Поняття про плазму

Електронна-іонна плазма, або плазма, являє собою газ у стані з високим ступенем іонізації. Наприклад, плазма утворюється в позитивному стовпі тліючого розряду і в головних каналах іскрового розряду. У нейтральній плазмі концентрація електронів і позитивних іонів однакова. Тому сумарний об'ємний заряд у плазмі, як і в металах, дорівнює нулю.

Концентрація носіїв струму в плазмі невелика, але значна їх рухливість, тому електропровідність плазми велика.

За характером електропровідності плазма уподібнюється до металів, особливо при високій температурі. В електричному полі електрони набувають швидкостей, значно більших від швидкостей іонів і тому вони забезпечують провідність плазми.

Внаслідок великої різниці мас електронів та іонів під час зіткнень електрони передають лише незначну частину своєї енергії, основна частина енергії електронів, набутої в електричному полі, перетво­рюється в енергію теплового руху. Тому при низькому тиску темпе­ратура електронного газу в плазмі вища від температури іонного газу (неізотермічна плазма).

З підвищенням тиску зростає кількість зіткнень і поліпшується теплообмін між електронним та іонним газами, а тому зменшується їхня різниця температур. При досить високому тиску електронний та іонний гази мають однакову температуру (ізотермічна плазма).

Сприятливим фактором для утворення плазми є висока темпера­тура. При дуже високій температурі (порядку кількох мільйонів градусів) атоми газу повністю іонізуються - розщеплюються на електрони і ядра.

У природі плазма зустрічається в космічних тілах. Надра зір і Сонця складаються з водневої плазми. Під впливом високої темпе­ратури (десятків і сотень мільйонів градусів) і великого тиску відбу­вається реакція злиття атомних ядер і утворення гелію. При цьому виділяється величезна ядерна енергія. Високотемпературну плазму одержують за допомогою потужних електричних розрядів і досліджують її на предмет здійснення. Завдяки своїм специфічним властивостям плазма розглядається як четвертий стан речовини.

2.7.4. ТЕРМОЕЛЕКТРОННА ЕМІСІЯ

Катодні промені за своєю природою являють собою спрямований потік електронів. Катодні промені виникають у газорозрядній трубці при досить малому тиску внаслідок вибивання електронів з катода позитивними іонами.

Катодні промені вилітають з катода в перпендикулярному напрямі до його поверхні і поширюються прямолінійно, незалежно від поло­ження анода. Катодні промені діють на фотопластинку. Під впливом катодних променів майже всі тверді тіла флуоресціюють - світяться характерним для них кольором. Це явище використовують у різних приладах: осцилографах, телевізійних трубках тощо, які мають екрани, покриті спеціальною речовиною. Катодні промені спричинюють тепловий і механічний ефект.

Проникна здатність катодних променів мала. Вони відхиляються в електричному і магнітному полях. Саме за дослідженням дії полів на катодні промені була визначена їх природа, заряд і маса електронів. Катодні промені широко використовують в сучасній науці і техніці. Крім холодних катодів, для випромінювання електронів широко використовують нагрівні катоди.

Поряд з катодними променями одержують і використовують анод­ні (каналові) промені, які являють собою потік позитивно заряджених іонів, що переміщуються від анода до катода, їх легко можна ви­ділити, якщо в плоскому катоді зробити отвори. Подібно до катодних анодні промені зумовлюють люмінесцентне світіння речовин, теплову і механічну дію. Дослідження їх в електричному і магнітному полях є важливим засобом пізнання будови речовини.

Явище термоелектронної емісії полягає у випромінюванні елект­ронів нагрітими металами. У процесі хаотичного руху всередині металу окремі вільні електрони набувають кінетичної енергії, більшої від роботи виходу електрона з металу. Такі електрони вириваються (емітують) з металу і утворюють навколо нього елек­тронну хмарку. Емісія електронів зростає в міру нагрівання металу. Якщо розжа­рений метал зробити катодом вакуумної трубки і між катодом та анодом прик­ласти електричну напругу, то в трубці проходитиме термоелектронний струм. Така двохелектродна вакуумна трубка називається діодом. Електричне поле між катодом і анодом відтягує елек­трони до анода, електронна хмарка роз­сіюється і створюються умови для даль­шої емісії електронів з металу.

ПИТАННЯ ДЛЯ САМОСТІЙНОГО ОПРАЦЮВАННЯ

1. Рівняння неперервності заряду

2. Використання теплової енергії електричного струму

3. Закон Джоуля-Ленца в диференціальній формі

4. Прилади напівпровідникової електроніки (діод, тиристор, біполярний транзистор, польовий транзистор, термістор)

5. Контакт метал-напівпровідник. Бар’єр Шотткі

6. Прилади вакуумної електроніки (діод, тріод, вакуумна лампа)

ПИТАННЯ ДЛЯ САМОПЕРЕВІРКИ ЗНАНЬ

1. Що таке електричний струм?

2. Що приймають за напрям електричного струму?

3. Умови існування струму?

4. Що таке джерело електричного струму?

5. Що таке електричне коло?

6. Що таке сила струму?

7. Що таке постійний струм?

8. Що таке густина струму?

9. Закон Ома для ділянки кола (записати формулу).

10. Що таке вольт-амперна характеристика?

11. Яка суть опору?

12. Від чого залежить опір металу (записати формулу)?

13. Що таке ЕРС (записати формулу)?

14. Узагальнений закон Ома (записати формулу).

15. Закон Ома для повного кола (записати формулу).

16. Що таке коротке замикання?

17. Що таке вузол?

18. Сформулювати перше правило Кірхгофа (застосувати його до довільного кола)

19. Сформулювати друге правило Кірхгофа (застосувати його до довільного кола)

20. Як вимірюють силу струму?

21. Як розширити межі вимірювання амперметра?

22. Як вимірюють напругу?

23. Як розширити межі вимірювання вольтметра?

24. Записати формули для обчислення роботи електричного струму (розглянути різні випадки)

25. Записати формули для обчислення потужності електричного струму (розглянути різні випадки)

26. Сформулювати закон Джоуля-Ленца (записати формулу)

27. Як встановили елементи провідності у металах

28. Як опір металів залежить від температури (записати формулу)?

29. Що таке надпровідність?

30. Що таке енергетичні рівні, енергетичні зони (зобразити їх на рисунку)?

31. Сформулювати принцип заборони Паулі

32. Що таке рівень Фермі?

33. Що таке хімічний потенціал?

34. Пояснити електропровідність твердих тіл з точки зору квантової теорії

35. Яка будова чистих напівпровідників?

36. Що таке ковалентний зв'язок?

37. Що таке донорні домішки? Як утворюється напівпровідник n- типу?

38. Що таке акцепторні домішки? Як утворюється напівпровідник р- типу?

39. Що таке n–р- перехід? Які процеси відбуваються в ньому при прямому ввімкненні?

40. Що таке n–р- перехід? Які процеси відбуваються в ньому при зворотньому ввімкненні?

41. Що таке запірний шар?

42. Що таке потенціальний бар’єр?

43. Що таке робота виходу?

44. Що таке контактна різниця потенціалів?

45. Сформулювати перший закон Вольта

46. Сформулювати другий закон Вольта

47. Розкрити суть явища Зебека

48. Розкрити суть явища Пельтьє

49. Як утворюються іони?

50. Що таке дисоціація, сольватація, рекомбінація?

51. Що таке електроліз?

52. Що таке електроліти?

53. Сформулювати перший закон електролізу

54. Сформулювати другий закон електролізу

55. Записати об’єднаний закон електролізу

56. Де використовують електроліз?

57. Що таке іонізатор, іонізація?

58. Що таке газовий розряд?

59. Які бувають види розрядів?

60. Що таке плазма?

61. Що таке катодні промені?

62. Що таке термоелектронна емісія?

РЕФЕРАТИ

1. Винайдення гальванічних елементів

2. Потужність електричних машин

3. Види розрядів в газах

4. Електроліз і його застосування

5. Досліди Е. Рікке, Л. І. Мандельштама, М. Д. Папалексі, Г. Стюарта, Р. Томлена

6. Нанотехнології

7. Надпровідність

8. Застосування діодів

9. Застосування транзисторів

10. Інтегральні мікросхеми

11. Застосування термоелектричних явищ

12. Використання контакту метал-напівпровідник в електроніці

13. Винайдення лампочки

14. Застосування газових розрядів

ТЕМА 3. МАГНІТНЕ ПОЛЕ. ЕЛЕКТРОМАГНІТНА ІНДУКЦІЯ

3.1. МАГНІТНЕ ПОЛЕ І ЙОГО ХАРАКТЕРИСТИКИ. ЗАКОН АМПЕРА

План лекції

3.1.1. Магнітне поле і його характеристики

3.1.2. Для магнітного поля на електричний струм. Сила Ампера

3.1.3. Магнітне поле постійного електричного струму. Закон Біо – Савара – Лапласа

3.1.4. Взаємодія двох прямих струмів

3.1.1. МАГНІТНЕ ПОЛЕ І ЙОГО ХАРАКТЕРИСТИКИ

Датський фізик Ерстед помітив, що магнітна стрілка, розміщена поблизу провідника з струмом, відхиляється від початко­вого стану. Дослідження показали, що стрілка повертається і нама­гається розміститися так, щоб її вісь була перпендикулярна до провідника (рис. 3.1). Із зміною напряму струму змінюється і напрям повертання магнітної стрілки.

Рис. 3.1. Дія провідника зі струмом на магнітну стрілку

Відкриття Ерстеда мало принципове значення в розвитку науки. Воно вказувало на існування суттєвих зв'язків між електричними і магнітними явищами, а також на існування вихрового магнітного моля і пондеромоторних сил, відмінних від центральних сил притя­гання й відштовхування.

Пізніші дослідження показали, що при заміні металевого провід­ника з струмом відповідним струмом в електролітичній або газо­розрядній трубці останні проявляють на магнітну стрілку таку саму дію. А.Ф. Йоффе експериментальне показав, що таку саму дію мл магнітну стрілку спричинює електронний пучок, а О.О. Ейхенвальд встановив, що таку дію проявляє всяке рухоме заряджене тіло. Усі ці досліди стверджують, що навколо будь-якого електричного струму (рухомої зарядженої частинки) нерозривно існує магнітне поле, яке виявляється за впливом на магнітну стрілку.

Магнітне поле є вид матерії. Воно виявляється за дією на магнітну стрілку, провідник із струмом; воно намагнічує, деформує і змінює електричний опір тіл тощо.

Силовою характеристикою магнітного поля в кожній точці є вектор магнітної індукції . Напрям і величину вектора індукції визначають за дією магнітного поля на магнітну стрілку та провідник із струмом.

За напрям вектора магнітної індукції в заданій точці поля приймають напрям вектора сили, з якою поле діє на північний полюс нескінченно малої магнітної стрілки, розміщеної в цій точці. Звичайно для графічного зображення магнітного поля користую­ться лініями магнітної індукції.

Лініями магнітної індукції називають криві, дотичні, до яких у кожній точці збігаються з напрямом вектора в цих точках поля. Лінії магнітної індукції завжди замкнуті й охоп­люють провідник із струмом. Для визначення напря­му ліній магнітної індукції користуються правилом свердлика: якщо свердлик повертати так, щоб його поступальний рух збігався з напрямом струму І, то обертальний рух рукоятки покаже напрям ліній магнітної індукції (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Правило свердлика

3.1.2. ДІЯ МАГНІТНОГО ПОЛЯ НА ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ. СИЛА АМПЕРА

Якщо в магнітне поле внести провідник із струмом, то на нього діятиме сила (сила Ампера).

Експериментально Ампер встановив, що сила F_A, яка діє на прямо­лінійний провідник із струмом, що перебуває в однорідному магніт­ному полі, прямо пропорційна силі струму I, довжині провідника l, магнітній індукції В і синусові кута між напрямом струму і вектором В, тобто:

. (3.1.)

Коли магнітне поле неоднорідне, його можна розділити на об­ласті, в яких магнітне поле можна вважати однорідним, а елемент dl - прямолінійним. Тоді закон Ампера запишемо так:

. (3.2)

Напрям сили Ампера визначають за правилом лівої руки: якщо долоню лівої руки розмістити так, щоб лінії індукції В входили в долоню, а витягнуті пальці показували напрям струму І, то відхилений великий палець покаже напрям сили Ампера. З формули (3.2) можна встановити зміст і одиницю магнітної індукції В. Якщо

то:

, (3.3)

тобто магнітна індукція вимірюється силою, з якою магнітне поле діє на одиницю довжини провідника, по якому проходить одиничний струм. Отже, вектор є силовою характеристикою магнітного поля. Одиниця В у СІ дорівнює 1 Тл (тесла).

3.1.3. МАГНІТНЕ ПОЛЕ ПОСТІЙНОГО ЕЛЕКТРИЧНОГО СТРУМУ. ЗАКОН БІО - САВАРА - ЛАПЛАСА

Нехай постійний електричний струм І проходить по провіднику довільної форми. Треба визначити величину і напрям вектора індукції В в якійсь точці А магнітного поля, пов'язаного з цим струмом (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Визначення величини і напряму вектора В

Це питання вивчали французькі вчені Ж. Біо і Ф. Савар. Вони встановили, що величина векто­ра магнітної індукції В пропорційна силі струму І; що залежність його від довжини про­відника зі струмом може бути встановлена лише для елемента струму dl. Узагальнення привели П.Лапласа до закону:

, (3.4)

де r – модуль радіус-вектора, проведеного від елемента dl до точки А, -магнітна стала,

-магнітна проникність середовища, в якому локалізовано поле.

Крім магнітної індукції вводиться також друга векторна харак­теристика магнітного поля, яка називається напруженістю. Напру­женість магнітного поля —векторна величина, яка не залежить від магнітних властивостей середовища і характеризує магнітне поле в кожній точці за пов'язаним з ним струмом і положенням точки:

. (3.5)

Вектори і збігаються за напрямом. Магнітне поле зображують графічно лініями магнітної індукції, або лініями напруженості, дотичні до яких у кожній точці збігаються з напрямом з векторами або .

3.1.4. ВЗАЄМОДІЯ ДВОХ ПРЯМИХ СТРУМІВ

Ампер експериментально встановив, що два прямі паралельні струми притягуються, а антипаралельні відштовхуються; непаралельні струми намагаються стати паралельними в одному напрямі. Це стосується і двох колових струмів. Сила взаємодії двох прямих паралельних струмів І₁ та І₂:

, (3.6)

де l - довжина провідників, R – відстань між ними.

Вивчення взаємодії двох прямих постійних паралельних струмів дало змогу встановити одиницю струму - ампер як одну з основних у СІ. Ампер (А) - сила постійного струму, який, проходячи по двох паралельних прямолінійних провідниках нескінченної довжини малого кругового перерізу, розміщених на відстані 1 м один від одного у вакуумі, утворює силу взаємодії між. ними, яка дорівнює ньютон на кожний метр довжини. З означення ампера і формули (3.6) знайдемо значення .

3.2. ДІЯ ЕЛЕКТРИЧНОГО І МАГНІТНОГО ПОЛІВ НА РУХОМИЙ ЗАРЯД

План лекції

3.2.1. Дія магнітного поля на рухому заряджену частинку. Сила Лоренца

3.2.2. Рух електрона в однорідному магнітному полі

3.2.3. Ефект Холла

3.2.1. ДІЯ МАГНІТНОГО ПОЛЯ НА РУХОМУ ЗАРЯДЖЕНУ ЧАСТИНКУ. СИЛА ЛОРЕНЦА

На рухому заряджену частинку в магнітному полі діє сила, яку називають силою Лоренца. Визначимо її.

Як відомо, на елемент струму в магнітному полі діє сила Ампера:

.

В ній силу розглядуваного струму можна задати через кількість заряджених частинок, які утворюють струм, і їх швидкість (див. 3.4, 3.6):

(3.7)

де q - заряд частинки; n - кількість частинок, що проходять через поперечний переріз провідника S за одиницю часу, n₀ - кількість рухомих заряджених частинок в одиниці об'єму; - середня швидкість їх зорієнтованого руху. Врахувавши вираз сили струму, дістанемо:

. (3.8)

Силу (3.7) дії на елемент струму можна розглядати як результуючу всіх сил, що діють на рухомі заряджені частинки в розглядуваному елементі, а саме:

.

Звідси сила, яка діє на окрему заряджену рухому частинку, дорівнюватиме:

. (3.9)

Якщо q > 0, то і формула (3.9) набере вигляду:

. (3.10)

для негативного заряду:

(3.11)

Напрям сили Лоренца визначають за правилом лівої руки: якщо долоню лівої руки розмістити так, щоб лінії індукції В входили в долоню, а витягнуті пальці показували напрям руху позитивно зарядженої частинки, то відхилений великий палець покаже напрям сили Лоренца (для негативно зарядженої частинки пальці спрямовують в напрямку протилежному їх руху).

Оскільки , то сила Лоренца не виконує роботи, а тільки змінює напрям руху частинок і за характером їхнього відхилення можна визначити знак заряду.

3.2.2. РУХ ЕЛЕКТРОНА В ОДНОРІДНОМУ МАГНІТНОМУ ПОЛІ

Нехай електрон влітає з швидкістю в однорідне магнітне поле, індукція якого Характер траєкторії руху електрона залежить від кута .

1. Якщо = 0, то = 0 і = 0. Електрон рухається за інерцією рівномірно і прямолінійно в напрямі якоїсь лінії магнітної індукції.

2. Якщо (поперечне магнітне поле), на електрон діє сила Лоренца:

. (3.12)

Оскільки , то сила Лоренца виконує роль доцентрової сили і доцентрове прискорення:

, (3.13)

де q і m - заряд i маса електрона. З механіки відомо, що:

. (3.14)

З формул (3.13) і (3.14) дістаємо:

. (3.15)

Отже, рух електрона в поперечному однорідному незмінному магніт­ному полі є коловим рухом у площині, перпендикулярній до вектора . Період обертання електрона не залежить від швидкості (якщо вона мала порівняно з швидкістю світла) і визначається так:

. (3.16)

Рис. 3.4. Розкладання вектора швидкості на дві складові

3. Якщо кут відмінний від 90° (рис. 3.4), то рух електрона в однорідному магнітному полі відбувається по гвинтовій лінії з кроком гвинта:

. (3.17)

Рис. 3.5. Траєкторія руху електрона в магнітному полі при

ЕФФЕКТ ХОЛЛА

Якщо металеву пластину, вздовж якої протікає постійний електричний струм, помістити в перпендикулярне до неї магнітне поле, то між гранями, паралельними напрямку струму і поля, виникає різниця потенціалів (рис. 3.6):

, (3.18)

де b – ширина пластини, j – густина струму, B – магнітна індукція поля, R – стала Холла.

Це явище називають ефектом Холла або гальваномагнітним явищем.

Рис. 3.6. Ефект Холла

Ефект Холла пояснює електронна теорія. При відсутності магнітного поля струм в пластині зумовлений електричним полем (рис. 3.6). Потенціали точки 1 і точки 2 рівні. Носії струму – електрони – мають негативний заряд, тому швидкість їх впорядкованого руху направлена протилежно вектору густини струму .

При ввімкнені магнітного поля на кожний електрон буде діяти сила Лоренца:

. (3.19)

В результаті у електронів виникне складова швидкості направлена до верхньої гарні. Біля цієї грані утвориться надлишок електронів, відповідно біля нижньої грані – недостача електронів. Отже виникне поперечне електричне поле , яке з полем утворює результуюче поле . Теперпотенціали точок 1 і 2 різні. Стала Холла:

, (3.20)

де n – концентрація електронів. Вимірявши сталу Холла, можна знайти концентрацію електронів в даному металі.

Ефект Холла можна спостерігати не тільки в металів, а й у напівпровідників, причому за знаком ефекту можна визначити якого типу напівпровідник.

4.3. МАГНІТНІ ВЛАСТИВОСТІ РЕЧОВИН

План лекції

3.3.1. Магнетики і їх намагнічування

3.3.2. Магнітне поле в магнетиках. Діамагнетики і парамагнетики

3.3.3. Феромагнетики та їх властивості. Магнітний гістерезиз

3.3.4. Магнітні матеріали і їх застосування

3.3.1. МАГНЕТИКИ 1 ЇХ НАМАГНІЧУВАННЯ

Магнітні моменти атомів (молекул) у тілі зорієнтовані безладно, і загальний магнітний момент тіла дорівнює нулю - тіло ненамагнічене. Якщо ж тіло внести в магнітне поле, то виникає часткова або повна орієнтація магнітних моментів атомів (молекул) і результу­ючий магнітний момент тіла стає відмінним від нуля - тіло намаг­нічується. При цьому змінюються властивості самого тіла: у ньому наводиться власне магнітне поле.

Усяке макроскопічне тіло прийнято називати магнетиком, ос­кільки воно здатне намагнічуватися під впливом зовнішнього магніт­ного поля. Проте різні тіла

намагнічуються по-різному, тому всі магнетики поділяють на три групи: діамагнетики, парамагнетики і феромагнетики.

Для кількісної оцінки ступеня намагнічення магнетика вводиться вектор намагніченості - .

, (3.21)

де - магнітна сприйнятливість магнетика.

Для діамагнетиків -від'ємна величина, для парамагнетиків - додатна, для феромагнетиків є функцією напруженості зов­нішнього поля, вона може досягти значень 10³ і більше.

З викладеного випливає, що вектор намагніченості може як збігатися з вектором напруженості зовнішнього поля, так і бути протилежно напрямленим до нього (у діамагнетиках).

3.3.2. МАГНІТНЕ ПОЛЕ В МАГНЕТИКАХ. ДІАМАГНЕТИКИ І ПАРАМАГНЕТИКИ

При розгляді магнітного поля струму в будь-якому середовищі потрібно враховувати, що до зовнішнього намагнічуючого поля до­дається внутрішнє поле поляризованого магнетика. Ці поля дають результуюче поле, яке визначається вектором магнітної індукції:

(3.22)

За змістом величину (3.22) треба було б назвати не магнітною індукцією, а напруженістю магнітного поля в магнетику, бо це - силова характеристика магнітного поля в середовищі.

У діамагнетиках виявляється чистий діамагнітний ефект: вони намагнічуються в напрямі, протилежному до зовнішнього магнітного поля. Тому в неоднорідному магнітному полі діамагнетики виштовхуються в ті області, в яких зовнішнє магнітне поле слабше. Цим пояснюється те, що підвішений на нитці діамагнітний стержень намагається повернутись і вста­новитися в напрямі, перпендикулярному до , а діа­магнітні гази в полум'ї свічки виштовхуються з міжполюсного проміжку.

До діамагнетиків належать: Zn, Си, Ві, Sb, Aq, Аи, Рb, І, С, Нq, Sі, Н₂О (слабо), СO₂, смоли, скло, мармур, віск, благородні гази і більшість органічних сполук. Для них . Отже електромагнітні сили взаємодій у діамагнітному середовищі менші, ніж у вакуумі. З цих причин діа­магнетик непридатний для побудови електромагнітів.

Парамагнетиками називають речовини, атомам або молекулам яких властиві певні магнітні моменти.

До парамагнетиків належать: Сг, Мn, Sn, А1, Рt, Nа, К, О, N, оксид азоту, рідкісноземельні елементи, луги і лужноземельні елементи. Для них .

Коли немає магнітного поля, магнітні моменти окремих атомів розташовані безладно і парамагнетик ненамагнічений. Якщо ж парамагнетик внести в магнітне поле, то на кожний атом діятиме механічний обертальний момент. Тому магнітні моменти атомів нама­гатимуться встановитися в напрямі зовнішнього магнітного поля, вико­нуючи деякий час коливання відносно положень рівноваги.

Тепловий рух дезорієнтує упорядковані атомні магнітні моменти. Орієнтація тим гірша, чим вища темпера­тура і чим слабше магнітне поле. При досить сильному магнітному полі може настати насичення, і магнітні моменти всіх атомів повністю зорієнтуються в напрямі зовнішнього магнітного поля.

Отже, парамагнетики намагнічуються в напрямі навідного зов­нішнього магнітного поля. Намагнічені парамагнетики підсилюють зовнішнє магнітне поле. Тому парамагнетик втягується в міжполюсний проміжок.

3.3.3. ФЕРОМАГНЕТИКИ ТА ЇХ ВЛАСТИВОСТІ

Феромагнетиками називаються речовини, в яких власне магнітне поле може бути в багато разів (у сотні й тисячі) сильніше, ніж зовнішнє поле, яке зумовило намагнічення. До феромаг­нетиків належать (у кристалічному стані): залізо, нікель, кобальт, гадоліній, їх оксид й сполуки із сіркою. При дуже низьких темпера­турах феромагнітні властивості виявляють також диспрозій і ербій. До феромагнетиків належать сплави з не феромагнітних компонентів на основі марганцю і хрому: МnВі, МnSn, СгРt, СгS та ін.

Феромагнетики, як і парамагнетики, намагнічу­ються в напрямі зовнішнього магнітного поля, але феромагнетики мають свої особливості відмінні від властивостей парамагнетиків.

Рис. 3.7. Залежність від для феромагнетика

1. Намагніченість і індукція й нелінійно залежать від напру­женості зовнішнього магнітного поля. На рис. 4.3.1 дано графічну залежність вектора намагніченості від . У слабких полях круто наростає із збільшенням , а потім сповільнюється і при досягає максимального значення, яке практично залишається не­змінним. У цьому стані, який Столєтов назвав насиченням, усі магнітні моменти атомів упорядковуються в напрямі зовнішнього магнітного поля. Дальше збільшення не зумовлює зростання .

Рис. 3.8. Петля гістерезису

2. Відносна магнітна проникність — не стала величина, вона залежить від . У слабкому магнітному полі швидко зростає, досягаючи максимуму, а потім спадає, наближаючись до одиниці, як для вакууму.

Максимальні значення дуже великі: для заліза - 5000, кремнистого заліза (3,3 % Sі) - 10 000, пермалою - 100 000.

3. Феромагнетики зберігають своє намагнічення після того, як перестає діяти зовнішнє магнітне поле.

Для дослідження цього явища помістимо ненамагнічений феро­магнітний стержень у котушку і збільшуватимемо в ній струм, почи­наючи від нуля. Тоді залежність вектора намагніченості від напруженості магнітного поля виразиться кривою (рис. 4.3.2). При = настає насичення. Якщо тепер зменшувати напруженість магнітного поля від до нуля, то графік вже не піде зво­ротним шляхом, а зобразиться кри­вою, яка лежить вище від первинної кривої. Отже, зменшен­ня не супроводиться відповідним зменшенням , спостерігається від­ставання розмагнічення.

Явище відставання (запізнення) змін намагнічення тіла від змін на­пруженості магнітного поля називається магнітним гістерезисом, а те намагнічення, яке зберігається після зникнення зовнішнього магнітного поля, називається залишко­вим намагніченням. При цьому частина магнітних моментів атомів залишається зорієнтованою в початковому напрямі. Залишкове на­магнічення вимірюється відрізком . Щоб знищити , збільшуватимемо у протилежному напрямі. При залишкове намагнічення зникає. Напруженість поля , при якій знищується залишкове намагні­чення , є мірою стійкості феромагнетика і називається затримую­чою, або коерцитивною силою.

Якщо ще збільшувати у протилежному напрямі, то знову настане насичення: стержень намагнітиться в протилежному до початкового напрямі. Якщо тепер зменшувати до нуля, то залишкове намагнічення стане - . Щоб його знищити, треба збільшувати .

ёКоли змінюється циклічно, крива намагнічення феромагнетика має вигляд замкнутої кривої, яка нази­вається петлею гістерезису.

Намагнічення феромагнетиків залежить від температури. З підви­щенням температури залишкове намагнічення зменшується і при певній температурі, яка називається точкою Кюрі, зникає зовсім. Це пояснюється досить інтенсивним тепловим рухом молекул феромагнетика і дезорієнтацією спінових магнітних моментів. Точка Кюрі для різних феромагнетиків неоднакова: для заліза 1053 К, нікелю 631 К, кобальту 1423 К, пермалою 823 К тощо. З переходом через точку Кюрі феромагнетик поводить себе в зовнішньому магнітному полі як парамагнетик.

При температурах нижчих від точки Кюрі феромагнетик природно розділяється на велику кількість досить малих областей самодовільного (спонтанного) намагнічення. Такі ділянки спонтанного намагнічення всередині феромагнетика називаються доменами. У межах окремих доменів магнітні моменти упорядковані й спрямовані в якомусь одному напрямі. Але домени всередині тіла зорієнтовані безладно, тому, коли зовнішнього магнітного поля немає, векторнасума магнітних моментів доменів дорівнює нулю і тіло в цілому ненамагнічене.

У випадку технічного намагнічування феромагнетика зовнішнє магнітне поле зорієнтовує магнітні моменти не окремих атомів (мо­лекул), як у парамагнетиках, а доменів

Існують речовини, в яких, на відміну від феромагнетиків, магнітні моменти зорієнтовані попарно антипарапельно. Можна ска­зати, що магнітні моменти утворюють ніби дві просторові підрешітки, вставлені одна в одну і намагнічені в протилежних напрямах. Такі речовини, в яких намагнічення обох підрешіток однакове за величиною, називаються антиферомагнетиками. До них належать деякі сполуки марганцю (МnО, МnS), хрому (NiСr, Сr₂О₃), ванадію (VО₂) тощо. Антиферомагнітний стан спостерігається нижче від певної температури, яка називається антиферомагнітною точкою Кюрі.

3.3.4. МАГНІТНІ МАТЕРІАЛИ I ЇХ ЗАСТОСУВАННЯ

Дослідження О.Г. Столєтова дали можливість класифікувати магнітні матеріали на м'які і тверді.

До м'яких магнітних матеріалів належать такі, для яких магнітна проникність велика, а коерцитивна сила мала (петля гістерезису вузька). Такими є чисте залізо, залізокремнієві сплави (трансфор­маторне і динамне залізо), залізонікелеві сплави та ін.

М'які магнітні матеріали використовують в установках із змінни­ми магнітними полями, наприклад у трансформаторах, індукційних котушках. При використанні таких осердь втрати енергії на пере­магнічування їх незначні.

До твердих магнітних матеріалів належать такі, для яких коерци­тивна сила і залишкова індукція великі. Тверді магнітні матеріали використовують для побудови постійних магнітів, які є складовою частиною магнітоелектричних вимірю­вальних приладів, динаміків тощо.

Названі магнітні матеріали мають малий питомий опір, а тому у змінних магнітних полях спричинюють значні втрати енергії на індукційні струми. Щоб запобігти таким втратам, використовують напівпровідникові феромагнетики - ферити. Вони мають дуже великий опір.

Ферити - це тверді розчини оксиду заліза Fе₂О₃ і оксиду одно­валентного або двовалентного металу Ni, Zn, Sі, Сd, Си, Рb та ін. Виготовляють ферити спіканням при температурі 1100—1600 К добре перемішаних порошкоподібних компонент. Особливого значення набули магній-марганцеві ферити з коерцитивною силою 160 000— 240 000 А/м. їх використовують у запам'ятовуючих пристроях ЕВМ.

3.4. ЕЛЕКТРОМАГНІТНА ІНДУКЦІЯ. ЗАКОН ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ ІНДУКЦІЇ

План лекції

3.4.1. Потік магнітної індукції (магнітний потік)

3.4.2.Електромагнітна індукція. Досліди Фарадея

3.4.3. Закон Ленца

3.4.4. Основний закон електромагнітної індукції

3.4.1. ПОТІК МАГНІТНОЇ ІНДУКЦІЇ (МАГНІТНИЙ ПОТІК)

Нехай лінії магнітної індукції пронизують якусь невелику пло­щину dS (рис. 3.9). Можна вважати, що в межах площини dS магнітне поле однорідне. Потоком вектора магнітної індукції, або магнітним потоком, називається скалярна фізична величина:

, (3.23)

де — зовнішня нормаль до площини dS, - проекція вектора напрям нормалі.

Повний потік через поверхню S буде:

. (3.24)

Рис. 3.9. Визначення магнітного потоку

Якщо магнітне поле однорідне, а поверхня плоска і перпендику­лярна до В, то

В= . Тоді:

. (3.25)

Найменування й одиниця Ф у СІ: 1Вб (вебер).

3.4.2. ЕЛЕКТРОМАГНІТНА ІНДУКЦІЯ. ДОСЛІДИ ФАРАДЕЯ

Вивчення магнетизму показало, що магнітне поле є невід'ємною компонентою електричного струму. Керуючись ідеєю про існування взаємозв'язків у явищах природи, М. Фарадей, слідом за відкриттям магнітного поля струму, зафіксував у записній книжці завдання: «Перетворити магнетизм в електрику».

М. Фарадей помітив, що коли замкнути струм в одній котушці, то в другій, сусідній з нею, котушці, замкнутій на гальванометр, виникає корот­кочасний струм. На різних дослідах М. Фарадей показав, що при всяких змінах магнітного поля в області, обмеженій контуром провідника, в останньому виникає електрорушійна сила індукції. Це явище Фарадей назвав електромагнітною індукцією, а наведений струм - індукційним.

Рис. 3.10. Досліди М.Фарадея з котушками

Досліди Фарадея проводять так: беруть котушку К₁ із струмом І₁, і котушку К₂ без струму. Кінці котушки К₂ приєднують до гальвано­метра (рис. 3.10). Індукційний струм І₂ виникає в тих випадках, коли: 1) котушки деформують або переміщують одну відносно одної; 2) коло К₁ замикають або розмикають; 3) змінюють реостатом R струм І_1. У першому випадку механічна енергія перетворюється на електричну. У другому й третьому випадках електричну енергію переносить з першого контура в другий магнітне поле струму І_1.

Рис. 3.11. Досліди М.Фарадея з постійним магнітом

В явищі електромагнітної індукції істотне значення має не зміна сили навідного струму І₁, а зміна його магнітного поля. Щоб переконатися в цьому, замість котушки К₁ беруть постійний магніт (рис. 3.11). Індукційний струм виникає у випадках відносного переміщення пос­тійного магніту й котушки.

Усі попередні досліди показують, що ЕРС електромагнітної ін­дукції виникає завжди тоді, коли змінюється потік ліній магнітної індукції Ф через площу, обмежену контуром К₂ (рис. 3.11), неза­лежно від того, чим зумовлена ця зміна потоку індукції.

ЗАКОН ЛЕНЦА

У різних дослідах з електромагнітної індукції напрям індукційного струму неоднаковий. Цю закономірність пояснив Е.Х. Ленц, керуючись ідеєю збереження матерії та руху.

Закон Ленца стверджує: напрям індукційного струму завжди такий, що його власне магнітне поле протидіє тій зміні магнітного потоку, в результаті якої він сам виникає.

Закон Ленца розкриває взаємозв'язок між індукційним струмом І_і, зумовленим ним магнітним потоком Ф_і, і зміною Ф магнітного потоку деякого зовнішнього поля. В мнемонічній формі це відобра­жено на рис. 4.4.4. Стрілка на рисунку показує, що зміна Ф магнітного потоку передусім спричиняє появу індукційного струму І_і, струм супроводиться виникненням магнітного потоку Ф_і (що протидіє зміні Ф магнітного потоку зовнішнього поля).

Рис. 3.12. Закон Ленца

Закон Ленца визначає протидію, в процесі долання якої енергія з одного виду перетворюється в інший, і збереження руху. Пояснимо це на таких прикладах. Якщо полюс N постійного магніту наближати до замкнутої котушки, то магніт і котушка відштовхуються (рис. 3.11). Це пояснюється тим, що на ближчому кінці котушки виникає однойменний полюс магнітного поля індукованого струму. З віддаленням магніту від котушки між ними спостерігається притягання (рис. 3.12). В обох випадках зміна навідного потоку Ф₁ через витки котушки компенсується зміною наведеного магнітного потоку Ф₂ протилежного напряму. До такого самого висновку прийдемо, якщо

переміщуватимемо відносно котушки полюс S постійногомагніту або замінимо постійний магніт котушкою із струмом.

Електромагнітна iндукція дає можливість перетворювати інші форми енергії в електричну енергію. На цьому явищі базується вся сучасна електро- і радіотехніка.

3.4.4. ОСНОВНИЙ ЗАКОН ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ ІНДУКЦІЇ

Закон, що визначає електрорушійну силу індукції, був експери­ментальне встановлений Фарадеєм і названий його іменем. Гельмгольц показав, що електродинамічний закон Фарадея можна встановити, керуючись ідеєю збереження енергії. Візьмемо плоский струмопровідний контур з рухомою ділянкою l в площині, перпендикулярній до вектора магнітного поля (рис. 3.13).

Рис. 3.13. Дослід М.Фарадея, що встановлює закон електромагнітної індукції

Нехай під дією зовніш­ньої сили рухома ділянка контура поступально переміщується з поло­ження L₁ в L₂, проходячи за час dt відстань dх, не порушуючи струмопровідності контура. Оскільки про­відник рухається зліва направо, в контурі виникне індукційний струм у напрямі руху стрілки годинника (при такому напрямі струму його поле дещо компенсує зменшення потоку магнітної індукції через площу, обмежену провідним конту­ром). Цей струм може бути використаний для виконання певної роботи.

Якщо за час dt руху ділянки l виникає ЕРС індукції і в контурі проходить струм І, то виконувана робота струму дорівнюватиме:

. (3.26)

Одночасно з появою в контурі індукційного струму І на ділянку l діятиме сила Ампера , напрямлена проти руху, і, щоб подолати її, треба виконати механічну роботу:

. (3.27)

На основі закону збереження енергії можна стверджувати, що затрачувана робота (3.26) на подолання сил магнітного поля при перемі­щенні провідника l дорівнює роботі, яка може виконуватися індук­ційним струмом (3.27):

, (3.28)

звідки:

, (3.29)

тобто величина ЕРС індукції залежить не просто від зміни магнітного потоку через площу, обмежену контуром, а від швидкості зміни магнітного потоку через цю площу. Знак мінус у (3.) математично відображує зміст закону Ленца.

Від зміни магнітного поля в просторі індукційний струм виникатиме не тільки в лінійному струмопровідному контурі, що його оточує, а й у розміщеному тут масивному струмопровідному тілі. Завдя­ки малому електричному опору таких тіл індукційні струми в них можуть досягати значної густини; їх напрями визначають­ся за законом Ленца. Вихрові індукційні струми в масивних тілах називаються струмами Фуко. Зав­дяки цим струмам у тілах виділяється значна кількість теплоти. Для зменшення втрат на нагрівання вихровими струмами якорі динамомашин і сердечники трансформаторів виготовляють не з суцільного заліза, а з тонких пластин або тонких дротин, покритих непровідним лаком. Площини пластин або дротини розміщують перпендикулярно до можливих напрямів струмів Фуко.

Теплову дію струмів Фуко використовують для плавлення металів, нагрівання і поверхневого гартування стальних виробів, а гальмівну - в конструкціях магнітних демпферів - заспокоювачів рухомих стрілок у гальванометрах, сейсмографах та інших приладах.

3.5. САМОІНДУКЦІЯ. ВЗАЄМНА ІНДУКЦІЯ. ЕНЕРГІЯ МАГНІТНОГО ПОЛЯ СТРУМУ

План лекції

3.5.1. Явище самоіндукції. Індуктивність контуру

3.5.2. Явище взаємної індукції

3.5.3. Енергія магнітного поля струму

3.5.1. ЯВИЩЕ САМОІНДУКЦІЇ. ІНДУКТИВНІСТЬ КОНТУРУ

Розглянемо котушку, приєднану до джерела струму. У цьому випадку всередині й навколо котушки існуватиме власний магнітний потік. Якщо цей магнітний потік змінюватиметься, наприклад, в результаті внесення в котушку залізного осердя, зміни величини струму в колі або розмикання і замикання електричного кола, відповідно до закону електромагнітної індукції в котушці виникатиме ЕРС індукції, додаткова до ЕРС джерела.

Явище виникнення в котушці ЕРС індукції внаслідок зміни власного магнітного потоку називається самоіндукцією.

Для кількісної оцінки самоіндукції провідника введено фізичну величину, яка називається індуктивністю (позначається L). Фізична суть цієї величини стає очевидною з таких міркувань. Для заданого контуру потік магнітної індукції пропорційний вектору індукції: Ф ~ В. В свою чергу, згідно з законом Біо - Савара - Лапласа, модуль вектора індукції пропорційний силі струму в контурі В ~ І.

Отже, магнітний потік, обмежений контуром, пропорційний силі струму в контурі, тобто:

, (3.30)

де L - коефіцієнт пропорційності, який виражає індуктивність даного контуру.

Як бачимо, індуктивність контуру - це фізична величина, яка вимірюється магнітним потоком через площу, обмежену контуром, якщо в цьому контурі проходить одиничний струм і немає інших джерел магнітного поля. Якщо форма контуру незмінна і сере­довища не змінюється, то L = соnst. Тоді величина ЕРС самоіндукції:

. (3.31)

З формули (3.) видно, що індуктивність контуру вимірюється величиною ЕРС, яка інду­кується в цьому контурі, якщо сила струму в ньому змінюється на одиницю за одну секунду. Одиниця індуктивності в СІ називається генрі (Гн).

Індуктивність контуру залежить від його форми, розмірів, магнітної проникності середовища і не залежить від хімічного складу про­відника. У цьому розумінні індуктивність аналогічна електроємності.

Характерним прикладом самоіндукції може бути виникнення екстраструму замикання і розмикання.

Коли коло замикається, виникає струм, а одночасно з ним зростає магнітний потік; останній збуджує в контурі екстраструм замикання. За законом Ленца, екстраструм замикання напрямлений проти стру­му джерела. Через якийсь час магнітне поле стабілізується і струм встановлюється відповідно до закону Ома.

Залежність зміни струму замикання від часу:

. (3.32)

З виразу (3.) випливає, що при вмиканні джерела струм у колі не відразу, а поступово досягає значення І₀ і тим повільніше, чим більший коефіцієнт самоіндукції контуру L і чим менший опір контуру R (рис. 3.14).

Рис. 3.14. Струм замикання

З енергетичного погляду повільне наростання струму пояснюється тим, що енергія джерела струму при замиканні спочатку перерозпо­діляється між струмом і магнітним полем.

Прояв екстраструму замикання можна спостерігати на досліді О.С. Попова (рис. 3.15).

Рис. 3.15. Дослід О.С.Попова зі струмом замикання

У паралельних ділянках кола за допомогою змінного опору добирають режим однакового розжарення ламп. Але після замикання кола лампа Л1 розжарюється значно пізніше порів­няно з лампою Л2.

Рис. 3.16. Струм розмикання

Після розмикання кола струм спадає до нуля, але одночасно з ним зменшується магнітний потік; останній збуджує в контурі екстра­струм розмикання. За законом Ленца, екстраструм розмикання за напрямом збігається з струмом джерела, тому струм у колі спадає поступово (рис. 3.16) за експоненціальним законом:

. (3.33)

Оскільки час розмикання кола малий, то екстраструм розмикання може збільшитись і пошкодити обмотки приладу, спричинити потуж­ну електричну іскру на рубильнику. Щоб запобігти цій шкідливій дії екстраструму розмикання, струм перед розмиканням поступово змен­шують, рубильники занурюють у тех­нічне масло тощо.

Рис. 3.17. Дослід О.С.Попова зі струмом розмикання

Прояв екстраструму розмикання можна спостерігати на досліді О.С. По­пова (рис. 3.17). У паралельні ділянки кола вмикають котушку з великою ін­дуктивністю L і лампочку Л, слабке розжарювання якої встановлюють за допомогою реостата R. При розмиканні кола лампочка розжарювання яскраво спалахує і може перегоріти. На котушці виникає ЕРС самоіндукції, яка в замк­неному колі через лампочку утворює струм I^´, значно більший, ніж струм від джерела.

3.5.2. ЯВИЩЕ ВЗАЄМНОЇ ІНДУКЦІЇ

Це явище згадувалось під час розгляду дослідів Фарадея. Воно полягає в тому, що при зміні сили струму в одному контурі його змінне магнітне поле збуджує індукційний струм у іншому сусідньому контурі.

Рис. 3.18. Взаємна індукція

Нехай маємо два контури К₁ і К₂(рис. 3.18). Якщо в першому контурі буде струм І₁, то магнітний потік, який пронизуватиме другий контур, дорівнюватиме:

, (3.34)

де М₂₁ - коефіцієнт взаємної індукції другого контуру відносно першого.

Якби, навпаки, струм був у дру­гому контурі І₂, то магнітний потік, який пронизував би перший контур, дорівнював би:

, (3.35)

де М₂₁ - коефіцієнт взаємної індукцїї першого контуру відносно другого.

Коефіцієнти взаємної індукції контурів однакові:

М₁₂=М₂₁=М (3.36)

Величина коефіцієнта взаємної індукції залежить від геометричної форми і розмірів контурів, а також від їх взаємного розміщення і середовища, в якому вони перебувають. При наявності феромагнетика коефіцієнт взаємної індукції залежатиме від сили струмів у контурах.

Коефіцієнт взаємної індукції двох контурів М чисельно дорівнює спільному потоку магнітної індукції, утвореному одиничним струмом в одному з контурів.

Якби в контурі К₁, струм І₁, змінювався, то в контурі К₂ виникала б ЕРС індукції:

. (3.37)

Отже, коефіцієнт взаємної індукції двох контурів чисельно до­рівнює величині ЕРС індукції, яка виникає в одному з контурів, коли в другому контурі сила струму змінюється на одиницю за одиницю часу.

Явище взаємоіндукції має місце в трансформаторах.

3.5.3. ЕНЕРГІЯ МАГНІТНОГО ПОЛЯ СТРУМУ.

Магнітне поле, зв'язане з електричним струмом, характеризується певною енергією, наочно проявляється в дії екстраструму розми­кання, оскільки зовнішнє джерело струму вимкнуте. Енергія магнітного поля струму:

. (3.38)

Порівнюючи (3.38) з формулою кінетичної енергії, можемо зробити висновок, що індуктивність в електромагнітних явищах відіграє таку роль, як маса в механічних явищах, і є мірою інертності електричного кола. Справді, екстраструм замикання стримує наростання основного струму, а екстраструм розмикання підтримує його. Індуктивність контуру - фізична величина, яка вимірю­ється подвоєною енергією магнітного поля, сформованого одинич­ним струмом у цьому контурі.

Знаючи енергію магнітного поля, можна за теорією відносності знайти відповідну масу поля:

. (3.39)

Отже, як електричне, так і магнітне поля мають не тільки енергію, а й масу. Ці поля так само матеріальні, як і речовини.

ПИТАННЯ ДЛЯ САМОСТІЙНОГО ОПРАЦЮВАННЯ

1. Магнітна взаємодія як релятивістський ефект

2. Контур із струмом в магнітному полі

3. Магнітне поле контуру зі струмом

4. Робота при переміщенні в магнітному полі

5. Поле соленоїда і тороїда

6. Ідентифікація типу провідності за ефектом Холла

7. Аномальний коефіцієнт Холла

8. Умови на межі двох магнетиків

9. Магнітомеханічні явища

10. Досліди Штерна і Герлоха

11. Квантова теорія магнетизму

12. Методи вимірювання магнітної індукції

13. Взаємозв’язок електричного і магнітного поля

14. Обчислення роботи перемагнічування феромагнетика

15. Датчики Холла

ПИТАННЯ ДЛЯ САМОПЕРЕВІРКИ ЗНАНЬ

1. Що таке магнітне поле? Як його виявити?

2. Яка силова характеристика магнітного поля?

3. Що приймають за напрям вектора магнітної індукції?

4. Що таке лінії магнітної індукції? Яка їх особливість?

5. Сформулювати правило свердлика

6. Що таке сила Ампера (записати формулу і дати визначення)?

7. Сформулювати закон Ампера

8. Сформулювати правило лівої руки

9. Записати закон Біо – Савара- Лапласа

10. Що таке напруженість магнітного поля (записати формулу і дати визначення)?

11. Що таке один ампер?

12. За якою формулою обчислюють силу взаємодії двох прямих паралельних провідників зі струмом?

13. Що таке сила Лоренца (записати формулу і дати визначення)?

14. Сформулювати правило лівої руки для сили Лоренца

15. Описати рух електрона в однорідному магнітному полі за різних умов

16. Що таке ефект Холла?

17. Що таке намагнічування?

18. Що таке намагніченість?

19

Дата добавления: 2015-10-26