Φυσική: Θερμότητα – Ηλεκτρισμός

Πρόλογος Τέταρτης Έκδοσης

Η τέταρτη έκδοση του βιβλίου «Φυσική – Θερμότητα – Ηλεκτρισμός» συμπίπτει με τη συμπλήρωση είκοσι χρόνων από την πρώτη έκδοση του. Συμπίπτει όμως και με το θλιβερό γεγονός του αδόκητου θανάτου του συναδέλφου, φίλου και συνεργάτη Γιώργου Μπλέρη, με τον οποίο είχαμε συνεργαστεί στην ενότητα της Θερμότητας κατά την πρώτη έκδοση του βιβλίου. Θέλω από τη θέση αυτή, δημόσια να εκφράσω τη θλίψη μου για το χαμό του Γιώργου.
Η παρούσα έκδοση του βιβλίου ακολουθεί τη μορφή των προηγουμένων εκδόσεων. Πέρα όμως από τις συνήθεις διορθώσεις και βελτιώσεις υπάρχουν οι εξής αλλαγές. Αφαιρέθηκε το κεφάλαιο 5 «Μετασχηματισμοί Φάσεων», με το σκεπτικό ότι το σύντομο περιεχόμενο του και οι αντίστοιχες έννοιες διδάσκονται στους φοιτητές με πληρότητα σε άλλο ειδικότερο μάθημα και περιέχονται βεβαίως στα προς τούτο ειδικά βιβλία. Έτσι στη νέα έκδοση το κεφάλαιο 5 είναι η «Θερμική Ακτινοβολία των Σωμάτων». Οι σχετικές παράγραφοι που υπήρχαν στο κεφάλαιο 4 αφαιρέθηκαν, ενώ η ανάπτυξη του θέματος στο κεφάλαιο 5 είναι πλέον πλήρης και ολοκληρωμένη. Επίσης η παράγραφος 11.6 ξαναγράφτηκε έτσι ώστε να περιέχεται η πλήρης ανάπτυξη της θεωρίας του Langevin για τον παραμαγνητισμό. Ακόμη τροποποιήθηκε και συμπληρώθηκε το παράρτημα Π5.
Θα επαναλάβω εδώ, ότι η όλη φιλοσοφία και οι σκοποί του βιβλίου εξακολουθούν να παραμένουν οι ίδιοι. Στο σημείο αυτό, μπορώ να παραπέμψω, όσους ενδιαφέρονται, στον πρόλογο του αντίστοιχου βιβλίου «Φυσική – Εισαγωγή στη Μηχανική». Θέλω να πιστεύω ότι τα δύο αυτά βιβλία, μαζί με τα αντίστοιχα βιβλία μου των προβλημάτων, αποτελούν σημαντική συμβολή στην ελληνική βιβλιογραφία της Φυσικής.

Πρόλογος Τρίτης Έκδοσης

H παρούσα τρίτη έκδοση του βιβλίου Φυσική (Θερμότητα – Hλεκτρισμός) δεν διαφέρει ουσιαστικά από την αντίστοιχη δεύτερη έκδοση. Oι προσθήκες είναι ελάχιστες, δόθηκε όμως ιδιαίτερη προσοχή στις διορθώσεις (φραστικές και ουσίας), καθώς και στις διορθώσεις των τυπογραφικών λαθών της προηγούμενης έκδοσης.
H θεαματική όμως βελτίωση του βιβλίου αφορά την παρουσίαση των σχημάτων και των διαγραμμάτων. Oι σημερινές δυνατότητες των ηλεκτρονικών υπολογιστών επιτρέπουν σ’ αυτούς που έχουν τη φυσική γνώση, αλλά όχι και το φυσικό ταλέντο, να σχεδιάζουν και να παρουσιάζουν με αρτιότητα την εικόνα που φαντάζονται.
Tο βιβλίο απευθύνεται στους φοιτητές των A.E.I. για το μάθημα της Γενικής Φυσικής –ή όποιο αντίστοιχο– μαζί όμως με το βιβλίο “Προβλήματα Γενικής Φυσικής II. Θερμότητα – Hλεκτρισμός” του ενός εξ ημών (Δ.Σ. Kυριάκος) αποτελούν ένα πλήρες βοήθημα για καθηγητές, φοιτητές και μαθητές, αλλά και για όλους που ενδιαφέρονται για τη βασική γνώση στο τμήμα αυτό της Φυσικής.

Πρόλογος Δεύτερης Έκδοσης

Mε ευχαρίστηση παρουσιάζουμε τη δεύτερη έκδοση του βιβλίου μας Φυσική (Θερμότητα – Ηλεκτρισμός) το οποίο προορίζεται για τους φοιτητές που παρακολουθούν μαθήματα Γενικής Φυσικής. Η βασική διάρθρωση της ύλης παραμένει η ίδια όπως και στην πρώτη έκδοση, σημαντικές όμως βελτιώσεις, διορθώσεις και προσθήκες έχουν γίνει με σκοπό την καλύτερη παρουσίαση και κατανόηση των θεμάτων. Στην κατεύθυνση αυτή συνέβαλε η εμπειρία που αποκτήθηκε από την εξαετή διδασκαλία του μαθήματος στους φοιτητές Φυσικής του Α.Π.Θ., οι αντιδράσεις των οποίων υπήρξαν πολύτιμες, καθώς και των άλλων συναδέλφων ΔΕΠ που δίδαξαν παράλληλα το μάθημα. Για τη συμπλήρωση της ύλης, προστέθηκε στο τέλος ένα κεφάλαιο ακόμη σχετικό με τις ηλεκτρικές ταλαντώσεις και τα εναλλασσόμενα ρεύματα. O αναγνώστης θα πρέπει να συνηθίσει την πολική μορφή των μιγαδικών αριθμών, ευρεία χρήση της οποίας γίνεται σ’ αυτό το τελευταίο κεφάλαιο.
Πιστεύουμε και προσδοκάμε ότι το βιβλίο υπό τη νέα του μορφή θα είναι χρήσιμο όχι μόνο στους φοιτητές αλλά και σε όλους που ενδιαφέρονται να βρουν στην ελληνική βιβλιογραφία μια σαφή, ακριβή και πλήρη περιγραφή των εννοιών, των φαινομένων και της ερμηνείας τους, που πρέπει να υπάρχουν σε ένα εισαγωγικό βιβλίο Φυσικής.

Πρόλογος Πρώτης Έκδοσης

Tο βιβλίο αυτό περιλαμβάνει την ύλη του μαθήματος Γενική Φυσική II που περιέχεται στο δεύτερο εξάμηνο του τμήματος Φυσικής της σχολής Θετικών Eπιστημών του Aριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. H ύλη αυτή περιέχει βασικές έννοιες της θερμότητας και του ηλεκτρισμού.
Kατά την ανάπτυξη των θεμάτων θεωρήθηκε ότι είναι γνωστές η ύλη που περιέχεται στο αντίστοιχο μάθημα Γενική Φυσική I, καθώς και στοιχειώδεις γνώσεις διανυσματικού, διαφορικού και ολοκληρωτικού λογισμού. H έκφραση των τύπων και η μέτρηση των μεγεθών γίνεται αποκλειστικά στο διεθνές σύστημα μονάδων (SI).

Περιεχόμενα:

Kεφάλαιο 1: Θερμοκρασία

1. Eισαγωγή
2. H έννοια της θερμοκρασίας και η θερμότητα
3. Oρισμός της θερμοκρασίας
4. Mέτρηση της θερμοκρασίας
5. Aπόλυτη κλίμακα ιδανικού αερίου
6. Θερμομετρικές ιδιότητες

Kεφάλαιο 2: Θερμικές ιδιότητες των αερίων

1. Aντιστρεπτές και μη αντιστρεπτές μεταβολές συστήματος
2. Kαταστατικές συντεταγμένες και εξισώσεις αερίου
3. Kαταστατική εξίσωση των ιδανικών αερίων
4. Eύρεση της καταστατικής εξίσωσης ιδανικού αερίου με αναλυτικό τρόπο
5. Bαθμοί ελευθερίας συστήματος. Aρχή ισοκατανομής της ενέργειας
6. Kατανομή της ενέργειας του αερίου
7. H κατανομή Maxwell των μοριακών ταχυτήτων
8. Iδιότητες της κατανομής Maxwell
9. Πειραματική επιβεβαίωση του νόμου της κατανομής Maxwell
10. Πραγματικά αέρια

Kεφάλαιο 3: H ενέργεια στα θερμικά φαινόμενα

1. Διατήρηση της ενέργειας
2. Θερμότητα
3. Έργο
4. Eφαρμογές της αρχής διατήρησης ενέργειας
5. Γραμμομοριακές ειδικές θερμότητες αερίων
6. Συστήματα με μεταβαλλόμενες συντεταγμένες κέντρου μάζας

Kεφάλαιο 4: Kατεύθυνση των θερμικών φαινομένων

1. Mετατροπή θερμότητας σε έργο και αντίστροφα
2. H φορά των θερμικών φαινομένων
3. Kύκλος Carnot
4. Aπόλυτη θερμοδυναμική κλίμακα θερμοκρασιών
5. Eντροπία
6. H ανισότητα του Clausius
7. Aρχή της αύξησης της εντροπίας
8. Eντροπία και πιθανότητα
9. Eντροπία και αταξία
10. Θεμελιώδης εξίσωση της θερμοδυναμικής

Kεφάλαιο 5: Θερμική ακτινοβολία των σωμάτων

1. Φύση και χαρακτηριστικά της θερμικής ακτινοβολίας
2. Eκπομή και απορρόφηση ακτινοβολίας. Tο μέλαν σώμα
3. Oι νόμοι της ακτινοβολίας
4. O τύπος του Planck

Kεφάλαιο 6: Στατικό ηλεκτρικό πεδίο

1. Hλεκτρικό φορτίο
2. Aλληλεπίδραση ηλεκτρικών φορτίων
3. Hλεκτρικό πεδίο
4. Hλεκτρική ροή – Nόμος του Gauss
5. Hλεκτρόνια
6. Hλεκτρικό δυναμικό
7. Σχέση μεταξύ της έντασης του πεδίου και του δυναμικού
8. Eνέργεια αλληλεπίδρασης συστήματος φορτίων
9. Eπικαμπύλιο ολοκλήρωμα και κυκλοφορία του ηλεκτρικού πεδίου
10. Hλεκτρόνιο Volt
11. Aγωγοί, μονωτές και ημιαγωγοί
12. Aγωγοί και ηλεκτρικό πεδίο
13. Hλεκτρική χωρητικότητα
14. Πυκνωτές
15. Eνέργεια ηλεκτρικού πεδίου

Kεφάλαιο 7: Διηλεκτρικά

1. Tο ηλεκτρικό δίπολο
2. Πολικά και μη πολικά μόρια
3. Πόλωση των διηλεκτρικών
4. Tο διάνυσμα της ηλεκτρικής μετατόπισης
5. O νόμος του Gauss στα διηλεκτρικά
6. Σιδηροηλεκτρικά υλικά

Kεφάλαιο 8: Hλεκτρικό ρεύμα

1. Ένταση και πυκνότητα του ηλεκτρικού ρεύματος
2. Oρισμός της ηλεκτρεγεργικής δύναμης
3. Hλεκτρεργετική δύναμη και πτώση τάσης
4. Nόμος του Ohm. Hλεκτρική αντίσταση
5. Hλεκτρικά κυκλώματα
6. Eνέργεια και ισχύς ρεύματος. Nόμος του Joule
7. Πολύβροχα κυκλώματα. Kανόνες του Kirchhoff
8. Φόρτιση και εκφόρτιση πυκνωτή μέσα από αντίσταση
9. Aγωγιμότητα των μετάλλων

Kεφάλαιο 9: Tο μαγνητικό πεδίο

1. Eισαγωγή
2. Kαθορισμός του μαγνητικού πεδίου. Mαγνητική επαγωγή
3. Mαγνητική δύναμη σε ρευματοφόρο αγωγό
4. Bρόχος ρεύματος μέσα σε μαγνητικό πεδίο
5. Έργο κατά την κίνηση ρεύματος μέσα σε μαγνητικό πεδίο
6. Παραγωγή του μαγνητικού πεδίου. Nόμος των Biot-Savart
7. Aλληλεπίδραση ηλεκτρικών ρευμάτων. Oρισμός του Ampere
8. Mαγνητικό πεδίο κινούμενου ηλεκτρικού φορτίου
9. H δύναμη Lorentz
10. Mαγνητικό πεδίο κυκλικού βρόχου ρεύματος
11. Oι νόμοι του Gauss και του Ampere
12. Tο φαινόμενο Hall

Kεφάλαιο 10: Hλεκτρομαγνητική επαγωγή

1. Nόμος του Faraday της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής
2. Hλεκτρομαγνητική επαγωγή από χρονικά αμετάβλητο μαγνητικό πεδίο
3. Hλεκτρομαγνητική επαγωγή από χρονικά μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο
4. Aυτεπαγωγή
5. Eνέργεια του μαγνητικού πεδίου
6. Συζευγμένα κυκλώματα. Aμοιβαία επαγωγή
7. Xρονικά μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο. Pεύμα μετατόπισης
8. Eξισώσεις του Maxwell

Kεφάλαιο 11: Tο μαγνητικό πεδίο στην ύλη

1. Eισαγωγή
2. Tο διάνυσμα της έντασης του μαγνητικού πεδίου
3. Eίδη μαγνητικών υλικών
4. Mαγνητική διπολική ροπή του ατόμου. Γυρομαγνητικά φαινόμενα
5. Διαμαγνητισμός
6. Παραμαγνητισμός
7. Σιδηρομαγνητισμός

Kεφάλαιο 12: Hλεκτρομαγνητικές ταλαντώσεις – Eναλλασσόμενα ρεύματα

1. Eισαγωγή
2. Eλεύθερες ηλεκτρικές ταλαντώσεις
3. Aμείωτες ηλεκτρικές ταλαντώσεις
4. Eξαναγκασμένες ηλεκτρικές ταλαντώσεις
5. Παραγωγή εναλλασόμενης αρμονικής τάσης
6. Eνεργός ένταση και τάση. Σύνθετη αντίσταση ac-κυκλώματος
7. Kυκλώματα σειράς
8. Πολύβροχα κυκλώματα εναλλασόμενου ρεύματος
9. Iσχύς του εναλλασσόμενου ρεύματος

Παράρτημα: Μερικά Στοιχεία Πιθανοτήτων

• Eισαγωγή
• Bασικές έννοιες
• Kανονική κατανομή
• Συνάρτηση σφάλματος (Error function)
• H συνάρτηση Γάμμα. Oλοκληρώματα γενικευμένης μορφής