вводятся в газ извне. (Возникает несамостоятельная проводимость газа)

2. Создаются в газе действием самого электрического поля, существующего между электродами. (Возникает самостоятельная проводимость газа)

Несамостоятельная проводимость газов:

Опыт: То, каким образом газ можно сделать проводящим, иллюстрирует следующий опыт.

1) Газ в промежутке 1 между электродами нагревается до высокой температуры с помощью зажженной горелки. Гальванометр в этом случае покажет наличие тока в электрической цепи. Значит, можно сделать вывод, что при высокой температуре молекулы газа уже не являются незаряженными, а по крайней мере некоторая их часть распадается на положительные и отрицательные частицы, то есть в газе появляются ионы.

Процесс образования ионов в каком-либо газе называется ионизацией этого газа.

В данном опыте ионизация газа происходит из-за его нагревания до высокой температуры.

2) Если взять и направить в газовый промежуток струю воздуха от маленькой воздуходувки, а на пути струи, вне воздушного промежутка, поместить горелку, то гальванометр покажет некоторый ток. Воздух, проходя через пламя горелки, ионизируется и движется дальше в промежуток между электродами. То, что гальванометр показывает некоторый ток при попадании этого воздуха в промежуток между электродами, означает, что ионы, которые возникли в пламени, не исчезают мгновенно, а перемещаются вместе с газом. Поэтому до промежутка между электродами доходит их небольшая часть, поэтому и возникает некоторый ток.

Если постепенно увеличивать расстояние между пламенем горелки и газовым промежутком, то ток в цепи постепенно ослабевает и при расположении пламени на расстоянии нескольких сантиметров исчезает совсем.

Вывод: после устранения причины, которая вызывает ионизацию газа, число ионов в газе быстро уменьшается и через короткое время газ опять обретает изолирующие свойства, то есть становится диэлектриком.

Ионы в газе исчезают, потому что разноименно заряженные частицы стремятся сблизиться под влиянием силы электрического притяжения и при встрече снова превращаются в нейтральную молекулу. Этот процесс называется рекомбинацией ионов.

Рекомбинация ионов – это процесс, при котором разноименно заряженные частицы, сближаясь под действием сил электрического притяжения, превращаются в нейтральную молекулу.

Из-за рекомбинации, созданная проводимость газа не сохраняется, поэтому для получения длительного тока необходимо, чтобы в газе непрерывно происходила ионизация.

Ионизация газа возможна не только путем его нагревания. Газ может ионизироваться под действием ряда других факторов, например, под действием рентгеновского излучения.

Процесс ионизации: Ионизация состоит в отрыве от молекулы электрона, из-за чего она превращается в положительный ион. Освободившийся от нее электрон сам становится свободным носителем отрицательного заряда. Во многих случаях электрон прилипает к какой-нибудь нейтральной молекуле газа и превращает ее в отрицательно заряженный ион. Часто положительные и отрицательные ионы представляют собой не отдельные ионизованные молекулы, а группы молекул, прилипших к отрицательному или положительному иону. Поэтому заряд каждого иона равен одному, двум и редко большему числу элементарных зарядов, но массы их могут быть больше масс отдельных атомов и молекул.

В газах не соблюдается закон Ома. Для газов зависимость тока от напряжения имеет сложный вид, в то время как для проводников (и электролитов), которые подчиняются закону Ома, она имеет вид наклонной прямой.

При малых значениях напряжения, график имеет вид прямой (закон Ома приближенно выполняется), а с ростом напряжения прямая загибается и, начиная с некоторого напряжения, переходит в горизонтальную прямую. Это значит, что начиная с некоторого напряжения, ток сохраняет постоянное значение, несмотря на увеличение напряжения. Это постоянное значение силы тока, которое не зависит от напряжения, называется током насыщения.

Если продолжать дальше увеличивать напряжение в этом опыте, то при достаточно большом его значении ток резко возрастает. Это говорит о том, что число электронов резко возросло из-за самого электрического поля, которое сообщает некоторым ионам настолько большие скорости, что они, сталкиваясь с нейтральными молекулами, разбивают их на ионы. В итоге, число ионов определяется уже не ионизирующим фактором, то есть нагревом, а действием самого электрического поля, которое теперь само может поддерживать необходимую ионизацию. Поэтому проводимость из несамостоятельной становится самостоятельной. Возникновение самостоятельной проводимости в газе носит характер пробоя газового промежутка.