Говорят, вчера в средней полосе полярное сияние было. Порадуйте в комментариях вашими фото людей, которые не знали или которым некогда поднять взгляд на небо.
❤7
Поделюсь немного наблюдениями.
Когда я объясняю какие-то сложные вещи здесь в блоге вам или своим ученикам на занятиях, конечно же, приходится прибегать к тем или иным упрощениям, без этого никак. Иначе вы бы разбежались все отсюда. Но, из-за того, что я знаю, насколько сложно все устроено на самом деле, делаю некоторые оговорки типа "грубо говоря" и привожу сравнения, пытаясь включить у вас воображение. Благодаря этому вы не воспринимаете за чистую монету, например, что электрон - это шарик, а его спин - это вращение вокруг своей оси. Естественно, все намного сложнее, а квантовую механику вообще упростить так, чтобы было понятно не физикам, не каждый может, да и у меня редко получается.
К чему я это? На занятиях с учениками я тоже всегда делаю оговорки, например, что время абсолютно, но только в классической механике (мы ведь знаем, что Эйнштейн доказал обратное), что не существует квадратного корня из отрицательного числа, но только в поле действительных чисел, а у квадратного уравнения абсолютно всегда будет два корня, независимо от того, какой получился дискриминант. И даже если он один, то их на самом деле два одинаковых.
Вот последняя тема меня удивляет больше всего. Учителя, зачастую, не делают таких оговорок, и у детей в головах прочно засела связь: дискриминант отрицательный = нет корней. А когда в старшей школе и в институте начинаются комплексные числа, для всех это оказывается откровением, как и для меня в свое время. Получается, надо забыть, что говорили раньше и изучать новую теорию.
Понятно, что всему свое время и сразу переходить в комплексную плоскость, когда ещё на действительной не научились работать, нельзя. Но маленькие оговорки о ее существовании, не у всех, но у кого-то, да осядут в голове, и удивление будет не таким большим в дальнейшем. Это как думать, что там за горизонтом земля заканчивается, и никто тебе не говорит, что то, что ты видишь - лишь малая ее часть. Но такие тренды в образовании, определенно, есть.
Это сугубо мое мнение, имхо, как говорится. Ни в коем случае не осуждаю школьных учителей, т.к. условия труда, определенно, влияют на качество их работы. Но есть и те, кто приоткрывает дверь школьной программы, но, в основном, в профильных заведениях и классах.
Пишите, что думаете по этому поводу. Для общего развития делюсь своей старой картинкой с визуализацией комплексных чисел и их описанием. Если нужен пост про то, зачем эти числа нужны, ставьте любую реакцию
Когда я объясняю какие-то сложные вещи здесь в блоге вам или своим ученикам на занятиях, конечно же, приходится прибегать к тем или иным упрощениям, без этого никак. Иначе вы бы разбежались все отсюда. Но, из-за того, что я знаю, насколько сложно все устроено на самом деле, делаю некоторые оговорки типа "грубо говоря" и привожу сравнения, пытаясь включить у вас воображение. Благодаря этому вы не воспринимаете за чистую монету, например, что электрон - это шарик, а его спин - это вращение вокруг своей оси. Естественно, все намного сложнее, а квантовую механику вообще упростить так, чтобы было понятно не физикам, не каждый может, да и у меня редко получается.
К чему я это? На занятиях с учениками я тоже всегда делаю оговорки, например, что время абсолютно, но только в классической механике (мы ведь знаем, что Эйнштейн доказал обратное), что не существует квадратного корня из отрицательного числа, но только в поле действительных чисел, а у квадратного уравнения абсолютно всегда будет два корня, независимо от того, какой получился дискриминант. И даже если он один, то их на самом деле два одинаковых.
Вот последняя тема меня удивляет больше всего. Учителя, зачастую, не делают таких оговорок, и у детей в головах прочно засела связь: дискриминант отрицательный = нет корней. А когда в старшей школе и в институте начинаются комплексные числа, для всех это оказывается откровением, как и для меня в свое время. Получается, надо забыть, что говорили раньше и изучать новую теорию.
Понятно, что всему свое время и сразу переходить в комплексную плоскость, когда ещё на действительной не научились работать, нельзя. Но маленькие оговорки о ее существовании, не у всех, но у кого-то, да осядут в голове, и удивление будет не таким большим в дальнейшем. Это как думать, что там за горизонтом земля заканчивается, и никто тебе не говорит, что то, что ты видишь - лишь малая ее часть. Но такие тренды в образовании, определенно, есть.
Это сугубо мое мнение, имхо, как говорится. Ни в коем случае не осуждаю школьных учителей, т.к. условия труда, определенно, влияют на качество их работы. Но есть и те, кто приоткрывает дверь школьной программы, но, в основном, в профильных заведениях и классах.
Пишите, что думаете по этому поводу. Для общего развития делюсь своей старой картинкой с визуализацией комплексных чисел и их описанием. Если нужен пост про то, зачем эти числа нужны, ставьте любую реакцию
❤15👍7🔥7🆒1
Сегодня присудили Нобелевскую премию по физике группе Калифорнийских ученых – John Clarke, Michel H. Devoret, John M. Martinis (фамилии переводить не буду), – «за открытие макроскопического квантовомеханического туннелирования и квантования энергии в электрической цепи». Другими словами, они увидели глазами прямое проявление квантовомеханических эффектов и, тем самым, показали, что квантовая механика, присущая микрочастицам, может наблюдаться и в макромире.
Я, конечно, не специалист в современной квантовой механике и знаю ее лишь на уровне учебников Ландау, и то плохо, но я почитал исследование, и сейчас попробую рассказать суть.
Если коротко, и я правильно все понял, они проверяли на практике эффект Джозефсона и квантование энергии, о которой впервые заговорил Бор. Эффект Джозефсона – это когда берут два сверхпроводника (вещества, у которых электрическое сопротивление равно нулю), кладут между ними диэлектрик и запускают ток. О сверхпроводниках поговорим потом отдельно, но в основе их работы лежит квантовая механика. Так вот, несмотря на то, что между двумя сверхпроводниками лежит слой изолятора, ток продолжает по ним идти, т.е. как бы «перескакивает» через диэлектрик. На английском это так и называется – Josephson junction. А нынешние лауреаты просто подключили это все в электрическую цепь и измеряли напряжение в ней. И, конечно, оно было равно нулю, исходя из закона Ома и нулевого сопротивления.
Квантование энергии они проверяли с дополнительным девайсом – микроволновым излучателем. Они просто запускали электромагнитные волны разной частоты в эту цепь, в которой они поглощались и увеличивали энергию системы. А когда энергия системы увеличивается, увеличивается и энергетический барьер, который не дает преодолеть слой изолятора электронам. Все также, замеряя, при этом, напряжение в цепи, они увидели, что с увеличением энергии системы из-за поглощения волн промежутки времени, когда напряжение равно нулю дискретно сокращаются, из-за сложности преодоления электронами энергетического барьера. Эту дискретность энергии и предсказывала квантовая механика.
Вообще удивительно, уже около ста лет прошло со времен, когда Нильс Бор, де Бройль, Шредингер и остальная квантовая тусовка открыла дверь в новое представление о микромире, а Нобелевскую премию за открытия в квантовой механике продолжают давать. Только теперь теории ученых из этой тусовки проверяют на практике. Это говорит о том, насколько данная область до сих пор малоизучена, но, в то же время, интересна для технологий будущего.
Подробно с работой можно познакомиться здесь, а это научно-популярная версия, попроще. Кстати картиночки там очень креативные, особенно где электрончики парами собираются.
Какие ещё знаете эксперименты напрямую показывающие устройство микромира? Мне на ум пока первое, что приходит - это опыт Резерфорда с золотой фольгой и альфа-частицами, о котором я уже писал ранее.
Я, конечно, не специалист в современной квантовой механике и знаю ее лишь на уровне учебников Ландау, и то плохо, но я почитал исследование, и сейчас попробую рассказать суть.
Если коротко, и я правильно все понял, они проверяли на практике эффект Джозефсона и квантование энергии, о которой впервые заговорил Бор. Эффект Джозефсона – это когда берут два сверхпроводника (вещества, у которых электрическое сопротивление равно нулю), кладут между ними диэлектрик и запускают ток. О сверхпроводниках поговорим потом отдельно, но в основе их работы лежит квантовая механика. Так вот, несмотря на то, что между двумя сверхпроводниками лежит слой изолятора, ток продолжает по ним идти, т.е. как бы «перескакивает» через диэлектрик. На английском это так и называется – Josephson junction. А нынешние лауреаты просто подключили это все в электрическую цепь и измеряли напряжение в ней. И, конечно, оно было равно нулю, исходя из закона Ома и нулевого сопротивления.
Квантование энергии они проверяли с дополнительным девайсом – микроволновым излучателем. Они просто запускали электромагнитные волны разной частоты в эту цепь, в которой они поглощались и увеличивали энергию системы. А когда энергия системы увеличивается, увеличивается и энергетический барьер, который не дает преодолеть слой изолятора электронам. Все также, замеряя, при этом, напряжение в цепи, они увидели, что с увеличением энергии системы из-за поглощения волн промежутки времени, когда напряжение равно нулю дискретно сокращаются, из-за сложности преодоления электронами энергетического барьера. Эту дискретность энергии и предсказывала квантовая механика.
Вообще удивительно, уже около ста лет прошло со времен, когда Нильс Бор, де Бройль, Шредингер и остальная квантовая тусовка открыла дверь в новое представление о микромире, а Нобелевскую премию за открытия в квантовой механике продолжают давать. Только теперь теории ученых из этой тусовки проверяют на практике. Это говорит о том, насколько данная область до сих пор малоизучена, но, в то же время, интересна для технологий будущего.
Подробно с работой можно познакомиться здесь, а это научно-популярная версия, попроще. Кстати картиночки там очень креативные, особенно где электрончики парами собираются.
Какие ещё знаете эксперименты напрямую показывающие устройство микромира? Мне на ум пока первое, что приходит - это опыт Резерфорда с золотой фольгой и альфа-частицами, о котором я уже писал ранее.
👍13❤6🔥3🆒1
Как защититься от удара током?
Продолжаем изучать устройства приборов для электрической безопасности. О принципе работе автоматического выключателя («автомата»), спасающего квартиру от пожара, я рассказывал здесь. А сегодня поговорим о приборе, спасающим жизни и защищающем от удара током – устройство защитного отключения или УЗО.
Для начала разберемся, по каким причинам и когда может быть удар током при прикосновении к электроприбору или элементу проводки.
Самый банальный пример – засунуть пальцы в розетку. Мы ведь знаем, что земля несет в себе огромный электрический заряд, который забирает на себя всех носителей электричества. Розетка – это оголенный контакт, пусть даже и находящийся в стене, на который подано напряжение. Между землей и розеткой возникает разность потенциалов – движущая сила для тока. Засовывая в розетку пальцы, вы рискуете стать тем самым соединительным мостиком, по которому благополучно пробежит ток, ведь человеческое тело на большую часть состоит из воды, которая хорошо его проводит.
Еще один пример – замыкание проводки прибора на корпус. В простой электрической цепи квартиры есть два провода – фаза (L) и ноль (N). Фаза – это провод, который заходит к вам в квартиру от внешнего источника и приносит в нее электричество, а ноль – провод, который выходит из квартиры к внешнему источнику. Таким образом, образуется замкнутая цепь «фаза-прибор-ноль» с источником тока снаружи дома. Замыкание прибора на корпус происходит при повреждении изоляции проводов внутри него и прикосновении оголенного провода к металлическому корпусу прибора (например, стиральной машины). Так весь прибор становится, по сути, контактом под напряжением, прикоснувшись к которому произойдет то же, что я описывал выше. Защитой от замыкания на корпус, помимо прибора, о котором мы сейчас поговорим, может стать заземление. К металлическому корпусу подсоединяется провод, который другим концом соединен с землей. При образовании заряда на корпусе, он сразу же благополучно стекает в землю, прежде чем успеет это сделать через наше тело.
Когда через нас проходит ток, говорят, что происходит утечка, т.е. ток, который зашел на входе перестает быть равным току на выходе, т.к. часть заряда ушла в землю. УЗО распознает эту утечку и сразу размыкает цепь. На самом деле небольшая утечка есть всегда, т.к. идеальная электрическая цепь может быть только в школьных учебниках. Поэтому УЗО размыкает цепь при достижении определенной величины этой утечки.
Главные элементы УЗО – три катушки, намотанные на магнитный сердечник в виде тора (бублика). Две из них намотаны с противоположных концов (рисунок ниже), и к ним подключаются провода фазы и нуля. Токи, проходящие по этим катушкам, как мы знаем, создают магнитные поля. Когда токи на фазе и нуле равны (утечки нет), магнитные поля двух этих катушек равны по величине и противоположны по направлению (как, собственно, и токи), т.е. компенсируют друг друга, и суммарное магнитное поле в сердечнике отсутствует. Если происходит утечка, то проходящий через фазу ток (на входе) не равен току через ноль (на выходе). Возникает, так называемый дифференциальный ток, равный их разности. А если токи не равны, то не равны и магнитные поля, создаваемые в двух катушках, а, значит, в сердечнике возникает отличное от нуля магнитное поле, пропорциональное дифференциальному току.
И тут вступает в игру третья катушка, намотанная между первыми двумя (см. рисунок). Дальше возникает следующая цепочка, основанная на законе электромагнитной индукции: возникшее в сердечнике переменное магнитное поле во время утечки, порождает индукционный ток в третьей катушке, которая соединена с еще одной катушкой-расцепителем, ток в которой также возбуждает магнитное поле, и оно уже механически втягивает защелку и размыкает цепь.
Рисунок🔽
Продолжаем изучать устройства приборов для электрической безопасности. О принципе работе автоматического выключателя («автомата»), спасающего квартиру от пожара, я рассказывал здесь. А сегодня поговорим о приборе, спасающим жизни и защищающем от удара током – устройство защитного отключения или УЗО.
Для начала разберемся, по каким причинам и когда может быть удар током при прикосновении к электроприбору или элементу проводки.
Самый банальный пример – засунуть пальцы в розетку. Мы ведь знаем, что земля несет в себе огромный электрический заряд, который забирает на себя всех носителей электричества. Розетка – это оголенный контакт, пусть даже и находящийся в стене, на который подано напряжение. Между землей и розеткой возникает разность потенциалов – движущая сила для тока. Засовывая в розетку пальцы, вы рискуете стать тем самым соединительным мостиком, по которому благополучно пробежит ток, ведь человеческое тело на большую часть состоит из воды, которая хорошо его проводит.
Еще один пример – замыкание проводки прибора на корпус. В простой электрической цепи квартиры есть два провода – фаза (L) и ноль (N). Фаза – это провод, который заходит к вам в квартиру от внешнего источника и приносит в нее электричество, а ноль – провод, который выходит из квартиры к внешнему источнику. Таким образом, образуется замкнутая цепь «фаза-прибор-ноль» с источником тока снаружи дома. Замыкание прибора на корпус происходит при повреждении изоляции проводов внутри него и прикосновении оголенного провода к металлическому корпусу прибора (например, стиральной машины). Так весь прибор становится, по сути, контактом под напряжением, прикоснувшись к которому произойдет то же, что я описывал выше. Защитой от замыкания на корпус, помимо прибора, о котором мы сейчас поговорим, может стать заземление. К металлическому корпусу подсоединяется провод, который другим концом соединен с землей. При образовании заряда на корпусе, он сразу же благополучно стекает в землю, прежде чем успеет это сделать через наше тело.
Когда через нас проходит ток, говорят, что происходит утечка, т.е. ток, который зашел на входе перестает быть равным току на выходе, т.к. часть заряда ушла в землю. УЗО распознает эту утечку и сразу размыкает цепь. На самом деле небольшая утечка есть всегда, т.к. идеальная электрическая цепь может быть только в школьных учебниках. Поэтому УЗО размыкает цепь при достижении определенной величины этой утечки.
Главные элементы УЗО – три катушки, намотанные на магнитный сердечник в виде тора (бублика). Две из них намотаны с противоположных концов (рисунок ниже), и к ним подключаются провода фазы и нуля. Токи, проходящие по этим катушкам, как мы знаем, создают магнитные поля. Когда токи на фазе и нуле равны (утечки нет), магнитные поля двух этих катушек равны по величине и противоположны по направлению (как, собственно, и токи), т.е. компенсируют друг друга, и суммарное магнитное поле в сердечнике отсутствует. Если происходит утечка, то проходящий через фазу ток (на входе) не равен току через ноль (на выходе). Возникает, так называемый дифференциальный ток, равный их разности. А если токи не равны, то не равны и магнитные поля, создаваемые в двух катушках, а, значит, в сердечнике возникает отличное от нуля магнитное поле, пропорциональное дифференциальному току.
И тут вступает в игру третья катушка, намотанная между первыми двумя (см. рисунок). Дальше возникает следующая цепочка, основанная на законе электромагнитной индукции: возникшее в сердечнике переменное магнитное поле во время утечки, порождает индукционный ток в третьей катушке, которая соединена с еще одной катушкой-расцепителем, ток в которой также возбуждает магнитное поле, и оно уже механически втягивает защелку и размыкает цепь.
Рисунок
Please open Telegram to view this post
VIEW IN TELEGRAM
👍13🔥5❤3
По описанному принципу работают простые устройства, которые реагируют на любую утечку, даже самую маленькую, что не очень удобно. Современные устройства умные, и они каждый раз сравнивают токи утечки с установленным пороговым значением, и при его превышении, размыкают цепь. Обычно порог – это около 30 мА. Выше уже возникают последствия для здоровья.
А еще в этих устройствах есть кнопка «тест». Она служит для проверки работы устройства. Это дополнительный провод с резистором, соединяющий фазу с нулем при нажатии, имитирующий пороговую утечку тока.
В современных квартирах устанавливают комбинированные приборы, совмещающие в себе автоматические выключатели и УЗО, в простонародье называемые диффавтоматами.
Такие вот нехитрые два устройства могут спасти вас и ваше жилище.
А еще в этих устройствах есть кнопка «тест». Она служит для проверки работы устройства. Это дополнительный провод с резистором, соединяющий фазу с нулем при нажатии, имитирующий пороговую утечку тока.
В современных квартирах устанавливают комбинированные приборы, совмещающие в себе автоматические выключатели и УЗО, в простонародье называемые диффавтоматами.
Такие вот нехитрые два устройства могут спасти вас и ваше жилище.
🔥14👍10❤3
Почему металлы блестят?
Вы не поверите, но по той же причине, по которой мы слышим радио, передаваемое из другого конца земного шара!
Сейчас все объясню.
Сначала нам нужно узнать, что там внутри этих металлов, как они устроены. И в этом в свое время нам помог господин Пауль Друде, разработав первую теорию о том, как устроены металлы и металлическая связь. Конечно, его теория была очень примитивна, но она легла в основу всех дальнейших теорий и современного представления о металлах. Все первое – всегда несовершенно.
Друде, изучая распределение молекул в газах, которые тогда были хорошо известны, предположил, что в металле носители заряда могут вести себя похожим образом. Согласно его теории, металл – это решетка-каркас, состоящая из положительно-заряженных ионов, которая заполнена плотным газом из электронов – носителей электрического тока. Электроны, подобно молекулам газа, могут хаотически двигаться в этом жестком каркасе, и стоит приложить к ним электрическое поле, как они сразу же побегут туда, куда оно им повелит.
Все мы знаем, что, когда мы начинаем светить лучом света на поверхность металла – он зеркально отражается. Это и называется металлическим блеском. Свет – это электромагнитная волна, в которой происходят колебания, в том числе, электрического поля. Если колеблющееся электрическое поле оказывается рядом с электронами в металле, они, волей-неволей, начинают с ним взаимодействовать и колебаться ему в такт. В свою очередь, колеблющиеся электроны, будучи заряженными частицами, начинают создавать свое переменное электрическое поле, а, значит, тоже излучать электромагнитные волны. Нетрудно догадаться, что эти волны будут той же частоты, с которой они прилетели на поверхность металла. Т.е. происходит переизлучение света электронным газом путем раскачивания электронов падающей электромагнитной волной.
Электронное строение некоторых металлов, таких как золото и медь, устроено так, что от них отражаются не все частоты видимого света, а только желтый, красный и зеленый, а синий, голубой, фиолетовый – поглощаются. Т.е. спектр отражения обрезается. Поэтому эти металлы блестят не белым, а желтым и красным оттенком.
Такие явления происходят, в основном, с видимым диапазоном электромагнитных волн. Волны с более высокой частотой, например, рентгеновские, могут поглощаться или пролетать металл насквозь.
Почему я привел аналогию с радио на другом конце планеты? Потому что электронный газ – газ из заряженных частиц, по сути, является плазмой, о которой я рассказывал здесь (рекомендую почитать). А описанный выше механизм взаимодействия света с электронным газом показывает, что любая плазма отражает электромагнитные волны. А плазма, как мы знаем – это самое распространенное агрегатное состояние вещества в космосе. Когда радиопередатчик испускает электромагнитные волны, они многократно отражаются от ионосферы, не улетая в космос, и распространяются на большие расстояния вдоль поверхности Земли.
Еще одним фактором, влияющим на блеск металлов, является их способность быть пластичными и деформироваться. Здесь нам тоже на руку играет электронный газ, только уже в абсолютно иной роли – в роли смазки. Он как масло, заполняющее все пространство между ионами металла в кристаллической решетке, обеспечивает легкое скольжение атомных слоев друг по другу, и металл деформируется. Его можно легко отполировать до зеркальной поверхности без шероховатостей.
Неметаллы, в свою очередь, состоят из молекул, в которых электроны не болтаются по материалу в свободном плавании, а закреплены в каждой молекуле. Это еще называется ковалентная связь. Молекулы находятся достаточно плотно друг другу, хаотично повернуты, могут только поворачиваться, но не двигаться, да еще и смазки никакой нет. Поэтому такие вещества отполировать сложнее, и они часто остаются матовыми. Также, из-за отсутствия свободных электронов в виде плазмы, электромагнитные волны в неметаллах, в основном, поглощаются, и блеск в них отсутствует.
Вот такие сложные механизмы скрыты в, казалось бы, повседневном явлении, к которому мы привыкли.
Вы не поверите, но по той же причине, по которой мы слышим радио, передаваемое из другого конца земного шара!
Сейчас все объясню.
Сначала нам нужно узнать, что там внутри этих металлов, как они устроены. И в этом в свое время нам помог господин Пауль Друде, разработав первую теорию о том, как устроены металлы и металлическая связь. Конечно, его теория была очень примитивна, но она легла в основу всех дальнейших теорий и современного представления о металлах. Все первое – всегда несовершенно.
Друде, изучая распределение молекул в газах, которые тогда были хорошо известны, предположил, что в металле носители заряда могут вести себя похожим образом. Согласно его теории, металл – это решетка-каркас, состоящая из положительно-заряженных ионов, которая заполнена плотным газом из электронов – носителей электрического тока. Электроны, подобно молекулам газа, могут хаотически двигаться в этом жестком каркасе, и стоит приложить к ним электрическое поле, как они сразу же побегут туда, куда оно им повелит.
Все мы знаем, что, когда мы начинаем светить лучом света на поверхность металла – он зеркально отражается. Это и называется металлическим блеском. Свет – это электромагнитная волна, в которой происходят колебания, в том числе, электрического поля. Если колеблющееся электрическое поле оказывается рядом с электронами в металле, они, волей-неволей, начинают с ним взаимодействовать и колебаться ему в такт. В свою очередь, колеблющиеся электроны, будучи заряженными частицами, начинают создавать свое переменное электрическое поле, а, значит, тоже излучать электромагнитные волны. Нетрудно догадаться, что эти волны будут той же частоты, с которой они прилетели на поверхность металла. Т.е. происходит переизлучение света электронным газом путем раскачивания электронов падающей электромагнитной волной.
Электронное строение некоторых металлов, таких как золото и медь, устроено так, что от них отражаются не все частоты видимого света, а только желтый, красный и зеленый, а синий, голубой, фиолетовый – поглощаются. Т.е. спектр отражения обрезается. Поэтому эти металлы блестят не белым, а желтым и красным оттенком.
Такие явления происходят, в основном, с видимым диапазоном электромагнитных волн. Волны с более высокой частотой, например, рентгеновские, могут поглощаться или пролетать металл насквозь.
Почему я привел аналогию с радио на другом конце планеты? Потому что электронный газ – газ из заряженных частиц, по сути, является плазмой, о которой я рассказывал здесь (рекомендую почитать). А описанный выше механизм взаимодействия света с электронным газом показывает, что любая плазма отражает электромагнитные волны. А плазма, как мы знаем – это самое распространенное агрегатное состояние вещества в космосе. Когда радиопередатчик испускает электромагнитные волны, они многократно отражаются от ионосферы, не улетая в космос, и распространяются на большие расстояния вдоль поверхности Земли.
Еще одним фактором, влияющим на блеск металлов, является их способность быть пластичными и деформироваться. Здесь нам тоже на руку играет электронный газ, только уже в абсолютно иной роли – в роли смазки. Он как масло, заполняющее все пространство между ионами металла в кристаллической решетке, обеспечивает легкое скольжение атомных слоев друг по другу, и металл деформируется. Его можно легко отполировать до зеркальной поверхности без шероховатостей.
Неметаллы, в свою очередь, состоят из молекул, в которых электроны не болтаются по материалу в свободном плавании, а закреплены в каждой молекуле. Это еще называется ковалентная связь. Молекулы находятся достаточно плотно друг другу, хаотично повернуты, могут только поворачиваться, но не двигаться, да еще и смазки никакой нет. Поэтому такие вещества отполировать сложнее, и они часто остаются матовыми. Также, из-за отсутствия свободных электронов в виде плазмы, электромагнитные волны в неметаллах, в основном, поглощаются, и блеск в них отсутствует.
Вот такие сложные механизмы скрыты в, казалось бы, повседневном явлении, к которому мы привыкли.
❤10🔥9👍5🆒3
В процессе долгого сидения за электронным микроскопом у меня родилось небольшое хобби. Так как много времени смотрю одно и то же - неметаллические включения в металлах, - и исследую их химический состав, волей-неволей, наталкиваюсь на включения причудливой формы и кидаю коллегам. Чаще всего они просто круглые или продолговатые, но иногда бывает что-то интересное. Сегодня покажу одно из лучших, что мне когда-либо попадалось.
Пишите в комментариях, на что это похоже, а может, у кого-то родится, даже сюжет 😁
Если интересно, покажу что-нибудь ещё из своей коллекции
Пишите в комментариях, на что это похоже, а может, у кого-то родится, даже сюжет 😁
Если интересно, покажу что-нибудь ещё из своей коллекции
❤10👍6🔥4😁3🆒1
Сегодня у меня др!
И ровно три года назад накануне дня рождения после полугодового ожидания я получил заветный подарок в виде корочки кандидата наук.
Пока ещё не пожалел, что потратил время и силы на все это, посмотрим как будет дальше)
P.S. завтра будет интересный пост, не пропустите!
И ровно три года назад накануне дня рождения после полугодового ожидания я получил заветный подарок в виде корочки кандидата наук.
Пока ещё не пожалел, что потратил время и силы на все это, посмотрим как будет дальше)
P.S. завтра будет интересный пост, не пропустите!
🍾40🔥9❤7
Голубое свечение – предвестник смерти
Данный заголовок кликбэйтен лишь на 50%. Как вы уже догадались, сегодня поговорим об излучении Вавилова-Черенкова.
В 1958 году трое советских ученых – Павел Черенков, Игорь Тамм и Илья Франк получили нобелевскую премию за открытие и объяснение появления нового вида излучения, имеющего абсолютно другую природу по сравнению с люминесценцией.
Люминесценция возникает, когда при воздействии на атомы вещества каким-либо излучением (заряженными частицами, электромагнитными волнами), они переходят в возбужденное состояние. Т.е. их электроны, получая дополнительную энергию, переходят на более высокоэнергетические уровни, а затем сбрасывают эту энергию, спрыгивая обратно, в виде видимого света. Именно так, например, появляется полярное сияние.
Черенковское излучение не имеет ничего общего с люминесценцией. Оно возникает, когда частица в прозрачной среде двигается (внимание!) быстрее скорости света. Как же так, спросите вы, ведь теория относительности нам говорит, что ничего не может двигаться быстрее этой скорости. Но Эйнштейну в гробу вертеться пока преждевременно. Дело в том, что, согласно теории относительности, невозможно движение быстрее скорости света в вакууме! А вот в более плотных прозрачных средах типа воды или стекла, скорость света значительно меньше своих вакуумных значений. Вспомните пост про мираж. Чем плотнее воздух, тем медленнее свет двигается в нем. В воде он замедляется в 1,33 раза, а в стекле, в среднем, в 1,5. Поэтому при определенных условиях могут возникнуть частицы, двигающиеся быстрее скорости света в данной среде. Такие условия возникают, если рядом происходит ядерная реакция, а частицами, чаще всего являются быстрые электроны.
Есть два наиболее распространенных случая, когда может возникнуть это свечение – в активной зоне работающего ядерного реактора и при ядерной аварии. Когда происходит цепная реакция деления ядер урана или плутония, о которых я рассказывал здесь, образуется много разных радиоактивных элементов, которые, в дальнейшем, претерпевают бета-распад и испускают электроны. Также электроны могут выбиваться из среды гамма-квантами, попутно образовавшимися при реакции деления. Такие электроны могут быть очень высоких энергий и иметь скорость в 90, а то и 99% от скорости света в вакууме, тогда как свет, например, в воде имеет 75% этой скорости. Электроны ведь еще и маленькие и легко могут двигаться в такой среде.
При движении быстрее скорости света, также, как и при движении самолетов быстрее скорости звука, возникает ударная волна (про сверхзвук был пост здесь). Частица, пролетая через среду, передает часть своей энергии атомам среды и расталкивает их. После пролета они возвращаются обратно и сбрасывают лишнюю энергию, излучая кванты света - фотоны. Но если частица двигается медленнее скорости света в среде, эти излучения просто гасят друг друга. При обгоне света частицей она оставляет за собой световой конус, также, как и сверхзвуковой самолет оставляет за собой конус плотного воздуха. И в этом конусе волны не гасят друг друга, а усиливают.
Таким образом, черенковское излучение – это ударная электромагнитная волна от частицы, двигающейся со сверхсветовой скоростью в данной прозрачной среде.
Почему свечение голубое?
Потому что частицы высоких энергий, пролетающие в прозрачной среде, рождают высокоэнергетические электромагнитные волны (закон сохранения энергии никуда не делся). А высокая энергия означает высокую частоту и низкую длину волны. Поэтому в видимом диапазоне мы видим коротковолновые синие волны, а еще не видим ультрафиолетовые.
Данный заголовок кликбэйтен лишь на 50%. Как вы уже догадались, сегодня поговорим об излучении Вавилова-Черенкова.
В 1958 году трое советских ученых – Павел Черенков, Игорь Тамм и Илья Франк получили нобелевскую премию за открытие и объяснение появления нового вида излучения, имеющего абсолютно другую природу по сравнению с люминесценцией.
Люминесценция возникает, когда при воздействии на атомы вещества каким-либо излучением (заряженными частицами, электромагнитными волнами), они переходят в возбужденное состояние. Т.е. их электроны, получая дополнительную энергию, переходят на более высокоэнергетические уровни, а затем сбрасывают эту энергию, спрыгивая обратно, в виде видимого света. Именно так, например, появляется полярное сияние.
Черенковское излучение не имеет ничего общего с люминесценцией. Оно возникает, когда частица в прозрачной среде двигается (внимание!) быстрее скорости света. Как же так, спросите вы, ведь теория относительности нам говорит, что ничего не может двигаться быстрее этой скорости. Но Эйнштейну в гробу вертеться пока преждевременно. Дело в том, что, согласно теории относительности, невозможно движение быстрее скорости света в вакууме! А вот в более плотных прозрачных средах типа воды или стекла, скорость света значительно меньше своих вакуумных значений. Вспомните пост про мираж. Чем плотнее воздух, тем медленнее свет двигается в нем. В воде он замедляется в 1,33 раза, а в стекле, в среднем, в 1,5. Поэтому при определенных условиях могут возникнуть частицы, двигающиеся быстрее скорости света в данной среде. Такие условия возникают, если рядом происходит ядерная реакция, а частицами, чаще всего являются быстрые электроны.
Есть два наиболее распространенных случая, когда может возникнуть это свечение – в активной зоне работающего ядерного реактора и при ядерной аварии. Когда происходит цепная реакция деления ядер урана или плутония, о которых я рассказывал здесь, образуется много разных радиоактивных элементов, которые, в дальнейшем, претерпевают бета-распад и испускают электроны. Также электроны могут выбиваться из среды гамма-квантами, попутно образовавшимися при реакции деления. Такие электроны могут быть очень высоких энергий и иметь скорость в 90, а то и 99% от скорости света в вакууме, тогда как свет, например, в воде имеет 75% этой скорости. Электроны ведь еще и маленькие и легко могут двигаться в такой среде.
При движении быстрее скорости света, также, как и при движении самолетов быстрее скорости звука, возникает ударная волна (про сверхзвук был пост здесь). Частица, пролетая через среду, передает часть своей энергии атомам среды и расталкивает их. После пролета они возвращаются обратно и сбрасывают лишнюю энергию, излучая кванты света - фотоны. Но если частица двигается медленнее скорости света в среде, эти излучения просто гасят друг друга. При обгоне света частицей она оставляет за собой световой конус, также, как и сверхзвуковой самолет оставляет за собой конус плотного воздуха. И в этом конусе волны не гасят друг друга, а усиливают.
Таким образом, черенковское излучение – это ударная электромагнитная волна от частицы, двигающейся со сверхсветовой скоростью в данной прозрачной среде.
Почему свечение голубое?
Потому что частицы высоких энергий, пролетающие в прозрачной среде, рождают высокоэнергетические электромагнитные волны (закон сохранения энергии никуда не делся). А высокая энергия означает высокую частоту и низкую длину волны. Поэтому в видимом диапазоне мы видим коротковолновые синие волны, а еще не видим ультрафиолетовые.
1❤14🔥9👍5🆒3
Forwarded from STOLBOV STUDY | ФИЗИКА для взрослых и детей
Возвращаемся к заголовку⬆️
На самом деле, если вы увидели черенковское свечение в воде через прозрачное стекло работающего ядерного реактора, – это не страшно. Частицы замедляются водой и стеклом и до вас не доходят. А вот если человек рядом с собой увидел его в воздухе – можно считать, что он обречен. В воздухе свет двигается почти с такой же скоростью как в вакууме – где-то 99,97% от скорости света. Для возникновения черенковского излучения частицы должны двигаться быстрее. А возникновение частиц, двигающихся в воздухе с практически световой скоростью – это признак серьезной аварии или взрыва, при которой произошла бесконтрольная цепная реакция деления радиоактивных ядер. И если вы это увидели рядом, и между вами и источником не было никакой защиты, значит, вы получили смертельную дозу радиации.
Говорят, что такой столб черенковского излучения возник в момент взрыва реактора на Чернобыльской АЭС. Было оно или нет, достоверно сказать нельзя, эта история обросла уже массой сказок. Однако, это могло быть свечение из-за ионизации воздуха, вызванной потоком жёсткого гамма-излучения. Ну то есть, что-то похожее на полярное сияние. Тут уж точно сказать нельзя. А вот аварии, в которых люди видели это излучение, действительно были, но об этом в следующий раз.
На самом деле, если вы увидели черенковское свечение в воде через прозрачное стекло работающего ядерного реактора, – это не страшно. Частицы замедляются водой и стеклом и до вас не доходят. А вот если человек рядом с собой увидел его в воздухе – можно считать, что он обречен. В воздухе свет двигается почти с такой же скоростью как в вакууме – где-то 99,97% от скорости света. Для возникновения черенковского излучения частицы должны двигаться быстрее. А возникновение частиц, двигающихся в воздухе с практически световой скоростью – это признак серьезной аварии или взрыва, при которой произошла бесконтрольная цепная реакция деления радиоактивных ядер. И если вы это увидели рядом, и между вами и источником не было никакой защиты, значит, вы получили смертельную дозу радиации.
Говорят, что такой столб черенковского излучения возник в момент взрыва реактора на Чернобыльской АЭС. Было оно или нет, достоверно сказать нельзя, эта история обросла уже массой сказок. Однако, это могло быть свечение из-за ионизации воздуха, вызванной потоком жёсткого гамма-излучения. Ну то есть, что-то похожее на полярное сияние. Тут уж точно сказать нельзя. А вот аварии, в которых люди видели это излучение, действительно были, но об этом в следующий раз.
Please open Telegram to view this post
VIEW IN TELEGRAM
🔥13❤9👍8
Что мешает току течь по проводам?
Сегодня поговорим о знакомых нам со школы понятиях – электросопротивлении и электрической проводимости.
Многие помнят, что в законе Ома есть ток (I) – двигающиеся в каком-то направлении свободные электроны, напряжение (U) – штука, которая пинает эти электроны, чтобы они двигались (просто путем приложения плюса к одному концу и минуса к другому), и сопротивления (R) – нечто, что мешает этим электронам двигаться по проводнику.
И для последней величины даже есть отдельная формула, которая говорит о том, что чем длиннее проводник, тем больше вероятности электронам столкнуться с чем-то в металле, а, значит, больше сопротивление. Напротив, чем больше площадь сечения проводника, тем большее количество частиц через него проходит, и большее их число дойдет до пункта назначения. Это как в трубе с водой, чем она шире, тем проще в ней воде двигаться. Но там есть еще один коэффициент – удельное электросопротивление, который зависит от типа материала. Вот о нем поговорим подробнее.
Как я уже рассказывал ранее, в металлах положительно заряженные ионы сидят в узлах кристаллической решетки, и весь кристалл наполнен газом из свободных электронов. Так вот, подвижность этих электронов не у всех металлов одинакова, и зависит от того, как устроен тот или иной атом, и структура кристалла.
Я бы выделил четыре основных фактора, влияющие на сопротивление проводника (и на его проводимость, как обратную величину).
1️⃣ Концентрация свободных электронов. Логично, чем больше носителей заряда, тем больше тока будет переноситься. И здесь их количество, как раз связано с плотностью металла и плотностью упаковки атомов в кристалле. Чем больше атомов в единице объема, тем больше и электронов в нем. Кроме этого на концентрацию носителей заряда влияет и то, сколько в принципе свободных электронов содержится в каждом атоме того или иного вещества. Это мы узнаем из таблицы Менделеева.
2️⃣ Тип электронов и их подвижность. Обычно в проводимости тока участвуют электроны, сидящие на внешних электронных оболочках, подальше от ядра, меньше ощущающие его притяжение. Но у нас есть «особенные» металлы – переходные, у которых не заполнена внутренняя d-оболочка. У этих металлов, помимо электронов на внешней оболочке, в переносе заряда участвуют и «внутренние» d-электроны. А они, находясь ближе к ядру, подвергаются его влиянию сильнее, и, поэтому менее подвижны. У таких металлов проводимость меньше.
3️⃣ Чистота и идеальность кристалла. В металлах почти всегда присутствуют примеси или специально внесенные элементы в сплав. А если в кристаллической решетке среди множества ионов одного заряда встречаются ионы другого, то это нарушает баланс и искажает электрическое поле кристалла и саму решетку, тем самым отклоняя электроны от их привычной траектории (рассеивая). Чем больше «чужих» атомов, тем сильнее рассеивание. Также в металлах присутствуют различного рода дефекты. Например, когда в узле атом отсутствует или присутствует между узлами лишний. Могут отсутствовать целые цепочки атомов, и присутствовать много других дефектов, которые также искажают кристаллическую решетку и рассеивают электроны.
4️⃣ Внешние условия. Помимо рассеивания электронов на каких-то локальных центрах, описанных в п.3, на движение электронов могут влиять тепловые колебания решетки. Всегда энергия и скорость атомов и молекул пропорциональна температуре, только в газах они двигаются куда угодно, а в кристалле жестко привязаны к своему месту и колеблются вокруг него. Эти колебания тоже рассеивают электроны, и, чем больше температура, тем сильнее. Такие колебания, кстати, условно считают частицами под названием фононы. Когда мы греем металл до температуры плавления, то там вообще порядок разрушается, и сопротивление резко падает. Также на сопротивление может влиять пластическая деформация металла. Здесь мы просто увеличиваем количество дефектов в кристалле, искажаем решетку сильнее и появляется больше локальных центров рассеяния электронов.
Сейчас пока речь идет только про металлы, хотя к проводникам относятся не только они. Но это уже другая история.
Сегодня поговорим о знакомых нам со школы понятиях – электросопротивлении и электрической проводимости.
Многие помнят, что в законе Ома есть ток (I) – двигающиеся в каком-то направлении свободные электроны, напряжение (U) – штука, которая пинает эти электроны, чтобы они двигались (просто путем приложения плюса к одному концу и минуса к другому), и сопротивления (R) – нечто, что мешает этим электронам двигаться по проводнику.
И для последней величины даже есть отдельная формула, которая говорит о том, что чем длиннее проводник, тем больше вероятности электронам столкнуться с чем-то в металле, а, значит, больше сопротивление. Напротив, чем больше площадь сечения проводника, тем большее количество частиц через него проходит, и большее их число дойдет до пункта назначения. Это как в трубе с водой, чем она шире, тем проще в ней воде двигаться. Но там есть еще один коэффициент – удельное электросопротивление, который зависит от типа материала. Вот о нем поговорим подробнее.
Как я уже рассказывал ранее, в металлах положительно заряженные ионы сидят в узлах кристаллической решетки, и весь кристалл наполнен газом из свободных электронов. Так вот, подвижность этих электронов не у всех металлов одинакова, и зависит от того, как устроен тот или иной атом, и структура кристалла.
Я бы выделил четыре основных фактора, влияющие на сопротивление проводника (и на его проводимость, как обратную величину).
Сейчас пока речь идет только про металлы, хотя к проводникам относятся не только они. Но это уже другая история.
Please open Telegram to view this post
VIEW IN TELEGRAM
1❤12👍7🔥6
Почему медь и серебро – лучшие проводники?
В предыдущем посте я говорил о факторах, влияющих на электропроводность металлов. Там мы говорили об особенностях переходных металлов. О том, что их сопротивление ниже из-за участия в переносе заряда малоподвижных d-электронов с незаполненных внутренних оболочек. Но вот парадокс: медь и серебро, которые всем известны, как лучшие в мире проводники, тоже являются переходными металлами!
У нас тут, вроде бы физика, но еще и химию с таблицей Менделеева вспоминать приходится.
В переходных металлах внешняя оболочка, как правило, полностью заполнена, а внутренняя нет. Но среди них есть несколько исключений, когда энергетически выгодно быстрее наполовину или полностью заполнить эту d-оболочку в угоду внешней. Одним из таких исключений является медь, у которой внутренняя d-оболочка полностью заполнена, а внешняя заполнена не до конца.
У меди из-за достижения энергетически выгодного положения внутренней оболочки d-электроны уже перестают участвовать в проводимости и своей малоподвижностью негативно влиять на способность переносить заряд. Более того, эта заполненная внутренняя оболочка, как будто, экранирует положительное ядро от внешнего отрицательно заряженного электрона и еще больше ослабляет кулоновское притяжение, давая больше свободы переносчику тока. Добавим к этому всему тот факт, что в кристаллической структуре меди атомы упакованы наиболее плотным образом, а значит, концентрация свободных электронов высокая. По этим причинам, при прочих равных, медь хорошо проводит ток.
Аналогичным строением электронных оболочек обладает серебро. А оно является рекордсменом по электропроводности. Ее сопротивление даже меньше, чем у меди. У серебра атом больше, и внешняя электронная оболочка, на которой сидит свободный электрон, находится дальше от ядра. Тем самым, помимо того же самого «экранирования» ядра внутренними оболочками, сила притяжения к нему еще слабее, из-за увеличенного расстояния. Поэтому серебро – лучший проводник из всех металлов. Правда дорогой.
Есть еще парочка металлов с хорошей проводимостью. В комментариях можете написать, какие.
В предыдущем посте я говорил о факторах, влияющих на электропроводность металлов. Там мы говорили об особенностях переходных металлов. О том, что их сопротивление ниже из-за участия в переносе заряда малоподвижных d-электронов с незаполненных внутренних оболочек. Но вот парадокс: медь и серебро, которые всем известны, как лучшие в мире проводники, тоже являются переходными металлами!
У нас тут, вроде бы физика, но еще и химию с таблицей Менделеева вспоминать приходится.
В переходных металлах внешняя оболочка, как правило, полностью заполнена, а внутренняя нет. Но среди них есть несколько исключений, когда энергетически выгодно быстрее наполовину или полностью заполнить эту d-оболочку в угоду внешней. Одним из таких исключений является медь, у которой внутренняя d-оболочка полностью заполнена, а внешняя заполнена не до конца.
У меди из-за достижения энергетически выгодного положения внутренней оболочки d-электроны уже перестают участвовать в проводимости и своей малоподвижностью негативно влиять на способность переносить заряд. Более того, эта заполненная внутренняя оболочка, как будто, экранирует положительное ядро от внешнего отрицательно заряженного электрона и еще больше ослабляет кулоновское притяжение, давая больше свободы переносчику тока. Добавим к этому всему тот факт, что в кристаллической структуре меди атомы упакованы наиболее плотным образом, а значит, концентрация свободных электронов высокая. По этим причинам, при прочих равных, медь хорошо проводит ток.
Аналогичным строением электронных оболочек обладает серебро. А оно является рекордсменом по электропроводности. Ее сопротивление даже меньше, чем у меди. У серебра атом больше, и внешняя электронная оболочка, на которой сидит свободный электрон, находится дальше от ядра. Тем самым, помимо того же самого «экранирования» ядра внутренними оболочками, сила притяжения к нему еще слабее, из-за увеличенного расстояния. Поэтому серебро – лучший проводник из всех металлов. Правда дорогой.
Есть еще парочка металлов с хорошей проводимостью. В комментариях можете написать, какие.
👍11❤6🔥6🆒2
Как тела проводят тепло?
Если уже затронули тему электропроводности, то давайте поговорим и о теплопроводности, ведь бывает так, что эти две величины связаны.
Как я уже говорил, и многим это давно известно, кинетическая энергия атомов пропорциональна температуре. При нагревании твердых тел атомы не могут свободно двигаться, поэтому им остается только колебаться вокруг своего положения, и, чем больше температура, тем больше амплитуда этих колебаний. Такие колебания для упрощения можно считать условными частицами под названием фононы. Они являются одними из переносчиков тепла в твердых телах.
Так как атомы в кристаллической решетке расположены довольно близко друг к другу, во время колебаний каждый атом оказывает влияние на соседние, тоже приводя их в движение (см. анимацию). Таким образом, возникает волна тепловых колебаний атомов, которая может распространяться по всему кристаллу, перенося, тем самым, тепло.
Но все бы хорошо, но при таких условиях, если бы все атомы совершали синхронные колебания и такие тепловые волны не встречали бы никаких препятствий, то тепло распространялось бы со скоростью звука и теплопроводность была бы бесконечно большой.
Однако, как мы знаем, в реальных кристаллах этого не происходит, как раз из-за того, что никакой синхронности колебаний атомов в них нет. Это значит, что колебания атомов взаимодействуют друг с другом, где-то усиливая, а где-то ослабляя самих себя. Вообще этот процесс можно описать, представив, что кристалл – это ящик с фононами, которые беспорядочно двигаются, сталкиваясь друг с другом, изменяя свою скорость и направление, или вообще могут размножиться при столкновении. Такое явление носит название ангармонизм колебаний атомов или фонон-фононное рассеяние. Из-за таких вот непростых взаимодействий между фононами происходит замедление передачи тепла из одной части кристалла в другую, и мы наблюдаем реальную теплопроводность.
Фононная или решеточная теплопроводность присутствует во всех кристаллах, но металлы, как всегда, снова отличились. В них же есть свободные электроны, а чем они не переносчики тепла? При нагреве дополнительная энергия переходит в колебания атомов решетки, а те, в свою очередь, могут передавать энергию свободным электронам или забирать ее. Свободные электроны дают дополнительный вклад в перенос тепла, и именно поэтому металлы обладают высокой теплопроводностью.
Я думаю, вы уже догадались, что физика процесса здесь схожа с электрическим сопротивлением. Мы уже знаем, что свободным электронам в металле мешают двигаться примеси, дефекты или сами колебания атомов (фононы). Поэтому теплопроводность в металлах прямо пропорциональна электрической проводимости. Это называется законом Видемана-Франца.
Удивительно, фононы проводят тепло и одновременно мешают ему распространяться. Здесь все зависит от амплитуды тепловых колебаний. При низких температурах колебания слабые, и фононы практически не мешают электронам проводить тепло, а при высоких их амплитуда такая большая, что электроны на них тормозятся.
Такие вот привычные нам свойства веществ скрывают в себе много интересного. Ну и, если вы читали предыдущие посты, наверное догадались, у какого металла самая высокая теплопроводность.
Если уже затронули тему электропроводности, то давайте поговорим и о теплопроводности, ведь бывает так, что эти две величины связаны.
Как я уже говорил, и многим это давно известно, кинетическая энергия атомов пропорциональна температуре. При нагревании твердых тел атомы не могут свободно двигаться, поэтому им остается только колебаться вокруг своего положения, и, чем больше температура, тем больше амплитуда этих колебаний. Такие колебания для упрощения можно считать условными частицами под названием фононы. Они являются одними из переносчиков тепла в твердых телах.
Так как атомы в кристаллической решетке расположены довольно близко друг к другу, во время колебаний каждый атом оказывает влияние на соседние, тоже приводя их в движение (см. анимацию). Таким образом, возникает волна тепловых колебаний атомов, которая может распространяться по всему кристаллу, перенося, тем самым, тепло.
Но все бы хорошо, но при таких условиях, если бы все атомы совершали синхронные колебания и такие тепловые волны не встречали бы никаких препятствий, то тепло распространялось бы со скоростью звука и теплопроводность была бы бесконечно большой.
Однако, как мы знаем, в реальных кристаллах этого не происходит, как раз из-за того, что никакой синхронности колебаний атомов в них нет. Это значит, что колебания атомов взаимодействуют друг с другом, где-то усиливая, а где-то ослабляя самих себя. Вообще этот процесс можно описать, представив, что кристалл – это ящик с фононами, которые беспорядочно двигаются, сталкиваясь друг с другом, изменяя свою скорость и направление, или вообще могут размножиться при столкновении. Такое явление носит название ангармонизм колебаний атомов или фонон-фононное рассеяние. Из-за таких вот непростых взаимодействий между фононами происходит замедление передачи тепла из одной части кристалла в другую, и мы наблюдаем реальную теплопроводность.
Фононная или решеточная теплопроводность присутствует во всех кристаллах, но металлы, как всегда, снова отличились. В них же есть свободные электроны, а чем они не переносчики тепла? При нагреве дополнительная энергия переходит в колебания атомов решетки, а те, в свою очередь, могут передавать энергию свободным электронам или забирать ее. Свободные электроны дают дополнительный вклад в перенос тепла, и именно поэтому металлы обладают высокой теплопроводностью.
Я думаю, вы уже догадались, что физика процесса здесь схожа с электрическим сопротивлением. Мы уже знаем, что свободным электронам в металле мешают двигаться примеси, дефекты или сами колебания атомов (фононы). Поэтому теплопроводность в металлах прямо пропорциональна электрической проводимости. Это называется законом Видемана-Франца.
Удивительно, фононы проводят тепло и одновременно мешают ему распространяться. Здесь все зависит от амплитуды тепловых колебаний. При низких температурах колебания слабые, и фононы практически не мешают электронам проводить тепло, а при высоких их амплитуда такая большая, что электроны на них тормозятся.
Такие вот привычные нам свойства веществ скрывают в себе много интересного. Ну и, если вы читали предыдущие посты, наверное догадались, у какого металла самая высокая теплопроводность.
This media is not supported in your browser
VIEW IN TELEGRAM
🔥12👍8❤7💯2🆒1
Решил я, что мои длинные посты не всегда вовремя прилетают подписчикам, из-за чего некоторые из них кем-то могут быть пропущены, хоть и интересны.
Поэтому периодически буду выпускать дайджесты основных постов, вышедших за какой-то период, чтобы вы могли вспомнить, вернуться и почитать их.
Сегодня предлагаю дайджест постов за сентябрь-октябрь, которые вы можете почитать в эти длинные выходные.
Большой и, как оказалось, достаточно сложный лонгрид про магнитные свойства веществ, который я писал полмесяца) Для тех, кто хочет напрячься.
На контрасте с предыдущим хорошо зашедший пост об особом виде морского миража под названием Фата-Моргана, который родил миф о летучем голландце.
Немного физики домашней электрики: принципы работы приборов, защищающих от короткого замыкания и от удара током.
Кому и за что присудили Нобелевскую премию по физике в 2025 году. Краткий обзор открытия на простом русском языке.
Почему металлы блестят? Взгляд одним глазком в электронную теорию.
Что мешает току течь по проводам? О причинах появления электрического сопротивления, а также продолжение о том, почему медь и серебро - лучшие проводники.
Голубое свечение ядерных реакций. О физике излучения Вавилова-Черенкова. Опасно оно или нет?
Поэтому периодически буду выпускать дайджесты основных постов, вышедших за какой-то период, чтобы вы могли вспомнить, вернуться и почитать их.
Сегодня предлагаю дайджест постов за сентябрь-октябрь, которые вы можете почитать в эти длинные выходные.
Большой и, как оказалось, достаточно сложный лонгрид про магнитные свойства веществ, который я писал полмесяца) Для тех, кто хочет напрячься.
На контрасте с предыдущим хорошо зашедший пост об особом виде морского миража под названием Фата-Моргана, который родил миф о летучем голландце.
Немного физики домашней электрики: принципы работы приборов, защищающих от короткого замыкания и от удара током.
Кому и за что присудили Нобелевскую премию по физике в 2025 году. Краткий обзор открытия на простом русском языке.
Почему металлы блестят? Взгляд одним глазком в электронную теорию.
Что мешает току течь по проводам? О причинах появления электрического сопротивления, а также продолжение о том, почему медь и серебро - лучшие проводники.
Голубое свечение ядерных реакций. О физике излучения Вавилова-Черенкова. Опасно оно или нет?
👍18❤10🔥7🆒3
Все ресурсы, предназначенные для написания постов, в последние недели были потрачены на нахождение в больнице с ребенком. Хотел наперед написать постов, чтобы не отвлекаться здесь на ведение блога, но все случилось немного раньше запланированного, и сильно затянулось.
Только сейчас нашел силы, и завтра будет пост, навеянный пребыванием в этом месте.
Только сейчас нашел силы, и завтра будет пост, навеянный пребыванием в этом месте.
😱14🙏11🤯3❤2
Бактерицидные лампы, как они работают?
Пребывание в последние две недели в больнице навеяло пост про ультрафиолет, который здесь активно используется для обеззараживания помещений.
Все мы знаем, что за фиолетовой частью видимого спектра скрываются невидимые ультрафиолетовые лучи, у которых длина волны меньше, а, значит, выше энергия. Основным источником ультрафиолета на нашей планете, как мы знаем, является Солнце, но не все излучение до нас доходит.
Небольшой экскурс в спектр ультрафиолетового излучения, который делится на три основных части:
UVA с длиной волны 315-400 нм
UVB с длиной волны 280-315 нм
UVC с длиной волны 100-280 нм
Вообще ультрафиолетовый спектр принято считать от 10 нм, но наиболее жесткое излучение с длиной волны 10-100 нм мы рассматривать пока не будем.
От солнца, кстати, до земли доходит только UVA, а UVB и UVC поглощаются озоновым слоем и кислородом.
Теперь поговорим про наиболее старый способ искусственного получения ультрафиолета. В большинстве бюджетных больницах он и применяется.
И тут нам на помощь приходит ни что иное как ртуть – наша палочка-выручалочка в измерениях атмосферного давления, температуры, а теперь еще и в получении ультрафиолета, ее атомы как раз способны излучать в этом диапазоне.
Процессы, происходящие в ртутных лампах, - это газовые разряды, подобные тем, которые возникают при сварке. В стеклянной лампе, к концам которой подключены электроды, находится капля ртути и инертный газ (например, аргон). Когда к концам прикладывают высокое напряжение, возникает газовый разряд – электроны отрываются от катода, и, ускоряясь электрическим полем, двигаются к аноду и сталкиваются с атомами газа, приводя их в возбужденное или ионизированное состояние. Мы уже много раз говорили о том, что в первом случае электрон переходит на уровень с более высокой энергией, а потом спрыгивает обратно, испуская фотон, а при ионизации электрон совсем покидает атом, образуя ион.
Но ртуть изначально в таких лампах находится в жидком состоянии, и ее нужно сначала испарить, а потом возбудить или ионизировать ее атомы (зажечь дугу). Для этого сначала ионизируется аргон. Ионизируясь, он постепенно разогревает каплю ртути и испаряет ее, а также увеличивает количество электронов, повышая их вероятность столкнуться с атомами ртути, которых в лампе достаточно мало. После того, как пары ртути заполняют лампу и рождается достаточное количество электронов для ее возбуждения и ионизации, зажигается ртутная дуга и начинается испускание желаемого ультрафиолета. По сути внутри лампы находятся два типа плазмы: холодная плазма аргона и горячая плазма ртути. Примерно так работают старые ртутные лампы.
В бактерицидных лампах, из-за того, что «рабочих» атомов мало, то и вероятность их возбудить летящими электронами тоже невелика. В таких условиях они передают минимальную энергию атому ртути, требуемую для его возбуждения из основного состояния. И эта энергия соответствует испусканию фотона длиной волны 254 нм (UVC).
А ещё бывает так, что электрону хватает энергии, чтобы дать испустить волну длиной 185 нм. Энергия таких фотонов (где-то 6-7 эВ) больше энергии связи двух атомов в молекуле кислорода, поэтому они могут разрушать молекулу O2 на два атома О, каждый из которых быстренько прикрепляется к другой молекуле О2, образуя молекулу О3 – озон.
О том, как именно ультрафиолетовое излучение разрушает ДНК и РНК бактерий и вирусов, а также о том, как озон может обеззараживать помещение и влиять на организм, предлагаю рассказать в комментариях профильным специалистам или просто биологам, которые тут, вроде как, были.
Пребывание в последние две недели в больнице навеяло пост про ультрафиолет, который здесь активно используется для обеззараживания помещений.
Все мы знаем, что за фиолетовой частью видимого спектра скрываются невидимые ультрафиолетовые лучи, у которых длина волны меньше, а, значит, выше энергия. Основным источником ультрафиолета на нашей планете, как мы знаем, является Солнце, но не все излучение до нас доходит.
Небольшой экскурс в спектр ультрафиолетового излучения, который делится на три основных части:
UVA с длиной волны 315-400 нм
UVB с длиной волны 280-315 нм
UVC с длиной волны 100-280 нм
Вообще ультрафиолетовый спектр принято считать от 10 нм, но наиболее жесткое излучение с длиной волны 10-100 нм мы рассматривать пока не будем.
От солнца, кстати, до земли доходит только UVA, а UVB и UVC поглощаются озоновым слоем и кислородом.
Теперь поговорим про наиболее старый способ искусственного получения ультрафиолета. В большинстве бюджетных больницах он и применяется.
И тут нам на помощь приходит ни что иное как ртуть – наша палочка-выручалочка в измерениях атмосферного давления, температуры, а теперь еще и в получении ультрафиолета, ее атомы как раз способны излучать в этом диапазоне.
Процессы, происходящие в ртутных лампах, - это газовые разряды, подобные тем, которые возникают при сварке. В стеклянной лампе, к концам которой подключены электроды, находится капля ртути и инертный газ (например, аргон). Когда к концам прикладывают высокое напряжение, возникает газовый разряд – электроны отрываются от катода, и, ускоряясь электрическим полем, двигаются к аноду и сталкиваются с атомами газа, приводя их в возбужденное или ионизированное состояние. Мы уже много раз говорили о том, что в первом случае электрон переходит на уровень с более высокой энергией, а потом спрыгивает обратно, испуская фотон, а при ионизации электрон совсем покидает атом, образуя ион.
Но ртуть изначально в таких лампах находится в жидком состоянии, и ее нужно сначала испарить, а потом возбудить или ионизировать ее атомы (зажечь дугу). Для этого сначала ионизируется аргон. Ионизируясь, он постепенно разогревает каплю ртути и испаряет ее, а также увеличивает количество электронов, повышая их вероятность столкнуться с атомами ртути, которых в лампе достаточно мало. После того, как пары ртути заполняют лампу и рождается достаточное количество электронов для ее возбуждения и ионизации, зажигается ртутная дуга и начинается испускание желаемого ультрафиолета. По сути внутри лампы находятся два типа плазмы: холодная плазма аргона и горячая плазма ртути. Примерно так работают старые ртутные лампы.
В бактерицидных лампах, из-за того, что «рабочих» атомов мало, то и вероятность их возбудить летящими электронами тоже невелика. В таких условиях они передают минимальную энергию атому ртути, требуемую для его возбуждения из основного состояния. И эта энергия соответствует испусканию фотона длиной волны 254 нм (UVC).
А ещё бывает так, что электрону хватает энергии, чтобы дать испустить волну длиной 185 нм. Энергия таких фотонов (где-то 6-7 эВ) больше энергии связи двух атомов в молекуле кислорода, поэтому они могут разрушать молекулу O2 на два атома О, каждый из которых быстренько прикрепляется к другой молекуле О2, образуя молекулу О3 – озон.
О том, как именно ультрафиолетовое излучение разрушает ДНК и РНК бактерий и вирусов, а также о том, как озон может обеззараживать помещение и влиять на организм, предлагаю рассказать в комментариях профильным специалистам или просто биологам, которые тут, вроде как, были.
👍18🔥7❤6