Ответы на вопросы по физике
.pdf
Вопрос №23.Контактные разности потенциалов. Явление Зеебека.
Известно, что в одном и том же металле концентрация электронов одинакова, и различна для различных металлов.
Приведем в соприкосновении две пластинки из одного металла. В результате одинаковой работы выхода электронов и одинаковой их концентрации не произойдет убыль электронов в одной пластине и накопление их и другой. В этом случае рачность потенциалов двух пластин равна нулю.
Нсли приведем в тесное соприкосновение две пластины из разных металлов, то в результате различной работы выхода электронов и различной концентрации электронов произойдет убывание электронов в одной пластине н накопление их в другой. В этом случае возникает рашость потенциалов, отличная от нуля.
Разность потенциалов,возникающая между рачнородными металлами при их соприкосновении называется контактной разностью потенциналов.
Рассмотрим контакт двух металлов с рачличнымн работами выхода A1 и A2 т.е. С различными положениями уроней Ферми. Пусть A1 A2 (рис), тогда уровень Ферми располагается в металле 1 выше чем в металле 2, Следовательно, при контакте металлов электроны с более высоких уровней металла 1 будут переходить па более низкие уровни в металле 2, т.е в области контакта 1 зарядится положительно, а 2 отрицательно.
Одновременно будет происходить смещение энергетических уровней, пока между металлами не установиться равновесие, которое характеризуется совпадением уровней Ферми в обоих мелаллах. Так как уровни Ферми теперь совпадают, а работы А1 и А2 не изменяются (работы
выхода являются константами металлов и не зависят от того, находятся металлы в контакте или нет), то потенциальная энергия электронов в точках лежащих вне металлов в непосредственной близости к их поверхности (точки А и В) будет различной. Т.е. установиться разность потенциалов
внеш= A1−A2
e
Разность потенциалов, обусловленная различием работ выхода контактирующих металлов, называется внешней контактной разностью потенциалов.
Если энергии Ферми для двух контактирующих металлов не одинаковы, то между внутренними
точками металлов наблюдается внутренняя контактная разность потенциалов. внутр= EF 1−E F2 e
Причиной возникновения внутренней контактной разности потенциалов является
различие концентраций электронов в контактирующих металлах. внутр=kT ln |
n1 |
,где k-постоянная |
||
n2 |
||||
Больцмана, n1 и n2 |
|
|
||
- концентрация свободных электронов в первом и втором металлах |
||||
соответственно. '' |
зависит от температуры, т.к энергия ферми зависит от температуры. Как правило |
|||
внутр внешн .
Термоэлектрические явления
Явление Зеебека:
В замкнутой цепи состоящей из разнородных металлов, находящихся при одинаковой температуре, э.д.с. не возникает. Однако если температура контактов разная, то в цепи возникает электрический ток.
Рассмотрим цепь, состоящею их металлов 1 и 2 с температурами Т 1 Т 2 . Установлено, при этом ЭДС прямо пропорциональная разности температур в контактах = T 1−T 2 .
Эта ЭДС называется термоэлектродвижущей силой. Коэффициент
пропорциональности |
d = |
d |
имеет простой физический смысл - |
|
d T |
||||
|
|
|
дифференциальная термоЭДС численно равна термоЭДС возникающей при разности температур спаев
в 1 К. Видно что если T 1=T 2 =0 |
= контактн диффуз . |
EF |
−E F |
|
|
|
а) Причина возникновения контактной части термоЭДС ясна из формулы внутр= |
2 |
. |
||||
1 |
|
|||||
|
e |
|
||||
|
|
|
|
|
||
Вследствие того, что положение уровня Ферми зависит от температуры и если температура контактов разная, то разными будут и внутренние контактные разности потенциалов, т.е внутренняя контактная рачность потенциалов зависит от температуры.
контактн=∑ ≠0 |
, при температуре T 1 T 2 |
внутр 1 внутр 2 |
б) Диффузионная часть термоЭДС объясняется тем, что средняя энергия электронов проводимости зависит от природы проводника и по-разному растет с температурой.Если вдоль проводника существует градиент температур, то электроны на горячем конце приобретают более высокие энергии и скорости, чем на холодном. В результате возникает поток электронов от горячего конца к холодному и на холодном конце накапливается отрицательный заряд, а на горячем остаётся некомпенсированный положительный заряд. Т.к. металлы разные, то и концентрация не скомпенсированных зарядов будет разной - на горячем конце будет у разных металлов разная концентрация положительных зарядов.
Т.к. Эдс равена суммарному скачку потенциала то Алгебраическая сумма таких разностей потенциалов в цепи создает диффузионную составляющею термоЭДС диффуз=∑ ≠0
Явление Зеебека используется для измерения температуры в устройствах-называемых термопарамиэто датчики температур, состоящие из двух соединенных между собой разнородных металлических проводников. Если контакты проводников образующих термопару находятся при разных температурах, то в цепи возникает термоЭДС. которая зависит от разности температур контактов и природы применяемых материалов. Чувствительность термопар повышается если их соединять последовательно образуя термобатареи. Термопары обладают тем преимуществом, что позволяют измерять как очень высокие температуры так и очень низкие.
ЭДС термобатареи равна сумме ЭДС отдельных элементов
Вопрос №24.Явление Пельтье. Явление Томпсона.
Явление Пельтье Пельтье обнаружил, что при прохождении тока через контакт двух различных проводников в
зависимости от его направления помимо джоулевекой теплоты выделяется или поглощаетея дополнительная теплота. Т.е. явление Пельтье является обратным по отношению к явлению Зеебека. В
отличие от джоулевской теплоты, которая пропорциональна квадрату тока Qдж =I 2 RT , теплота Пельтье пропорциональна первой степени силы тока и меняет знак при изменении направления тока.
Qп~I . пусть ток протекает через цепь состоящую из двух разнородных проводников. Согласно наблюдениям спай А нагреваеться, а спай В охлаждаеться. При изменении направления тока будет наоборот. Объяснение: электроны по разные стороны от спая обладают различной средней энергией (кинетеческой + потенциальной) . При переходе из одного проводника в другой электроны, либо передают избыточную энергию атомам, либо пополняют недостаток энергии за их счет (в зависимости от направления тока). В первом случае вблизи контакта выделяеться, а во втором поглощаеться теплота Пельтье.
Явление томсона.
При прохождении тока по неравномерно нагретому проводнику должно происходить дополнительное выделение(поглощение) теплоты, аналогичной теплоты Пелыье. Это явление получило название явления Томпсона. Объяснение. Так как в более нагретой части проводника (элктроны имеют большую среднею энергию, чем и менее нагретой, то, двигаясь в направлении убывания температуры, они отдают часть своей энергии решетке, и результате чего происходит выделение теплоты Томпсона. Если же ).электроны двигаются в направлении возрастания температуры, то они, наоборот пополняют свою энергию за счет энергии решетки, в результате чего происходит поглощение теплоты Томпсона.
Вопрос №25.P-n переход, диод, транзистор.
Гранина соприкосновения двух полупроводников, один их которых имеет электронную, а другой дырочную проводимость, начинается эдектронно-дырочным или p-n переходом.
При контакте электроны из n полупроводника, где их концентрация выше, будут диффундировать в р полупроводник, где их концентрация ниже. Диффузия же дырок происходит в обратном направлении. В n- полупроводнике из-за ухода электронов вблизи границы остается нескомпенсированный положительный заряд. В полупроводнике образуется отрицательный нескомпенсированный заряд. Эти объемные заряды образуют у Гранины двойной электрический слой, поле которого, направленное от n к p области препятствует дальнейшему переходу электронов и дырок. При определенной толщине наступает равновесное состояние, характеризуемое выравниванием уровней Ферми для обоих полупроводников. При этом возникает контактная разность потенциалов около десятых долей вольта, преодолеть, которую носители тока при обычных температурах не могут, т.е. в равновесии контактный слой является запирающим.
Сопротивление запирающею слоя можно изменить с помощью внешнего электрического поля. Направление внешнего поля, расширяющего запирающий слой, называеться обратным.
Т.e. такое направление вызывает движение электронов в n-полупроводнике и дырок в р-полупроводнике от границы р-n перехода в противоположные стороны т.е расширяя запирающий слой. Ток и данном случае практически не проходит т.к он поддерживаеться лишь, за счет не основных носителей тока (т.е. за счет электронов в p и дырок в n)
Если к р-n переходу приложить внешнее ноле направленной противоположно полю контактного слоя, то толщина контакного слоя н соответственно его сопротивление уменьшиться. Такое направление называеться прямым.
Таким образом p-n переход обладает односторонней проводимостью, т.е работает как выпрямитель. Вышесказанное хорошо иллюстрируется вольтамперной характеристикой р-n перехода.
Полупроводниковое устройство содержащие один р-n переход называется полупроводниковым диодом.
Переходы обладают не только выпрямляющими свойствами, но могут быть использованы для усиления, если в схему ввести обратную связь.
Полупроводниковый прибор предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических
колебаний, выполненный на основе монокристаллическою полупроводника (преимущественно Si или Ge), содержащего не менее трех областей с различной - электронной (n) и дырочной (р) - проводимостью называется транзистором.
По физической структуре и механизму управления током различают транзисторы биполярные, униполярные(полевые) ггранзисторы. В первых, содержащих два или более электронно-дырочных перехода, носителями заряда служат как электроны, так и дырки. Во вторых - либо электроны, либо дырки.
Рассмотрим принцип работы биполярного р-n-р (n-p-n) транзистораМежду эмиттером и базой прикладывается постоянное напряжение в прямом направлении Между базой и коллектором постоянное обратное напряжение.
Переменное напряжение подается на входное сопротивление Rвх , и усиленное
снимается с выходного сопротивления Rвых .Протекание тока в цепи эмиттера
обусловлено в основном движением дырок (они являются основными носителями тока) и сопровождается их инжекцией (впрыскиванием) в область базы. Проникшие в базу дырки диффундируют по направлению к коллектору. причем при небольшой толщине базы значительная часть инжектированных дырок не рекомбинируют с электронами в базе и успевают достичь коллектора. Теперь дырки захватываются полем, действующим внутри перехода, вследствие чего изменяется ток коллектора. Следовательно, всякое изменение тока в цепи эмиттера вызывает изменение тока в цепи коллектора. Прикладывая между эмиттером и базой переменное напряжение, получим в цепи коллектора переменный ток, а на выходном сопротивлении-
переменное напряжение. Обычно Rвых Rвх , I к≈ I э |
тогда I к Rвых I э Rвх ,т.е. |
U вых U вх |
|
Т.к. мощность переменного тока, выделяемая в Rвых |
может быть больше расходуемой в цепи эмиттера, |
то транзистор и дает увеличение мощности, за счет источника тока включенного в цепь коллектора. Т.е. транзистор дает усиление в напряжении и в мощности.
Вопрос №26. Электрический ток в газах. Несамостоятельный газовый разряд.
Газы при не слишком высоких температурах и при давлениях, близких к атмосферному, являются хорошими изоляторами. Если поместить в сухой атмосферный воздух заряженный электрометр с хорошей изоляцией, то его заряд долго остается неизменным. Это объясняется тем, что газы при обычных условиях состоят из нейтральных атомов и молекул и не содержат свободных зарядов (электронов и ионов). Газ становится проводником электричества, когда некоторая часть его молекул ионизируется, т. е. произойдет расщепление нейтральных атомов и молекул на ионы и свободные электроны. Для этого газ надо подвергнуть действию какого-либо ионизатора (например, поднеся к заряженному электрометру пламя свечи, наблюдаем спад его заряда - здесь электропроводность газа вызвана нагреванием).
При ионизации газов, таким образом, под действием какого-либо ионизатора происходит вырывание из электронной оболочки атома или молекулы одного или нескольких электронов, что приводит к образованию свободных электронов и положительных ионов. Электроны могут присоединяться к нейтральным молекулам и атомам превращая их в отрицательные ионы. Следовательно, в ионизованном газе имеются положительные и отрицательные ионы и свободные электроны. Прохождение электрического тока через газы называется газовым разрядом.
Ионизация газов может происходить под действием различных ионизаторов: сильный нагрев (столкновения быстрых молекул становятся настолько сильными, что они разбиваются на ионы), короткое электромагнитное излучение
(ультрафиолетовое, рентгеновское и -излучения), корпускулярное излучение (потоки электронов, протонов, ОЕ-частиц) и т. д. Для того чтобы выбить из молекулы (атома) один электрон, необходимо затратить определенную энергию, называемую энергией ионизации, значения которой для атомов различных веществ лежат в пределах 4÷25 эВ .
Одновременно с процессом ионизации газа всегда идет и обратный процесс — процесс рекомбинации: положительные и отрицательные ионы, положительные ионы и электроны, встречаясь, воссоединяются между собой с образованием нейтральных атомов и молекул. Чем больше ионов возникает под действием ионизатора, тем интенсивнее идет и процесс рекомбинации.
Строго говоря, электропроводность газа нулю не равна никогда, так как в нем всегда имеются свободные заряды, образующиеся в результате действия на газы излучения радиоактивных веществ, имеющихся на поверхности Земли, а также космического излучения. Эта незначительная электропроводность воздуха (интенсивность ионизации под действием указанных факторов невелика) служит причиной утечки зарядов наэлектризованных тел даже при хорошей их изоляции. Характер газового разряда определяется составом газа, его температурой и давлением, размерами, конфигурацией и материалом электродов, приложенным напряжением, плотностью тока.
Рассмотрим цепь, содержащую газовый промежуток (рис. 156), подвергающийся непрерывному, постоянному по интенсивности воздействию ионизатора. В результате действия ионизатора газ приобретает некоторую электропроводность и в цепи потечет ток, зависимость которого от приложенного напряжения дана на рис. 157. На участке кривой ОА сила тока возрастает пропорционально напряжению, т. е. выполняется закон Ома. При дальнейшем увеличении напряжения закон Ома нарушается: рост силы тока замедляется (участок AВ) и наконец прекращается совсем (участок ВС). Это достигается в том случае, когда ионы и электроны,
создаваемые внешним аонизатором за единицу времени, за это же время достигают электродов. В результате получаем ток насыщения ( I нас ), значение которого определяется мощностью ионизатора. Ток насыщения, таким
образом, является мерой ионизирующего действия ионизатора. Если в режиме ОС прекратить действие ионизатора, то прекращается и разряд. разряды, существующие только под действием внешних ионизаторов, называются несамостоятельными. При дальнейшем увеличении напряжения между электродами сила тока вначале медленно (участок CD), а затем резко (участок DE) возрастает.
Вопрос №27. Электрический ток в газах. Самостоятельный газовые разряды и его типы.
Разряд в газе, сохраняющийся после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным. Рассмотрим условия возникновения самостоятельного разряда. При больших напряжениях между
электродами газового промежутка (см. рис. 156) ток сильно возрастает (участки CD и DE на рис. 157). При больших напряжениях возникающие под действием внешнего ионизатора электроны, сильно ускоренные электрическим полем, сталкиваясь с нейтральными молекулами газа, ионизируют их, в результате чего образуются вторичные электроны и положительные ионы (процесс на рис. 158).
Положительные ионы движутся к катоду, а электроны — к аноду. Вторичные электроны вновь ионизируют молекулы газа, и, следовательно, общее количество электронов и ионов будет возрастать по мере продвижения электронов к аноду лавинообразно. Это является причиной
увеличения электрического тока на участке CD (см. рис. 157). Описанный процесс называется ударной ионизацией. Однако ударная ионизация под действием электронов недостаточна для поддержания разряда при удалении
внешнего ионизатора. Для этого необходимо, чтобы электронные лавины «воспроизводились», т. е. чтобы в газе под действием каких-то процессов возникали новые электроны. Такие процессы схематически показаны на рис. 158: 1) ускоренные полем положительные ионы, ударяясь о катод, выбивают из него электроны (процесс 2); 2) положительные ионы, сталкиваясь с молекулами газа, переводят их в возбужденное состояние; переход таких молекул в нормальное состояние сопровождается испусканием фотона (процесс 3); 3) фотон, поглощенный нейтральной молекулой, ионизирует ее,
происходит так называемый процесс фотонной ионизации молекул (процесс 4); 4) выбивание электронов из катода под действием фотона (процесс 5).
Наконец, при значительных напряжениях между электродами газового промежутка наступает момент, когда положительные ионы, обладающие меньшей длинной свободного пробега, чем электроны, приобретают энергию, достаточную для ионнзации молекул газа (процесс 6), и к отрицательной пластине устремляются ионные лавины Когда возникают кроме электронных лавин еще и ионные, сила тока растет практически без увеличения напряжения (участок DE на рис. 157).
Врезультате описанных процессов (1-6) число ионов и электронов в объеме газа лавинообразно возрастает и разряд становится самостоятельным, т. е. сохраняется после прекращения действия внешнего ионизатора. Напряжение, при котором возникя ет самостоятельный разряд, называется напряжением пробоя.
Взависимости от давления газа, конфигурации электродов, параметров внешней цепи можно говорить о четырех типах самостоятельного разряда: тлеющем, искровом дуговом и коронном,
1.Тлеющий разряд возникает при низких давлениях. Если к электродам, впаянным в стеклянную трубку длиной 30—50 см, приложить постоянное напряжение в несколько сотен вольт, постепенно откачивая из трубки воздух, то при давлении 5,3~6,7 кПа возникает разряд в виде светящегося извилистого шнура красноватого цвета, идущего от катода к аноду. При дальнейшем понижении давления шнур утолщается, и при давлении около 13 Па разряд имеет вид, схематически изображенный на рис. 159.
Непосредственно к катоду прилегает тонкий светящийся слой - первое катодное свечение, или катодная пленка, затем следует темный слой 2 — катодное темное пространство, переходящее в дальнейшем в светящийся слой 3 — тлеющее свечение, имеющее резкую границу со стороны катода, постепенно исчезающую со стороны анода. Оно возникает из-за рекомбинации электронов с положительными ионами. С тлеющим свечением граничит темный промежуток 4 — фарадеево темное пространство, за которым следует столб ионизированного светящегося газа 5 — положительный столб. Положительный столб существенной роли в поддержании разряда не имеет. Например, при уменьшении расстояния между электродами трубки его длина сокращается, в то время как катодные части разряда по форме и величине остаются неизменными. В тлеющем разряде особое значение для его поддержания имеют только две его части: катодное темное пространство и тлеющее свечение. В катодном темном пространстве происходит сильное ускорение электронов и положительных ионов, выбивающих электроны с катода (вторичная эмиссия). В области тлеющего свечения же происходит ударная ионизация электронами молекул газа. Образующиеся при этом положительные ионы устремляются к катоду и выбивают из него новые электроны, которые, в свою очередь, опять ионизируют газ и т. д. Таким образом непрерывно поддерживается тлеющий разряд.
При дальнейшем откачивании трубки при давлении ≈ 1,3 Па свечение газа ослабевает и начинают светиться стенки
трубки. Электроны, выбиваемые из катода положительными ионами, при таких разрежениях редко сталкиваются с молекулами газа и поэтому, ускоренные полем, ударяясь о стекло, вызывают его свечение, так называемую катодолюммнесценцию. Поток этих электронов исторически получил название катодных лучей. Если в катоде просверлить малые отверстия, то положительные ионы, бомбардирующие катод, пройдя через отверстия проникают в пространство за катодом и образуют резко ограниченный пучок, получивший название каналовых (или вэдажительных) лучей, названных по знаку заряда, который они несут.
Тлеющий разряд широко используется в технике. Так как свечение положительного столба имеет характерный для каждого газа цвет, то его используют в газосветных фубках для светящихся надписей и реклам (например, неоновые газоразрядные трубки дают красное свечение, аргоновые — синевато-зеленое). В лампах дневного света, более экономичных, чем лампы накаливания, излучение тлеющего разряда, происходящее в парах ртути, поглощается нанесенным на внутреннюю поверхность трубки флуоресцирующим-веществом (люминофором), начинающим под воздействием поглощенного излучения светиться. Спектр свечения при соответствующем подборе люминофоров близок к спектру солнечного излучения. Тлеющий разряд используется для катодного напыления металлов. Вещество катода в тлеющем разряде вследствие бомбардировки положительными ионами, сильно нагреваясь, переходит в парообразное состояние. Помещая вблизи катода различные предметы, их можно покрыть равномерным слоем металла.
2. Искровой разряд возникает при больших напряженностях электрического поля ( ≈ 3 • 10* В/м) в газе, находящемся
под давлением порядка атмосферного. Искра имеет вид ярко светящегося тонкого канала, сложным образом изогнутого и разветвленного.
Объяснение искрового разряда дается на основе стримерной теории, согласно которой возникновению ярко светящегося канала искры предшествует появление слабосветящихся скоплений ионизованного газа — стримеров. Стримеры возникают не только в результате образования электронных лавин посредством ударной ионизации, но к в результате фотонной ионизации газа. Лавины, догоняя друг друга, образуют проводящие мостики из стримеров, по которым в следующие моменты времени и устремляются мощные потоки электронов, образующие каналы искрового разряда. Из-за выделения при рассмотренных процессах большого количества энергии газ в искровом промежутке нагревается до очень высокой
температуры (примерно 104 К), что приводит к его свечению. Быстрый нагрев газа ведет к повышению давления в
возникновению ударных волн, объясняющих звуковые эффекты при искровом разряде - характерное потрескивание в слабых разрядах и мощные раскаты грома в случае молнии, являющейся примером мощного искрового разряда между грозовым облаком и Землей или между двумя грозовыми облаками.
Искровой разряд используется для воспламенения горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания и предохранения электрических линий передачи от перенапряжений (искровые разрядники). При малой длине разрядного промежутка искровой разряд вызывает разрушение (эрозию) поверхности металла, поэтому он применяется для электроискровой точной обработки металлов (резание, сверление). Его используют в спектральном анализе для регистрации заряженных частиц (искровые счетчики).
3.Дуговой разрад. Если после зажигания искрового разряда от мощного источника постепенно уменьшать расстояние между электродами, то разряд становится непрерывным — возникает дуговой разряд. При этом сила тока резко возрастает, достигая сотен ампер, а напряжение на разрядном промежутке падает до нескольких десятков вольт. Дуговой разряд можно получить от источника низкого напряжения минуя стадию искры. Для этого электроды (например, угольные) сближают до соприкосновения, они сильно раскаляются электрическим током, потом их разводят и получают электрическую дугу (именно так она была открыта В. В. Петровым). При атмосферном давлении температура катода приблизительно равна 3900 К. По мере горения Дуги угольный катод заостряется, а на аноде образуется углубление —
кратер, являющийся наиболее горячим местом дуги.
По современным представлениям, дуговой разряд поддерживается за счет высокой температуры катода из-за интенсивной термоэлектронной эмиссии, а также термической ионизации молекул, обусловленной высокой температурой газа. Дуговой разряд находит широкое применение для сварки и резки металлов, получения высоко качественных сталей ная
аппаратура). Широко применяются также дуговые лампы с ртутными электродами в кварцевых баллонах, где дуговой разряд возникает в ртутном паре при откачанном воздухе. Дуга, возникающая в ртутном паре, является мощным источником ультрафиолетового излучения и используется в медицине (например, кварцевые лампы). Дуговой разряд при низких давлениях в парах ртути используется в ртутных выпрямителях для выпрямления переменного тока.
4.Коронный разряд — высоковольтный электрический разряд при высоком (например, атмосферном) давлении в резко неоднородном поле вблизи электродов с большой кривизной поверхности (например, острия). Когда напряженность поля вблизи острия достигает 30 кВ/см, то вокруг него возникает свечение, имеющее вид короны, чем и вызвано название
этого вида разряда.
В зависимости от знака коронирующего электрода различают отрицательную или положительную корону. В случае отрицательной короны рождение электронов, вызывающих ударную ионизацию молекул газа, происходит за счет эмиссии их из катода под действием положительных ионов, в случае положительной — вследствие ионизации газа вблизи анода. В естественных условиях корона возникает под влиянием атмосферного электричества у вершин мачт (на этом основано действие молниеотводов), деревьев. Вредное действие короны вокруг проводов высоковольтных линий передачи проявляется в возникновении вредных токов утечки. Для их снижения провода высоковольтных линий делаются толстыми. Коронный разряд, являясь прерывистым, становится также источником радиопомех.
Используется коронный разряд в электрофильтрах, применяемых для очистки промышленных газов от примесей. Газ, подвергаемый очистке, движется снизу вверх в вертикальном цилиндре, по оси которого расположена коронирующая проволока. Ионы, имеющиеся в большом количестве во внешней части короны, оседают на частицах примеси и увлекаются полем к внешнему некоронирующему электроду и на нем оседают. Коронный разряд применяется также при нанесении порошковых и лакокрасочных покрытий.
Вопрос №28. Магнитное поле. Индукция магнитного поля. Закон Био-Савара-Лапласа.
Этектрические и магнитные явления взаимосвязаны и взаимозависимы, так как являются различными формами проявления единого электромагнитного поля. Магнитное полe может создаваться
как током, так и намагниченными телами.
Вприроде было обнаружено 3 вида магнитных взаимодействий :
1)Взаимодействие проводников с током (проводники параллельно)
2)Взаимодействие намагниченных тел (магниты)
3)Взаимодействие намагниченных тел и проводников с током
Магнитным полем называется вид материи, через которую передается силовое воздействие на движущиеся электрические заряды и тела, обладающими магнитным моментом.
Важнейшей особенностью магнитного поля являться то, что оно действует только на движущиеся в этом поле электрические заряды (электрическое поле действует и на подвижные и неподвижные).
Подобно тому как при исследовании электростатического поля пользуются пробным точеным зарядом, при исследовании магнитного поля бесконечно малой магнитной стрелкой или контуром с током (рамкой с током), которые своим магнитным полем не искажают исследуемое ноле.
За направление магнитного поля в данной точке принимают направление вдоль которой располагается положительная нормаль к рамке или направление совпадающее с указанным северным концом магнитной стрелки.
Основной силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции В. Рамка стоком испытывает ориентирующее действие магнитного поля - на нее действует пар сил.
Вектор магнитного момента рамки с стоком рm=ISn ,где n- единичный вектор нормали к поверхности
рамки. S площадь рамки.
Если в данную точку поля помещать рамки с различными магнитными моментами, то на них действуют различные вращающие моменты, однако отношение максимального вращающего момента, действующего на рамку с током со стороны магнитного поля, к магнитному моменту рамки, для всех контуров величина постоянная. Эту величину называют магнитной индукцией:
Магитная индукция — это векторная физическая величина, являющаяся силовой характеристикой в данной точке магнитного поля.
Линии магнитной индукции - липни, касательные к которым в данной точке совпадают по направлению с вектором В к угон точке.
Линии магнитной индукции всегда замкнуты и охватывают проводники с токами, ноля. Замкнутость линий магнитной индукции говорит о том, что в магнитном поле не существует магнитных зарядов. Такие поля называют вихревыми.
Закон Био-Савара-Лапласа Для определения магнитной индукции поля, создаваемого токами различной
конфигурации в различных средах, вводят понятие напряженности магнитного поля. Магнитная индукция зависит от свойств среды.
Величина, показывающая, во сколько раз магнитная индукция в данной однородной изотропной среде больше или меньше, чем в вакууме, называется относительной магнитной
B
проницаемостью среды: = B0
Магнитная проницаемость характеризует магнитные свойства среды, она зависит от рода вещества и температуры: величина безразмерная, Для вакуума =1.
Магинитное поле в вакууме принято характеризовать не индукцией, а напряженностью
Нмагнитного поля. Эти две физические величины связаны между собой:
В= 0 H ,где =4 1О−7 Гн/ м |
_ |
В= 0 Н |
Индукция магнитного поля в среде с магнитной проницаемостью равна |
||
Векторы В и Н совпадают по направлению. Если знать напряженность ноля в данной точке, то можно определить индукцию магнитного поля в этой точке. На пряженнность H магнитного ноля завист только от силы тока, протекающего по проводнику, и его геомечрии
Сравнивая некоторые характеристики электростатического (Е и D) и магннпюго ( В и Н) видно, чю аналогом Е является вектор В, т.к эти два векгора определяют силовые характеристики этих полей и зависят от свойст среды. Аналогом вектора D является Н.
Обобщая эксперементальные данные французских физикой Био и Савара, Лаплас (фринцузский) математик) предложил (формулу, по которой можно находить индукцию магнитного ноля, создаваемого элементом тока в точке,
|
|
|
0 |
|
|
|
[ dl ,r ] |
|
|
|
||||||
|
|
|
I |
|
|
|||||||||||
расположенной от элемента на растоянии r (рис. ) d B= |
, где dl – вектор равный по модулю длине dl |
|||||||||||||||
4 |
|
|
|
|
|
r3 |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
0 |
|
|
dl sin |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
I |
|
|||||||||
проводника и совпадающий по направлению с током. d B= |
. Чтобы найти напряженность |
|||||||||||||||
|
4 |
|
|
r2 |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
создаваемого всем проводником нужно применить принцип суперпозиции.
Вопрос №29. Магнитное поле прямого тока и витка с током. Закон Ампера.
Магнитное поле прямого тока.
Пуск, требуется найти поле от бесконечного прямого тока I на расстоянии R от
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
dl sin |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
него: |
d B= |
.Для суммирования свяжем все переменные друг с другом, |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
4 |
|
|
|
r2 |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
выбирая в качестве интегрируемой переменной угол |
|
. Из рис. видно, что |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
R |
|
|
|
|
|
; r= |
|
R |
|
|
|
d = |
DC |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
r =sin |
|
|
sin |
|
r |
отсюда имеем, что |
DC=rsin d |
в |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
sin |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
следсвии малости угла |
d |
|
|
и dl |
|
DC=r d |
|
sin = |
r d |
|
dl= |
r d |
|
, подставляя эти выражения |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
sin |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dl |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
в формулу для В получим: dB= |
0 |
I |
r d sin 1 |
= |
0 |
I |
d 1 |
= |
0 |
I |
sin |
d |
; |
|
||||||||||||||||||||||||||||||
4 |
sin |
1 |
|
r2 |
|
4 |
1 r |
4 |
|
R |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
0 |
I |
|
|
|
|
|
|
I |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
B= |
|
|
|
|
∫sin d = |
0 |
|
|
cos 1−cos 2 |
, если проводник бесконечный, то 1 0 |
, а 2 и |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
4 R 1 |
|
|
|
|
|
|
4 R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
B= |
|
0 I |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
4 R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
магнитное поле витка стоком. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
Вычислим значение вектора магнитной индукции в центре круглого витка, |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
обтекаемого током I. Как видно на рис в этом случае элемент тока dl |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
перпендикулярен радиусу R |
|
sin =1 |
, и суммирование сводиться просто к |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
вычислению длины окружности. Поэтому |
B= |
0 I |
|
|
2 R= |
0 I |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
4 R2 |
|
|
2 R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
закон ампера.
Одним из проявлений манитного ноля являеться его силовое воздействие на проводники с током, помещенных в магнитное поле.
Сила с которой однородное магнитное поле действует на прямолинейный проводник с током, прямо пропорциональна произведению силы тока ни длину проводника и на синус угла между
направлением тока и индукцией магнитного поля. dF a=Idlsin
В общем случае в векторной форме dF =I [ dl , B ] ,где dl-малый учсток проводника, имеющий направление совпадающее с направлением тока.
Понятно, что сила Ампера направлена перпендикулярно плоское в которой лежат векторы dl и В.
Для определения направления силы, действующей па проводник с током, помещенный в магнитное поле, применяеться правило левой руки: четыре пальца левой руки направляем по току, вектор В должен входить в ладонь под углом, как можно более близким к 90; тогда отогнутый на 90 большой палец укажет направление, силы Ампера
.из закона ампера ясен физический смысл магнигной индукции B= dF a
I dlsin
магнитная индукции это величина, ранная магнитой силе, действующей па единицу длины проводника с единичным током, расположенною перпендикулярно направлению магнитного поля. Размерность
[ B ]= |
Н |
=Тл тесла . |
|
А м |
|||
|
|
Вопрос №30. Взаимодействие двух прямолинейных проводников с током. Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца.
Взаимодействие проводников с током.
Каждый из проводников создает магнитнок поле которое действует по закону
Ампира на другой проводник, тогда B1= |
|
0 I1 |
|
dF 12=I1 B2 dl= |
0 I1 I 2 |
dl |
|||||
|
4 R |
|
|||||||||
|
0 I 1 I 2 |
|
|
|
|
|
4 R |
||||
dF 21=I 2 B1 dl= |
dl , т.е F12=F |
21 получили, что токи одинакового |
|||||||||
|
|||||||||||
|
4 R |
|
|
|
|
0 I1 I 2 |
|
|
|||
направления притягиваються друг к другу с силой |
dF 12= |
dl , а |
|||||||||
4 R |
|
||||||||||
разноправленые отталкиваются с такой же силой.
Действие магнитного поля на движущийся заряд.
Магнитное поле действует не только на проводник стоком, но и на отдельны заряды, движущиеся в магнитном поле. Опыт показывает, что сила действующая на проводник стоком,исчезает при выключении тока, т.е действие силы обусловленое движением электрических зарядов.
I =Js=qnvs , тогда сила деействующая на проводник с током в однородном магнитном поле
F= ILBsin = qnvS LBsin
Определим силу, действующую на отдельный заряд q Количество зарядов в проводнике N =nSL , нетрудно найти, что сила известная в физике как сила Лоренца, равна
F л= |
F |
=qvBsin v ,B . |
В векторном виде F л=q [ v |
|
] . |
|
B |
||||||
N |
||||||
|
|
|
|
|
Получили выражение для силы Лоренца - силы, действующей со стороны магнитного поля на движущеюся заряженную частицу.
Сила лоренца перпендикулярна векторам и |
B |
и ее |
|
|
|
направление можно выяснить по тому же правилу левой руки, что и для направления силы Ампера. При это четыре пальца левой руки нужно располагать по направлению скорости, учитывая знак заряда.