Ответы на вопросы по физике

Вопрос №40. Диа- и парамагнетики. Механизм намагничивания. Намагниченность. Магнитное поле в веществе.

Пусть электрон в атоме движеться по круговой орбите, если орбита ориентирована относительно вектора В произвольным образом, составляющим с ним угол , то она приходит в такое движение вокруг вектора В, при котором вектор магнитного момента сохраняет постоянный угол, вращаясь вокруг В, т.е прецессирует.

Таким образом электроные орбиты атомов под действием магнитного поля совершают прецессионное движение, которое эквивалентно круговому току. т.к этот ток индуцирован внешним полем, то согласно правилу ленца у атома появляется составляющая магнитного поля, направленная противоположно полю, наведенное

собственное магнитное поле вещества ослабляет внешнее магнитное поле – диамагнитный эффект а вещества намагничивающиеся во внешнем магнитном поле против направления поля называют диамагнетиками.

Парамагнетики: к ним относяться вещества, атомы которых имеют назаполненные электронные оболочки, причем число электронов на них должно быть нечетным, тогда каждый атом можно рассматривать как элементарный молекулярный ток, магнитный момент которого ориентируеться вдоль направления внешнего поля.

Парамагнетики – вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле по направлению поля.

В следствии теплового движения молекул их магнитные моменты ориентированы беспорядочно, поэтому парамагнетики при отсутствии поля имеют средний магнитный момент равный нулю, а при внесении его

во внешнее магнитное поле устанавливаеться преимущественная ориентация магнитных моментов по полю (полной ориентации мешает тепловое движение).

Намагниченность, магнитное поле в веществе.

Подобно тому, как для описания поляризации диэлектриков вводилось понятие поляризованности, так и для описания процесса намагничивания вводиться векторная величина – намагниченность –

магнетика, представляющий собой векторную сумму магнитных моментов отдельных молекул. Магнитное поле в веществе складываеться из двух полей внешнего и внутреннего (поля

создаваемого намагниченным веществом).

Вопрос №41. Ферромагнетики и их свойства.

Ферромагнетики - вещества, обладающее спонтанной намагниченностью намагничены даже в отсутствии внешнего магнитного поля (железо никель кобальт их сплавы).

1.Для ферромагнетиков зависимость J(h) не линейная.

По мере увеличения намагничивающего поля увеличивается степень ориентации молекулярных магнитных моментов по полю, этот процесс замедляется когда остается все меньше и меньше неориентированных моментов и когда все моменты будут ориентированы по полю увеличение J прекратиться наступит насыщение.

2.1 (до 106 ) 1

Ферромагнетики обладают особенностью на зависимости Н . На которой, есть максимум, при увеличении поля уменьшается и -> 1.

3.Эффект Гопкинсона- резкое возрастание магнитной проницаемости ферромагнетиков в слабом магнитном поле вблизи температуры Кюри. Эффект обусловлен облегчением процессов намагничивания по мере приближения к температуре Кюри благодаря резкому уменьшению около этой температуры магнитной анизотропии ферромагнетика. В непосредственной близости к температуре Кюри проницаемость падает вследствие исчезновения самопроизвольной намагниченности ферромагнетика.

4.Зависимость J(H) определяется предысторией намагничивания (наблюдается магнитный гистерезис.) Если ферромагнетик намагнитить до насыщения (т.1). а затем уменьшить напряженность Н. то намагниченность будет уменьшаться по кривой 1-2. При Н=0 намагниченность не равна нулю. т.е. в ферромагнетике наблюдается остаточное намагничивание. Именно с наличием остаточной намагниченности и связано существование постоянных

магнитов. Размагнитить ферромагнетик можно приложив коэрцитивную силу - напряженность в обратном направлении.

Ферромагнетик с малой коэрцетивной силой (1-2А/см) называется магнитомягким (используется в качестве сердечников трансформаторов), вещества же с большо коэрцетивной силой называются магнитожестким (используеться для создания постоянных магнитов)

5.процесс намагничивания ферромагнетика сопровождаеться изменением его линейных и объемных размеров, это явление получило название магнитострикции.

6.Для каждого ферромагнетика имеется определенная температура Кюри, называемая точкой Кюри, при которой он теряет свои магнитные свойства. При нагревании выше точки ферромагнетик превращаеться в обычный прамагнетик. Переход из ферромагнетика в парамагнетик называеться фазовым переходом второго рода.

Вопрос №42. Природа Ферромагнетизма.

Ферромагнетик ниже точки кюри разбиваеться на большое число малых микроскопических областей – доменов, самопроизвольно намагничивающихся до намыщения

W1 W 2 W 3

На схеме 1 мы имеем отдельный домен. на схеме 2 магнитная энергия примерно вдвое меньше чем в первом случае, тик как исходный домен разделен на два домена с противоположной намагниченностью. На третье схеме доменная структура имеет нулевую магнитную энергию. Магнитный поток замыкается внутри кристалла.

Наблюдаемые на эксперименте структуры имеют гораздо более сложный вид. но их образование всегда связано с уменьшением энергии системы.

Внешне магнитное поле ориентирует по полю магнитные моменты не отдельных атомов, а целых областей спонтанной намагниченности. Поэтому намагниченность и магнитная проницаемость с ростом Н в слабых поля растут очень быстро. Эксперимент показал, что зависимость .J(H) не является плавной, а имеет ступенчатый вид. (скачки Баркгаузена) это объясняется тем. что домены поворачиваются но полю скачком.

При снятии поля, ферромагнетики сохраняют остаточное намагничивание, так как теплового движения не достаточно для быстрой дезориентации машинных моментов крупных областейдоменов. Поэтому и наблюдается магнитный гистерезис. Выше точки Кюри происходит разрушение доменной структуры.

Главный вклад внамагниченность дает процесс смешения доменных стенок.

Возрастание магнитного момента под действием внешнего магнитного поля связано, с двумя независимыми процессами 1) в слабых внешних полях домены, векторы намагниченности которых ориентированы благоприятно относительно направленна поля, растут за счет неблагоприятно ориентированных доменов. 2) в сильных внешних полях векторы намагниченности поворачиваются в направлении внешнего поля.

В настоящее время установлено, что магнитные свойства ферромагнетика определяются спиновыми магнитными моментами электронов. Установлено, что ферромагнитными свойствами могут обладать только кристаллические вещества, в

атомах которых имеются недостроенные внутренние электронные оболочки с некомпенсированными спинами. В подобных кристаллах могут возникать силы, которые вынуждают спиновые магнитные моменты электронов ориентироваться параллельно, что и приводит к возникновению областей спонтанного намагничивания.

Эти силы называються обменными силами они имеют квантовую природу.

Обменное взаимодействие это взаимодействие, которое имеет квантовую природу и ответственно за параллельную ориентацию спиновых моментов

магнитная кристаллографическая анизотропиявзаимодействие которое указывает вдоль какого, направления в кристалле должен быть направлен магнитный момент.

Опыт показывает, что в одних направлениях в кристалле его намагниченность при данном значении напряженности магнитного поля наибольшая (направления наилегчайшего намагничивания). а в другихнаименьшая (направление трудного намагничивания).

Существуют также вещества, в которых обменные силы вызывают антипараллельную ориентацию спиновых магнитных моментов электронов. Такие тела называются антиферромагнетиками.

Для антиферромагиетиков существует точка Неля выше которой магнитное упорядочение спиновых магнитных моментов нарушается и антиферромагнетик превращается в парамагнетик.

Вопрос №43. Электромагнитные свободные колебания. Свободные затухающие колебания в электрическом контуре.

Свободные колебания Среди различных электрических явлений особое место

занимают электромагнитные колебания, при которых электрические величины (заряды, токи) периодически изменяются и которые сопровождаются взаимными превращениями электрического и магнитных полей.

Для создания и поддерживания электромагнитных колебаний используется колебательный контурцепь, состоящая из включенных последовательно катушки индуктивностью L, конденсатора С, и резистора R.

Рассмотрим последовательные стадии колебательного процесса в идеализированном контуре, сопротивление которого мало( R≈0 ). При t= 0 зарядим конденсатор, возникнет электрического поля,

Если замкнуть конденсатор на катушку, он начнет разряжаться и в контуре потечет нарастающий ток I. В результате энергия электрического поля будет уменьшаться, а энергия магнитного поля

электрического поля будет равна нулю, а энергия магнитного поля и следовательно ток максимальны. Затем ток контуре будет убывать, следовательно ослабевать магнитное поле катушки, и в ней индуцируется ток текущий в том же направлении - конденсатор начнет перезаряжаться. Возникнет электрическое поле, стремящаяся ослабить ток.

который превратится в нуль, а заряд на обкладках конденсатора достигнет максимума.

Далее те же процессы будут протекать в обратном направлении, и система к моменту времени t=T придет в первоначальное состояние. Следовательно в контуре возникнут электрические колебания.

По второму закону Кирхгоффа для контура с котушкой индуктивности, емкостью

колебаний, если сопротивление равно нулю, то свободные колебания будут гармоническими.

Вопрос №44. Вынужденные колебания.

Чтобы в реальной системе получить незатухающие колебания надо компенсировать потерю энергии. Компенсировать можно с помощью какого-либо периодического действующего фактора, изменяющегося по переодическому закону в электрическом контуре роль данного фактора играет подводимая к контуру внешняя периодически изменяющаяся по гармоническому закону ЭДС и

колебания возникающие под действием внешеней переодически изменяющейся ЭДС называються вынужденными электромагнитными колебаниями. Установившиеся вынужденные электромагнитные колебания можно рассматривать, как протекание переменного тока в цепи содержащей R,L,C.

1. Переменный ток текущий через R

через С тока на на 2

4.перемеменный ток течет через последовательно включенные C,R,L.

В цепи возникает перменный ток, который вызовет на всех элементах цепи

соответствующие падения напряжения U R ,U L ,UC . Амплитуда

приложенного напряжения должна быть равна векторной сумме амплитудных падений напряжений.

Из векторной диаграммы видно, что улог определяет разность фаз между напряжениями и силой тока. Из прямоугольного треугольника получаем:

Вопрос №45. Резонанс напряжений.

напряжений.

Резонанс это явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний при приближении частоты вынуждающей силы к резонансной частоте.

Явление резонанса напряжений используеться в технике увеличения колебания напряжения какой-то определенной частоты. Это усиление напряжения возможно только для узкого интервала частот, вблизи резонансной частоты

контура, что позволяет выделить из из многих сигналов одно колебание определенной частоты, т.е на радио приемнике настроиться на нужную длину волны.

ИЗ Уравнений Максвелла следует, что источниками электрического поля могут быть либо электрические заряды, либо изменяющиеся Во времени магнитные поля, а магнитные поля могут возбуждаться либо электрическими токами, либо переменными электрическими полями.

Из уравнений видна не симметричность электрического и магнитных полей. Это связано с тем. что в природе существуют электрические заряды, но нет зарядов магнитных.

Для стационарных полей ( E=const и B=const) уравнения Максвелла примут вид.

т.е. в данном случае источниками электрического поля являются только электрические заряды, а источниками магнитного поля только токи проводимости. И электрическое и магнитные поля не зависимы друг от друга.

Вопрос №47. Электромагнитные волны. Шкала электромагнитных волн.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ Волной называется распространение колебаний в пространстве с течением времени.

Электромагнитная волна - это распространение электромагнитных колебаний в пространстве с течением времени, т. е. распространение колебаний векторов электрической напряженности Е и магнитной индукции В, характеризующих электромагнитную волну.

Возможность существования свободного электромагнитного поля обеспечивается двумя законами электродинамики.

Во-первых, это закон электромагнитной индукции Фарадея. из которого следует, что переменным магнитным полем создается электрическое поле.

Во-вторых, имеет место закон Максвелла, согласно которому переменным электрическим полем создается магнитное поле.

Переменные электрическое и магнитное поля могут существовать независимо от заряженных частиц, создавая друг друга.

С точки зрения классической, то есть неквантовой электродинамики, электромагнитную волну излучает заряженная частица, обладающая ускорением. Гармоническая электромагнитная волна излучается заряженной частицей, совершающей гармонические механические колебания. При этом частота колебаний векторов Е и В излучаемой волны совпадает с частотой колебаний частицы. В частности, радиоволна излучается антенной, представляющей собой проводник, по которому идет быстропеременный электрический ток. Такой ток можно рассматривать как коллективное колебательное движение свободных электронов, сопровождающееся этектромагнитным излучением. Быстропеременный ток в излучающей антенне создастся с помощью электромагнитного генератора, важнейшей частью которого служит электромагнитный колебательный контур.

колебаний тока в антенне и частотой колебаний поля электромагнитной волны.

В зависимости oт длины волны в вакууме или частоты, а также способа излучения и регистрации различают несколько видов электромагнитных волн: радиоволны, оптическое излучение (световые волны), рентгеновское излучение и гамма-излучение.

Оптическое излучение (Тсветовые волны) возникают при переходе электронов в атоме с верхних энергетических уровней на более низкие, за счет теплового излучения тeл.

Вопрос №48. Свойства электромагнитных волн.

Фазовая скорость электромагнитных волн определяетья

что в вакууме скорость распространеия совпадает со скоростью света. Согласно теории относительности скорость света – максимально возможная скорость движения материальных объектов.

Следствием теории максвела являеться поперечность электромагнитных волн.

Как видно из рисунка волна трехмерна состоит из двух плоских волн, относящихся к электрическим и магнитным полям волны.

Плоскости этих графиков взаимно препендикулярны друг другу Е и В, кроме того вектора Е и В перпендикулярны оси вдоль

которой распространяется волна. С течением времени весь этот совокупный график движеться как единое целое со скоростью рвспространения волны, тот факт, что электромагнитные волны характеризуються гармоническими колебаниями электрической напряженности означает, что эта волна действует на заряженые частицы, оказавшиеся на пути с электрической силой

F эл q E=q F m cos t , эта волна, которая также гармонически изменяеться со временем заставляет частицу колебаться гармонически вдоль линии вектора Е с частотой волны.

по сранению с электрической силой, если скорость частици мала по сравнению со скоростью света, то основной результат воздействия электромагнитной волны на заряженую частицу согласно классической электродинамике состоит в возникновении колебаний этих частиц вдоль линии Е, следовательно в веществе электромагнитная волна возбуждает быстропеременный электрический ток. В частности радиоволна вызывает быстропеременный ток в антенне приемника.

Из уравнения максвела следует, счто вектор Е и Н всегда колеблються в одинаковых фазах и связаны между собой следующим выражением. E 0=H 0