Электронный механизм ЭДС индукции

Ферромагнетики

Ферромагнетики– вещества, у которых внутреннее магнитное поле в сотни и тысячи раз превышает вызвавшее его внешнее магнитное поле.

Ферромагнетики обладают намагниченностью в отсутствии магнитного поля. Ферромагнетизм наблюдается у кристаллов переходных металлов Fe, Co, Ni и у ряда сплавов. Ферромагнетизм результат действия обменных сил

А > 0 - условие ферромагнетизма.

Ферромагнитные свойства наблюдается у веществ при температурах меньших так называемой температуры Кюри - Т_К. При Т > Т_К ферромагнетик переходит в парамагнитное состояние. При температурах ниже точки Кюри ферромагнетик разбивается на малые области однородной самопроизвольной (спонтанной) намагниченности -домены. Линейные размеры доменов: 10^-5 -10^-4 м. Внутри каждого домена вещество намагничено до насыщения. В отсутствии магнитного пола магнитные моменты доменов ориентированы в пространстве так, что результирующий магнитный момент всего ферромагнетика равен нулю. При наложении магнитного поля ферромагнетик намагничивается, т.е. приобретает отличный от нуля магнитный момент. С увеличением поля намагниченность растет сначала медленно (участок аб на рис.), затем намагниченность увеличивается в десятки раз (участок бв). Далее рост намагниченности снова замедляется (вг). Такое поведение намагниченности связано с тем, что действие поля на домены на разных стадиях процесса намагничивания - различно. В точке 0, когда ферромагнетик размагничен, площади доменов 1,3,5..., магнитные моменты которых составляют острый угол с направлением , равны площадям доменов 2,4,6..., у которых угол между направлением магнитного момента и внешнего поля - тупой. При увеличении внешнего магнитного поля вначале наблюдается увеличение площади доменов 1,3,5 за счет уменьшения площади доменов 2,4,8. В ферромагнетике появляется магнитный момент, направление которого совпадает с направлением магнитного момента доменов 1,3,5, С увеличением намагничивающего поля этот процесс идет до тех пор, пока домены с острыми углами к полю (которые обладают в магнитном поле меньшей энергией) не поглотят целиком энергетически менее выгодные домены 2,4,8 - участок аб на рисунке. Около точки б происходит сливание сонаправленных доменов, и ферромагнетик переходит в монодоменное состояние. При дальнейшем увеличении внешнего поля магнитный момент ферромагнетика поворачивается в направлении внешнего поля (парамагнитный эффект) до тех пор, пока не совпадут направление ферромагнетика и (до точки в на рис.). Участок вг на рис. соответствует насыщению ферромагнетика, когда увеличение поля приводит к очень малому увеличение магнитного момента ферромагнетика за счет тех магнитных моментов, которые вследствие теплового движения и других причин случайно были ориентированы против поля. Магнитный гистерезис - заключается в том, что намагничивание и размагничивание ферромагнетика описывается разными кривыми (намагниченность отстает в своем уменьшении от поля). При уменьшении внешнего поля от В_нас. до 0 намагниченность изменяется не по кривой - оабвг -основной кривой намагничивания, а в соответствии с кривой гд. При уменьшении внешнего поля до нуля ферромагнетик обладает намагниченностью, которая называется остаточной (точка д).

На участке гд происходит сначала переориентация магнитного момента, разбиение ферромагнетика на домены, увеличение площади доменов 2,4,6 и уменьшение площади доменов 1,3,5 за счет теплового движения. При приложении противоположно направленного поля, т.е. на участке де происходит дальнейший рост площадей "четных" доменов, магнитные моменты которых теперь составляют острый угол с полем, за счет уменьшения площадей "нечетных" доменов. В точке е площади " четных” доменов равны площадям "нечетных", суммарный магнитный момент ферромагнетика равен нулю.

Поле В_К, размагничивающее ферромагнетик, называется коэрцитивной силой. При изменении магнитного ноля от В_К до –В_К и обратно, кривая, характеризующая намагниченность, образует замкнутую петлю - петлю гистерезиса. Материалы с большой коэрцитивной силой называются магнитожесткими, а с малой - магнитомягкими. Магнитомягкие материалы применяются для изготовления сердечников электромагнитов (где важно иметь большие значения максимальной индукции поля и малую коэрцитивную силу), в качестве сердечников трансформаторов и машин переменного тока (генераторов, двигателей), в сердечниках магнитов ускорителей. Магнитожесткие материалы используются в постоянных магнитах: благодаря большой коэрцитивной силе и относительно большой остаточной намагниченности эти магниты могут длительное время создавать сильные магнитные поля. Постоянные магниты применяются в магнитоэлектрических измерительных приборах, в динамиках, микрофонах, в небольших генераторах, в микроэлектродвигателях и т.д.

Антиферромагнетики - каждый магнитный момент окружен антипараллельным магнитным моментом. Спонтанная намагниченность не возникает, т.к. магнитные моменты атомов взаимно скомпенсированы. Отсутствие полной компенсации магнитных моментов подрешеток приводит к тому, что в антиферромагнетике возникает некоторая результирующая, отличная от нуля, спонтанная намагниченность.

Такие материалы как бы объединяют в себе свойства ферро- и антиферромагнетиков. Их называют ферримагнетиками или ферритами.

N4

Электромагнитная индукция

Явление электромагнитной индукциисостоит в том, что любое изменение магнитного потока Ф, пронизывающего замкнутый контур, вызывает появление индукционного тока в контуре.

Закон Фарадея-Ленца утверждает, что
ЭДС индукции равна скорости изменения магнитного потока, взятой с обратным знаком.

Согласно правилу Ленца:

индукционный ток имеет такое направление, чтобы создаваемое им магнитное поле препятствовало изменению магнитного потока.

Электронный механизм ЭДС индукции

На рисунке изображена рамка с подвижной стороной. Магнитное поле направлено от нас.
Тянем подвижную сторону со скоростью . На заряд +q действует сила Лоренца

,

перемещающая заряд на расстояние l и совершающая работу:

.

ЭДС ε :

.

Найдем e по закону Фарадея:

.

Подвижная сторона рамки "заметает" за время dt площадь dS = lvdt, тогда

.

Результат тот же, значит:

Электронный механизм возникновения ЭДС индукции - это работа компоненты силы Лоренца.

Вихревое электрическое поле

Перейдем в систему отсчета, связанную с подвижной стороной рамки.

В этой системе отсчета v = 0, , но магнитное поле движется со скоростью .
Так как заряд q неподвижен и на неподвижный заряд q действует сила величиной , значит, эта сила действует со стороны ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ напряженностью:

.

Источником этого электрического поля является не заряд, как в статическом случае, а движущееся магнитное поле. Такое электрическое поле называют вихревым, т. к. его линии напряженности замкнуты. Работа вихревого поля по перемещению заряда по замкнутому контуру не равна нулю (в отличии от электростатического поля).

N5

Взаимоиндукция (взаимная индукция) — возникновение электродвижущей силы (ЭДС индукции) в одном проводнике вследствие изменения силы тока в другом проводнике или вследствие изменения взаимного расположения проводников. Взаимоиндукция — частный случай более общего явления — электромагнитной индукции. При изменении тока в одном из проводников или при изменении взаимного расположения проводников происходит изменение магнитного потока через (воображаемую) поверхность, "натянутую" на контур второго, созданного магнитным полем, порожденным током в первом проводнике, что по закону электромагнитной индукции вызывает возникновение ЭДС во втором проводнике. Если второй проводник замкнут, то под действием ЭДС взаимоиндукции в нём образуется индуцированный ток. И наоборот, изменение тока во второй цепи вызовет появление ЭДС в первой. Направление тока, возникшего при взаимоиндукции, определяется по правилу Ленца. Правило указывает на то, что изменение тока в одной цепи (катушке) встречает противодействие со стороны другой цепи (катушки).

Чем большая часть магнитного поля первой цепи пронизывает вторую цепь, тем сильнее взаимоиндукция между цепями. С количественной стороны явление взаимоиндукции характеризуется взаимной индуктивностью (коэффициентом взаимоиндукции, коэффициентом связи). Для изменения величины индуктивной связи между цепями, катушки делают подвижными. Приборы, служащие для изменения взаимоиндукции между цепями, называются вариометрами связи.

Явление взаимоиндукции широко используется для передачи энергии из одной электрической цепи в другую, для преобразования напряжения с помощью трансформатора.

Пусть мы имеем два проводника I и II (рис. 105) или две катушки, или два контура. Ток в первом проводнике i₁ со­здается источником напряжения (на чертеже не показан). Ток i₁ образует магнитный поток Ф1, одна часть которого Ф12 пере­секает второй проводник, а другая часть Ф11 замыкается по­мимо второго проводника:

Трансформатором называется аппарат, преобразую­щий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения, но той же частоты (рис. 108).

Устройство трансформатора следующее. На сердечнике, собран­ном из пластин электротехнической стали, намотаны две обмотки/ Обмотка, к которой подводится напряжение, называется пер­вичной. Ток, проходя по первичной обмотке, создает магнитное поле, линии которого замыкаются по сердечнику. Обмотка, в кото­рой будет наводиться э. д. с. взаимоиндукции, используемая далее во внешней цепи, называется вторичной обмоткой.

Если первичную обмотку трансформатора питать переменным током, т. е. током» изменяющимся по величине и направлению, то во вторичной обмотке будет индуктироваться переменная э. д. с. Если ко вторичной обмотке подключить нагрузку (лампы нака­ливания, двигатели), то во вторичной цепи будет протекать пере­менный ток.

Отсюда видно, что работа трансформатора основана на использовании явления взаимоиндукции

N6

Волны де Бройля

Во́лны де Бро́йля — волны, связанные с любыми микрочастицами и отражающие их волновую природу.

В 1924 году[1] французский физик Луи де Бройль высказал гипотезу о том, что установленный ранее[1] для фотонов корпускулярно-волновой дуализм присущ всем частицам — электронам, протонам, атомам и так далее, причём количественные соотношения между волновыми и корпускулярными свойствами частиц те же, что и для фотонов. Таким образом, если частица имеет энергию E и импульс, абсолютное значение которого равно p, то с ней связана волна, частота которой \nu = E/h и длина волны \lambda = h/p, где h — постоянная Планка.[1] Эти волны и получили название волн де Бройля.

Для частиц не очень высокой энергии, движущихся со скоростью ~v\ll c (скорости света), импульс равен ~p=mv (где ~m — масса частицы), и ~\lambda = \frac{h}{p} = \frac{h}{mv}. Следовательно, длина волны де Бройля тем меньше, чем больше масса частицы и её скорость. Например, частице с массой в 1 кг, движущейся со скоростью 1 м/с, соответствует волна де Бройля с \lambda\approx 6{,}626\cdot 10^{-34} м, что лежит далеко за пределами доступной наблюдению области. Поэтому волновые свойства несущественны в механике макроскопических тел. Для электронов же с энергиями от 1 эВ до 10 000 эВ длина волны де Бройля лежит в пределах от ~ 1 нм до 10−2 нм, то есть в интервале длин волн рентгеновского излучения. Поэтому волновые свойства электронов должны проявляться, например, при их рассеянии на тех же кристаллах, на которых наблюдается дифракция рентгеновских лучей.[1]

Первое подтверждение гипотезы де Бройля было получено в 1927 году в опытах американских физиков К. Дэвиссона и Л. Джермера. Пучок электронов ускорялся в электрическом поле с разностью потенциалов 100—150 В (энергия таких электронов 100—150 эВ, что соответствует \lambda\approx 0{,}1 нм) и падал на кристалл никеля, играющий роль пространственной дифракционной решётки. Было установлено, что электроны дифрагируют на кристалле, причём именно так, как должно быть для волн, длина которых определяется соотношением де Бройля.[1]

Подтвержденная на опыте идея де Бройля о двойственной природе микрочастиц — корпускулярно-волновом дуализме — принципиально изменила представления об облике микромира. Поскольку всем микрообъектам (за ними сохраняется термин «частица») присущи и корпускулярные, и волновые свойства, то, очевидно, любую из этих «частиц» нельзя считать ни частицей, ни волной в классическом понимании. Возникла потребность в такой теории, в которой волновые и корпускулярные свойства материи выступали бы не как исключающие, а как взаимно дополняющие друг друга. В основу такой теории — волновой, или квантовой механики — и легла концепция де Бройля. Это отражается даже в названии «волновая функция» для величины, описывающей в этой теории состояние системы. Квадрат модуля волновой функции определяет вероятность состояния системы, и поэтому о волнах де Бройля часто говорят[3] как о волнах вероятности (точнее, амплитуд вероятности). Для свободной частицы с точно заданным импульсом p (и энергией \mathcal{E}), движущейся вдоль оси x, волновая функция имеет вид[1]:

\psi(x,\;t) \thicksim e^{(i / \hbar)(p x - \mathcal{E} t)},

где ~t — время, ~\hbar=h/2\pi.

В этом случае ~|\psi|^2=\mathrm{const}, то есть вероятность обнаружить частицу в любой точке одинакова.

N7

вынужденные колебания в электрическом контуре

Процессы, возникающие в электрических цепях под действием внешнего периодического источника тока, называются вынужденными колебаниями.

Вынужденные колебания, в отличие от собственных колебаний в электрических цепях, являются незатухающими. Внешний источник периодического воздействия обеспечивает приток энергии к системе и не дает колебаниям затухать, несмотря на наличие неизбежных потерь.

Вынужденные колебания — колебания, происходящие под воздействием внешних периодических сил.

Автоколебания отличаются от вынужденных колебаний тем, что последние вызваны периодическим внешним воздействием и происходят с частотой этого воздействия, в то время как возникновение автоколебаний и их частота определяются внутренними свойствами самой автоколебательной системы.

Наиболее простой и содержательный пример вынужденных колебаний можно получить из рассмотрения гармонического осциллятора и вынуждающей силы, которая изменяется по закону: F(t) = F_0 \cos\left(\Omega t\right). Чтобы в реальной колебательной системе осуществлять незатухающие колебания, надо компенсировать каким-либо потери энергии. Такая компенсация возможна, если использовать какой-либо периодически действующего фактора X(t), который изменяется по гармоническому закону: периодический внешний фактор При рассмотрении механических колебаний, то роль X(t) играет внешняя вынуждающая сила внешняя вынуждающая периодическая сила (1) С учетом (1) закон движения для пружинного маятника (формула (9) предыдущего раздела) запишется как дифференциальное уравнение вынужденных колебаний пружинного маятника Используя формулу для циклической частоты свободных незатухающих колебаний прижинного маятника и (10) предыдущего раздела, получим уравнение дифференциальное уравнение вынужденных колебаний пружинного маятника (2) При рассмотрении электрического колебательный контура роль X(t) играет подводимая к контуру внешняя соответсвующим образом периодически изменяющаяся по гармоническому закону э.д.с. или переменное напряжение внешнее вынуждающее периодическое напряжение (3) Тогда дифференциальное уравнение колебаний заряда Q в простейшем контуре, используя (3), можно записать как дифференциальное уравнение вынужденных колебаний колебательного контура Зная формулу циклической частоты свободных колебаний колебательного контура и формулу предыдущего раздела (11), придем к дифференциальному уравнению дифференциальное уравнение вынужденных колебаний колебательного контура (4) Колебания, которые возникают под действием внешней периодически изменяющейся силы или внешней периодически изменяющейся э.д.с., называются соответственно вынужденными механическими и вынужденными электромагнитными колебаниями.

N8

Давление электромагнитного излучения, давление света — давление, которое оказывает световое (и вообще электромагнитное) излучение, падающее на поверхность тела. Впервые гипотеза о существовании светового давления была высказана И. Кеплером в XVII веке для объяснения поведения хвостов комет при пролете их вблизи Солнца. В 1873 г. Максвелл дал теорию давления света в рамках своей классической электродинамики. Экспериментально световое давление впервые исследовал П. Н. Лебедев в 1899 г. В его опытах в вакуумированном сосуде на тонкой серебряной нити подвешивались крутильные весы, к коромыслам которых были прикреплены тонкие диски из слюды и различных металлов. Главной сложностью было выделить световое давление на фоне радиометрических и конвективных сил (сил, обусловленных разностью температуры окружающего газа с освещённой и неосвещённой стороны). Кроме того поскольку в то время не были разработаны вакуумные насосы, отличные от простых механических, Лебедев не имел возможности проводить свои опыты в условиях даже среднего, по современной классификации, вакуума.Путем попеременного облучения разных сторон крылышек Лебедев нивелировал радиометрические силы и получил удовлетворительное (±20 %) совпадение с теорией Максвелла. Позднее, в 1907—1910 гг. Лебедев провёл более точные опыты по изучению давления света в газах и также получил приемлемое согласие с теорией[1]. Для вычисления давления света при нормальном падении излучения и отсутствии рассеяния можно воспользоваться следующей формулой:

где — интенсивность падающего излучения; — скорость света, — коэффициент пропускания, — коэффициент отражения.

Давление солнечного света на перпендикулярную свету зеркальную поверхность, находящуюся в космосе в районе Земли, легко рассчитать через плотность потока солнечной (электромагнитной) энергии на расстоянии одной астрономической единицы от Солнца (солнечная постоянная). Оно составляет 4,6 мкН/м² = 4,6·10^{−11[источник не указан 1059 дней]} атм (см.солнечная постоянная).

Если свет падает под углом к нормали, то давление можно выразить формулой:

где — объёмная плотность энергии излучения, — коэффициент пропускания, — коэффициент отражения, — единичный вектор в направлении падающего пучка, — единичный вектор в направлении отражённого пучка.

Например, тангенциальная составляющая силы давления света на единичную площадку будет равна:

Нормальная составляющая силы давления света на единичную площадку будет равна:

Отношение нормальной и тангенциальной составляющих равно:

При рассеянии[править | править исходный текст]

Если рассеяние света поверхностью и при пропускании, и при отражении подчиняется закону Ламберта, то при нормальном падении давление будет равно:

где — интенсивность падающего излучения, — коэффициент диффузного пропускания, — альбедо.

Квант света, то есть фотон, имеет импульс, зависящий от частоты как
p = hν/c = h/λ
Вследствие закона сохранения импульса при поглощении света этот импульс каждый фотон передаёт мишени, а при отражении и рассеянии(упругом) - даже удвоенный импульс....

N9

Деле́ние ядра́ — процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. В результате деления могут возникать и другие продукты реакции: лёгкие ядра (в основном альфа-частицы), нейтроны и гамма-кванты. Деление бывает спонтанным (самопроизвольным) и вынужденным (в результате взаимодействия с другими частицами, прежде всего, с нейтронами). Деление тяжёлых ядер — экзотермический процесс, в результате которого высвобождается большое количество энергии в виде кинетической энергии продуктов реакции, а также излучения. Деление ядер служит источником энергии в ядерных реакторах и ядерном оружииЦепна́я я́дерная реа́кция — последовательность единичных ядерных реакций, каждая из которых вызывается частицей, появившейся как продукт реакции на предыдущем шаге последовательности. Примером цепной ядерной реакции является цепная реакция деления ядер тяжёлых элементов, при которой основное число актов деления инициируется нейтронами, полученными при делении ядер в предыдущем поколении.

Коэффициент размножения нейтронов k — отношение числа нейтронов последующего поколения к числу в предшествующем поколении во всём объеме размножающей нейтроны среды (активной зоны ядерного реактора). В общем случае, этот коэффициент может быть найден с помощью формулы четырёх сомножителей:

k0=μϕθη,

где

k0 — коэффициент размножения в бесконечной среде;

μ — Коэффициент размножения на быстрых нейтронах;

φ — Вероятность избежать резонансного захвата;

θ — Коэффициент использования тепловых нейтронов;

η — Выход нейтронов на одно поглощение.

N10

Закон Био́—Савара—Лапла́са — физический закон для определения вектора индукции магнитного поля, порождаемого постоянным электрическим током. Был установлен экспериментально в 1820 году Био и Саваром и сформулирован в общем виде Лапласом. Лаплас показал также, что с помощью этого закона можно вычислить магнитное поле движущегося точечного заряда (считая движение одной заряженной частицы током).Закон Био—Савара—Лапласа играет в магнитостатике ту же роль, что и закон Кулона в электростатике. Закон Био—Савара—Лапласа можно считать главным законом магнитостатики, получая из него остальные ее результаты.В современной формулировке закон Био—Савара—Лапласа чаще рассматривают как следствие двух уравнений Максвелла для магнитного поля при условии постоянства электрического поля, т.е. в современной формулировке уравнения Максвелла выступают как более фундаментальные (прежде всего хотя бы потому, что формулу Био—Савара—Лапласа нельзя просто обобщить на общий случай полей, зависящих от времени).

Закон Био — Савара — Лапласа для проводника с током I, элемент dl которого создает в некоторой точке А (рис. 164) индукцию поля dB, записывается в виде

(110.1)

где dl — вектор, по модулю равный длине dl элемента проводника и совпадающий по направлению с током, r—радиус-вектор, проведанный из элемента dlпроводника в точку А поля, r — модуль радиуса-вектора r. Направление dB перпендикулярно dl и r, т. е. перпендикулярно плоскости, в которой они лежат, и совпадает с касательной к линии магнитной индукции. Это направление может быть найдено по правилу нахождения линий магнитной индукции (правилу правого винта): направление вращения головки винта дает направление dB, если поступательное движение винта соответствует направлению тока в элементе.

Модуль вектора dB определяется выражением

(110.2)

где a — угол между векторами dl и r.

Для магнитного поля, как и для электрического, справедлив принцип суперпозиции: магнитная индукция результирующего поля, создаваемого несколькими токами или движущимися зарядами, равна векторной сумме магнитных индукций складываемых полей, создаваемых каждым током или движущимся зарядом в отдельности:

N11