Естесственно научные основы инновационных технологий

Закон полного тока является одним из важнейших законов, устанавливающим неразрывную связь между электрическим током и магнитным полем. любая магнитная линия обязательно охватывает электрический ток и, наоборот, электрический ток всегда окружен магнитным полем.

25.2 Существующие и  альтернативные источники энергии..

Важность понятия энергии определяется тем, что она подчиняется закону сохранения. Способность тела при переходе его из одного состояния в другое совершать определенную работу (работоспособность) и была названа энергией.

Виды энергии: механическая, тепловая, химическая, электромагнитная, гравитационная, ядерная.

Энергия характеризует способность совершать работу, а работа производится при действии на объект физической силы. Работа - энергия в действии.Энергетическими преобразователями являются устройства для преобразования одного из видов природной энергии в вид, удобный для использования человекомПриродной энергией являются все виды энергии, существующие в природе, которые могут быть использованы для нужд человечества. Обычно под ними подразумевают солнечную и ветровую энергии, энергию морских волн, приливов и отливов, тепловую энергию Земли и ряд других. Наиболее удобным видом энергии из всех, используемым человеком, является электричество, хотя в некоторых случаях лучше используется природная энергия, например, тепловая энергия подземных вод, которую можно успешно использовать для обогрева домов, ветры, морские приливы и т. п.Одним из эффективных видов преобразователей энергии являются так называемые “тепловые насосы”, представляющие собой нечто вроде обычного хо, у которого морозильная камера погружена в реку или море. Весьма перспективными для некоторых районов земного шара, в основном, для южных, являются солнечные преобразователи энергии. Этот вид преобразователей энергии используется для космических аппаратов. В преобразователях солнечной энергии на больших площадях размешены полупроводниковые элементы, в которых энергия фотонов света использована для выбивания из атомов слабо связанных электронов и создания электрического напряжения.

Наиболее распространенными, удобными и относительно дешевыми видами энергии являются газ, нефть и вода (гидростанции). В последние десятилетия к ним добавилась атомная энергия (АЭС

Нетрадиционные источники энергии.

Гелиоэнергетика - солнечная энергетика, развивается быстрыми темпами и в разных направлениях. Солнечные устройства служат для отопления и вентиляции зданий, опреснения воды, производства электроэнергии. Также появились транспортные средства с "солнечным приводом". Энергия производится от гелиоэнергетической установки из  плоских солнечных батарей. Мощность каждой батареи 50 Вт. Ночью и в пасмурную погоду ток обеспечивает батарея свинцовых аккумуляторов, заряженных в те часы, когда солнца в избытке.Простейший коллектор солнечного излучения - зачерненный алюминиевый лист, внутри которого находятся трубы с циркулирующей жидкостью. Нагретая за счет солнечной энергии, поглощенной коллектором, жидкость поступает для непосредственного использования. На изготовление коллекторов идет довольно много алюминия.Солнечная энергетика относится к наиболее материалоемким видам производства энергии и обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами.

Энергия ветра. Энергия движущихся воздушных масс огромна. Ветры, дующие на просторах нашей страны, могли бы легко удовлетворить все ее потребности в электроэнергии. Климатические условия позволяют развивать ветроэнергетику на огромной территории.

В наши дни ветроустановки вырабатывают лишь небольшую часть производимой энергии. Сейчас созданы высокопроизводительные установки, позволяющие вырабатывать электроэнергию даже при очень слабом ветре.К созданию ветроколеса - сердца любой ветроэнергетической установки - привлекаются специалисты-самолетостроители, умеющие выбрать наиболее целесообразный профиль лопасти.

Геотермальные источники энергии.

Уже давно работают электростанции, использующие горячие подземные источники. Подземные воды, как "живая кровь" планеты, переносят природное тепло Земли на поверхность. Обладая большой подвижностью и высокой теплоемкостью, они играют роль аккумулятора и теплоносителя.

Энергия Мирового океана.Запасы энергии в Мировом океане колоссальны. Наиболее очевидным способом использования океанской энергии представляется постройка приливных электростанций (мощностью 240 тыс. - 6 млн. кВт·ч). Неожиданной возможностью океанской энергетики оказалось выращивание с плотов в океане быстрорастущих гигантских водорослей, легко перерабатываемых в метан для энергетической замены природного газа. Для полного обеспечения энергией каждого человека достаточно 1 га плантаций таких водорослей. Большое внимание привлекает "океанотермическая энерговерсия" (ОТЭК) - получение электроэнергии за счет разности температур между поверхностными и засасываемыми насосом глубинными океанскими водами, например, при использовании в замкнутом цикле турбины таких легкоиспаряющихся жидкостей, как пропан, фреон или аммоний.

26.1 Геометрическая оптика и волновая теория света.

Прямолинейность световых лучей означает, что форма тени предмета при его освещении точечным источником соответствует геометрической центральной проекции контура предмета (с центром в источнике). Этот закон имеет глубокий смысл, ибо само понятие прямой линии сформировалось главным образом на основе оптических наблюдений.

При освещении предмета протяженным источником света края тени оказываются размытыми. В переходную область между полной тенью и светом (в область полутени) попадают лучи не от всех точек источника.

Представление о прямолинейных световых лучах используется в инструментальной оптике для конструирования и расчета оптических приборов. Расходящийся пучок лучей, выходящих из одной точки (гомоцентрический пучок лучей), с помощью оптической системы (линзы, объектива, вогнутого зеркала) можно превратить в сходящийся. Точка пересечения этих сходящихся лучей будет действительным изображением соответствующей точки источника (предмета). Изображение протяженного предмета, формируемое оптической системой, представляет собой центральную проекцию предмета. Центр проекции находится в центре входного зрачка оптической системы. Для фотообъектива центр проекции обычно совпадает с центром диафрагмы объектива.

Физическая реализация геометрического проектирования с помощью световых лучей, т.е. формирование оптических изображений, широко используется в технике, в частности, при создании печатных микросхем.

Изготовление печатных плат

Изображенные на фотопленке элементы микросхемы проецируются на кристалл кремния, где получается подобное уменьшенное (с помощью системы линз) изображение микросхемы. Специальная обработка позволяет превратить это изображение в печатную микросхему.

Волновая теория света, явления интерференции и дифракции.

Основоположником волновой теории является Х.Гюйгенс. Процесс распространения света он представлял не как поступательное движение. А как последовательный процесс передачи взаимодействия между корпускулами. Его сторонники считали, что свет распространяется в особой среде – «эфире», заполняющем все мировое пространство и свободно проникающем во все тела. Световое возбуждение от источника света передается посредством эфира во все стороны. Так возникли первые волновые представления о природе света. В развитии волновой теории света весьма важную роль сыграл принцип, сформулированный Гюйгенсом, а затем развитый французским физиком О.Френелем. Принцип Гюгенса-Френеля состоит в том, что каждая точка, до которой дошло световое возбуждение в свою очередь становится источником вторичных волн и передает их во все стороны соседним точкам. Наиболее наглядно волновые свойства света проявляются в явлениях интерференции и дифракции.

Интерференция света заключается в том, что при взаимном наложении двух волн происходит усиление или ослабление колебаний. Принцип интерференции впервые сформулировал в 1801 г. английский ученый Томас Юнг. Он поставил простой опыт: на экране кончиком булавки прокалывались два близко расположенных отверстия, которые освещались солнечным светом из небольшого отверстия в зашторенном окне. За экраном наблюдалась вместо двух ярких точек серия чередующихся темных и светлых колец, представляющая собой интерференционную картину. Необходимым условием интерференции является когерентность волн – согласованное протекание колебательных или волновых процессов.

Отклонение света от прямолинейного распространения называется дифракцией. На дифракции основаны многие оптические приборы. В частности, дифракция рентгеновских лучей используется во многих аппаратах различного назначения.

26.2 Ядерная энергия и проблема ее использования.

Ядерная энергия - это внутренняя энергия атомного ядра, выделяющаяся при ядерных реакциях. Энергия, которую нужно затратить для расщепления ядра на составляющие его нуклоны наз-ся энергией связи ядра. Энергия связи ядра, рассчитанная на один нуклон, наз-ся удельной энергией связи.

Энергия связи ядра складывается из энергии притяжения нуклонов друг к другу под действием ядерных сил и энергии взаимоного отталкивания протонов под действием электростатических сил. Каждый нуклон сильно взаимодействует лишь с небольшим числом соседних. Поэтому уже начиная с альфа-частицы удельная энергия связи слабо растет с увеличением атомного веса, достигая максимума у ядра железа Fe (А=56), после чего идет спад.

Из-за электростатического отталкивания протонов реакции ядерного синтеза могут развиваться, если кинетическая энергия ядер велика. В земных условиях осуществлены две термоядерные реакции - слияние двух дейтронов и синтез дейтрона т тритона.

Недостатком ядерных энергий синтеза легких ядер - термоядерных реакций явл-ся необходимость получения высоких начальных температур и трудность удержания устойчивой плазмы. Эти трудности не преодолены до настоящего времени, и программы термоядерных реакций в наст. время свернуты во все мире.

Альтернативой ядерных АЭС явл-ся иные источники, экологически безопасные. К ним относятся солнечная энергия, энергия ветра. рек, морских волн и приливов и т. п.

27.1 Гипотезы происхождения жизни на Земле.

Центральное место в комплексе естественно-научных дисциплин, изучающих человека, занимает антропология — общее учение о происхождении и эволюции человека, образовании человеческих рас и вариациях физического' строения человека. Современная антропология рассматривает антропогенез — процесс происхождения человека — как продолжение биогенеза. Основными вопросами антропологии являются вопросы о месте и времени появления человека, основных этапах его эволюции, движущих силах и детерминирующих факторах развития, соотношении антропогенеза и со-циогенеза. По мере становления и развития антропологической науки на все эти вопросы пытались дать ответы пять основных концепций антропогенеза:

1)     креационистская концепция — человек сотворен Богом или мировым разумом;

2)     биологическая концепция — человек произошел от общих с обезьянами предков путем накопления биологических изменений;

3)     трудовая концепция — в появлении человека решающую роль сыграл труд, превративший обезьяноподобных предков в людей;

4)     мутационная концепция — приматы превратились в человека вследствие мутаций и иных аномалий в природе;

5)     космическая концепция — человек как потомок или творение инопланетян, в силу каких-то причин попавших на Землю.

27.2       Поведение веществ в электрических полях. Диэлектрики

Всякое вещество, помешенной в магнитное и электрическое поле испытывает воздействие со стороны этого поля. Это воздействие для разных веществ различно, соответственно различна и реакция веществ на поле.Диэлектрики — это вещества, не проводящие электрического тока. Молекулы диэлектрика эквивалентны электрическим диполям.

В отсутствие внешнего электрического поля электрические моменты диполей диэлектрика, не являющегося сегнетоэлектриком, расположены хаотично, и их результирующий момент равен нулю. Во внешнем же электрическом поле диэлектрики поляризуются, т.е. переходят в состояние, когда дипольные моменты молекул отличны от нуля. В таком состоянии диэлектрики называются поляризованными.

Различают:— ориентационную поляризацию, которая состоит в повороте осей жестких диполей молекул полярного диэлектрика вдоль направления электрического поля;— электронную поляризацию диэлектрика с неполярными молекулами, состоящую в возникновении у каждой молекулы индуцированного электрического момента и осуществляющуюся в жидкостях и газах;— ионную поляризацию в кристаллических диэлектриках, например, в Nа-Сl, имеющих ионные кристаллические решетки, состоящую в смешении положительных ионов решетки вдоль поля, а отрицательных — в противоположную сторону.

В результате образуются в противоположных направлениях как бы дополнительные (поляризационные) заряды, создающие внутри диэлектрика дополнительное поле, направленное против внешнего поля. Результирующее поле в диэлектрике будет равно:

E=E0-x0*E = E0/c

где 0 — диэлектрическая восприимчивость вещества, а с — относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика.

Диэлектрики широко используются в конденсаторах. Поскольку емкость конденсатора равна c=(e0*e*s)/d

где S — площадь пластин, а d — расстояние между ними, то емкость конденсатора будет тем больше, чем больше диэлектрическая проницаемость диэлектрика, расположенного между пластинами.

Пьезоэлектриками называется группа кристаллических диэлектриков, у которых в отсутствие внешнего электрического поля при механических деформациях в определенных направлениях на гранях кристаллов возникают электрические заряды противоположных знаков. Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в изменении линейных размеров под действием электрического поля. Пьезоэлектрическим эффектом обладают кварц, турмалин и ряд других веществ. Широко используются искусственные пьезоэлектрики на керамиках — титанат бария и цирконат титанат свинца (ЦТС). Эффект широко используется в радиотехнике в генераторах высоких частот высокой стабильности и точности, в которых кварцевые или керамические пластины с металлизированными обкладками используются в качестве стабилизаторов частоты. Прямой пьезоэффект используется в пьезозажигалках, в звукоснимателях электропроигрывателей грампластинок, в эхолокаторах и во взрывателях. Обратный пьезоэффект используется а излучателях ультразвука или звуку. Ультразвук широко используется в медицине, в морской технике и в промышленности.