Тема 5.9. Элементы квантовой электроники

5.9.1. Волновые функции стационарных состояний. Уравнение Шредингера при наличии возмущений. Вероятность перехода. Коэффициенты Эйнштейна для индуцированных переходов в двухуровневой системе. Принцип работы квантового генератора. Твердотельные и газоразрядные лазеры. Основные этапы развития квантовой электроники. Мазер. Метод трех уровней. Лазеры. Приложение квантовой электроники.

Тема 5.10. Фазовые равновесия и фазовые превращения

5.10.1. Фазы и фазовые превращения. Условия равновесия фаз. Фазовые диаграммы. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Критическая точка. Метастабильные состояния. Фазовые переходы второго рода.

6. Состояние вещества

Тема 6.1. Вещество в различных условиях

6.1.1. Реальные газы. Потенциал межмолекулярного взаимодействия. Изотермы Ван-дер-Ваальса. Закон соответственных состояний. Эффект Джоуля-Томсона. Дросселирование газов.

6.1.2. Жидкое состояние. Жидкости. Поверхностное натяжение. Условие равновесия на границе жидкостей. Капиллярные явления. Структура жидкости. Жидкие кристаллы.

6.1.3. Жидкие растворы. Растворы. Закон Райля и Генри. Осмотическое давление. Диаграмма состояния раствора.

6.1.4. Аэродисперсные системы и коллоиды. Пыли, дымы, туманы. Давление насыщенных и пересыщенных паров. Коагуляция. Коллоидные растворы. Суспензии.

6.1.5. Вещество в экстремальных условиях. Вещество при сверхвысоких температурах и сверхвысоких плотностях. Металлический водород. Карликовые белые звезды. Нейтронное состояние вещества. Пульсары. Вещество в сверхсильных электромагнитных полях.

7. Современная физическая картина мира

7.1.1. Вещество и поле. Атомно-молекулярное строение вещества. Атомное ядро. Кварки. Элементарные частицы: лептоны, адроны. Сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное взаимодействие. Иерархия взаимодействий. О единых теориях материи.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Савельев И.В. Курс физики. – М.6 Наука, 1989. – Т.1-3.

2. Сивухин Д.В. Общий курс физики. – М.: Наука, 1977-1989.-Т.1-5.

3. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. – М.: Высш.школа, 1989.

4. Зисман Б.А., Тодес О.М. Курс физики. – Киев, 1994. – Т.1-3.

5. Калашникв С.Г. Электричество. – М.: Наука,, 1977.

6. Берклеевский курс физики. – М.: Наука, 1975-1977. – Т.1-5.

7. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высш.школа, 1985.

8. Епифанов Г.И. Физика твердого тела. – М.: Высш.школа, 1977.

8. Матвеев А.Н. Курс общей физики. М.: Высш.школа, 1976-1989. Т.1-5.

Контрольная работа № 2

Предлагаемые задачи охватывают следующие темы:

Электромагнетизм

1. 001-010 – постоянный электрический ток.

П. 011-020 – магнитное поле.

Ш. 021-030 – действие магнитного поля на заряд и электрический ток.

1У. 031-040 – явление электромагнитное индукции.

Волновая оптика

У. – 041-050 – волновая оптика.

У1. – 051-060 – тепловое излучение.

Квантовая теория

УП. 061-070 – фотоэффект.

УШ. 071-080 – квантовая теория.

1Х. 081-090 – атом и атомное ядро.

Х. –91-100 – физика твердого тела.

Таблица 1

Таблица вариантов к контрольной работе № 2

Вариант	Номера задач по темам
	1	П	Ш	1У	У	У1	УП	УШ	1Х	Х
0	006	011	023	037	046	059	061	072	086	091
1	009	015	026	038	048	056	062	074	083	092
2	001	019	027	034	045	055	063	080	087	095
3	002	020	030	039	047	058	064	077	081	099
4	003	016	024	033	044	052	065	078	090	093
5	007	013	025	040	049	051	066	071	089	096
6	010	017	028	036	043	057	067	075	088	098
7	004	018	029	031	050	053	068	076	085	094
8	005	012	022	035	041	054	069	079	082	097
9	008	014	021	032	042	060	070	073	084	100

Студент-заочник должен решать задачи того варианта, номер которого совпадает с последней цифрой его шифра. Количество задач и номера тем указываются преподавателем.

УЧЕБНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ПО РАЗДЕЛАМ

КУРСА ФИЗИКИ

1. ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

ОСНОВНЫЕ ФОРМУЛЫ

Сила тока:

I = q/t;

где q - заряд, прошедший через поперечное сечение проводника за время t,

Плотность тока:

j = I/S, ,

где S – площадь поперечного сечения проводника; - нормаль к поверхности сечения проводника.

Связь плотности тока со средней скоростью  направленного движения заряженных частиц:

j = en,

где е – заряд частицы.

Закон Ома:

а) для участка цепи, не содержащего ЭДС:

где ₁ - ₂ = U – разность потенциалов (напряжений) на концах участка цепи; R – сопротивление участка;

б) для участка цепи, содержащего ЭДС:

,

где  - ЭДС источника тока; R – полное сопротивление участка (сумма внешних и внутренних сопротивлений);

в) для замкнутой (полной) цепи

,

где R – внешнее сопротивление цепи; r – внутреннее сопротивление

цепи.

Законы Кирхгофа:

а) первый закон

,

где - алгебраическая сумма сил токов, сходящихся в узле;

б) второй закон

,

где - алгебраическая сумма произведений сил токов на сопротивление участка; - алгебраическая сумма ЭДС.

Сопротивление R и проводимость G проводника:

,

где  - удельное сопротивление;  - удельная проводимость; - длина проводника; S – площадь поперечного сечения проводника.

Сопротивление системы проводников:

а) при последовательном соединении

б) при параллельном соединении

где R_i – сопротивление i-того проводника.

Работа электрического тока:

Первая формула справедлива для любого участка цепи, на концах которого поддерживается напряжение U, последние две – для участка, не содержащего ЭДС, t – время.

Закон Джоуля-Ленца:

Q = I²Rt.

Закон Ома в дифференциальной форме:

где  - удельная проводимость; напряженность электрического поля; - плотность тока.

Связь удельной проводимости с подвижностью b заряженных частиц (ионов):

,

где q – заряд иона; n – концентрация ионов, b₊ и b_- - подвижности положительных и отрицательных ионов.

Связь магнитной индукции с напряженностью магнитного поля:

где  - магнитная проницаемость изотропной среды; ₀ – магнитная постоянная (₀ = 4^.10^-7 Гн/м). В вакууме  = I, и тогда магнитная индукция в вакууме

.

Закон Био-Савара-Лапласа:

, или

где dB – магнитная индукция поля, создаваемого элементом проводника длиной dl с током I; - радиус-вектор, направленный от элемента проводника к точке, в которой магнитная индукция вычисляется;  - угол между радиусом-вектором и направлением тока в элементе проводника.

Магнитная индукция в центре кругового тока:

где R – радиус кругового витка.

Магнитная индукция на оси кругового тока:

где h – расстояние от центра витка до точки, в которой вычисляется магнитная индукция.

Магнитная индукция поля бесконечно длинного проводника с током:

где r₀ – расстояние от оси проводника до точки, в которой вычисляется магнитная индукция.

Магнитная индукция поля, создаваемого отрезком провода с током (рис.1,а):

Обозначения ясны из рисунка. Направление вектора магнитной индукции обозначено точкой – это значит, что направлен перпендикулярно плоскости чертежа к нам.

При симметричном расположении концов провода относительно точки, в которой определяется магнитная индукция (рис.1,б), cos , тогда

.

а) б) 1  r0 r0 I I  2 Рис.1

 - Магнитная индукция поля соленоида:

В = ₀nI,

где n – число витков соленоида, приходящееся на единицу длины.

 Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, закон Ампера:

где - длина проводника,  - угол между направлением тока в проводнике и вектором магнитной индукции . Это выражение справедливо для однородного магнитного поля прямого отрезка проводника. Если поле неоднородно и проводник не является прямым, то закон Ампера можно применить к каждому элементу проводника в отдельности:

 Сила взаимодействия параллельных проводов с током:

,

где d – расстояние между проводниками.

 Магнитный момент контура с током:

,

где S – площадь контура; вектор - численно равен площади S контура и совпадает по направлению с вектором нормали к плоскости контура; I – сила тока, протекающего по контуру.

 Механический (вращательный) момент, действующий на контур с током, помещенный в однородное магнитное поле:

,

где  - угол между векторами .

 Потенциальная энергия контура с током в магнитном поле:

За нулевое значение потенциальной энергии контура с током в магнитном поле принято расположение контура, когда вектор перпендикулярен .

 Отношение магнитного момента к механическому L (моменту импульса) заряженной частицы, движущейся по круговой орбите:

где q – заряд частицы; m – масса частицы.

 Сила Лоренца:

где - скорость заряженной частицы;  - угол между векторами .

Если частица находится одновременно в электрическом и магнитном полях, то под силой Лоренца понимают выражение:

 Магнитный поток:

а) в случае однородного магнитного поля и плоской поверхности

Ф=ВСcos или Ф= B_nS,

где S – площадь контура;  - угол между нормалью к плоскости контура и вектором магнитной индукции;

б) в случае неоднородного поля и произвольной поверхности

интегрирование ведется по всей поверхности.

 Потокосцепление (полный поток):

 = NФ.

Эта формула верна для соленоида и тороида с равномерной намоткой плотно прилегаюших друг к другу N витков.

 Работа по перемещению замкнутого контура в магнитном поле:

А = IФ.

 ЭДС индукции:

где знак «минус» обусловлен правилом Ленца: индукционный ток направлен так, чтобы своим магнитным полем препятствовать изменению основного магнитного поля.

 Разность потенциалов на концах проводника, движущегося со скоростью в магнитном поле:

U = B ,

где - длина проводника;  - угол между векторами .

 Заряд, протекающий по замкнутому контуру при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур:

где R – сопротивление контура.

 Индуктивность контура:

.

 ЭДС самоиндукции:

 Индуктивность соленоида:

L = ₀n²V,

где n – число витков, приходящихся на единицу длины соленоида, V – объем соленоида.

 Мгновенное значение силы тока в цепи, обладающей сопротивлением R и индуктивностью L:

а) при замыкании цепи:

где  - ЭДС источника тока; t – время, прошедшее после замыкания цепи;

б) при размыкании цепи:

где I₀ – значение силы тока в цепи при t = 0; t – время, прошедшее с момента размыкания цепи.

 Энергия магнитного поля:

.

 Объемная плотность энергии магнитного поля (энергия, заключенная в единице объема):

где В – магнитная индукция; Н – напряженность магнитного поля.