Как работает / как устроена электронная сигарета

Ни для кого не секрет, что современные парогенераторы имеют очень мало общего со стандартными папиросами. Название, характерная форма и сам принцип вдыхания никотина — вот, пожалуй, и все. По сути же, парение и курение представляют собой абсолютно разные процессы, а устройство электронной сигареты несравнимо сложнее и интереснее обычной сигареты.

Большая разница

Прежде чем начать разговор о том, как работает электронная сигарета, давайте немного поговорим об обычных папиросах, а заодно попытаемся понять, что же в них такого плохого. Принято считать, что главную опасность для здоровья при курении представляет никотин. Но это не так! В больших дозах он действительно может стать проблемой, однако в небольших количествах его воздействие на организм вполне сопоставимо с тем же кофеином. Куда больший вред несут в себе многочисленные продукты сгорания, смолы и канцерогены, которыми «богата» даже самая качественная табачная смесь. И тут не имеет значения, что именно вы курите — кальян, сигары и папиросы в этом смысле одинаково опасны для здоровья.

Устройство электронной сигареты по определению не предполагает ничего подобного, поскольку в качестве топлива парогенераторы используют не табак, а специальные ароматические жидкости, которые изначально не содержат ничего вышеперечисленного.

Не будем вдаваться в специфические подробности и постараемся объяснить происходящие в этом случае процессы без применения сложных формул и специфических терминов — в конце концов, рядовому пользователю знать все тонкости ни к чему. Итак, с точки зрения физики принцип работы электронных сигарет сравнительно прост: когда пользователь зажимает кнопку активации, система подает напряжение на нагревающую спираль, используя для этих целей заряд встроенного или сменного аккумулятора. Ароматическая жидкость, которой пропитывается хлопковый наполнитель, испаряется за счет высокой температуры металлической намотки — и именно этот пар вдыхает пользователь электронной сигареты.

По частям

Разобравшись с тем, как работает электронная сигарета, переходим к ее конструкции. Современные парогенераторы, как правило, состоят из двух независимых модулей: батарейного блока и атомайзера (испарителя). Они могут продаваться как вместе, так и по отдельности, но друг без друга в любом случае работать не будут. Остановимся на каждом из них поподробнее.

Батарейный блок выполняет функцию переносного источника питания. В самом простом варианте он оснащен только встроенным аккумулятором, портом для подключения зарядного устройства и единственной клавишей активации/блокировки. Продвинутые модели могут иметь информативный дисплей, дополнительные кнопки управления, а также функции регулировки мощности, напряжения или температуры (изменение этих параметров позволяет пользователю самостоятельно настраивать параметры вкусопередачи и парообразования по своему усмотрению).

Атомайзером называется верхняя часть электронной сигареты, оснащенная встроенным резервуаром для жидкости, коннектором для подключения к батарейному блоку, и нагревательным элементом. Последний, в свою очередь, состоит из металлической спирали и хлопкового наполнителя, в котором аккумулируется ароматическая смесь. В большинстве моделей реализована система сменных испарителей — в этом случае от пользователя требуется лишь своевременно заменять использованный испаритель новым. Весь процесс занимает пару минут и не вызовет затруднений даже у новичка. Обслуживаемые испарители, напротив, подразумевают самостоятельное изготовление нагревательного элемента, что требует определенных навыков, но позволяет сократить расходы на эксплуатацию атомайзера.

Содержание и форма

Современный рынок электронного парения предлагает начинающему пользователю огромный выбор устройств как стартового, так и продвинутого уровня, а разнообразие форм и расцветок путает новичков еще больше. Стоит сразу оговориться, что от внешнего вида устройство электронной сигареты практически не зависит, хотя некоторые исключения тут все же есть. Классическая цилиндрическая конструкция подразумевает последовательное расположение элементов внутри корпуса. Порт для подключения зарядного устройства, плата управления, аккумулятор, дисплей и коннекторная часть находятся строго друг за другом, разве что порядок их может немного различаться.

Такая форма имеет свои плюсы, но для производительных устройств не слишком подходит: чем мощнее начинка и аккумулятор, тем больше места они требуют, а таскать с собой громоздкую стальную трубу захочет не каждый.

Классическая конструкция (на примере Eleaf 100W)

Боксмод (на примере Eleaf Pico 21700)

Логичной альтернативой классике стали боксмоды: такие батарейные блоки внешне представляют собой компактные стальные коробочки. Как устроена электронная сигарета этого типа? Точно так же, как и традиционные модели, с той лишь разницей, что внутренние модули в ней размещаются не последовательно, а параллельно. Оригинальная планировка позволяет существенно уменьшить габариты корпуса и выгодно выделяет боксовые аккумуляторы на фоне громоздких одноклассников. К слову, именно в таком форм-факторе выполнены все актуальные «флагманы» от ведущих мировых производителей, а это уже говорит о многом.

Мода на механику

Обсуждая устройство электронных сигарет, нельзя не упомянуть так называемые мехмоды, поскольку они в данном случае стоят особняком. Основная особенность их заключается в полном отсутствии электроники: по сути, система работает напрямую от сменного аккумулятора, а количество генерируемого пара напрямую зависит от типа элемента питания и текущего уровня его заряда. Подобные модели, за счет кажущейся простоты использования и привлекательной цены, нередко привлекают начинающих парильщиков, однако тут стоит обратить внимание на несколько очень важных моментов. Во-первых, мехмоды не имеют встроенной защиты от короткого замыкания, переразряда и перезаряда — буквально одна оплошность может привести к тому, что вся система полностью выйдет из строя. Таким образом, парильщик должен очень четко представлять, как устроена электронная сигарета, и неукоснительно соблюдать все требования по ее эксплуатации. Во-вторых, в большинстве случаев такие модели не оснащены клавишей физической блокировки, а значит и от случайных срабатываний кнопки активации пользователь не застрахован. Не стоит забывать и о том, что элементы питания в стандартный набор поставки мехмодов не входят, так что аккумуляторы (а зачастую и испарительный элемент) пользователю в любом случае придется приобретать отдельно.

Мехмод (на примере Wismec RX Machina)

Подробнее узнать о том, как работают электронные сигареты, а также получить более полную информацию об эксплуатации современных парогенераторов вы можете у наших консультантов.

Электронная система зажигания

24.01.2014 #Система зажигания

Электронная система зажигания

В электронной системе зажигания, которая является одной из важнейших составляющих современного автомобиля, ток высокого напряжения создается и распределяется благодаря электронным устройствам. Электронная система имеет множество явных преимуществ, а также позволяет легче запускать двигатель в зимнее время.

Электронная система зажигания представляет собой систему, в которой ток высокого напряжения создается и распределяется за счет электронных устройств. Электронная система зажигания современных автомобилей, осуществляющая управление системами впрыска и зажигания, является важной составляющей системы управления двигателем. На авто самых последних моделей эта же система отвечает за работу впускной и выпускной систем, а также за работу системы охлаждения.

На сегодняшний день на рынке представлены такие системы зажигания, как Bosch, Simos, Motronic, Magneti-Marelli, каждая из которых конструктивно отличается от остальных. В общем же можно сказать, что электронные системы зажигания подразделяются на системы прямого зажигания и системы с распределителем. Последние работают от механического распределителя, который осуществляет подачу тока высокого напряжения на определенную свечу. Если речь идет о системах прямого зажигания, то подача тока в них происходит прямо с катушки зажигания.

Устройство электронной системы зажигания

Любая электронная система зажигания имеет в своем составе такие компоненты, как источник питания, входные датчики и выключатель зажигания, электронный блок управления, воспламенитель, катушку и свечи зажигания.

На некоторых системах также имеются провода высокого напряжения.

Входные датчики отвечают за фиксацию текущих параметров работы двигателя, преобразуя их в электрические сигналы. Номенклатура датчиков может незначительно отличаться в зависимости от модели автомобиля.

Электронный блок управления обрабатывает сигналы, поступающие от входных датчиков, воздействуя, в свою очередь, на воспламенитель. Воспламенитель, основой которого является транзистор, — это своеобразная электронная плата, которая включает/выключает зажигание. Когда транзистор открыт, ток идет по первичной обмотке катушки. Если же транзистор закрыт, осуществляется его отсечка, а ток наводится по вторичной обмотке катушки.

Электронная система зажигания может иметь различные катушки: одну общую, индивидуальные или сдвоенные. Общие катушки используются в системах, которые имеют распределитель. Непосредственно на свечу устанавливают индивидуальные катушки, поэтому высоковольтные провода в такой системе не используются.

Сдвоенные катушки применяют в прямых системах зажигания. Если двигатель имеет четыре цилиндра, на 1-ом и 4-ом, а также на 2-ом и 3-ем цилиндрах устанавливают по одной катушке, каждая из которых отвечает за создание тока на двух выводах, именно поэтому искры зажигания одновременно появляются в двух цилиндрах. В одном воспламеняется топливно-воздушная смесь, в другом воспламенение идет вхолостую.

1 — контроллер;
2 — электромагнитный клапан ЭПХХ;
3 — датчик-винт;
4 — датчик температуры охлаждающей жидкости;
5, 6 — индуктивные датчики начала отсчета и угловых импульсов;
7 — катушки зажигания;

8 — свечи зажигания;
9 — выключатель зажигания;
10 — аккумуляторная батарея;
11 — блок предохранителей и реле

Принцип работы

Электронный блок управления реагирует на сигналы датчиков, вычисляя оптимальные параметры для функционирования системы. В первую очередь блок управления воздействует на воспламенитель, подающий напряжение на катушку зажигания, в первичной обмотке которой начинает протекать ток.

Когда напряжение прерывается, ток индуцируется во вторичной обмотке катушки. Прямо с катушки или же по высоковольтным проводам ток отправляется к определенной свече зажигания, в которой образуется искра, воспламеняющая топливно-воздушную смесь.

Если изменяется скорость вращения коленчатого вала, датчик, отвечающий за частоту его вращения, а также датчик, регулирующий положение распределительного вала, отправляют сигналы непосредственно в электронный блок управления, изменяющий угол опережения зажигания.

Если нагрузка на двигатель увеличивается, углом опережения зажигания управляет датчик расхода воздуха. Важную дополнительную информацию о воспламенении и сгорании топливно-воздушной смеси позволяет получить датчик детонации.

Преимущества электронных систем зажигания

Электронные системы зажигания имеют множество преимуществ:

— возможность применения на любых типах карбюраторных двигателей;
— увеличение вторичного напряжения в 1,3-1,5 раза, которое может составлять 20-30 кВ при любом режиме работы двигателя;
— длительный срок службы контактов прерывателя, который может достигать 150 тыс. км и более;

— между электродами свечей зажигания наблюдается увеличенный зазор, достигающий 1-1,2 мм;
— в зимнее время двигатель легче запускается;
— экономия времени при проведении профилактических и регулировочных работ.

Среди недостатков электронных систем зажигания в первую очередь выделяется сложность и высокая стоимость системы, но все недостатки компенсируются вышеперечисленными преимуществами.

Другие статьи

#Планка генератора

Планка генератора: фиксация и регулировка генератора автомобиля

14.09.2022 | Статьи о запасных частях

В автомобилях, тракторах, автобусах и иной технике электрические генераторы монтируются к двигателю посредством кронштейна и натяжной планки, обеспечивающей регулировку натяжения ремня. О планках генератора, их существующих типах и конструкции, а также выборе и замене этих деталей — читайте в статье.

#Переходник для компрессора

Переходник для компрессора: надежные соединения пневмосистем

31. 08.2022 | Статьи о запасных частях

Даже простая пневматическая система содержит несколько соединительных деталей — фитингов, или переходников для компрессора. О том, что такое переходник для компрессора, каких типов он бывает, зачем необходим и как устроен, а также о верном подборе фитингов для той или иной системы — читайте в статье.

#Стойка стабилизатора Nissan

Стойка стабилизатора Nissan: основа поперечной устойчивости «японцев»

22.06.2022 | Статьи о запасных частях

Ходовая часть многих японских автомобилей Nissan оснащается стабилизатором поперечной устойчивости раздельного типа, соединенным с деталями подвески двумя отдельными стойками (тягами). Все о стойках стабилизатора Nissan, их типах и конструкции, а также о подборе и ремонте — читайте в данной статье.

#Ремень приводной клиновой

Ремень приводной клиновой: надежный привод агрегатов и оборудования

15.06.2022 | Статьи о запасных частях

Для привода агрегатов двигателя и в трансмиссиях различного оборудования широко применяются передачи на основе резиновых клиновых ремней. Все о приводных клиновых ремнях, их существующих типах, особенностях конструкции и характеристиках, а также о правильном выборе и замене ремней — читайте в статье.

Вернуться к списку статей

Вероятность: принцип неопределенности Гейзенберга

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Использовать обе версии принципа неопределенности Гейзенберга в расчетах.
• Объясните значение принципа неопределенности Гейзенберга для измерений.

Вероятностное распределение

Материя и фотоны — это волны, что означает, что они распространяются на некоторое расстояние. Каково положение частицы, например электрона? Это в центре волны? Ответ заключается в том, как вы измеряете положение электрона. Эксперименты показывают, что вы найдете электрон в каком-то определенном месте, в отличие от волны. Но если вы создадите точно такую ​​же ситуацию и измерите ее снова, вы обнаружите, что электрон находится в другом месте, часто далеко за пределами любой экспериментальной неопределенности вашего измерения. Повторные измерения отобразят статистическое распределение местоположений, которое выглядит волнообразно. (См. рис. 1.)

Рис. 1. Построение дифракционной картины электронов, рассеянных от поверхности кристалла. Каждый электрон прибывает в определенное место, которое невозможно точно предсказать. Общее распределение, показанное внизу, можно предсказать как дифракцию волн, имеющих длину волны де Бройля электронов.

После того, как де Бройль предположил волновую природу материи, многие физики, в том числе Шредингер и Гейзенберг, исследовали последствия. Вскоре возникла идея, что из-за его волнового характера траектория и место назначения частицы не могут быть точно предсказаны для каждой частицы в отдельности . Однако каждая частица попадает в определенное место (как показано на рисунке 1). Собрав достаточно данных, вы получите распределение, связанное с длиной волны частицы и дифракционной картиной. Существует определенная вероятность обнаружения частицы в заданном месте, и общая закономерность называется распределением вероятностей . Те, кто разработал квантовую механику, разработали уравнения, которые предсказывали распределение вероятностей в различных обстоятельствах.

Несколько тревожно думать, что вы не можете точно предсказать, куда пойдет отдельная частица, или даже проследить за ней до места назначения. Давайте посмотрим, что произойдет, если мы попытаемся проследить за частицей. Рассмотрим двухщелевые картины, полученные для электронов и фотонов на рис. 2. Прежде всего отметим, что эти картины идентичны, следуя d sin θ = mλ , уравнение для двухщелевой конструктивной интерференции, разработанное в книге «Энергии фотонов и электромагнитный спектр», где d — расстояние между щелями, а λ — длина волны электрона или фотона.

Рис. 2. Двухщелевая интерференция электронов (а) и фотонов (б) идентична для одинаковых длин волн и одинакового расстояния между щелями. Оба паттерна являются вероятностными распределениями в том смысле, что они создаются отдельными частицами, пересекающими аппарат, траектории которых индивидуально предсказать невозможно.

Оба паттерна статистически складываются по мере того, как отдельные частицы падают на детектор. Это можно наблюдать для фотонов или электронов — пока давайте сосредоточимся на электронах. Вы можете себе представить, что электроны мешают друг другу, как это делают любые волны. Чтобы проверить это, вы можете уменьшить интенсивность до тех пор, пока между щелями и экраном не останется больше одного электрона. Выстраивается та же самая интерференционная картина! Это означает, что распределение вероятностей частиц охватывает обе щели, и частицы фактически интерферируют друг с другом. Означает ли это также, что электрон проходит через обе щели? Электрон — элементарная единица материи, которая не делится. Но это справедливый вопрос, и поэтому мы должны посмотреть, пересекает ли электрон одну щель, другую или обе. Одна из возможностей состоит в том, чтобы вокруг щелей располагались катушки, которые обнаруживают заряды, проходящие через них. Наблюдается, что электрон всегда проходит через одну или другую щель; он не разделяется, чтобы пройти через оба. Но есть одна загвоздка. Если вы определите, что электрон прошел через одну из щелей, вы больше не получите картину с двумя щелями — вместо этого вы получите интерференцию с одной щелью. Нет выхода, если использовать другой метод определения, через какую щель прошел электрон. Знание того, что частица прошла через одну щель, приводит к модели с одной щелью. Если вы не будете следить за тем, через какую щель проходит электрон, вы получите картину с двумя щелями.

Неопределенность Гейзенберга

Как знание того, через какую щель прошел электрон, меняет картину? Ответ принципиально важен — измерение влияет на наблюдаемую систему . Информация может быть потеряна, а в некоторых случаях невозможно измерить две физические величины одновременно с точной точностью. Например, вы можете измерить положение движущегося электрона, рассеивая от него свет или другие электроны. Эти зонды сами имеют импульс, и, рассеиваясь от электрона, они изменяют его импульс таким образом, что теряется информация . Есть предел абсолютному знанию, даже в принципе.

Рис. 3. Вернер Гейзенберг был одним из лучших физиков, разработавших раннюю квантовую механику. Его работа не только позволила описать природу в очень мелком масштабе, но и изменила наш взгляд на доступность знаний. Хотя он общепризнан за его гениальность и важность своей работы (например, он получил Нобелевскую премию в 1932 году), Гейзенберг оставался в Германии во время Второй мировой войны и возглавлял немецкие усилия по созданию ядерной бомбы, навсегда отчуждая себя от большую часть научного сообщества. (кредит: автор неизвестен, через Wikimedia Commons)

Вернер Гейзенберг первым сформулировал этот предел знания в 1929 году в результате своей работы по квантовой механике и волновым характеристикам всех частиц. (См. рис. 3). В частности, рассмотрим одновременное измерение положения и импульса электрона (это может быть любая частица). Существует неопределенность в положении Δ x , что примерно равно длине волны частицы. То есть Δ x ≈ λ .

Как обсуждалось выше, волна не находится в одной точке пространства. Если положение электрона измеряется неоднократно, будет наблюдаться разброс местоположений, что подразумевает неопределенность положения Δ х . Чтобы определить положение частицы, мы должны взаимодействовать с ней, например столкнуться с детектором. При столкновении частица теряет импульс. Это изменение импульса может быть где угодно, от близкого к нулю до полного импульса частицы, [латекс]p=\frac{h}{\lambda}\\[/latex]. Невозможно сказать, какое количество импульса будет передано детектору, поэтому также существует неопределенность в импульсе Δ p . На самом деле неопределенность импульса может быть такой же большой, как и сам импульс, что в форме уравнения означает, что [латекс]\Delta{p}\приблизительно\frac{h}{\lambda}\\[/latex].

Неопределенность положения можно уменьшить, используя более коротковолновый электрон, поскольку Δ x ≈ λ . Но укорочение длины волны увеличивает неопределенность импульса, поскольку [латекс]р=\фрак{ч}{\лямбда}\\[/латекс]. И наоборот, неопределенность импульса можно уменьшить, используя более длинноволновый электрон, но это увеличивает неопределенность положения. Математически вы можете выразить этот компромисс, умножив неопределенности. Длина волны отменяется, оставляя Δ x Δ p ≈ h .

Таким образом, если одна неопределенность уменьшается, другая должна увеличиваться, так что их произведение составляет ≈ ч .

Используя передовую математику, Гейзенберг показал, что лучшее, что можно сделать при одновременном измерении положения и импульса , это [латекс]\Delta{x}\Delta{p}\ge\frac{h }{4\пи}\\[/латекс].

Это известно как принцип неопределенности Гейзенберга . Невозможно измерить положение x и импульс p одновременно с неопределенностями Δ x и Δ p , которые умножаются, чтобы быть меньше [латекс]\фрак{ч}{4\пи}\\[/латекс]. Ни одна неопределенность не может быть равна нулю. Ни одна из неопределенностей не может стать малой без того, чтобы другая не стала большой. Небольшая длина волны позволяет точно измерять положение, но увеличивает импульс зонда до такой степени, что он еще больше нарушает импульс измеряемой системы. Например, если электрон рассеян атомом и его длина волны достаточно мала, чтобы определить положение электронов в атоме, его импульс может сбить электроны с их орбит таким образом, что будет потеряна информация об их первоначальном движении. Следовательно, невозможно проследить движение электрона по его орбите вокруг атома. Если вы измерите положение электрона, вы найдете его в определенном месте, но атом будет разрушен. Повторные измерения на идентичных атомах дадут интересные распределения вероятностей для электронов вокруг атома, но они не дадут информации о движении. Распределения вероятностей называются электронными облаками или орбиталями. Формы этих орбиталей часто показаны в учебниках по общей химии и обсуждаются в книге «Волновая природа материи вызывает квантование».

Пример 1. Принцип неопределенности Гейзенберга в определении положения и импульса атома

1. Если положение электрона в атоме измеряется с точностью до 0,0100 нм, какова неопределенность скорости электрона?
2. Если электрон имеет такую ​​скорость, какова его кинетическая энергия в эВ?

Стратегия

Неопределенность положения – это точность измерения, или Δ x = 0,0100 нм. Таким образом, наименьшая неопределенность импульса ∆ p можно рассчитать, используя [латекс]\Delta{x}\Delta{p}\ge\frac{h}{4\pi}\\[/latex]. Как только неопределенность импульса Δ p найдена, неопределенность скорости может быть найдена из Δ p = м Δ v .

Решение для части 1

Используя знак равенства в принципе неопределенности для выражения минимальной неопределенности, мы имеем

[латекс]\displaystyle\Delta{x}\Delta{p}=\frac{h}{4\ pi}\\[/latex]

Решение для Δ p 9{-19}\text{ J}}\right)=95,5\text{ эВ}\end{array}\\[/latex]

Обсуждение

Поскольку атомы имеют размер примерно 0,1 нм, зная положение электрон до 0,0100 нм достаточно хорошо локализует его внутри атома. Это было бы похоже на способность видеть детали размером в одну десятую размера атома. Но вытекающая из этого неопределенность скорости велика. Вы, конечно, не могли бы очень хорошо следить за ним, если его скорость настолько неопределенна. Чтобы получить дальнейшее представление о том, насколько велика неопределенность скорости, мы предположили, что скорость электрона равна его неопределенности, и обнаружили, что это дает кинетическую энергию 95,5 эВ. Это значительно больше, чем типичная разница энергий между уровнями в атомах (см. Таблицу 1 в Энергии фотонов и электромагнитного спектра), поэтому невозможно получить значимую энергию для электрона, если мы знаем его положение даже умеренно хорошо.

Почему мы не замечаем принцип неопределенности Гейзенберга в повседневной жизни? Ответ заключается в том, что постоянная Планка очень мала. Таким образом, нижняя граница погрешности измерения положения и импульса крупных объектов пренебрежимо мала. Мы можем обнаружить солнечный свет, отраженный от Юпитера, и проследить за планетой на ее орбите вокруг Солнца. Отраженный солнечный свет изменяет импульс Юпитера и создает неопределенность в его импульсе, но это совершенно ничтожно мало по сравнению с огромным импульсом Юпитера. Принцип соответствия говорит нам, что предсказания квантовой механики становятся неотличимыми от предсказаний классической физики для больших объектов, что и имеет место здесь.

Неопределенность Гейзенберга для энергии и времени

Существует другая форма принципа неопределенности Гейзенберга для одновременных измерений энергии и времени . В форме уравнения [латекс]\Delta{E}\Delta{t}\ge\frac{h}{4\pi}\\[/latex], где Δ E — неопределенность в энергии , а Δ t неопределенность во времени . Это означает, что в интервале времени Δ t невозможно точно измерить энергию — будет неопределенность Δ E в измерении. Для более точного измерения энергии (чтобы уменьшить Δ E ) нужно увеличить Δ t . Этот временной интервал может быть количеством времени, которое мы тратим на измерение, или это может быть количество времени, в течение которого существует определенное состояние, как в следующем примере 2.

Пример 2. Принцип неопределенности Гейзенберга для энергии и времени для Атом

Атом в возбужденном состоянии временно запасает энергию. Если время жизни этого возбужденного состояния составляет 1,0 × 10 ⁻¹⁰ с, какова минимальная неопределенность энергии состояния в эВ?

Стратегия

Минимальная неопределенность в энергии Δ E находится с использованием знака равенства в [латекс]\Delta{E}\Delta{t}\ge\frac{h}{4\pi}\\[ /латекс] и соответствует разумному выбору неопределенности во времени. Наибольшая неопределенность во времени, которая может быть, — это полное время жизни возбужденного состояния, или Δ t = 1,0 × 10 ^-10 с.

Решение

Решение принципа неопределенности для Δ 9{-6}\text{ эВ}\\[/latex]

Обсуждение

Время жизни 10 ⁻¹⁰ с типично для возбужденных состояний атомов — в масштабах человеческого времени они быстро излучают накопленную энергию. В результате получается неопределенность в энергии всего в несколько миллионных долей эВ. Эта неопределенность мала по сравнению с типичными энергиями возбуждения в атомах, которые составляют порядка 1 эВ. Так что здесь принцип неопределенности ограничивает точность, с которой мы можем измерить время жизни и энергию таких состояний, но не очень существенно.

Принцип неопределенности для энергии и времени может иметь большое значение, если срок службы системы очень короток. Тогда Δ t очень мало, а Δ E , следовательно, очень велико. Некоторые ядра и экзотические частицы имеют чрезвычайно короткое время жизни (всего 10 90 151 -25 90 152 с), что приводит к неопределенности в энергии, достигающей многих ГэВ (10 90 151 9 90 152 эВ). Запасенная энергия проявляется в виде увеличения массы покоя, а это означает, что существует значительная неопределенность в отношении массы покоя короткоживущих частиц. При повторном измерении получается разброс масс или энергий распада. Разброс Δ Е . Вы можете спросить, можно ли избежать этой неопределенности в энергии, не измеряя время жизни. Ответ — нет. Природа знает время жизни, и поэтому его краткость влияет на энергию частицы. Это настолько хорошо установлено экспериментально, что неопределенность в энергии распада используется для расчета времени жизни короткоживущих состояний. Некоторые ядра и частицы настолько короткоживущие, что их время жизни трудно измерить. Но если их энергия распада может быть измерена, ее разброс составляет Δ E , и это используется в принципе неопределенности [latex]\left(\Delta{E}\Delta{t}\ge\frac{h}{4\pi}\right)\\[/latex] to рассчитать срок службы Δ t .

Существует еще одно следствие принципа неопределенности для энергии и времени. Если энергия неопределенна на Δ E , то сохранение энергии может быть нарушено на Δ E за время Δ t . Ни физик, ни природа не могут сказать, что закон сохранения энергии был нарушен, если нарушение временное и меньше неопределенности в энергии. Хотя это звучит достаточно безобидно, в последующих главах мы увидим, что это позволяет временно создавать материю из ничего и влияет на то, как природа передает силы на очень небольшие расстояния.

Наконец, обратите внимание на то, что при обсуждении частиц и волн мы заявили, что отдельные измерения дают точные или подобные частицам результаты. Определенное положение определяется каждый раз, когда мы наблюдаем, например, электрон. Но повторные измерения дают разброс значений, соответствующий характеристикам волны. Великий физик-теоретик Ричард Фейнман (1918–1988) заметил: «Что есть, так это частицы». Когда вы наблюдаете достаточное их количество, они распределяются, как и следовало ожидать от волнового явления. Однако мы не можем сказать, что происходит, когда они путешествуют, потому что, когда мы пытаемся измерить, мы влияем на путешествие.

Резюме раздела

• Материя обладает теми же интерференционными характеристиками, что и любая другая волна.
• Теперь существует распределение вероятностей местоположения частицы, а не определенное положение.
• Другим следствием волнового характера всех частиц является принцип неопределенности Гейзенберга, который ограничивает точность, с которой определенные физические величины могут быть известны одновременно. Для положения и импульса принцип неопределенности таков: [латекс]\Дельта{х}\Дельта{р}\ге\фрак{ч} {4\пи}\\[/латекс], где Δ x — неопределенность положения, а Δ p — неопределенность импульса.
• Для энергии и времени принцип неопределенности: [латекс]\Delta{E}\Delta{t}\ge\frac{h}{4\pi}\\[/latex], где Δ E — неопределенность энергии Δ t – неопределенность во времени.
• Эти малые пределы принципиально важны в квантово-механическом масштабе.

Концептуальные вопросы

1. Что такое принцип неопределенности Гейзенберга? Накладывает ли она ограничения на то, что может быть известно?

Задачи и упражнения

1. (a) Если положение электрона в мембране измеряется с точностью до 1,00 мкм, какова минимальная неопределенность скорости электрона? б) Если электрон имеет такую ​​скорость, какова его кинетическая энергия в эВ? (c) Каково значение этой энергии по сравнению с типичными энергиями молекулярной связи?
2. (a) Если положение иона хлора в мембране измеряется с точностью до 1,00 мкм, какова минимальная неопределенность его скорости, если его масса составляет 5,86 × 10 ⁻²⁶ кг? (b) Если ион имеет эту скорость, какова его кинетическая энергия в эВ и как она соотносится с типичными энергиями связи молекул?
3. Предположим, что скорость электрона в атоме известна с точностью 2,0 × 10 ³ м/с (достаточно точно по сравнению с орбитальными скоростями). Какова минимальная неопределенность положения электрона и как она соотносится с приблизительным размером атома 0,1 нм?
4. Скорость протона в ускорителе известна с точностью до 0,250% скорости света. (Это может быть мало по сравнению с его скоростью.) Какова наименьшая возможная неопределенность его положения?
5. Относительно долгоживущее возбужденное состояние атома имеет время жизни 3,00 мс. Какова минимальная неопределенность его энергии?
6. (a) Время жизни крайне нестабильного ядра составляет 10 ⁻²⁰ с. Какова наименьшая неопределенность в энергии его распада? б) Сравните это с энергией покоя электрона.
7. Энергия распада короткоживущей частицы имеет погрешность 1,0 МэВ из-за ее короткого времени жизни. Какой наименьший срок службы у него может быть?
8. Энергия распада короткоживущего возбужденного состояния ядра имеет погрешность 2,0 эВ из-за его короткого времени жизни. Какой наименьший срок службы у него может быть?
9. Какова приблизительная неопределенность массы мюона, определяемой по времени его распада?
10. Выведите приближенную форму принципа неопределенности Гейзенберга для энергии и времени, Δ E Δ t ≈ h , используя следующие аргументы: где λ — длина волны фотона, использованного для его исследования, существует неопределенность во времени, за которое фотон проходит Δ х . Кроме того, фотон обладает энергией, связанной с его длиной волны, и он может передавать часть или всю эту энергию исследуемому объекту. Таким образом, неопределенность энергии объекта также связана с λ . Найдите Δ t и Δ E ; затем умножьте их, чтобы получить приблизительный принцип неопределенности.

Глоссарий

Принцип неопределенности Гейзенберга: фундаментальный предел точности, с которой могут быть измерены пары величин (импульс и положение, энергия и время)

неопределенность в энергии:  недостаток точности или незнание точных результатов измерения энергии

неопределенность во времени:  недостаток точности или незнание точных результатов в измерениях времени

неопределенность в импульсе .0005

распределение вероятностей: общее пространственное распределение вероятностей найти частицу в заданном месте

Избранные решения задач и упражнений

1. (a) 57,9 м/с; (б) 9.55 × 10 ^–9 эВ; (c) Из таблицы 1 в разделе «Энергии фотонов и электромагнитный спектр» мы видим, что типичные энергии молекулярной связи находятся в диапазоне примерно от 1 эВ до 10 эВ, поэтому результат в части (b) примерно на 9 порядков меньше, чем типичные энергии молекулярной связи.

3. 29 нм; 290 раз больше

5. 1,10 × 10 ⁻¹³ EV

7. 3,3 × 10 ^-22 S

9. 2,66 × 10 ^-46 KG

A до Z -листика

^-46 KG

A до Z

^-46 KG

A.

Посетите

Подать заявку

Подарить

• А
• Б
• С
• Д
• Е
• Ф
• Г
• Х
• я
• Дж
• К
• л
• М
• №
• О
• Р
• В
• Р
• С
• Т
• У
• В
• Вт
• х
• Д
• З

• Меню страниц

  Информация о погоде

  Чтобы узнать об отмене и получить другую информацию о погоде, посетите веб-сайт Информации о погоде.

  Основные моменты

• Администрация
• Выпускники
• Книжный магазин
• Календари
• Справочник кампуса
• Кампусы

• Свяжитесь с нами
• Степеней — Выпускник
• Степени — Бакалавриат
• Разнообразие, равенство и инклюзивность, Управление
• Электронная почта — Студент
• Электронная почта — Сотрудник

• Возможности трудоустройства
• Давать
• Библиотеки
• Новости
• Даты регистрации
• Стипендии
• Казначей, офис

A

• О UToledo
• Академический календарь
• Центр академического развития — Главный кампус
• Центр академического развития — Кампус медицинских наук
• Академическая жалоба
• Академические программы
• Академическая успеваемость
• Академический испытательный центр
• Центр академического тестирования — Центр творческого образования
• Доступность и ресурсы для людей с ограниченными возможностями, Office
• Кредиторская задолженность
• Аккредитация
• Администрация

• Прием
• Расширенное размещение
• Расширенная студия моделирования и игр
• Ассоциация выпускников
• Американская ассоциация университетских профессоров, UT
• Институт американского языка
• Линия для анонимных сообщений
• Подать заявку
• Новости из архива
• Региональные центры санитарного просвещения
• Армейский ROTC
• Искусство и литература, Колледж
• востоковедение
• Легкая атлетика

 

B

• Классная доска
• Попечительский совет
• Книжный магазин
• Бурсар
• Бизнес и инновации, Колледж
• Услуги бизнес-инкубатора
• Бизнес-аналитика

 

C

• Календарь событий
• Справочник кампуса
• Полиция кампуса
• посещений кампуса
• Canaday Center, Специальные коллекции
• Онкологический центр
• Услуги по трудоустройству
• Библиотека Карлсона
• Ресурсный центр Карвера
• Женский центр Кэтрин С.