Fizika 10 klas - Goncharenko S.U

• 1. Як напрямлена сила Лоренца відносно швидкості руху заряджених частинок? відносно вектора магнітної індукції? 2. Чи діє сила Лоренца в магнітному полі на: а) нерухому заряджену частинку; б) рухому незаряджену частинку; в) заряджену частинку, яка рухається перпендикулярно до вектора індукції; вздовж лінії індукції? 3. У трубці, заповненій газом, рухаються електрони. Якою буде траєкторія руху електронів, якщо трубку помістити в однорідне магнітне поле перпендикулярно до його індукції? 4. Чи може сила Лоренца змінити швидкість частинки за модулем? 5. Чи виконує сила Лоренца механічну роботу?

поле з індукцією В = 0,01 Тл перпендикулярно до ліній індукції і рухається по колу радіуса Я = 2 см. Обчисліть питомий заряд електрона.

2. Електрон, прискорений різницею потенціалів II = 1000 В, влітає в однорідне магнітне поле з індукцією В = 1,19 ° 10~3 Тл перпендикулярно до ліній індукції. Визначте радіус кривизни траєкторії електрона і період його обертання по колу.

3.У камері Вільсона, вміщеній в однорідне магнітне поле з індукцією В = 1,5 Тл, альфа-частинка, влетівши перпендикулярно до ліній індукції, залишає слід у вигляді кола радіуса Я = 2,7 м.

Визначте імпульс і кінетичну енергію частинки. Маса альфа-частин- ки т = 6,7 • 10~27 кг, її заряд ^= 3,2 • 10~19 Кл.

4.Частинка, яка має заряд д = 2 • 10 8 Кл, рухається в однорідному магнітному полі зі швидкістю V = 4-Ю1 м/с. Чому дорівнює сила Лоренца, яка діє на частинку, якщо індукція поля В = 3 • 10~5 Тл, а кут а між векторами V і В дорівнює а = ЗО ?

§ 72. Магнітні властивості речовини

Вивчаючи взаємодію провідників зі струмами, ми звертали увагу на те, що на магнітну взаємодію впливає середовище, в якому перебувають провідники. Намагнічування речовин можна вивчити експериментально. Для цього виготовимо з досліджуваної речовини кільце і надінемо на нього обмотку (мал. 158), по якій пропускатимемо електричний струм. Такої форми обмотку називають тороїдом (котушка, вісь якої зігнута у формі кола). Кільце з досліджуваної речовини звичайно розрізають в одному місці так, щоб дістати невеликий повітряний проміжок (зазор). Коли проміжок малий, лінії магнітної індукції не розсіюватимуться, а потік магнітної індукції через поперечний переріз повітряного проміжку буде практично таким самим, як і потік у кільці. Отже, значення магнітної індукції у повітряному проміжку дорівнюватиме значенню магнітної індукції в кільці, яке можна знайти,

220

магнітному полі намагнічуються, тобто стають джерелами магнітного поля. Результуюче магнітне поле у середовищі є сумою полів, створюваних струмом і намагніченим середовищем, і тому не дорівнює полю у вакуумі.

Причину намагнічування речовин зрозуміти неважко. Адже ми знаємо, що всі речовини складаються з атомів, молекул чи йонів. У кожному атомі чи молекулі рухаються замкнутими орбітами електрони і цей рух електронів еквівалентний за своїми магнітними властивостями замкнутому струмові звичайного провідника. Тому будь-який атом чи молекулу з точки зору їх магнітних властивостей можна розглядати як деяку сукупність електронних мікрострумів. Інакше кажучи, атоми й молекули мають магнітні властивості. Якщо речовина не намагнічена, вона не створює магнітного поля. Це означає, що електронні струми розташовані в ній хаотично (мал. 159), а тому їх сумарна магнітна дія дорівнює нулю. Саме тому шматок міді у звичайних умовах не виявляє магнітних властивостей, хоча їх має кожен атом. Якщо ж помістити речовину в зовнішнє магнітне поле, розташування електронних струмів стає частково або повністю упорядкованим. Тому намагнічену речовину можна розглядати як систему мікроскопічних орієнтованих струмів (мал. 160).

Для характеристики впливу середовища на магнітну взаємодію струмів (тобто магнітних властивостей речовин) вводять поняття відносної магнітної проникності речовини.

цей самий струм створює індукцію Б0, то відношення —- = ц,

яке показує, у скільки разів магнітна індукція в речовині більша за магнітну індукцію, створювану цим самим струмом у вакуумі, називають відносною магнітною проникністю даної

221

Мал. 159 Мал. 160

речовини. Природно, що відносна магнітна проникність речовини є величиною безрозмірною.

Залежно від значення відносної магнітної проникності всі

з різними значеннями відносної магнітної проникності речовини по-різному поводяться в магнітному полі. Оскільки у парамагнетиків \і >1, то магнітна індукція поля за наявності парамагнетика виявляється більшою за магнітну індукцію поля без парамагнетика.

Підсилення магнітного поля парамагнетиком можна пояснити тим, що збуджуване у парамагнетику поле за напрямом збігається із зовнішнім полем, підсилюючи його. До парамагнетиків належать алюміній, платина, вольфрам, хром, манган, розчини солей Феруму, деякі гази.

Діамагнетики, вміщені в магнітне поле, навпаки, послаблюють його. Це послаблення можна пояснити виникненням у діамагнетику внутрішнього магнітного поля, спрямованого проти зовнішнього магнітного поля. До діамагнетиків належать майже всі гази, мідь, золото, срібло, алмаз, графіт, бісмут тощо.

Різницю у намагнічуванні парамагнетиків і діамагнетиків легко виявити якісно, спостерігаючи поведінку речовин у сильному магнітному полі. Підвісимо, наприклад, між полюсами сильного електромагніту стержень із бісмуту і зорієнтуємо його вздовж поля (на

Мал. 161 мал. 161 показано пунктиром).

222

/ / / / / /

поля. Особливо чітко видно виштовхування діамагнетика з магнітного поля, якщо між полюсами електромагніту запалити свічку (мал. 162). Гази полум'я мають діамагнітні властивості і тому полум'я виштовхується магнітним полем.

Виконаємо ще дослід. Підвісимо між полюсами електромагніту скляну ампулу з водним розчином хлориду феруму (II) (парамагнетик). Ампула втягується полем і встановлюється паралельно напряму поля (мал. 163). Ще чіткіше можна спостерігати втягування полем парамагнетика, якщо помістити між полюсами електромагніту одне з колін /У-подібної трубки, заповненої розчином хлориду феруму (II). Якщо до вмикання поля рівень розчину в цій трубці встановився біля нижнього краю полюсних наконечників, після вмикання поля рівень розчину в цьому коліні підвищується (мал. 164).

? 1. Яка фізична величина характеризує магнітні властивості речовини? 2. У чому полягає різниця між пара- і діамагнетиками? 3. Чому полум'я виштовхується з магнітного поля?

§ 73. Феромагнетики

Отже, під час намагнічування парамагнетиків їхнє власне (внутрішнє) магнітне поле підсилює зовнішнє поле, але

223

магнітне поле. Наприклад, якщо в котушку вставити стальне осердя, за такої самої сили струму в котушці магнітна індукція поля зростає в сотні разів.

До феромагнетиків, крім заліза, належать нікель, кобальт, гадоліній, деякі сплави і хімічні сполуки.

Феромагнетики мають ще ряд властивостей, які істотно відрізняють їх від діа- і парамагнетиків. Характерною особливістю феромагнетиків є складна залежність індукції внутрішнього поля намагніченого феромагнетику від індукції зовнішнього поля намагнічуючих струмів.

Виготовимо осердя з розмагніченого феромагнетику у формі тороїда з малим поперечним проміжком (зазором) і обмотаємо його рівномірно провідником (див. мал. 158). Змінюючи силу струму в обмотці, змінюватимемо індукцію намагнічуючого поля Б0 . Індукцію магнітного поля вимірюватимемо в зазорі.

Спочатку індукція магнітного поля у феромагнетику зростає разом зі збільшенням індукції намагнічуючого поля Б0 . Це зростання зображено кривою 08 (мал. 165). Дальше зростання індукції намагнічуючого поля (Б0 > В08) не веде до збільшення індукції поля у феромагнетику, індукція зберігає постійне значення, яке називається намагніченістю насичення.

Зменшуючи силу струму в обмотці, ми зменшуватимемо індукцію намагнічуючого поля Б0 і тим самим індукцію поля у феромагнетику. При цьому побачимо, що індукція поля в осерді у процесі його розмагнічування залишається весь час більшою, ніж у процесі намагнічування. Коли сила струму в обмотці стане рівною нулеві, зникне і намагнічуюче поле. Однак осердя збереже залишкову намагніченість —

залишкову індукцію Бг .

224

Щоб повністю розмагнітити феромагнітне осердя, треба через обмотку пропустити струм протилежного напряму і тим самим створити магнітне поле з протилежно напрямленою індукцією (~БС). Значення індукції Б с , за якої осердя розмагнічується, називається коерцетивною силою.

Якщо далі збільшувати силу струму в обмотці, процес намагнічування повториться до насичення. Потім можна повторити процес розмагнічування, і ми дістанемо замкнуту криву.

Таким чином, видно, що під час намагнічування і розмагнічування феромагнітного осердя індукція Б ніби відстає від Б0 . Це явище відставання Б від Б0 називається явищем гістерезису (це слово і означає «відставання»). Завдяки цьому явищу і утворюється залишкова індукція. Зображена на малюнку 165 замкнута крива називається петлею гістерезису. Чим більша коерцетивна сила, тим важче розмагнітити магніт. Для сильного постійного магніту потрібно, щоб залишкова індукція Бг була великою. На малюнку 166 показано загальний вигляд петлі гістерезису двох типів феромагнетиків. У феромагнетиків, у яких петля гістерезису вузька (мал. 166, а), коерцетивна сила мала. Вони легко намагнічуються і розмагнічуються. Ці магнітні матеріали називають магнітом9якими. їх застосовують у таких приладах і пристроях, де феромагнетики часто перемагнічуються (електричні генератори, двигуни, трансформатори тощо). Магнітом'якими матеріалами є, наприклад, чисте залізо, в якого коерцетивна сила близько 10 4 Тл, пермалой (сплав із

ють для виготовлення постійних магнітів. Речовини з широкою петлею гістерезису називають магнітожорсткими, або висококоерцетивними матеріалами. Так, висококоерцетивний сплав магніко (сплав заліза, нікелю, кобальту, алюмінію і міді) має коерцетивну силу 0,07 Тл і залишкову індукцію 1,3 Тл.

Будь-яка феромагнітна речовина залишається феромагнітною лише до певної температури, яку називають температурою Кюрі. За температури, більшої за температуру Кюрі, феромагнітна речовина втрачає феромагнітні властивості (стає парамагнетиком). У різних феромагнетиків температури Кюрі різні. Так, залізо втрачає свої феромагнітні властивості за температури 770 °С, нікель — за 360°С, кобальт — за 1150 °С. Є феромагнетики і з низькою температурою Кюрі. Так, у сплаву, який складається з 70% заліза і 30% нікелю, температура Кюрі всього 70°С. Такий сплав уже в гарячій воді перестає бути феромагнітною речовиною. Під час охолодження нагрітого феромагнетику нижче температури Кюрі феромагнітні властивості повністю відновлюються.

? 1. Які речовини називаються феромагнетиками? Які вони мають властивості? 2. Що означають слова: «намагнічений до насичення»?

3.У чому полягає явище гістерезису? 4. Що таке коерцетивна сила?

5.В яких точках гістерезисної петлі поняття магнітної проникності не має смислу? 6. З яких магнітних матеріалів слід виготовляти осердя трансформаторів — магнітом'яких чи магнітожорстких?

§ 74. Магнітне записування і збереження інформації

Найбільш звичним для кожної людини способом обміну інформацією є мова. Обмінюючись інформацією за допомогою мови, одна людина збуджує звукові коливання у повітрі за допомогою голосових зв'язок, друга сприймає ці коливання за допомогою органів слуху.

Одним з найпоширеніших способів збереження і наступного відтворення звуків мови і музики є магнітний запис.

Магнітне записування ґрунтується на властивості феромагнетиків зберігати залишкове намагнічування після зняття зовнішнього магнітного поля. Запис звуку в магнітофонах здійснюється на тонку пластмасову стрічку, покриту шаром магнітного лаку, що складається з дуже дрібних голчастих частинок заліза чи іншого феромагнетику і зв'язуючих речовин. Коливання повітря у звуковій хвилі перетворюються за допомогою мікрофона М у коливання сили струму в електрич-

226

ному колі (мал. 167). Після підсилення у підсилювачі запису ПЗ змінний струм звукової частоти надходить в обмотку кільцевого магніту магнітної головки запису ГЗ. Під час протягування магнітної стрічки поблизу зазора між полюсами кільцевого електромагніту різні ділянки стрічки намагнічуються відповідно до змін сили струму в обмотці. Смуга на стрічці, намагнічена у процесі записування, називається доріжкою.

При відтворенні звуку відбувається зворотний процес: намагнічена стрічка протягується перед зазором кільцевого магніту магнітної головки відтворення ГВ з тією самою швидкістю, з якою вона протягувалася під час записування. Під час руху намагніченої стрічки відбуваються зміни магнітного поля в кільцевому електромагніті — в обмотці електромагніту збуджується змінний струм. Після підсилення змінної напруги підсилювачем відтворення ПВ напруга звукової частоти подається на котушку гучномовця Гм. Змінний струм у котушці гучномовця спричиняє коливання котушки в магнітному полі постійного магніту. Прикріплений до котушки дифузор відтворює звук.

Для стирання непотрібного запису зі стрічки служить магнітна головка стирання запису ГС. На її обмотку подається змінна напруга від генератора ультразвукової частоти ГУЗЧ. У побутових магнітофонах для записування і відтворення використовуються одна й та сама універсальна головка й один підсилювач.

227

Мал. 168

На магнітну стрічку молена записати не лише сигнал звукової частоти, а й сигнал для керування електронним променем кінескопа телевізора, тобто записати телевізійне зображення. В основі магнітного відеозапису лежать ті самі принципи, що й в основі звукозапису. На магнітну стрічку відеомагнітофона записуються інформація про зображення в кожній точці екрана телевізора і звуковий супровід. Під час зчитування запису зі стрічки за допомогою магнітних головок на екрані телевізора дістають зображення і за допомогою динаміка відтворюють його звуковий супровід.

Магнітний запис інформації широко використовується в елек- тронно-обчислювальній техніці. Оскільки вся інформація для комп'ютера є набором сигналів типу «так» чи «ні», цю інформацію можна записати на магнітну стрічку або магнітний диск як чергування ділянок з різною полярністю намагнічування.

У персональних комп'ютерах для записування інформації використовується тонкий пластмасовий диск, покритий шаром магнітного матеріалу. Записування і зчитування здійснюється за допомогою електромагнітної головки, яка переміщається над поверхнею диска вздовж його радіуса (мал. 168). Диск обертається зі швидкістю 300 обертів за хвилину, запис здійснюється на концентричних доріжках, поздовжня густина запису інформації досягає 275 біт/мм, поперечна густина — до 60 доріжок на 1 мм вздовж радіуса. Повна ємність запису інформації на одному боці диска діаметром 133 мм досягає 500 Кбайт.

? 1. Яка властивість феромагнетиків використовується для магнітного звукозапису? 2. Як здійснюють магнітний запис звуку й зображення? 3. Як записується інформація в персональних комп'ютерах?

228