Încărcarea specifică a unui electron este raportul dintre sarcina electronică e și masa m.
Într-un câmp magnetic, a cărui inducție, prin sarcina Q, se deplasează cu viteză. Forța Lorentz acționează:
.
Direcția forței Lorentz coincide cu direcția vectorului. dacă sarcina Q este pozitivă și opusă acesteia, dacă Q este negativă (a se vedea figura 1).
Forța Lorentz este întotdeauna direcționată perpendicular pe viteza particulei încărcate (unghiul dintre ele este egal) și, prin urmare, nu efectuează lucrări asupra particulelor. Într-adevăr, prin definiție, postul A este egal cu:
Prin urmare, acționând asupra unei particule încărcate cu un câmp magnetic constant, este imposibil să-i schimbi energia, numai traiectoria unei particule poate fi schimbată. Această circumstanță este utilizată pentru măsurarea prin metoda magnetron, prin devirarea fasciculului de electroni în câmpul magnetic al pământului și prin alte metode similare.
Magnetron - o lampă electronică în care electronii se mișcă în trecerea câmpurilor electrice și magnetice permanente.
Un tub de electroni cu catod coaxial și un anod este plasat în câmpul magnetic al solenoidului astfel încât axa sa de simetrie să coincidă cu axa solenoidului.
Electronii emise de pe suprafața catodului se deplasează la anod sub acțiunea unui câmp electric și dobândesc energie cinetică
,
unde este viteza electronului, iar UA este diferența de potențial dintre catod și anod.
Curentul DC I, care curge prin solenoid, creează un câmp magnetic
unde n este numărul de rotații pe unitatea de lungime a solenoidului (N este numărul de rotații, l este lungimea solenoidului), m este permeabilitatea magnetică relativă a mediului în care este plasat solenoidul,
m0 = 4p × 10 -7 HN / m. Vectorul de inducție este direcționat de-a lungul axei de simetrie a solenoidului. Pentru vidul m = 1. B = B0:
Forța Lorentz, care acționează de la câmpul magnetic la electroni, joacă rolul unei forțe centripetale. Prin urmare, electronii a căror viteză este perpendiculară pe vector. se deplasează de-a lungul unui cerc de rază r:
Traiectoriile electronice în câmpuri magnetice slabe încep de la catod și se termină la anodul lămpii (vezi figura 2). Cu creșterea curentului I în solenoid și, prin urmare, cu creșterea vectorului de inducție, raza r a cercului scade atât de mult încât electronii opresc atingerea anodului, iar curentul anodic din lampă se oprește (a se vedea figura 3).
Încărcarea specifică a electronului se regăsește excluzând din (1) și (3) viteza și exprimând raza r a orbitei electronice prin a și b sunt razele catodului și, respectiv, anodul:
Inducerea B0 a câmpului magnetic în solenoid este determinată de formula (3), introducând o corecție pentru dimensiunile finite ale solenoidului
unde I0 este curentul în solenoid, la care dispare curentul anodic și R este raza solenoidului.
Ordinea de executare a muncii
1. Tensiunea constantă de anodă UA este setată în circuitul anodic. indicată de către profesor. Astfel, se creează condiții pentru curentul anodic IA (monitorizat cu un milliametru). Valoarea UA este înregistrată.
2. Prin schimbarea rezistenței în circuitul solenoid cu ajutorul reostatului, se înregistrează dependența IA de I în solenoid. Graficul IA = f (I) este reprezentat grafic și curentul I0 din solenoid este găsit prin metoda extrapolării, la care IA = 0.
3. Folosind formula (6), calculați B0. și apoi cu formula (5), găsiți. Rezultatul este reprezentat ca
.
1. Care este scopul lucrării?
2. Ce forțe acționează asupra unei particule încărcate în câmpurile electrice și magnetice? Care dintre aceste forțe fac lucrul asupra particulei? Cum pot calcula acest lucru?
3. Ce determină inducerea câmpului magnetic în solenoid?
4. Când este curentul în circuitul anod al tubului de electroni constant?
5. În ce moment dispare curentul anodic?
Lucrări de laborator № 72
Determinarea punctului Curie
Orice substanță este un magnet, adică este capabil să obțină un moment magnetic (magnetizare) sub acțiunea unui câmp magnetic. Pentru descrierea cantitativă a magnetizării magneților se introduce o cantitate vector-magnetizare. În cazul unui corp omogen magnetizat, magnetizarea este definită ca fiind momentul magnetic pe unitatea de volum a corpului. În cazul unui corp necorespunzător magnetizat, acesta este determinat de următoarea expresie:
unde DV este volumul fizic infinitezimal al materiei în care sunt localizate moleculele N, este momentul magnetic al moleculei i.
Unitatea de magnetizare în SI este A / m.
După cum a demonstrat experiența, în câmpurile magnetice non-puternice, magnetizarea este direct proporțională cu intensitatea câmpului de magnetizare
unde c este o cantitate fără dimensiuni, numită susceptibilitatea magnetică a materiei.
Câmpul magnetic din materie constă din două câmpuri: câmpul extern creat de curent și câmpul creat de substanța magnetizată
.
se numește vectorul de inducție magnetică a câmpului din interiorul magnetului.
Aici m 0 = 4p × 10 -7 Gn / m este constanta magnetica.
Deoarece B0 = m0 H și J = c H, atunci, pe baza (3)
O cantitate fără dimensiuni este numită permeabilitatea magnetică relativă a unei substanțe.
Deci, B = m m0 H = m B0. din care rezultă că permeabilitatea magnetică relativă a mediei m indică de câte ori câmpul magnetic B variază într-un magnet în comparație cu câmpul magnetic B0 într-un vid.
Conform comportamentului în câmpurile magnetice externe, magneții pot fi împărțiți în trei clase:
1. Diamagnetele sunt substanțe în care vectorul este întotdeauna orientat opus vectorului B0. și anume diamagnetele sunt magnetizate împotriva câmpului exterior. Diamagnetele includ multe metale (argint, cupru, aur etc.), majoritatea compușilor organici, rășini etc. În diamagnetică c <0, а m <1. Внутри диамагнетика магнитное поле ослабляется.
2. Paramagnetele sunt substanțe în care vectorul coincide în direcția cu B0, adică paramagnetele sunt magnetizate de-a lungul direcției câmpului exterior. Substanțele paramagnetice includ elemente de pământuri rare, aluminiu, platină etc. În paramagneți, c> 0 și m> 1. În interiorul paramagneților, câmpul magnetic este amplificat.
3. Feromagneții sunt substanțe puternic magnetice. Acestea includ fier, nichel, cobalt, gadoliniu și unele aliaje.
Feromagneții au o dependență complexă neliniară B de B0. adică, m este o funcție a lui B0. Prin urmare, noțiunea de permeabilitate diferențială este introdusă pentru feromagneți. cu m >> 1. De exemplu, pentru fier m = 5000, iar pentru aliajul super-aliaj-800.000.
În feromagneți se observă fenomenul de histereză, care constă în faptul că inducția magnetică B depinde nu numai de valoarea lui B0 la un anumit moment, ci și de ceea ce a fost B0 înainte.
Când un câmp magnetic alternativ acționează asupra unui feromagnet, inducția B se modifică de-a lungul unei curbe închise, numită buclă de histereză (a se vedea figura 1). Dacă valoarea maximă a inducției câmpului extern este astfel încât magnetizarea să atingă saturația, se obține așa-numita buclă de histereză maximă. În bucla maximă, este posibil să se obțină multe alte bucle formate în câmpuri externe, care sunt insuficiente pentru saturație.
Dacă un feromagnet, al cărui moment magnetic a fost inițial zero, este plasat într-un câmp magnetic și dependența lui B de B0 este construită. obținem curba de bază sau zero magnetizare.
Dacă scădem inducerea câmpului extern de la B0 la zero, atunci magnetizarea va scădea de-a lungul curbei a, care se află deasupra curbei oa. La B0 = 0, magnetizarea nu dispare, ci se caracterizează prin inducția magnetică reziduală Vost. Cu prezența magnetizării reziduale, este asociată existența magneților permanenți.
Pentru a demagnetiza eșantionul, este necesar să se schimbe direcția câmpului extern, aducându-i valoarea la o anumită valoare a lui Vok. Această valoare a inducției câmpului extern se numește forță coercitivă.
Valorile Estului. și Wok sunt principalele caracteristici ale unui feromagnet. Un feromagnet cu o forță coercitivă mare (cu o buclă de histerezis larg) se numește rigid. Ferromagneții rigizi, de exemplu, oțelurile de carbon și tungsten, sunt utilizați pentru a face magneți permanenți. Un feromagnet cu o forță coercitivă mică (o buclă de himtereză îngustă) se numește moale. Feromagneții moi, de exemplu, fierul moale, un aliaj de fier-nichel, sunt utilizați pentru fabricarea miezurilor de transformatoare.
Proprietățile feromagnetice ale unei substanțe depind de temperatură. Pentru fiecare feromagnet, există o temperatură definită Tc. numit punctul Curie, la care substanța își pierde proprietățile feromagnetice. Pentru fier, punctul Curie este de 768 ° C, iar pentru anumite aliaje, de exemplu, permalloy (30% Ni și 70% Fe), Tc = 70 ° C.
Trecerea materiei de la starea feromagnetică la cea paramagnetică nu este însoțită de absorbția sau eliberarea căldurii și, prin urmare, se numește tranziție de fază de ordinul doi.
O valoare mare a permeabilității magnetice relative m și a altor caracteristici ale feromagneților poate fi explicată pe baza structurii lor magnetice interne.
Feromagnetul la temperaturi sub punctul Curie reprezintă în raport magnetic un set de domenii macroscopice (10 -6 -10 -5 m) de domenii de magnetizare omogene spontane. Momentele magnetice intrinsece (spin) ale electronilor din interiorul domeniului sunt paralele unul cu altul. Astfel, în fiecare domeniu feromagnetul are un moment magnetic precis. Direcțiile momentelor magnetice ale diferitelor domenii sunt diferite și, prin urmare, în absența unui câmp extern, momentul magnetic total al corpului este zero.
Între domenii există straturi de tranziție, în care magnetizarea schimbă continuu direcția.
Forma curbei de magnetizare și prezența unei buclă de histerezis în feromagneți se datorează schimbărilor în structura domeniului într-un câmp magnetic extern.
Cu o creștere suplimentară a câmpului extern, procesul de absorbție de către unele domenii (energetic mai favorabil) al altora merge mai departe și mai departe de absorbția lor completă. La următoarea etapă începe orientarea momentelor domeniilor în direcția câmpului. În acest caz, momentele magnetice de spin ale electronilor din domeniu se rotesc simultan, fără a încălca paralelismul lor strict. Necesitatea acestor procese este cauza histerezisului.
La punctul Curie, intensitatea mișcării termice a atomilor este suficientă pentru a distruge domeniile, iar feromagnetul devine un paramagnet. Când feromagnetul este răcit sub punctul Curie, domeniile apar din nou în el.
S-a stabilit că numai substanțele cristaline ale căror atomi au carcase electronice neterminate interne cu rotiri necompensate pot avea proprietăți feromagnetice. În astfel de cristale, pot apărea forțe care forțează momentele magnetice ale electronilor să se orienteze paralel unul cu celălalt. Aceste forțe, numite schimburi, sunt de natură cuantică. Ele se datorează proprietăților undelor electronilor.