127838-229237

Средняя скорость установившегося движения – дрейфовая скорость – прямо пропорциональна напряженности электрическо-

которая численно равна скорости установившегося движения под действием электрического поля напряженностью 1,0 В/м.

Газы состоят из электрически нейтральных атомов и молекул и в обычных условиях не являются проводниками электрического тока в связи с отсутствием свободных зарядов. Однако если в газе создать определенное количество таких зарядов, то он станет электропроводящим. Процесс создания ионов в газе – ионизация. Процесс обратный ионизации называется рекомбинацией. Процесс рекомбинации развивается интенсивно после прекращения действия ионизатора.

Существует несколько способов ионизации: ионизация электронным ударом (движущийся в газе со значительной кинетической энергией электрон при столкновении с нейтральным атомом выбивает из него один или несколько электронов), термоионизация (под действием высокой температуры), фотоионизация (под действием электромагнитного излучения).

Газ при очень высоких температурах (T > 1000 К), когда при высокой степени ионизации молекулы образуют положительные ионы и электроны, называется плазмой.

Ионизация газов характеризуется потенциалом ионизации, численно равным отношению работы, необходимой для отрыва от атома, молекулы или иона валентного электрона, к величине элементарного заряда:

Работа ионизации нейтрального атома или молекулы значительно меньше работы ионизации иона.

Электрический ток в газах создается как направленным движением ионов обоих знаков, так и свободных электронов, следо-

где e – элементарный электрический заряд.

31

Электрический ток в газах получил название газового разряда. Различают самостоятельный (разряд в газе, сохраняющийся после прекращения действия ионизатора) и несамостоятельный (существующий только под действием внешних ионизаторов) газовый разряд. В свою очередь выделяют четыре типа самостоя-

тельных газовых разрядов: тлеющий, искровой, коронный, дуговой.

9. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В ВАКУУМЕ

Магнитное поле – силовое поле, действующее на движущиеся (в системе, в которой рассматривается поле) электрические заряды (токи) и на тела, обладающие магнитным моментом. Вместе с электрическим полем образует единое электромагнитное поле. Магнитное поле в некоторой системе отсчета создается только движущимися относительно нее электрическими зарядами.

Магнитный момент замкнутого контура с током (рис. 1.20) pm представляет собой физическую векторную величину, числен-

где n – единичный вектор, нормальный к площади контура, направление которого определяется правилом правого винта: на-

правление вектора n совпадает с направлением поступательного движения острия винта, который ввинчивается по направлению электрического тока.

Рис. 1.20

32

Индукция магнитного поля B – физическая векторная величина, модуль которой определяется из соотношения:

где M max – максимальный механический момент, действующий на рамку с током в магнитном поле, pm – магнитный момент рамки.

Механический момент, действующий на замкнутый проводящий контур с магнитным моментом pm , находящийся в маг-

где α – угол между векторами pm и B .

Графически магнитное поле может быть отображено с помощью линий магнитной индукции – линий, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора магнитной ин-

дукции B . Направление линий (и вектора B ) задается правилом правого винта: шляпка винта, который ввинчивается по направ- лению электрического тока, вращается в направлении линий маг- нитной индукции.

Например, магнитное поле прямого тока представляет собой линии магнитной индукции в виде замкнутых концентрических окружностей, изображенные на рис. 1.21 (ток течет перпендикулярно плоскости рисунка за чертеж).

Рис. 1.21

33

Принцип суперпозиции магнитных полей: если магнитное поле создано несколькими движущимися зарядами или проводниками с током, то магнитная индукция результирующего поля равна векторной сумме магнитных индукций полей, создаваемых ка-

Закон Ампера: сила dF , действующая на элемент проводни- ка dl с током I со стороны магнитного поля, называемая силой Ампера, равна векторному произведению элемента тока Idl и вектора магнитной индукции B :

Раскрывая векторное произведение, получим выражение для мо-

где α – угол между векторами dl и B .

Направление силы Ампера определяется как направление результирующего вектора векторного произведения Idl и B –

правилом правого винта: располагают начала векторов Idl и B в одной точке; осуществляют кратчайший поворот вектора

Idl к B ; правый винт вращают в направлении вращения Idl ;

направление поступательного движения правого винта укажет направление силы.

Направление силы Ампера можно определить также с помо-

щью правила левой руки (рис. 1.22): левую руку располагают в таком положении, чтобы перпендикулярная направлению эле-

мента тока составляющая вектора магнитной индукции B вхо- дила в ладонь, а четыре пальца были направлены по направлению тока, тогда отогнутый большой палец покажет направление ис- комой силы.

Индукция магнитного поля, создаваемого движущимся то-

чечным зарядом, определяется выражением:

34

магнитная постоянная, μ – магнитная проницаемость среды.

Магнитная проницаемость вещества μ – безразмерная фи-

зическая величина, которая показывает, во сколько раз при задан-

ных токах, создающих магнитное поле, магнитная индукция B в рассматриваемой точке однородной изотропной среды, заполняющей все пространство, больше (или меньше), чем в ва-

кууме B0 :

Рис. 1.23

35

Закон Био-Савара-Лапласа: каждый элемент тонкого про-

водника dl с током I создает в данной точке пространства поле с индукцией, равной:

где r – радиус-вектор, проведенный из элемента dl проводника в данную точку (рис. 1.24).

2R

Соленоид – свернутый в спираль изолированный проводник, по которому течет электрический ток (рис. 1.25).

Рис. 1.25

36

Индукция магнитного поля внутри длинного соленоида

равна

где I – сила тока в соленоиде, N – число витков соленоида, l – длина соленоида, μ – магнитная проницаемость вещества сер-

дечника.

Тороид – кольцевая катушка с витками, намотанными на сердечник, имеющий форму тора, по которым течет электрический ток (рис. 1.26).

Рис. 1.26

Индукция магнитного поля внутри тороида на расстоянии

где N – число витков тороида, μ – магнитная проницаемость ве-

щества сердечника.

Сила Лоренца – сила, с которой на движущийся со скоростью υ заряд q одновременно действуют магнитное поле с индукцией

B и электрическое поле с напряженностью E :

r

F = qE + q[υ ×B]. (9.16)

Направление магнитной составляющей силы Лоренца, выра-

r

жаемой векторным произведением q[υ ×B] , определяется с помо-

37

щью правила правого винта (смотри определение направления силы Ампера выше).

Направление магнитной составляющей силы Лоренца можно также определить по правилу левой руки: левую руку располага- ют в таком положении, чтобы перпендикулярная направлению

скорости частицы составляющая вектора магнитной индукции B входила в ладонь, а четыре пальца были направлены вдоль век- тора скорости u , тогда отогнутый большой палец покажет на- правление искомой силы (аналогично рис. 1.22).

Циркуляция вектора магнитной индукции B по произволь-

где α – угол между векторами dl и B .

Теорема о циркуляции вектора B в вакууме (закон полно-

го тока): циркуляция вектора B по произвольному контуру L равна произведению магнитной постоянной m0 и алгебраической

Ток считается положительным, если его направление связано с направлением обхода контура правилом правого винта

(рис. 1.27).

Поток вектора магнитной индукции (магнитный поток) че-

рез элементарную площадку dS – это скалярная физическая величина, определяемая выражением:

где α – угол между векторами B и n – единичным вектором, нормальным к площадке dS контура (рис. 1.28).

Поток вектора магнитной индукции (магнитный поток) через произвольную поверхность S равен:

S

38

Теорема Гаусса для магнитного поля в вакууме: поток век-

тора магнитной индукции через произвольную замкнутую поверхность равен нулю:

Теорема о циркуляции и теорема Гаусса для вектора B отра-

жают факт отсутствия магнитных зарядов. Это означает, что магнитное поле имеет так называемый вихревой (а не потенциальный, как электростатическое) характер, линии индукции которого являются замкнутыми.

Пусть проводник длиной l с током I может скользить по двум другим направляющим проводникам (рис. 1.29) и находится

в однородном магнитном поле с индукцией B (вектора индукции направлены перпендикулярно плоскости рисунка к читателю). В этом случае сила Ампера, действующая на проводник, будет совершать работу по его перемещению на некоторое расстояние dx : dA = IBldx = IdΦ , (9.22)

где учтено определение силы Ампера (9.7) и магнитного по-

тока (9.19).

Рис. 1.29

39

Работа по перемещению замкнутого контура с током в

где dΦ – изменение магнитного потока, сцепленного с контуром. Работа при конечном произвольном перемещении контура в магнитном поле определяется интегрированием выражения (9.23):

10. ЯВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

Явление электромагнитной индукции – явление возникновения индукционного электрического тока в замкнутом прово-

дящем контуре при изменении потока вектора магнитной индукции через поверхность, ограниченную этим контуром.

Так как при изменении потока индукции возникает электрический ток, то это указывает на наличие в цепи электродвижущей силы, которая называется ЭДС индукции.

Закон Фарадея для электромагнитной индукции: ЭДС ин-

дукции, возникающая в контуре при пересечении его изменяющим- ся магнитным потоком, равна и противоположна по знаку скоро- сти изменения магнитного потока сквозь поверхность, ограни- ченную контуром:

где dΦ – изменение магнитного потока за интервал времени dt . Знак «–» в законе (10.1) связан с определенным правилом зна-

ков. Знак магнитного потока Φ определяется выбором нормали к поверхности площадью S , ограниченной рассматриваемым контуром, а знак ЭДС индукции Ei – с выбором положительного на-

правления обхода по контуру. При этом направление нормали n к поверхности S и положительное направление обхода контура свя-

заны друг с другом правилом правого винта (буравчика) – если шляпку правого винта вращать по направлению обхода, то направление поступательного движения острия винта совпадает с направлением нормали к поверхности (рис. 1.30).

40