101 ключевая идея: Физика - Джим Брейтот

Современная теория черных дыр была основана Карлом Шварцшильдом, который использовал принципы теории относительности для доказательства того, что объект с достаточно сильным гравитационным полем не позволит свету покинуть его пределы. Шварцшильд доказал, что такой объект обладает горизонтом событий, т. е. замкнутой поверхностью, ограничивающей область вокруг черной дыры, откуда ничего не может выйти. Любой объект, пересекший область горизонта событий, пропадает навсегда. Радиус горизонта событий называется радиусом Шварцшильда. Для черной дыры массой М радиус Шварцшильда равен 2GM/c2, где G — гравитационная постоянная, известная из теории всемирного тяготения Ньютона, с — скорость света. Чтобы Земля стала черной дырой, ее нужно сжать по крайней мере до 18 мм в диаметре. Астрономы получили косвенные доказательства существования черных дыр. Например, галактика М87 вращается очень быстро и предполагается, что в ее центре находится массивная черная дыра. Источник рентгеновского излучения X1 Лебедя представляет собой двойную систему, состоящую из звезды-сверхгиганта и очень плотной невидимой звезды, которая может быть черной дырой, вытягивающей материю из своего соседа.

См. также статьи «Гравитационное поле 1 и 2», «Общая теория относительности».

ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД

Эволюция звезды — это последовательность стадий, через которые она проходит в своем развитии, начиная с формирования и заканчивая прекращением испускания света. Звезда образуется из облака межзвездной пыли и водородного газа, сжимающегося под действием собственного тяготения облачного вещества. По мере увеличения плотности будущей звезды энергия гравитации переходит в энергию тепла и температура будущей звезды повышается, пока не начинаются термоядерные реакции синтеза. Высокая энергия излучения разогревает образующуюся звезду еще больше, и она становится стабильной.

В таком состоянии звезда пребывает большую часть своей жизни, находясь на так называемой главной последовательности. В результате синтеза ядер гелия из ядер водорода в ее ядре она испускает энергию в виде излучения.

Излучение, испускаемое в процессе этой реакции, оказывает давление на внешние слои звезды. Сила тяготения внешних слоев на внутренние уравновешивается давлением этого излучения изнутри. Когда исчерпываются запасы водородного топлива, ядро звезды сжимается, а ее внешние слои расширяются и она превращается в красного гиганта. На этой стадии в гелиевом ядре происходит синтез более тяжелых элементов, таких, как железо. Когда эта стадия заканчивается, то звезда массой меньше чем 1,4 массы Солнца сжимается и разогревается до стадии белого карлика. Если белый карлик входит в двойную звездную систему, то он может вытягивать вещество соседней звезды. В таком случае он вспыхивает и становится «новой» звездой.

Эволюция звезды

Если масса звезды в 1,4 раза превышает массу Солнца («предел Чандрасекара»), то она полностью сжимается и взрывается в виде сверхновой. Такой массивный взрыв приводит к столкновению легких ядер и образованию ядер тяжелых элементов.

См. также статьи «Ядерная модель атома», «Ядерный синтез».

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЕМКОСТЬ

Для хранения электрического заряда применяют конденсаторы. Емкостью конденсатора называется количество заряда, которое он может удерживать на единицу разности потенциалов. Для конденсатора емкостью С и потенциалом V удерживаемый заряд Q = CV. Единицей емкости служит фарад (Ф), равный 1 кулону на вольт (Кл/В). Емкость обычных конденсаторов, используемых в цепях, в основном варьируется от 0,001 Ф до миллионных долей фарада. Часто электроемкость измеряют в микрофарадах (мкФ), при этом 1 мкФ = 10-6 Ф.

Простейший конденсатор состоит из двух изолированных пластин, параллельных друг другу. Если пластины подсоединить к батарее, то с одной на другую потекут электроны. Одна пластина приобретет отрицательный заряд, поскольку получит электроны, а другая приобретет положительный заряд, потеряв их. Таким образом, пластины приобретут заряды, равные по величине, но противоположные по знаку. Количество накопленного конденсатором заряда равно количеству заряда на любой из пластин.

Энергия хранится в конденсаторе до тех пор, пока он заряжен. Она освобождается, когда конденсатор разряжается. К примеру, если заряженный конденсатор подсоединить к электрической лампе, электроны с отрицательно заряженной пластины потекут через лампу на положительно заряженную пластину. Накопленного заряда может хватить на то, чтобы лампа на некоторое время загорелась. Для конденсатора емкостью С с потенциалом V накопленная энергия равна 1/2 CV2.

Конденсаторы применяют в цепях задержки (реле времени), в блоках настройки, сетевых фильтрах и блоках питания. Усиление и ослабление тока, заряда и напряжения в цепях с постоянным током, таких, как реле времени, контролируется конденсатором, последовательно соединенным с резистором и переключателем. Конденсатор разряжается со скоростью, зависящей от емкости С и сопротивления R резистора. Постоянной времени RC называется промежуток времени, за который сила тока уменьшается на 37 % по сравнению с начальным уровнем при разрядке конденсатора в цепи постоянного тока.

См. также статью «Разность потенциалов и мощность».

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ 1 — НАПРЯЖЕННОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Электрическое поле представляет собой область, окружающую заряженный объект, в которой на другой заряженный объект действует сила притяжения или отталкивания. Силовые линии электрического поля — линии, вдоль которых двигались бы точечные заряды в свободном состоянии.

Напряженностью электрического поля Е в данной точке электрического поля называется отношение силы, действующей на точечный положительно заряженный объект, к величине его заряда. Напряженность электрического поля измеряют в ньютонах на кулон (Н/К) или в вольтах на метр (В/м). Отсюда следует, что сила F, действующая на точечный заряд q в данной точке поля, равна произведению qE, где Е — напряженность электрического поля в данной точке.

Между двумя противоположно заряженными пластинами, расположенными на определенном расстоянии, существует однородное электрическое поле. Силовые линии параллельны друг другу и перпендикулярны пластинам. Поскольку поле однородно, его напряженность везде одинакова по абсолютной величине и направлению. Потенциал увеличивается равномерно от отрицательной до положительной пластины вдоль силовой линии. Для разности потенциалов Vp между пластинами работа по переносу точечного заряда q от одной пластины к другой равна qVp, отсюда сила F, действующая на q, равна отношению проделанной работы к расстоянию qVp /d, где d — расстояние между пластинами. Отсюда получаем формулу для напряженности электрического поля:

E = F/q = vp/d

Точечный заряд окружает радиальное электрическое поле. Силовые линии направлены от заряда, если он положителен, и к заряду, если он отрицателен. Представим себе частицу с зарядом q, расположенную в электрическом поле, созданном частицей с гораздо большим зарядом Q. Сила взаимодействия двух зарядов согласно закону Кулона: F = Qq/4πr2,

где ε0 — абсолютная диэлектрическая проницаемость, r — расстояние между двумя частицами. Следовательно, напряженность электрического поля заряда Q в данной точке по отношению к заряду q:

Е = F/q = Q/4πε0r2.

Отметим, что закон Кулона является примером закона обратного квадрата, поскольку сила F обратно пропорциональна квадрату расстояния r.

См. также статьи «Законы обратных квадратов», «Электрическое поле 2».

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ 2 — ДИЭЛЕКТРИКИ

Диэлектриком называется изолирующее вещество, которое, будучи помещенным между заряженными объектами, ослабляет силу их взаимодействия. Если между заряженными объектами поместить диэлектрик, их можно легче сблизить или удалить друг от друга. В электрическом поле молекулы диэлектрика поляризуются и образуют поле обратной поляризации, существенно ослабляющее действие внешнего поля. В конденсаторах это явление увеличивает количество заряда, способное накопиться при той же разности потенциалов; таким образом увеличивается емкость конденсаторов. Вода является эффективным диэлектриком, поэтому многие твердые вещества распадаются в ней на ионы.

Если диэлектрик поместить между двумя разноименно заряженными параллельными пластинами, подсоединенными к батарее, количество заряда, накопленного на пластинах, увеличится. Это происходит потому, что диэлектрик ослабляет электрическое поле между пластинами и батарея может передать больший заряд пластинам. Отношение количества заряда, накопленного на пластинах плоскопараллельного конденсатора при наличии диэлектрика, к количеству заряда при отсутствии диэлектрика (в вакууме) называется относительной диэлектрической проницаемостью в вещества (среды).