25. Что значит термин – потенциальный барьер? Поясните, как будут преодолевать этот барьер пылинка, в случае механического и квантового ее представления.

что значит термин– потенциальный барьер. Потенциальная диаграмма представляет собой некое возвышение, распределенное вдоль одной координаты. Его и называют барьером. Согласно наших обычных представлений, можно говорить о том, что всякая положительно заряженная частица, подходя к барьеру со стороны его широкой части сможет преодолеть его, если ей удастся «перепрыгнуть» через него. Если полная энергия такой частицы меньше энергии гребня потенциального барьера, то, если судить по расположению стрелок, характеризующих действие силы на пробный единичный положительный заряд, положительно заряженная частица остановится и повернет обратно. То есть она не сможет пройти сквозь барьер. Преодолеть барьер («перепрыгнуть» его) может лишь та частица, которая обладает достаточно большой энергией (движется выше гребня барьера).

Несколько позже мы познакомимся с тем, что вопреки нашим представлениям, обусловленным классической механикой, в квантовой механике если барьер очень узок, то частица сможет с определенной вероятностью пройти сквозь барьер (как бы по туннелю). Это явление преодоления узкого потенциального барьера называют туннельным эффектом. Причины такого парадоксального поведения заряженной частицы – в волновых свойствах частиц малой массы (микрочастиц).

26. Что значит термин – потенциальная яма? Поясните, что будет происходить с пылинкой, в случае ее попадания в такую яму? Где используют взаимодействия зарядов, несущих информацию с потенциальными барьерами и ямами?

Потенциальная диаграмма в этом случае представляет собой некое углубление, распределенное вдоль одной координаты. Его и называют потенциальной ямой. Происхождение названия ясно из рисунка. Пока единичный положительный заряд находится вблизи системы линейно расположенных зарядов на него действуют силы, возвращающие его АО внутреннюю область. Если заряженная отрицательно пылинка, находящаяся в «яме», попытается «выбраться наружу», то силы будут отталкивать ее внутрь. Если полная энергия такой частицы меньше энергии, достаточной для того, чтобы «подняться из ямы» то положительно заряженная частица, даже обладающая начальной скоростью «вылета» остановится и повернет обратно в яму. То есть она не сможет выйти и потенциальной ямы. Выйти из ямы может лишь та частица, которая обладает достаточно большой энергией (имела достаточно высокую начальную скорость).

Надо иметь в виду, что в широко используемых в настоящее время flash-накопителях информации, называемых просто «флэшками» запись единицы информации осуществляется за счет того, что заряд проникает через потенциальный барьер и «оседает» в потенциальной яме. Эти устройства конструируются таким образом. Что заряд может хранится в «яме» сроком до 10 лет.

В заключение отметим, что изученные свойства электростатического поля находят широкое применение в практической жизни и в промышленности. В частности, воздействие электростатического поля на заряженные тела позволяет решать ряд насущных технологических задач.

27. Кратко поясните, как электрическое поле используется в электрогазоочистке, для выделения из газового (воздушного) потока твердых тел или жидких частиц. Например, в электрофильтрах на пылинки запыленного газа предварительно за счет ионизации «наносят» отрицательный заряд. Во время движения в электростатическом поле вблизи положительно заряженного электрода отрицательно заряженные пылинки движутся к положительному электроду и оседают на нем. Осадительный электрод периодически встряхивается и осевшая пыль ссыпается в бункер, а затем удаляется.

Созданы и успешно применяются электрофильтры для улавливания пыли, которая содержит серебро, медь, никель, цинк, свинец, магний и другие металлы. Трудно переоценить экологический эффект от использования электрофильтров для улавливания частиц в дымовых газах тепловых электростанций, котелен, предприятий металлургической промышленности, которые выбрасывают в воздух огромное количество всевозможных газов, загрязняющих атмосферу и окружающую среду. Созданы и успешно применяются электрофильтры для очистки воздуха в животноводческих помещениях и на птицефабриках с большой запыленностью и бактерицидностью. Некоторые агрегаты улавливаю 90 % пылевых частиц и 80 % микроорганизмов при потребляемой мощности всего 0,7 Вт.

28. Кратко поясните, как электрическое поле используется для электросепарации – разделения многокомпонентных частиц на составные части.

Например, в зерноочистительных машинах семена заряжаются и ориентируются вдоль силовых линий поля. Имея различную массу, семена при перемещении в электростатическом поле отклоняются (отрываются) в разных местах и «направляются» по различным ячейкам приемного бункера, поскольку степень перемещения их зависит от вида семян и их электрофизических свойств. Это позволяет из одной и той же партии семян выделить фракции с однородными качественными показателями.

29. Кратко поясните, как электрическое поле используется для электроокраски – нанесения твердых и жидких покрытий (красок) на изделия.

Например, в установках электростатической окраски вдуваемые пневматическим распылителем частицы краски заряжаются и превратившись в отрицательные ионы, движутся к положительно заряженным изделиям. Заряженные частицы попадают на изделие со всех сторон и равномерно плотным слоем краски окрашивают всю его поверхность.

30. Как может быть создано магнитное поле? Что является основной характеристикой магнитного поля? Какой формулой определяется действие магнитного поля на движущийся заряд? В чем принципиальное отличие действия магнитного поля на заряд от электрического взаимодействия?

Вы проводили простейший эксперимент, когда берут два постоянных магнита и сближают (или удаляют) их полюсы. Этот опыт демонстрировал, что в пространстве между полюсами имеется силовое поле, позволяющее магнитам бесконтактно взаимодействовать. Вы убедились в том, что какие-то невидимые глазу силы притягивали или отталкивали два твердых тела.

Вам также известно, что магнитное поле может быть создано не только постоянными магнитами, но и движущимися электрическими зарядами.

По аналогии с основной характеристикой электрического поля – напряженностью , которая определяется через силу, действующую на заряд, для описания магнитного поля используют тоже действующий на заряд вектор , который называют магнитной индукцией. Подчеркнем, что количественная характеристика магнитного поля аналогична напряженности электрического поля только в том смысле, что, как напряженность , так и магнитная индукция определяют силу, действующую на заряд.

Хотя вводимые для описания полей векторы и формально сходны, Вам говорили, что магнитное поле действует на заряд совсем не так, как электрическое. Магнит не притягивает и не отталкивает электрический заряд, а действует на него в направлении перпендикулярном к полю и к скорости заряда.

Кроме того, как показывает опыт, магнитное поле на неподвижные заряды вообще не действует. Для того, чтобы на заряд со стороны магнитного поля действовала сила, требуется, чтобы он двигался (и притом не параллельно вектору ,как это было в случае электрического поля, иначе сила снова-таки обращается в нуль).

Действие магнитного поля на движущийся заряд определяется формулой магнитной силы Лоренса

,

где – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц;

-величина заряда;

- магнитная индукция;

- скорость заряда;

- угол между направлением скорости заряда и вектором магнитной индукции .

31. Поясните, каким образом в графическом виде представляют и наглядно отображают на плоскости векторное магнитное поле? Определите понятие силовых магнитных линий. Какой вид имеют линией вектора магнитной индукции (магнитные силовые линии)? Существуют ли в природе магнитные заряды?

Статическое магнитное поле удобно изображать графически с помощью картины так называемых силовых магнитных линий.

Линией вектора магнитной индукции (магнитной силовой линией) называется линия (помеченная стрелочкой), касательная к которой в каждой точке пространства (поля) совпадает с направлением магнитной индукции .

Магнитное поле может быть также создано электрическими зарядами, которые движутся в проводнике, создавая электрический ток (вспомните: ток это есть упорядоченное движение зарядов).

Заметим, что наглядно демонстрировать в пространстве картину магнитного поля , даже представляемую замкнутыми магнитными линиями, весьма сложно. Поэтому, чтобы получить наглядное и удобное для анализа графическое изображение, замкнутые магнитные линии чаще всего проецируют на плоскость так, чтобы получались наглядные плоские картины.

Вам демонстрировали, что если на листе картона вокруг проводника, перпендикулярно пронизывающего плоскость картона, разместить маленькие магнитные стрелки, то при включении сильного электрического тока стрелки расположатся по касательным к окружности с центром в точке, где проводник пересекает картон. Это свидетельствует о том, что силовые линии вектора прямого проводника с током являются окружностями.

В частности, если ток, создающий магнитное поле, течет по очень тонкому прямому проводнику, пересекающему перпендикулярную к нему плоскость, то оставшийся в виде точки след на плоскости будут окружать замкнутые в виде окружностей линии магнитного поля , что является весьма наглядным.

Данный факт очень важен. Оказывается, что линии вектора магнитной индукции всегда замкнуты. Замкнутые линии нигде не начинаются и нигде не кончаются. Этим они отличаются от линий напряженности электрического поля, создаваемого источниками или стоками.

Замкнутость линий вектора означает, что в природе не существует магнитных зарядов. А поскольку магнитных зарядов нет, (в отличие от существующих в природе электрических), то вектор не имеет ни источников ни стоков. Если Вы вспомните, как мы определяли понятия стока и истока, то, несомненно, сразу определите, что для магнитного поля имеет место дивергенция равная нулю .

32. Поясните, каким образом в графическом виде представляют и наглядно отображают на плоскости векторное магнитное поле? Определите понятие силовых магнитных линий. Имеет ли векторы источники или стоки? Какие и почему?

Статическое магнитное поле удобно изображать графически с помощью картины так называемых силовых магнитных линий.

Линией вектора магнитной индукции (магнитной силовой линией) называется линия (помеченная стрелочкой), касательная к которой в каждой точке пространства (поля) совпадает с направлением магнитной индукции .

Заметим, что наглядно демонстрировать в пространстве картину магнитного поля , даже представляемую замкнутыми магнитными линиями, весьма сложно. Поэтому, чтобы получить наглядное и удобное для анализа графическое изображение, замкнутые магнитные линии чаще всего проецируют на плоскость так, чтобы получались наглядные плоские картины.

Вам демонстрировали, что если на листе картона вокруг проводника, перпендикулярно пронизывающего плоскость картона, разместить маленькие магнитные стрелки, то при включении сильного электрического тока стрелки расположатся по касательным к окружности с центром в точке, где проводник пересекает картон. Это свидетельствует о том, что силовые линии вектора прямого проводника с током являются окружностями.

В частности, если ток, создающий магнитное поле, течет по очень тонкому прямому проводнику, пересекающему перпендикулярную к нему плоскость, то оставшийся в виде точки след на плоскости будут окружать замкнутые в виде окружностей линии магнитного поля , что является весьма наглядным.

Данный факт очень важен. Оказывается, что линии вектора магнитной индукции всегда замкнуты. Замкнутые линии нигде не начинаются и нигде не кончаются. Этим они отличаются от линий напряженности электрического поля, создаваемого источниками или стоками.

Замкнутость линий вектора означает, что в природе не существует магнитных зарядов. А поскольку магнитных зарядов нет, (в отличие от существующих в природе электрических), то вектор не имеет ни источников ни стоков. Если Вы вспомните, как мы определяли понятия стока и истока, то, несомненно, сразу определите, что для магнитного поля имеет место дивергенция равная нулю .

33. Поясните подробно, каким образом в графическом виде представляют и наглядно отображают на плоскости векторное магнитное поле? Как по получаемому изображению магнитного векторного поля можно судить о направлении и о величине напряженности магнитного поля? Охарактеризуйте основные свойства силовых линий магнитного поля проводника с током.

Векторное поле — это отображение, которое каждой точке рассматриваемого пространства ставит в соответствие вектор с началом в этой точке. Например, вектор скорости ветра в данный момент времени изменяется от точки к точке и может быть описан векторным полем.

34. Что означает, что магнитное поле является соленоидальным? Дайте определение понятию вихрю вектора данной точки поля.

Поля, имеющие структуру, когда векторные линии нигде не начинаются и не кончаются, а замыкаются вокруг электрических токов, называют соленоидальными.

Соленоидальные поля создаются вихрями. В частности, можно говорить, что электрические токи служат вихрями вектора . В случае с проводником тока вихрем поля будет линия, по которой протекает ток и вокруг которой замыкаются линии поля.

Обратим внимание, что вихри, создающие магнитное поле, характеризуются свое величиной и направлением (например, проводник с током может быть по-разному ориентирован в пространстве и иметь различное направление протекания тока). Источники, как Вы помните, характеризуются только своей величиной; направления они, разумеется, не имеют. Иными словами, источники являются скалярными величинами, а вихри – векторными. Элементарным источником естественно считать точечный заряд, а элементарным вихрем - тонкий проводник в виде прямой линии.

Вихри могут быть линейными, поверхностными или объемными. Примером линейного вихря магнитного поля может служить тонкий проводник с током. Макротоки и микротоки, текущие по поверхности проводника различной формы являются поверхностными вихрями вектора . Проводник с током, имеющий большое сечение представляет собой объемный вихрь вектора .

35. Запишите формулу циркуляции вектора по данному контуру. Что определяет циркуляция векторного поля вдоль кривой ?

Тогда криволинейный интеграл от скалярного произведения векторов и

называется циркуляцией векторного поля вдоль кривой . В силовом поле циркуляция выражает работу силового поля при перемещении материальной точки вдоль пути .

36. Поясните понятие «ротор», который еще называют вихрем. Мерой чего является ротор и что он характеризует?

Во-вторых, важным свойством соленоидального поля является его ротация.

Пусть опять , и - проекции вектора на оси координат Ох, Оy, Oz соответственно, и опять задано векторное поле

.

Тогда мерой ротации является векторная величина называемая ротором и обозначаемая символом . Величина ротора векторного поля равна

.

Ротор называют еще вихрем. Это название еще связано с тем, что он как бы «смешивает» производные и компоненты. Он как бы «следит» за тем, как меняются компоненты векторного поля в «чужих» направлениях. Таким образом, ротор – это некая мера вращения векторного поля.

37. Поясните, чем отличается вектор напряженности магнитного поля от вектора магнитной индукции . Чем характеризуют это отличие?

Если плотность протекающего тока заданная величина, где - сечение проводника то стационарное магнитное поле может быть определено из решения системы уравнений

где -вектор напряженности магнитного поля.

Заметим, что вектор определяет магнитное поле, создаваемое только токами проводимости, а вектор - магнитное поле, создаваемое, как токами проводимости, так и имеющимися намагниченными телами.

38. Поясните, что представляет собой магнитное поле расположенного в горизонтальной плоскости хОу при z= 0 кругового витка, по которому протекает ток. Ось Оz проходит через центр кругового тока.

Чтобы было легче ориентироваться в получаемых изображениях, следует иметь в виду, что круговой виток, по которому протекает ток, расположен в горизонтальной плоскости хОу при z=0. Ось Оz проходит через центр кругового тока. Фигуры, получаемые в результате компьютерного расчета, представляют изображение в плоскости yOz при х =0 (в этом случае магнитные силовые линии лежат в плоскости, перпендикулярной плоскости витка). Виток при таком рассмотрении на фигурах будет представлять две точки, расположенные на оси Оу на удалении от центра на величину, равную радиусу витка. Магнитное поле визуализируется (представляется в виде изображения) так, что мы видим составляющие вектора магнитной индукции, расположенные в плоскости yOz.