Φυσική ΙΙ (Ηλεκτρομαγνητισμός Οπτική)

Transcript

1 Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Φυσική ΙΙ (Ηλεκτρομαγνητισμός Οπτική) Διάλεξη 1 η Ιωάννα Ζεργιώτη

2 Άδεια Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναγράφεται ρητώς.

3 ΦΥΣΙΚΗ ΙΙ 3 ο Εξάμηνο Σχολή Αγρ. Τοπ. Μηχ. Δρ. ΙΩΑΝΝΑ ΖΕΡΓΙΩΤΗ ΣΕΜΦΕ Τηλ. 3345, νέο κτ. Φυσ. Β105 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ: ΗΛΙΑΣ ΚΑΡΚΑΝΗΣ Τηλ. 3015, νέο κτ. Φυσ. Β04

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ ΒΙΒΛΙΟ ΦΥΣΙΚΗ ΙΙ (Ηλεκτρομαγνητισμός- Οπτική), HUGH YOUNG, ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΠΑΠΑΖΗΣΗ Ηλεκτρικό πεδίο, Ηλεκτροστατικά πεδία στο κενό, (Ν. Coulomb, N. Gauss, Δυναμικό), Ηλεκτροστατικά πεδία στην Ύλη (παρουσία αγωγών, παρουσία μονωτών, Ηλεκτρικά Δίπολα), μαγνητικό πεδίο, Μαγνητοστατικά πεδία, (N. Bior-Savart, N. Ampere), Μαγνητικά Δίπολα, Χρονομεταβαλλόμενο Η/Μ πεδίο, αλληλεπίδραση ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου. Εξισώσεις Maxwell και Ηλεκτρομαγνητικά Κύματα, Γεωμετρική Οπτική, ανάκλαση, διάθλαση, κάτοπτρα, πρίσματα, φακοί, οπτικά όργανα, (μάτι, φωτογραφική μηχανή, τηλεσκόπια, διακριτική ικανότητα οπτικών οργάνων). Πηγές φωτός και ανιχνευτές οπτικής ακτινοβολίας (ραδιομετρία, φωτομετρία, μέλαν σώμα, φωτοδίοδοι εκπομπής, ανιχνευτές) Κυματική οπτική διασκεδασμός, διάθλαση, ανάκλαση, πόλωση, υπέρθεση, συμβολή, περίθλαση, συμφωνία κυμάτων, Συμβολομετρία, συμβολομετρικές τεχνικές.

5

6 Ο Ατομικός αριθμός είναι ο αριθμός των πρωτονίων του πυρήνα ενός ατόμου. Είναι χαρακτηριστικό ενός πυρήνα ή ενός χημικού στοιχείου και συμβολίζεται διεθνώς με το γράμμα Ζ. Ο ατομικός αριθμός εκφράζει επίσης και τον αριθμό των ηλεκτρονίων ενός ουδέτερου ατόμου καθώς στα ουδέτερα άτομα ο αριθμός των πρωτονίων και των ηλεκτρονίων είναι ίσος. Κατά τον συμβολισμό ενός στοιχείου ή ενός πυρήνα ο ατομικός αριθμό γράφεται συνήθως ως δείκτηςστηνκάτωαριστερήγωνίατουσυμβόλου. Ο μαζικός αριθμός είναι το πλήθος των νουκλεονίων (νετρονίων και πρωτονίων) που εμπεριέχονται μέσα στον πυρήνα κάθε ατόμου. Συμβολίζεται με Α. Ο μαζικός αριθμός δεν είναι χαρακτηριστικός ενός χημικού στοιχείου: τα διάφορα ισότοπα κάποιου στοιχείου έχουν ίδιο αριθμό πρωτωνίων, αλλάδιαφορετικόαριθμόνετρονίων. Συνήθως, σαν μαζικός αριθμός ενός στοιχείου αναφέρεται αυτός του πιο σταθερού ισοτόπου του. Πυρήνες που έχουν τον ίδιο μαζικό αριθμό, αλλά ο αριθμός των πρωτονίων του ενός ισούται με τον αριθμό των νετρονίων του άλλου λέγονται κατοπτρικοί πυρήνες. Για παράδειγμα κατοπτρικοί πυρήνες θεωρούνται ο (Βόριο) με τον (Άνθρακας). Πρωτόνιο και το νετρόνιο είναι συνδιασμός των κουαρκ με φορτια +-1/3, +-2/3 του φορτίου του e. m e =9,109 x10-31 Kg m p = 1,672 x10-27 Kg m n = 1,672 x10-27 Kg e= 1,6021x10-19 Cb

7 Βαρυτική Αλληλεπίδραση Αυτή η αλληλεπίδραση είναι υπεύθυνη για τη συγκρότηση των γαλαξιών, για την περιφορά της Γης και των άλλων πλανητών γύρω από τον Ήλιο. Η επαναφορά μας στο έδαφος, όταν πηδάμε, οφείλεται στη βαρύτητα. Είναι η δύναμη που ασκείται μεταξύ όλων των σωμάτων και είναι πάντοτε ελκτική. Ηλεκτρομαγνητική Αλληλεπίδραση Είναι υπεύθυνη για τη λειτουργία όλων των ηλεκτρικών μηχανών. Αλλά είναι ακόμα υπεύθυνη για τη συγκρότηση των ατόμων: τα ηλεκτρόνια περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα του ατόμου συγκρατούμενα από την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση. Ασκείται μεταξύ όλων των σωμάτων που έχουν ηλεκτρικό φορτίο. Διακρίνουμε δυο ειδών φορτία: το θετικό και το αρνητικό. Τα ομόσημα φορτία (θετικό - θετικό ή αρνητικό - αρνητικό) απωθούνται ενώ τα ετερόσημα (θετικό - αρνητικό) έλκονται. Παραδείγματα φορτισμένων σωματιδίων είναι: το ηλεκτρόνιο (φορτίο - 1), το πάνω (up) κουάρκ (φορτίο +2/3), ενώ το νετρίνο δεν έχει ηλεκτρικό φορτίο.

8 Ισχυρή αλληλεπίδραση Είναι η πρώτη από τις αλληλεπιδράσεις που δεν εμφανίζονται άμεσα στη καθημερινή μας ζωή. Η ισχυρή αλληλεπίδραση όμως είναι υπεύθυνη για την συγκρότηση των πυρήνων των ατόμων. Αυτή συγκρατεί τα πρωτόνια και τα νετρόνια ώστε να σχηματίσουν τον πυρήνα. Μην ξεχνάτε ότι οι δυνάμεις μεταξύ των ομόσημα (θετικά) φορτισμένων πρωτονίων είναι απωστικές. Τα σωματίδια που "αισθάνονται" την ισχυρή αλληλεπίδραση, όπως το πρωτόνιο και το νετρόνιο, λέγονται αδρόνια. Γνωρίζοντας τώρα ότι τα αδρόνια έχουν εσωτερική δομή, η θεμελιώδης αλληλεπίδραση είναι μεταξύ των κουάρκ που συγκροτούν τα αδρόνια. Η αλληλεπίδραση μεταξύ των κουάρκ περιγράφεται από την κβαντική χρωμοδυναμική. Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των αδρονίων είναι, ακριβώς, εκφάνσεις αυτής της αλληλεπίδρασης. Ασθενής αλληλεπίδραση Είναι η δεύτερη αλληλεπίδραση που δεν είναι άμεσα αντιληπτή. Παρ' όλα αυτά η σημασία της είναι σημαντική. Απλά αναφέρουμε εδώ, ως παράδειγμα, ότι μια από τις βασικές πυρηνικές αντιδράσεις που γίνονται στον ήλιο και τον κάνουν να μας φωτίζει, οφείλεται ακριβώς σ' αυτήν την αλληλεπίδραση. Όσα σωματίδια αισθάνονται την ασθενή αλλά όχι την ισχυρή αλληλεπίδραση τα ονομάζουμε λεπτόνια.

9

10 Διατήρηση του φορτίου Το συνολικό ηλεκτρικό φορτίο σε ένα απομονωμένο σύστημα δηλαδή το αλγεβρικό άθροισμα των θετικών και αρνητικών φορτίων που υπάρχουν σε αυτό οποιαδήποτε χρονική στιγμή δεν αλλάζει ποτέ. Κβάντωση του φορτίου Τα ηλεκτρικά φορτία που υπάρχουν στην φύση έχουν ίδιο πρόσημο και τιμές πολλαπλάσιες μιας ποσότητας ίσης με την ποσότητα του φορτίου που φέρει ένα e. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια κατηγορία των αδρονίων- εμπεριέχουν στοιχειώδη μονάδες που ονομάζονται κουαρκ, τα ηλεκτρικά φορτία των οποίων είναι πολλαπλάσια των e/3. (π.χ. Το πρωτόνιο σχηματίζεται από 3 κουαρκ, 2 με φορτίο 2e/3 και 1 με φορτίο 1e/3).

11 2

12 ΗδύναμηCoulomb είναι κεντρική δύναμη δηλ. η διεύθυνση της συμπίπτει με την ευθεία που ενώνει τα δύο σημεία. ΗδύναμηCoulomb υπακούει τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα (δράση-αντίδραση) F 12 =-F 21 Ισχύει η αρχή της επαλληλίας: Δύο φορτία που ασκούν δυνάμεις σε ένα τρίτο, η ολική δύναμη σε αυτό είναι το διανυσματικό άθροισμα των δυνάμεων που θα του ασκούσε καθένα χωριστά.

13 ΑΝΑΦΟΡΕΣ ΕΙΚΟΝΩΝ Εικόνα 1 Κλίματα νανόμετρων, Πηγή: Πνευματικά Δικαιώματα : The Royal Society & The Royal Academy of Engineering Nanoscience and nanotechnologies Εικόνα 2 Ύλη και στοιχειώδη σωματίδια, Δημιουργός : Νίκος Δ. Τράκας Καθηγητής ΕΜΠ, Τομέας Φυσικής Εικόνα 3 "Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας Εικόνα 4 Σημειακά φορτία και ηλεκτρικές αλληλεπιδράσεις, Πηγή : Serway Physics for Scientists and Engineers (1990) Πνευματικά Διακαιώματα: Saunders College Publishing

14 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα ΕΜΠ» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο ) και από εθνικούς πόρους.