Rozszerzalność temperaturowa (liniowa) ciał stałych

Rozszerzalnością temperaturową ciał stałych nazywamy zjawisko zmiany objętości ciał wraz ze zmianami temperatury. Powyższa definicja obejmuje całe pojęcie rozszerzalności temperaturowej, natomiast rozszerzalność liniowa polega na zmianie długości ciała wraz ze zmianą temperatury.

Współczynnik rozszerzalności temperaturowej

Współczynnik rozszerzalności cieplnej podaje o jaką część długości początkowej zwiększa się długość ciała stałego, gdy temperatura wzrasta o 1˚C.

Przewodnictwo elektryczne metali:

• Charakteryzuje się tym, że w nieobecności pola elektrycznego elektrony wykonują bezwładne ruchy między węzłami sieci krystalicznej

• Oddziaływaniu tych samych elektronów z jonami sieci krystalicznej towarzyszy przekazywanie energii otrzymanej od pola, co wyróżnia się w postaci oporu przewodnika

Opór elektryczny

Jest to stosunek przyłożonego napięcia U do natężenia I prądu, który przepływa przez przewodnik i jest wyrażony wzorem:

R = U/I [R] = [V/A]

Pierwsze prawo Kirchoffa - Suma natężeń prądów wpływających do węzła jest równa sumie natężeń prądów wypływających z węzła.

Prawo Ohma - Stosunek napięcia mierzonego na końcach przewodnika do natężenia prądu przepływającego przez ten przewodnik, jest wielkością stałą i wyraża się go wzorem:

R = U/I = constans

Łączenie oporników

• Szeregowo - Przez każdy z oporników płynie ten sam prąd I, a napięcie wypadkowe jest sumą napięć na poszczególnych opornikach. Cały układ szeregowo połączonych oporników można zastąpić jednym opornikiem zastępczym.

U = U₁ + U₂ + … + U_n

IR = IR₁+ IR₂ + …+ IR_n

• Równolegle - Napięcia na wszystkich opornikach są takie same, lecz prąd wpływający do całego układu równoległego rozdziela się nierównomiernie między poszczególne oporności.

I = I₁ + I₂ +…+ I_n

U/R = U/R₁ + U/R₂ +…+ U/R_n

Światło jako fala elektromagnetyczna – światło jest falą elektromagnetyczną, która składa się ze sprzężonych ze sobą drgań pól elektrycznego i magnetycznego (odbywających się w płaszczyznach wzajemnie prostopadłych i prostopadlych do kierunku rozchodzenia się fali).

Światło, które rozchodzi się od Słońca lub innego naturalnego źródła światła jest niespolaryzowane (to znaczy drgania wektora świetlnego nie odbywają się prostopadle do kierunku rozchodzenia się promieni, lecz we wszystkich możliwych płaszczyznach, w których ten kierunek leży).

Polaryzacja liniowa światła – występuje wtedy, gdy wektor świetlny i kierunek promienia, wyznaczają płaszczyznę drgań, zwaną płaszczyzną polaryzacji. Drgania te odbywają się
w plaszczyznach wzajemnie równoległych, podczas gdy w świetle niespolaryzowanym drgania są nieuporządkowane.

Polaryzacja kołowa światla – polega na tym, że wektor świetlny obrca się wokół promienia,
jako osi obrotu. Jego koniec opisuje wtedy płaszczyznę środkową, a rzut końca wektora świetlengo na plaszczyznę zakreśla okresy. Gdy obrót jest niezgodny z ruchem wskazowek zegara,
mówimy że światło jest spolaryzowane kołowo w lewo, a gdy zgodny z ruchem wskazówek zegara – światło jest spolaryzowne kołowo w prawo.

Polaryzacja eliptyczna światła – zachodzi, kiedy koniec wektora świetlnego zakreśla elipsę, która może być w roznym stopniu spłaszczona, a jej osie mogą być bardzo rożnie zorientowane w plasczyźnie prostopadłej do promienia.

METODY POLARYZACJI ŚWIATŁA:

Zjawisko dwójłomności (podwójnego załamania) – polega na rozdzieleniu padajacej na kryształ wiązki światła niespolaryzowanego, na dwie wiązki zwyczajne i nadzwyczajne – spolaryzowane w plaszczyznach wzajemnie prostopadłych, gdy na równoległościenną płytkę rzucimy prostopadle promień światła niespolaryzowanego, wtedy podzieli się on na dwa promienie, ulegnie podwójnemu załamaniu. Jeden z promieni zachowuje się zgodnie z prawami załamania – promień zwyczajny, a drugi z nich nie podlega tym prawom – promień nadzwyczajny. Oba te promienie są całkowicie liniowe, spolaryzowane i ich drgania rozchodzą się w dwóch prostopadłych do siebie płaszczyznach. Płaszczyzna drgań jest uzależniona od orientacji kształtu względnego kierunku promienia. Fizyczną przyczyną podwójnego załamania jest anizotropia prędkości światła w krysztale środowiska, jakim jest kryształ dwójłomny. W zależnosci od tego, które z pól ma większą prędkość wyrożniamy kryształy dodatnie(kwarc, lód) i ujemne (beryl). Miarą dwójłomności kryształu jest rożnica współczynników załamania dla obu promieni biegnących prostopadle do osi optycznej, to znaczy w kierunku, gdzie różnica ich prędkosci jest największa. Gdy uczynimy dwójłomnowym środowisko izotropowe w sposób sztuczny, mamy do czynienia ze zjawiskiem dwójłomności wymuszonej (można to osiągnąć przez umieszczenie substancji w silnym polu elektrycznym, obserwujemy to także w materiałach, które uległy odkształceniom mechanicznym.

Polaryzacja światła przez odbicie – w warunkach normalnych zjawisko polaryzacji światła zachodzi najczęściej podczas odbicia od przezroczystych dielektryków (tj. woda, szkło). Wiązka światła niespolaryzowanego polaryzuje się częściowo przy odbiciu lub zalamaniu w ośrodku izotropowym.

Tangens kąta padania = współczynnik załamania, tzn. że gdy promień odbity i zalamany tworzą ze sobą kąt 90˚, to promien odbity jest całkowicie spolaryzowany. Przy tym drgania świetlne odbywają się w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny padania światła(tzn. równolegle do powierzchni odbijającej). Promień zalamany jest spolaryzowany częściowo, a drgania odbywają się w płaszczyźnie równoległej do płaszczyzny padania. Energia wiązki padającej dzieli się nierównomiernie między wiązki.
Kąt α – kąt całkowitej polaryzacji, wynosi 53˚ dla H₂O i 56˚ dla szkła.

Zasada działania polarymetru kołowego firmy Zeiss – polarymetr kołowy firmy Zeiss to nowoczesna forma polarymetru, czyli przyrząd, w którym pryzmaty zostały zastąpione filtrami polaryzacyjnymi. Promienie świetlne wychodzą ze źrodła światła po przejsciu przez soczewkę, przenikającą jako wiązka równoległa przez filtr barwny, najczęściej żółty (monochromat) i przez filtr polaryzacyjny (polaroid). Na drodze spolaryzowanej wiązki stoi płytka, która zasłaniając środek pola widzenia, dzieli je na trzy części o nieco nachylonych kierunkach drgań wektora elektrycznego. Badana substancja optycznie czynna, umieszczona w rurce skręca płaszczyznę polaryzacji światła przechodzącego. Poprzez drugi filtr polaryzacyjny, który działa jak analizator, światło dostaje się do lunetki obserwacyjnej. Odczytanie kąta skręcania analizatora umożliwia połączone z nim koło podziałowe.

Ciecze optycznie czynne – substancją optycznie czynną nazywamy substancje, w których zachodzi skręcanie płaszczyzny polaryzacji światła spolaryzowanego liniowo. Polarymetria zajmuje się pomiarami kąta skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego, właściwoś tą posiadają ciała optycznie czynne (np. cukry, białka, biopolimery), cecha ta wiąże się z obecnością w tych związkach węgla optycznie czynnego. Pomiary kąta skręcalności umożliwiają określenie rodzaju skręcalności, które dzielą ciała na prawo- i lewo-skrętne.

Skręcalność właściwa - własność substancji optycznie czynnych definiowana wzorem:

gdzie: α - zmierzony doświadczalnie kąt skręcenia (w stopniach), d - grubość warstwy roztworu (w dm), c - stężenie badanej substancji w roztworze (w g/cm³) lub gęstość (w przypadku czystych substancji). Skręcalność właściwa zależy od długości fali (λ), przy której nastąpił pomiar, temperatury (T), grubości warstwy skręcającej (l) oraz rodzaju rozpuszczalnika (w przypadku roztworów). Skręcalność właściwa, pomnożona przez masę cząsteczkową danej substancji i podzielona przez 100, nosi nazwę skręcalności molekularnej.

Zjawisko załamania i odbicia światła na granicy dwóch ośrodków - promień świetlny padając na granice dwóch ośrodków ulega załamaniu i odbiciu. Kąt padania jest równy kątowi odbicia. Gdy światło przechodzi z ośrodka optycznie rzadszego do ośrodka optycznie gęstszego kąt załamania jest mniejszy niż kąt padania. W przypadku przechodzenia światła z ośrodka optycznie gęstszego do ośrodka optycznie rzadszego kąt załamania jest większy od kąta padania.

Bezwzględny współczynnik załamania światła - jest to stosunek prędkości światła w próżni do prędkości światła w danym ośrodku.

Względny współczynnik załamania światła - stały stosunek sinusa kąta padania do sinusa kąta załamania nazywamy względnym współczynnikiem załamania światła ośrodka drugiego względem pierwszego.

Całkowite wewnętrzne odbicie światła - jeżeli kąt padania w ośrodku gęstszym jest większy od kata granicznego, promień nie może przejść do ośrodka rzadszego (nie może się załamać), na granicy ośrodków następuje wówczas całkowite wewnętrzne odbicie. Promień padający odbija się pod kątem równym kątowi padania.

Zasada działania refraktometru Abbe’go – refraktometr składa się z pryzmatu refraktometru i umieszczone na zawiasie pryzmatu nakrywkowego. Oświetlenie skali odbywa się przez okienko, gdzie kierujemy światło z zewnętrznego źródła, pod odbiciu od zwierciadła. Kompensacja dyspersji odbywa się za pomocą pryzmatów Amici’ego, które obracane są za pomocą pokrętła. Regulujemy nim na ostry bez zabarwień obraz krawędzi granicy oświetlenia. Na zewnętrznej skali odczytuje się wartość parametru „z” dzięki której można będzie wyliczyć średnią dyspersję materiału badanego. Pokrętłem nastawiamy krzyż krawędź granicy oświetlenia. Przez okular widać granice oświetlenia oraz skalę współczynnika załamania (dla żółtej linii sodu λ=589.3nm), oraz drugą skalę dla procentowej zawartości cukru w wodzie. Obraz skal ustawia się na ostre widzenie obracając okularem.

Refrakcja molekularna - jest to wielkość określającą zależność współczynnika załamania światła n od gęstości danej substancji d, w odniesieniu do jednego mola substancji

Zastosowanie pomiarów współczynnika załamania w biologii i medycynie – pomiar współczynnika wykorzystujemy do badania stężenia glukozy we krwi.