Что такое потенциальный барьер потенциалоскопа
Потенциальная яма и принцип чайной ложечки
Вводя понятие потенциальной ямы, в учебниках физики обычно рисуют шарик, который катается по кривой, представляющей собой график функции, имеющей две точки минимума и точку максимума между ними (рис. 1). Функция выражает значение потенциальной энергии шарика. Точке минимума соответствует потенциальная яма, точке максимума — потенциальный барьер. Таким образом, потенциальной ямой физики называют состояние рассматриваемой системы с минимумом ее потенциальной энергии. Сам по себе из одной ямы в другую шарик перекатиться не может. Для его перемещения требуется приложить внешнюю силу и совершить достаточную для преодоления потенциального барьера работу. (Правда, имеются ситуации, когда частица, не макроскопический шарик, с некоторой вероятностью может преодолеть такой барьер без всякой «внешней» помощи. Этим объясняется, например, явление альфа-распада тяжелых ядер.)
Потенциальную яму каждый из нас наблюдает чуть ли не ежедневно. Представьте, например, что на столе стоит стакан чая с чайной ложечкой внутри и блюдце. Размешав чай, вы хотите положить ложечку на блюдце. Для этого надо совершить работу — поднять ложечку выше стакана, преодолеть потенциальный барьер. Положение ложечки и в стакане, и на блюдце — устойчиво. Если чаепитие происходит, скажем, в вагоне движущегося поезда, то небольшие толчки или сотрясения оставят ложечку на месте и в стакане, и на блюдце. В этой простейшей ситуации дно стакана и блюдце — это две потенциальные ямы, а ложечка — перекатываемый из одной ямы в другую шарик.
Оказывается, подобная абстрактная «ложечка» присутствует во многих окружающих нас конструкциях, где вместо потенциальной энергии гравитационного взаимодействия с Землей надо рассматривать потенциальную энергию деформируемой пружины.
Электрический выключатель. На рисунке 2 изображена схема электрического выключателя, когда электрическая цепь разомкнута. При повороте пластмассового рычажка АВ вокруг точки О против часовой стрелки пружина из положения KA переходит в положение KA′ и замыкает цепь. На этом пути пружина сначала сжимается (ее потенциальная энергия увеличивается), потом разжимается. Почему? Да потому, что в треугольнике АОK сумма длин двух сторон АО и АK больше длины стороны KО. Когда пружина и отрезок АО располагаются на отрезке KО, пружина неизбежно оказывается сжатой. Крайние положения пружины — это потенциальные ямы. Оба эти положения пружины (и рычажка АВ) устойчивы.
Проведем простой эксперимент. Если слегка нажать на клавишу настенного включателя и затем отпустить ее, то клавиша, щелкнув, вернется в исходное положение. Это и есть явное проявление устойчивости. Никакие слабые случайные возмущения этого устройства (т.е. несильные толчки или сотрясения) не нарушат состояние системы: электрическая цепь останется либо замкнутой, либо разомкнутой, т.е. будет функционировать устойчиво.
На рисунке 2 представлена, как говорят, принципиальная схема выключателя, в каждом конкретном случае она реализуется разными технологическими решениями.
Велосипедная подножка. Теперь обратим свое внимание на велосипед, а точнее — на атрибут современных велосипедов, называемый подножкой (рис. 3). Это устройство призвано удерживать неподвижный велосипед от падения.
Снова рассмотрим лишь принципиальную схему устройства, т.е. будем говорить только о важнейших его элементах, не вдаваясь во все детали. Таких элементов здесь всего два — собственно подножка и пружина. Они вместе играют роль чайной ложечки. Пусть один конец пружины закреплен в точке K, в положении ОА подножка убрана, а в положении OA′ она удерживает велосипед от падения (рис. 4). Если мы переводим подножку из одного положения в другое, то пружину мы вначале растягиваем. Про достижении на пути из ОР в OP′ серединного положения пружина начинает сжиматься и подножка с ударом переходит в новое устойчивое положение. Потенциальный барьер соответствует неустойчивому положению пружины (и подножки). Малейшее отклонение подножки от этого положения или же придание ей скорости мгновенно переводит систему в одно из устойчивых положений. На деле одно из этих устойчивых положений соответствует убранной подножке, и оно востребовано при движении велосипеда. Другое устойчивое положение подножки, опирающейся на землю, используют для покоящегося велосипеда.
Обратите внимание: на практике важны именно устойчивые положения равновесия! Использование же неустойчивых точек покоя — явления редкие, можно сказать, экзотические. Вот поэтому и демонстрируют их цирковые эквилибристы или же переходящие через горные ущелья канатоходцы.
Устойчивость и неустойчивость положений равновесия. Устойчивость — понятие универсальное. В наши дни часто говорят о принципах устойчивого природопользования и устойчивого развития человечества, о социальной стабильности в обществе. Иными словами, термины «устойчивость» и «неустойчивость» сегодня являются широко распространенными и многозначными. Заметим, что в математике есть целое направление — математическая теория устойчивости; многочлены, все корни которых имеют отрицательные вещественные части, называются устойчивыми. В школе учащиеся впервые знакомятся с устойчивостью и равновесием на уроках физики. А в жизни, конечно, намного раньше: когда качаются на детских качелях или сооружают из кубиков непадающие башни.
Напомним, что положение равновесия называют неустойчивым, если всякое малое отклонения системы от этого положения приводит к появлению силы, которая это отклонение увеличивает. Самый популярный и наглядный пример таков. Шарик находится на вершине холма и неподвижен — можно рассматривать маленький шарик, находящийся на «северном полюсе» большого шара. Всякое малое смещение малого шарика или же придание ему сколь угодно малой скорости приведет к появлению скатывающей силы, удаляющей его от исходного положения равновесия или исходного положения покоя. Значит, и равновесие, и покой в этом случае неустойчивы. Другой пример — карточный домик.
Если же при отклонении системы от положения равновесия появляется сила, возвращающая систему в исходное состояние, то это положение равновесия называют устойчивым. Примером служит шарик, находящийся в ямке (или ложбине).
Для сжатия или растяжения пружины требуется совершить некоторую работу. Эта работа приводит к увеличению потенциальной энергии, накопленной пружиной. Деформированная пружина стремится вернуться в исходное недеформированное состояние, которому соответствует минимум потенциальной энергии. Недеформированное состояние пружины является устойчивым потому, что ее растяжение или сжатие вызывает появление силы упругости, которая стремится вернуть пружину (и связанную с ней систему) в исходное состояние.
Где еще применяют такие пружины. Существует очень много механических реализаций рассмотренных принципиальных схем и их модификаций. Даже на фотоаппарате, которым были сделаны снимки, представленные далее на рисунках 5–7, прикрывающая контакты крышка в положениях открыто / закрыто фиксируется подобным запирающим устройством.
Так, в трамвае крышка аварийного люка находится в состоянии устойчивого покоя (см. рис. 5). Для того чтобы в случае опасности открыть люк, пружину следует сжать и провести ее через состояние неустойчивого равновесия. Отметим, что при растяжении пружина всегда остается прямолинейной, а вот сжатие длинной пружины иногда приводит к ее «выпучиванию». Во избежание этого пружину, работающую на сжатие, помещают внутрь обоймы или патрона.
Механизм, удерживающий форточку в трамвае в состоянии открыто / закрыто (см. рис. 6), фактически описан в статье.
А теперь — конструкторская задача. На рисунке 7 показаны две банки для чая. Их замки действуют согласно изложенному в нашей статье принципу. А где же здесь пружина? Оказывается, роль пружины выполняет эластичная резиновая прокладка, укрепленная по периметру крышки (одновременно эта прокладка обеспечивает герметичность банки). При закрывании банки крышка вначале прижимается к ней, а потом чуть-чуть (примерно на миллиметр) поднимается вверх. Оба рычага столь жесткие, что практически не деформируются. Прокладка, будучи деформированной и потом освобожденной от внешнего воздействия, легко приподнимает крышку. Если удалить прокладку, система перестает действовать.
Потенциальный барьер
Потенциа́льный барье́р — область пространства, разделяющая две другие области с различными или одинаковыми потенциальными энергиями. Характеризуется «высотой» — минимальной энергией классической частицы, необходимой для преодоления барьера.
На приведённом изображении участок BNC является потенциальным барьером для частицы с энергией E1. Потенциальным барьером для частицы с энергией E2 служит участок от нуля до точки D, так как частица не в состоянии подойти к началу координат ближе, чем координата точки D.
В классической механике, в случае, когда частица не обладает энергией, большей максимума для данного барьера, она не сможет преодолеть потенциальный барьер. В квантовой механике, напротив, возможно преодоление барьера с определённой вероятностью (туннельный эффект).
см. также
Смотреть что такое «Потенциальный барьер» в других словарях:
ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ БАРЬЕР — ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ БАРЬЕР, ограниченная в пространстве область высокой потенциальной энергии частицы в силовом поле, по обе стороны от которой энергия более или менее резко спадает. Потенциальный барьер соответствует силам отталкивания. В отличие от… … Современная энциклопедия
Потенциальный барьер — ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ БАРЬЕР, ограниченная в пространстве область высокой потенциальной энергии частицы в силовом поле, по обе стороны от которой энергия более или менее резко спадает. Потенциальный барьер соответствует силам отталкивания. В отличие от… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ БАРЬЕР — ограниченная в пространстве область высокой потенц. энергии ч цы в силовом поле, по обе стороны к рой потенц. энергия б. или м. резко спадает. П. б. соответствует силам отталкивания. На рис. изображён П. б. простой формы для случая одномерного… … Физическая энциклопедия
ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ БАРЬЕР — ограниченная в пространстве область высокой потенциальной энергии частицы в силовом поле; соответствует силам отталкивания. В квантовой теории, в отличие от классической, частица с полной энергией Е ниже высоты потенциального барьера UБ может с… … Большой Энциклопедический словарь
потенциальный барьер — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN potential barrier … Справочник технического переводчика
ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ БАРЬЕР — не значительная область пространства, в которой (см.) частицы больше её полной энергии (кинетическая + потенциальная); соответствует силам отталкивания. Максимальное значение потенциальной энергии U(x) = UQ в некоторой точке х = х0 силового поля… … Большая политехническая энциклопедия
потенциальный барьер — ограниченная в пространстве область высокой потенциальной энергии частицы в силовом поле; соответствует силам отталкивания. Согласно квантовой теории, в отличие от классической, частица с полной энергией Е ниже высоты потенциального барьера UБ… … Энциклопедический словарь
Потенциальный барьер — в физике, пространственно ограниченная область высокой потенциальной энергии (См. Потенциальная энергия) частицы в силовом поле, по обе стороны которой потенциальная энергия более или менее резко спадает. П. б. соответствует силам… … Большая советская энциклопедия
потенциальный барьер — potencialo barjeras statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. potential barrier vok. Potentialbarriere, f; Potentialschwelle, f; Potentialwall, m rus. потенциальный барьер, m pranc. barrière de potentiel, f … Automatikos terminų žodynas
потенциальный барьер — potencialo barjeras statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Erdvės sritis, kurioje dalelės potencinė energija didesnė nei gretimose srityse. atitikmenys: angl. potential barrier vok. Potentialberg, m; Potentialschwelle, f;… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ БАРЬЕР
— область повышенного значения потенциальной энергии, разделяющая области с пониженным её значением ( потенциальные ямы и долины). Классич. система может преодолеть П. б., получив извне необходимое кол-во энергии. Такой способ преодоления барьера носит назв. активационного. Если система находится в равновесии с термостатом при темп-ре Т, много меньшей мин. высоты D П. б., то термоактивац. процесс с подавляющей вероятностью перебрасывает систему через П. б. в малой окрестности перевальной точки, к-рой соответствует высота D. Вероятность 
термоактивац. процесса определяется ф-лой
где предэкспоненц. множитель зависит от деталей ди-намич. и релаксац. процессов вблизи точки перевала, но экспонента является универсальной.
Квантовая механика допускает возможность проникновения сквозь П. б. частицы (системы), обладающей энергией 
вследствие неопределённости энергии
за конечный промежуток времени. Такой процесс наз. квантовым туннелированием (см. Туннельный эффект). Представление о квантовом тун-нелировании впервые введено Дж. Гамовом (G. Gamov) в 1927 для объяснения a-распада радиоакт. ядер.
Полезное
Смотреть что такое «ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ БАРЬЕР» в других словарях:
ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ БАРЬЕР — ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ БАРЬЕР, ограниченная в пространстве область высокой потенциальной энергии частицы в силовом поле, по обе стороны от которой энергия более или менее резко спадает. Потенциальный барьер соответствует силам отталкивания. В отличие от… … Современная энциклопедия
Потенциальный барьер — ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ БАРЬЕР, ограниченная в пространстве область высокой потенциальной энергии частицы в силовом поле, по обе стороны от которой энергия более или менее резко спадает. Потенциальный барьер соответствует силам отталкивания. В отличие от… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ БАРЬЕР — ограниченная в пространстве область высокой потенциальной энергии частицы в силовом поле; соответствует силам отталкивания. В квантовой теории, в отличие от классической, частица с полной энергией Е ниже высоты потенциального барьера UБ может с… … Большой Энциклопедический словарь
потенциальный барьер — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN potential barrier … Справочник технического переводчика
ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ БАРЬЕР — не значительная область пространства, в которой (см.) частицы больше её полной энергии (кинетическая + потенциальная); соответствует силам отталкивания. Максимальное значение потенциальной энергии U(x) = UQ в некоторой точке х = х0 силового поля… … Большая политехническая энциклопедия
потенциальный барьер — ограниченная в пространстве область высокой потенциальной энергии частицы в силовом поле; соответствует силам отталкивания. Согласно квантовой теории, в отличие от классической, частица с полной энергией Е ниже высоты потенциального барьера UБ… … Энциклопедический словарь
Потенциальный барьер — в физике, пространственно ограниченная область высокой потенциальной энергии (См. Потенциальная энергия) частицы в силовом поле, по обе стороны которой потенциальная энергия более или менее резко спадает. П. б. соответствует силам… … Большая советская энциклопедия
Потенциальный барьер — область пространства, разделяющая две другие области с различными или одинаковыми потенциальными энергиями. Характеризуется «высотой» минимальной энергией классической частицы, необходимой для преодоления барьера. На приведённом изображении… … Википедия
потенциальный барьер — potencialo barjeras statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. potential barrier vok. Potentialbarriere, f; Potentialschwelle, f; Potentialwall, m rus. потенциальный барьер, m pranc. barrière de potentiel, f … Automatikos terminų žodynas
потенциальный барьер — potencialo barjeras statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Erdvės sritis, kurioje dalelės potencinė energija didesnė nei gretimose srityse. atitikmenys: angl. potential barrier vok. Potentialberg, m; Potentialschwelle, f;… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
Потенциальный барьер
Полезное
Смотреть что такое «Потенциальный барьер» в других словарях:
ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ БАРЬЕР — ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ БАРЬЕР, ограниченная в пространстве область высокой потенциальной энергии частицы в силовом поле, по обе стороны от которой энергия более или менее резко спадает. Потенциальный барьер соответствует силам отталкивания. В отличие от… … Современная энциклопедия
Потенциальный барьер — ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ БАРЬЕР, ограниченная в пространстве область высокой потенциальной энергии частицы в силовом поле, по обе стороны от которой энергия более или менее резко спадает. Потенциальный барьер соответствует силам отталкивания. В отличие от… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ БАРЬЕР — ограниченная в пространстве область высокой потенц. энергии ч цы в силовом поле, по обе стороны к рой потенц. энергия б. или м. резко спадает. П. б. соответствует силам отталкивания. На рис. изображён П. б. простой формы для случая одномерного… … Физическая энциклопедия
ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ БАРЬЕР — ограниченная в пространстве область высокой потенциальной энергии частицы в силовом поле; соответствует силам отталкивания. В квантовой теории, в отличие от классической, частица с полной энергией Е ниже высоты потенциального барьера UБ может с… … Большой Энциклопедический словарь
потенциальный барьер — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN potential barrier … Справочник технического переводчика
ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ БАРЬЕР — не значительная область пространства, в которой (см.) частицы больше её полной энергии (кинетическая + потенциальная); соответствует силам отталкивания. Максимальное значение потенциальной энергии U(x) = UQ в некоторой точке х = х0 силового поля… … Большая политехническая энциклопедия
потенциальный барьер — ограниченная в пространстве область высокой потенциальной энергии частицы в силовом поле; соответствует силам отталкивания. Согласно квантовой теории, в отличие от классической, частица с полной энергией Е ниже высоты потенциального барьера UБ… … Энциклопедический словарь
Потенциальный барьер — область пространства, разделяющая две другие области с различными или одинаковыми потенциальными энергиями. Характеризуется «высотой» минимальной энергией классической частицы, необходимой для преодоления барьера. На приведённом изображении… … Википедия
потенциальный барьер — potencialo barjeras statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. potential barrier vok. Potentialbarriere, f; Potentialschwelle, f; Potentialwall, m rus. потенциальный барьер, m pranc. barrière de potentiel, f … Automatikos terminų žodynas
потенциальный барьер — potencialo barjeras statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Erdvės sritis, kurioje dalelės potencinė energija didesnė nei gretimose srityse. atitikmenys: angl. potential barrier vok. Potentialberg, m; Potentialschwelle, f;… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ БАРЬЕР
Смотреть что такое «ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ БАРЬЕР» в других словарях:
ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ БАРЬЕР — ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ БАРЬЕР, ограниченная в пространстве область высокой потенциальной энергии частицы в силовом поле, по обе стороны от которой энергия более или менее резко спадает. Потенциальный барьер соответствует силам отталкивания. В отличие от… … Современная энциклопедия
Потенциальный барьер — ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ БАРЬЕР, ограниченная в пространстве область высокой потенциальной энергии частицы в силовом поле, по обе стороны от которой энергия более или менее резко спадает. Потенциальный барьер соответствует силам отталкивания. В отличие от… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ БАРЬЕР — ограниченная в пространстве область высокой потенц. энергии ч цы в силовом поле, по обе стороны к рой потенц. энергия б. или м. резко спадает. П. б. соответствует силам отталкивания. На рис. изображён П. б. простой формы для случая одномерного… … Физическая энциклопедия
потенциальный барьер — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN potential barrier … Справочник технического переводчика
ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ БАРЬЕР — не значительная область пространства, в которой (см.) частицы больше её полной энергии (кинетическая + потенциальная); соответствует силам отталкивания. Максимальное значение потенциальной энергии U(x) = UQ в некоторой точке х = х0 силового поля… … Большая политехническая энциклопедия
потенциальный барьер — ограниченная в пространстве область высокой потенциальной энергии частицы в силовом поле; соответствует силам отталкивания. Согласно квантовой теории, в отличие от классической, частица с полной энергией Е ниже высоты потенциального барьера UБ… … Энциклопедический словарь
Потенциальный барьер — в физике, пространственно ограниченная область высокой потенциальной энергии (См. Потенциальная энергия) частицы в силовом поле, по обе стороны которой потенциальная энергия более или менее резко спадает. П. б. соответствует силам… … Большая советская энциклопедия
Потенциальный барьер — область пространства, разделяющая две другие области с различными или одинаковыми потенциальными энергиями. Характеризуется «высотой» минимальной энергией классической частицы, необходимой для преодоления барьера. На приведённом изображении… … Википедия
потенциальный барьер — potencialo barjeras statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. potential barrier vok. Potentialbarriere, f; Potentialschwelle, f; Potentialwall, m rus. потенциальный барьер, m pranc. barrière de potentiel, f … Automatikos terminų žodynas
потенциальный барьер — potencialo barjeras statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Erdvės sritis, kurioje dalelės potencinė energija didesnė nei gretimose srityse. atitikmenys: angl. potential barrier vok. Potentialberg, m; Potentialschwelle, f;… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas