5. Электромагнитные явления

5.1. Взаимодействие тел

В основе всех физических явлений лежит взаимодействие между телами или частицами. Согласно представления современной физике всякое взаимодействие передается через некоторое поле. Электрические заряды взаимодействуют через электрическое поле, которое они создают, магниты и электрические токи – через магнитное поле. Механическое взаимодействие осуществляется через электромагнитные поля, создаваемые электронами вещества.

Взаимодействие заряженных тел или частиц в самом простейшем случае описывается законом Кулона.

Известно, что разноименные заряды притягиваются, а одноименные – отталкиваются.

Изменяя форму поверхности заряженных тел можно изменить конфигурацию образующихся полей. А это, в свою очередь, открывает возможность управлять силами, действующими на заряженные частицы (тела), помещенные в такое поле.

При внесении незаряженного проводника в электрическое поле носители заряда приходят в движение. В результате у концов проводника возникают заряды противоположенного знака, называемые индуцированными зарядами.

Это же явление используется для защиты различных объектов от воздействия электрических полей путем электрического экранирования и для получения сверхвысоких постоянных напряжений (генератор Ван-де Граафа). При частичном введении диэлектрика между обкладками конденсатора наблюдается втягивание диэлектрика между обкладками.

5.2. Закон Джоуля-Ленца

Под действием электрического поля в проводнике при создании на его концах разности потенциалов заряды движутся – в проводнике возникает электрический ток. Любые нарушения кристаллической решетки проводника – дефекты, примеси, тепловые колебания – являются причиной рассеяния электронных волн, т.е. уменьшения упорядочности движения электронов. При этом в проводнике выделяется тепло (закон Джоуля - Ленца).

5.3. Проводимость металлов

Высокая проводимость металлов связана с особенностью их электронного спектра, в котором непосредственно над заполненными уровнями находятся свободные уровни. У большинства металлов сопротивление увеличивается линейно с ростом температуры, в то же время ряд сплавов имеет отрицательных температурный коэффициент сопротивления. Меняется сопротивление и у неметаллов.

Сопротивление металлов при плавлении возрастает, если его плотность возрастает (в полтора-два раза, для свинца – в 3-4 раза) и, наоборот, падает, если плотность металла при плавлении уменьшается (висмут, сурьма, галлий).

При приложении внешнего гидравлического давления сопротивление металлов уменьшается. Это уменьшение максимально у щелочных металлов, имеющих максимальную сжимаемость. У ряда элементов на кривых зависимости сопротивления от давления имеются скачки, используемые в физике высоких давлений в качестве реперных точек.

Кроме того, на сопротивление металлов очень сильно влияет наличие примесей (или состав сплава), что используется для идентификации сплавов. Так, например, при изменении количества примесей в стали от 0,1 до 1,1% ее удельное сопротивление изменяется от (10 до 30)·10^-8 Ом·см.

Широко используются изобретателями и обычные изменения сопротивления объектов за счет изменения размеров или состава объекта.

При низких температурах поведение сопротивления металлов весьма сложно. У некоторых металлов и сплавов обнаруживается явление сверхпроводимости. Сверхпроводящее состояние устойчиво, если температура, магнитное поле и плотность тока не превышает некоторых критических пределов. В 1976 г. достигнуты следующие максимальные значения этих параметров: критическая температура 23,4 К, критическое поле 600 кЗ, плотность тока 11·10¹¹ А/см².

Если один из параметров поддерживать вблизи критического значения, то сверхпроводящая система может быть использована для очень точного определения небольших изменений измеряемой величины, например, вблизи критической температуры – 10 см/ºС.

Сверхпроводимость – свойство многих проводников, состоящее в том, что их электрическое сопротивление скачком падает до нуля* при охлаждении ниже определенной критической температуры Т_к, характерной для данного материала. Это явление обнаружено у более, чем 25 металлов, большого числа сплавов, полупроводников, полимеров.

Опыты установили, что сопротивление металлов в сверхпроводящем состоянии меньше, чем 10~²⁰ Ом-м. Кроме того, в состоянии сверхпроводимости выталкивается магнитное поле из сверхпроводника

(идеальный диэлектрик)

Рис. 5.1. Зависимость сопротивления от температуры для ртути

Ртуть при 4,1 5К переходит в сверхпроводящее состояние. Важное свойство: выше критического магнитного поля Н_к сверхпроводимость исчезает. С ростом температуры Н_к монотонно падает.

Применение: сверхпроводящий магнит, резонатор, сверхчувствительный W-метр [3].

Эффект Купера –объединение электронов в металле в пары, приводящее к появлению сверхпроводимости; предсказан в 1956 г. американским физиком Л. Купером. Без учета эффект Купера в основном состоянии металла (при температуре Т –> 0 К) электроны заполняют в пространстве импульсов объем, ограниченный Ферми поверхностью. Распределение по импульсам такого, что в металле имеются электроны с равными и противоположно направленными импульсами. Согласно Куперу, электроны, находящиеся вблизи поверхности Ферми и имеющие противоположно направленные импульсы и спины, могут объединяться в пары благодаря взаимодействию через решетку, которая возникает в результате обмена виртуальными фононами и имеет характер притяжения. Куперовские пары имеют целочисленный (нулевой) спин, поэтому система куперовских пар обладает сверхтекучестью.

Малая величина энергии связи электронов куперовской пары обусловливает существование низкотемпературной сверхпроводимости металлов, их соединений и сплавов (~ до 10К).