Физика. Использование интернет технологий в курсе общей физики. Ч.2. Учебное пособие

области сильного поля. Если электрон движется в слабом поле с начальной скоростью,

составляющей не слишком малый угол с направлением силовых линий, то произойдет

отражение частицы от области сильного поля. Точка траектории частицы, которой

продольная скорость меняет свое направление, называется точкой возврата. Электроны,

летящие под малым углом к линиям индукции поля, будут вылетать из ловушки.

Особенности движения заряженных частиц в магнитном поле используется при

конструировании исследовательских установок, с помощью которых решаются

кардинальные проблемы физики и техники наших дней.

2.6. Магнитные свойства вещества

2.6.1 Диамагнетики и парамагнетики

Диамагнетизм и парамагнетизм

Магнитными свойствами облают все окружающие нас вещества. Но на магнитное поле они реагируют по-разному. В однородном магнитном поле на тело, обладающее магнитным моментом, магнитный диполь действует только момент сил, который стремится развернуть диполь вдоль направления силовых линий. В неоднородном поле на диполь кроме момента сил будет действовать сила пропорциональная величине дипольного момента и градиенту поля. Если магнитный момент ориентирован вдоль поля

– на него действует сила притяжения.

Как же воздействует магнитное поле на диамагнетики: водород, воду, медь и другие диамагнитные вещества? Что бы обнаружить намагниченность диамагнетика

- 71 -

необходимо сильное магнитное поле, например, соленоида в сверхпроводящем состоянии. Неоднородным магнитным полем, которое в сотни тысяч раз больше земного диамагнетик лишь слабо выталкивается, значит, диамагнетик намагничивается против поля, но почему? Рассмотрим атом диамагнетика. Движение каждого электрона в атоме характеризуется орбитальным, механическим и магнитным моментами, которые связаны

ℓ = − 2 L. Электрон обладает еще и спиновым моментом, который противоположен собственному магнитному моменту электрона. Отношение этих величин = − S вдвое больше, чем для орбитального движения электрона. Для каждого электрона орбитальный

моменты всех электронов взаимно компенсируются. В однородном магнитном поле на магнитный момент электрона действует момент сил. Но магнитный момент связан с механическим, поэтому вместо поворота орбиты будет наблюдаться ларморовская прецессия вокруг направления силовых линий магнитного поля. Это явление аналогично прецессии волчка или гироскопа относительно силовых линий гравитационного поля. Ларморовская прецессия приводит к дополнительному магнитному моменту, который всегда направлен против поля и ему пропорционален. Дополнительные магнитные моменты складываются. В результате диамагнетик оказывается намагниченным против поля. Намагниченность диамагнетика определяется только направлением приложенного поля и не зависит от температуры вещества. Для измерения магнитной восприимчивости слабомагнитных веществ используют установки, сконструированные на основе коромысловых или крутильных весов. Здесь образец закрепляют и охлаждают в реостате. Если это диамагнетик, то он будет выталкиваться магнитным полем, что фиксируется прибором.

Парамагнетики – другой класс слабомагнитных веществ. К ним относятся: алюминий, натрий, хлористая медь и многие другие вещества. Парамагнетики втягиваются неоднородным магнитным полем. Значит, они намагничиваются по полю. В отличие от диамагнетиков атомы парамагнитных веществ обладают магнитными моментами, которые ориентируются внешним магнитным полем. Возникающие при этом диамагнитные моменты пренебрежимо малы и подавляются результирующим парамагнитным моментом. С ростом температуры тепловые колебания усиливаются, и намагниченность парамагнетика падает. Парамагнетизм используется для получения сверхнизких температур. Парамагнитная соль, служа хладоагентом, соединяется теплопроводом с исследуемым образцом и помещается в вакуумную камеру. Все вместе опускают в гелиевый креостат, который устанавливают в азотном дюаре и заполняют жидким азотом. В азотной шубе гелиевый креостат надежно огражден от внешнего притока тепла. Затем его заливают жидким гелием, что позволяет специальными методами снизить исходную температуру до 1,5 градусов Кельвина. Теперь включим сильное магнитное поле и создадим вакуум. Парамагнетик намагничивается до насыщения. Поле медленно выключается. В результате адиабатического размагничивания парамагнетик охлаждается до тысячных долей градусов. Такие установки позволяют проводить эксперименты при сверхнизких температурах, что дает уникальную информацию о процессах, происходящих в веществе. Другое проявление парамагнитных свойств атомов – электронный парамагнитный резонанс, открытый советским академиком Завойским. Для регистрации электронного парамагнитного резонанса вещество,

- 72 -

содержащее парамагнитные атомы помещают в постоянное магнитное поле. Затем на него воздействуют переменным магнитным полем и измеряют поглощение энергии. На определенной частоте происходит резкое возрастание коэффициента поглощения, т.к. в резонансе кванты электромагнитного поля вызывают переходы парамагнитного атома с одного энергетического уровня на другой. Измерение резонансных частот и формы спектральных линий позволяют глубже заглянуть в физику микромира. На аналогичном принципе работают установки для измерения ядерного магнитного резонанса связанного с магнетизмом атомных ядер. Электронный парамагнитный резонанс , также как и ядерный магнитный резонанс, широко используется в сотнях лабораторий мира для решения самых разнообразных научных и технических задач.

2.6.2 Ферромагнетики

Из фильма «Ферромагнетики»

Ферромагнетики (или ферромагнитные вещества) - это вещества, значительно

усиливающие внешнее магнитное поле. К ним относится небольшая группа твердых кристаллических тел например , сталь, железо, чугун, никель, кобальт, а также ряд

сплавов. Магнитная проницаемость ферромагнетиков? намного больше единицы, и ее

величина зависит от индукции внешнего намагничивающего поля. Например, магнитная

проницаемость никеля может достигать значения 50, железа - 5000, пермаллоя - 100000. - 73 -

Намагничивание ферромагнитных тел впервые было изучено на опытах русского физика Александра Григорьевича Столетова.У ферромагнетиков в атомах имеется по несколько электронов, магнитные моменты которых направлены в одну сторону и не скомпенсированы. Эти электроны усиливают магнитное поле вокруг атомов. Соседние атомы обмениваются валентными электронами, и магнитные моменты этих атомов располагаются параллельно. В результате вокруг кристалла ферромагнетика возникают самопроизвольно намагниченные области размером 10-2 - 10-4 см. Эти области называются доменами. Внутри домена возникает сильное магнитное поле вследствие того,

что магнитные моменты всех его молекул направлены одинаково. Когда ферромагнетик помещают во внешнее магнитное поле, его домены начинают ориентироваться по направлению поля до тех пор, пока магнитные моменты всех доменов не окажутся направленными по линиям индукции внешнего поля, усиливая его во много раз.

Магнитная проницаемость ферромагнетиков не является постоянной величиной. Она сильно зависит от индукции внешнего поля. Непостоянство магнитной проницаемости приводит к сложной нелинейной зависимости индукции магнитного поля в ферромагнетике от индукции внешнего магнитного поля. Характерной особенностью процесса намагничивания ферромагнетиков является так называемый гистерезис, то есть зависимость намагничивания от предыстории образца. Кривая намагничивания ферромагнитного образца представляет собой петлю сложной формы, которая называется петлей гистерезиса.

Ферромагнитные материалы делятся на две большие группы: на магнитомягкие и магнито-жесткие материалы. Магнитомягкие ферромагнитные материалы почти полностью размагничиваются, когда внешнее магнитное поле становится равным нулю. К

магнитомягким материалам относится, например, чистое железо, электротехническая сталь и некоторые сплавы. Эти материалы применяются в приборах переменного тока, в

которых происходит непрерывное перемагничивание, то есть изменение направления магнитного поля (трансформаторы, электродвигатели и т. п.).

Широкое применение получили ферриты. К ним относятся химические соединения оксидов железа с оксидами других веществ. Особенностью ферритов является то, что они не проводят электрический ток и имеют очень маленькую площадь петли гистерезиса, что позволяет уменьшить потери энергии на перемагничивание.

Магнитожесткие материалы сохраняют в значительной мере свою намагниченность и после удаления их из магнитного поля. Примерами магнитожестких материалов могут служить углеродистая сталь и ряд специальных сплавов. Магнитожесткие материалы используются в основном для изготовления постоянных магнитов.

- 74 -

Для каждого ферромагнетика существует определенная температура (так называемая температура или точка Кюри), выше которой ферромагнитные свойства исчезают, и

вещество становится парамагнетиком. У железа, например, температура Кюри равна 770 °C, у кобальта 1130 °C, у никеля 360 °C, у пермаллоя - 70 °C. Если вещество охладить, то оно снова превращается в ферромагнетик.

Из фильма «Домены» Особенность магнитной структуры ферромагнетиков состоит в том, что в отсутствие

внешнего магнитного поля при температурах ниже точки кюри, ферромагнетик разбит на отдельные области, так называемые домены. В пределах каждого домена магнитные моменты отдельных молекул параллельны, но в соседних доменах магнитные моменты смотрят в различных направлениях. Когда ферромагнетик помещаются во внешнее магнитное поле, то начинается рост одних доменов за счет других и наблюдается смещение доменных границ.

Это иллюстрируется на опыте, который осуществляется с помощью следующей установки. Микроскоп сопряжен с телекамерой, на столике микроскопа лежит исследуемый образец и через этот исследуемый образец проходит поляризованный свет.

За счет поляризованного света соседние домены на экране будут выглядеть по-разному:

одни домены будут казаться тёмными, а другие – светлыми. В данном опыте исследуется доменная структура важного в техническом отношении и материала - ортоферрита диспрозия.

На экране показывают так называемую лабиринтную структуру - доменную структуру ортоферрита диспрозия. В соседних доменах магнитные моменты антипараллельны, но смотрят они вдоль оси установки, значит в одних доменах, например, светлые магнитные моменты направлены вверх, а в других доменах темных магнитные моменты направленны параллельно оси установки, но вниз. Образец окружен катушкой, соленоидом, через которые будет пропускаться ток от источника постоянного напряжения. При пропускании тока через эту катушку возникает магнитное поле, вектор магнитной индукции которого будет параллелен оси установки. В результате вектор В окажется параллельным магнитным моментам в пределах одних доменах и антипараллельным магнитным моментам в пределах соседних доменов. При увеличение тока те магнитные домены, в которых магнитные моменты параллельны вектору В , будут расти, а соседние домены будут при этом уменьшаться. При включении тока соленоида, видно что идет рост одних доменов светлых в данном случае за счет других доменах темных. Видно, как смешаются при этом доменные границы. При определенном токе соленоида, при

определенной величине индукции магнитного поля, в котором находится образец, все

- 75 -

доменные границы исчезли и образец представляет собой единый монодомен. Он намагничен до насыщения. При уменьшении тока в катушки вновь появляется доменные границы и их становится все больше. Образец вновь разбивается на домены и, когда ток в катушке будет сведен до нуля, вновь восстанавливается исходная лабиринтная магнитная структура ортоферрита диспрозия.

- 76 -

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Моделирование физических явлений в виртуальных лабораторных работах может быть

использовано также в качестве иллюстраций на лекциях. Для их демонстрации необходимо, чтобы компьютер был подключен к интернету.

В качестве дополнения к лекциям и практическим занятиям по механики также могут быть использованы видеоопыты из папки «Фильмы по физике»:

В первом разделе настоящего пособия молекулярная физика и термодинамика рассмотрены : молекулярно-кинетическая теория, первое начало термодинамики и второе начало термодинамики, третье начало термодинамики, низкие температуры.

Во втором и третьем разделе настоящего пособия рассмотрены: электричество и магнетизм электрическое поле в вакууме, электрическое поле в диэлектриках, проводники в электрическом поле, энергия электрического поля, постоянный электрический ток. При описании магнитных явлений рассматриваются магнитные поля в вакууме, магнитного поля в веществе, электромагнитная индукция, основные законы электродинамики,

движения заряженных частиц в электрических и магнитных полях, классическая теория электропроводности металлов, электрический ток в газах.

В третьей части будут представлены вопросы: механические колебания и упругие волны, электромагнитные колебания и электромагнитные волны элементы геометрической оптики, волновая оптика, включающая в себя интерференцию,

дифракцию и поляризацию света, взаимодействие электромагнитных волн с веществом,

квантовая оптика, элементы квантовой механики и квантовой статистики, элементы физики твердого тела. Последний раздел будет посвящен атомной физике, ядерной физике и элементарным частицам.

Представляемые в настоящем пособии видеоматериалы находятся в кафедральном компьютере и могут быть использованы в учебном процессе преподавателями и студентами всех специальностей университета.

- 77 -

Св.план 2017 г., поз.147

Харитонов Юрий Николаевич

ФИЗИКА Использование Интернет технологий в курсе общей физики

Часть 2

Учебное пособие

Под ред. В.С. Антипенко

Москва, Копировальный центр PrintSide

- 78 -