§ 104. Elektronu darba funkcija, kas atstāj metālu
Pieredze rāda, ka brīvie elektroni parastā temperatūrā praktiski neatstāj metālu. Līdz ar to metāla virsmas slānī ir jābūt aizkavējošam elektriskajam laukam, kas neļauj elektroniem izkļūt no metāla apkārtējā vakuumā. Tiek saukts darbs, kas nepieciešams elektrona noņemšanai no metāla vakuumā darba funkcija. Norādīsim divus iespējamie iemesli darba funkcijas izskats:
1. Ja kāda iemesla dēļ no metāla tiek noņemts elektrons, tad vietā, kur elektrons aizgāja, rodas liekais pozitīvais lādiņš un elektrons tiek piesaistīts paša inducētajam pozitīvajam lādiņam.
2. Atsevišķi elektroni, atstājot metālu, attālinās no tā attālumos pēc atomu kārtas un tādējādi virs metāla virsmas izveido “elektronu mākoni”, kura blīvums strauji samazinās līdz ar attālumu. Šis mākonis kopā ar režģa pozitīvo jonu ārējo slāni veidojas elektriskais dubultais slānis, kura lauks ir līdzīgs paralēlās plates kondensatora laukam. Šī slāņa biezums ir vienāds ar vairākiem starpatomiskiem attālumiem (10–10–10–9 m). Tas nerada elektrisko lauku ārējā telpā, bet neļauj brīviem elektroniem izkļūt no metāla.
Tādējādi, kad elektrons atstāj metālu, tam jāpārvar dubultā slāņa elektriskais lauks, kas to aizkavē. Potenciālā atšķirība šajā slānī, ko sauc virsmas potenciāla lēciens, nosaka darba funkcija ( A) elektrons no metāla:
Kur e - elektronu lādiņš. Tā kā ārpus dubultā slāņa nav elektriskā lauka, vides potenciāls ir nulle, bet metāla iekšpusē potenciāls ir pozitīvs un vienāds ar . Brīvā elektrona potenciālā enerģija metālā ir - e un ir negatīvs attiecībā pret vakuumu. Pamatojoties uz to, mēs varam pieņemt, ka viss vadītspējas elektronu metāla tilpums ir potenciāla aka ar plakanu dibenu, kuras dziļums ir vienāds ar darba funkciju A.
Darba funkcija ir izteikta elektronu volti(eV): 1 eV ir vienāds ar darbu, ko veic lauka spēki, pārvietojot elementāru elektrisko lādiņu (lādiņu, kas vienāds ar elektrona lādiņu), kad tas iet caur potenciālu starpību 1 V. Tā kā elektrona lādiņš ir 1,610 –19 C, tad 1 eV = 1,610 –19 J.
Darba funkcija ir atkarīga no metālu ķīmiskās īpašības un to virsmas tīrības un mainās dažu elektronvoltu robežās (piemēram, kālijam A= 2,2 eV platīnam A=6,3 eV). Izvēloties virsmas pārklājumu noteiktā veidā, jūs varat ievērojami samazināt darba funkciju. Piemēram, ja uz virsmas uzklājat volframu (A= 4,5eV) sārmzemju metālu oksīda (Ca, Sr, Ba) slāni, tad darba funkcija tiek samazināta līdz 2 eV.
§ 105. Emisijas parādības un to pielietojums
Ja mēs nodrošinām metālos esošos elektronus ar enerģiju, kas nepieciešama darba funkcijas pārvarēšanai, tad daļa elektronu var atstāt metālu, kā rezultātā rodas elektronu emisijas parādība, vai elektroniskās emisijas. Atkarībā no metodes enerģijas piešķiršanai elektroniem izšķir termisko, fotoelektronisko, sekundāro elektronu un lauka emisiju.
1. Termiskā emisija ir karsētu metālu elektronu emisija. Brīvo elektronu koncentrācija metālos ir diezgan augsta, tāpēc arī pie vidējām temperatūrām, pateicoties elektronu ātrumu (enerģiju) sadalījumam, dažiem elektroniem ir pietiekami daudz enerģijas, lai pārvarētu potenciālo barjeru pie metāla robežas. Paaugstinoties temperatūrai, palielinās elektronu skaits, kuru termiskās kustības kinētiskā enerģija ir lielāka par darba funkciju, un kļūst pamanāma termoemisijas parādība.
Termioniskās emisijas likumu izpēti var veikt, izmantojot vienkāršāko divu elektrodu lampu - vakuuma diode, kas ir evakuēts cilindrs, kurā ir divi elektrodi: katods K un anodu A. Vienkāršākajā gadījumā katods ir kvēldiegs, kas izgatavots no ugunsizturīga metāla (piemēram, volframa), ko silda ar elektrisko strāvu. Anods visbiežāk izpaužas kā metāla cilindrs, kas ieskauj katodu. Ja diode ir pievienota ķēdei, kā parādīts attēlā. 152, tad, kad katods tiek uzkarsēts un anodam tiek pielikts pozitīvs spriegums (attiecībā pret katodu), diodes anoda ķēdē rodas strāva. Ja maināt akumulatora polaritāti B un tad strāva apstājas neatkarīgi no tā, cik karsts katods tiek uzkarsēts. Līdz ar to katods izstaro negatīvas daļiņas – elektronus.
Ja uzkarsētā katoda temperatūru uzturam nemainīgu un noņemam atkarību no anoda strāvas es un no anoda sprieguma U A, - strāvas-sprieguma raksturlielums(153. att.), izrādās, ka tas nav lineārs, tas ir, vakuuma diodei Ohma likums nav izpildīts. Termioniskās strāvas atkarība es no anoda sprieguma nelielu pozitīvu vērtību reģionā U aprakstīts trīs sekunžu likums(dibināja krievu fiziķis S. A. Boguslavskis (1883-1923) un amerikāņu fiziķis I. Langmuirs (1881-1957)):
Kur IN- koeficients atkarībā no elektrodu formas un izmēra, kā arī to relatīvā stāvokļa.
Palielinoties anoda spriegumam, strāva palielinās līdz noteiktai maksimālajai vērtībai es mums, zvanīja piesātinājuma strāva. Tas nozīmē, ka gandrīz visi elektroni, kas atstāj katodu, sasniedz anodu, tāpēc turpmāka lauka intensitātes palielināšanās nevar izraisīt termiskās strāvas palielināšanos. Līdz ar to piesātinājuma strāvas blīvums raksturo katoda materiāla emisijas spēju.
Tiek noteikts piesātinājuma strāvas blīvums Ričardsona - Dešmana formula, teorētiski iegūts, pamatojoties uz kvantu statistiku:
Kur A - elektronu darba funkcija, kas atstāj katodu, T - termodinamiskā temperatūra, AR- visu metālu pastāvīga, teorētiski vienāda slaukšana (to neapstiprina eksperiments, kas acīmredzot skaidrojams ar virsmas efektiem). Darba funkciju samazināšanās noved pie straujš pieaugums piesātinājuma strāvas blīvums. Tāpēc tiek izmantoti oksīda katodi (piemēram, niķelis, kas pārklāts ar sārmzemju metālu oksīdu), kuru darba funkcija ir 1-1,5 eV.
Attēlā 153 parāda strāvas-sprieguma raksturlielumus divām katoda temperatūrām: T 1 un T 2, un T 2 >T 1 . AR Palielinoties katoda temperatūrai, elektronu emisija no katoda kļūst intensīvāka, un palielinās arī piesātinājuma strāva. Plkst U a =0, tiek novērota anoda strāva, t.i., dažiem katoda izstarotajiem elektroniem ir pietiekami daudz enerģijas, lai pārvarētu darba funkciju un sasniegtu anodu bez elektriskā lauka iedarbināšanas.
Termioniskās emisijas fenomenu izmanto ierīcēs, kurās nepieciešams iegūt elektronu plūsmu vakuumā, piemēram, vakuumlampās, rentgenstaru lampās, elektronu mikroskopos utt. Elektronu lampas plaši izmanto elektrotehnikā un radiotehnikā , automātika un telemehānika maiņstrāvu taisnošanai, elektrisko signālu un maiņstrāvu pastiprināšanai, elektromagnētisko svārstību ģenerēšanai utt. Atkarībā no mērķa lampās tiek izmantoti papildus vadības elektrodi.
2. Fotoelektronu emisija ir elektronu emisija no metāla gaismas, kā arī īsviļņu elektromagnētiskā starojuma (piemēram, rentgena) ietekmē. Šīs parādības galvenie principi tiks apspriesti, apsverot fotoelektrisko efektu.
3. Sekundārā elektronu emisija- ir elektronu emisija no metālu, pusvadītāju vai dielektriķu virsmas, kad tos bombardē ar elektronu kūli. Sekundārā elektronu plūsma sastāv no virsmas atstarotiem elektroniem (elastīgi un neelastīgi atstarotiem elektroniem) un “īstajiem” sekundārajiem elektroniem - elektroniem, ko primārie elektroni izsita no metāla, pusvadītāja vai dielektriķa.
Sekundārā elektronu skaita attiecība n 2 uz primāro numuru n 1 , izraisošo emisiju sauc sekundārais elektronu emisijas koeficients:
Koeficients atkarīgs no virsmas materiāla rakstura, bombardējošo daļiņu enerģijas un to krišanas leņķa uz virsmu. Pusvadītājos un dielektriķos vairāk nekā metāli. Tas izskaidrojams ar to, ka metālos, kur vadītspējas elektronu koncentrācija ir augsta, sekundārie elektroni, bieži ar tiem saduroties, zaudē savu enerģiju un nevar atstāt metālu. Pusvadītājos un dielektriķos zemās vadītspējas elektronu koncentrācijas dēļ sekundāro elektronu sadursmes ar tiem notiek daudz retāk un iespējamība, ka sekundārie elektroni iziet no emitētāja, palielinās vairākas reizes.
Piemēram, attēlā. 154 parāda sekundārā elektronu emisijas koeficienta kvalitatīvo atkarību no enerģijas E krītošie elektroni KCl. Palielinoties elektronu enerģijai palielinās, primārajiem elektroniem iekļūstot dziļāk kristāla režģī un tādējādi izsitot vairāk sekundāro elektronu. Tomēr pie noteiktas primāro elektronu enerģijas sāk samazināties. Tas ir saistīts ar faktu, ka, palielinoties primāro elektronu iespiešanās dziļumam, sekundārajiem elektroniem kļūst arvien grūtāk izkļūt uz virsmu. Nozīme maks KCl sasniedz12 (tīriem metāliem tas nepārsniedz 2).
Tiek izmantota sekundārās elektronu emisijas parādība fotopavairotāja lampas(PMT), ko izmanto vāju elektrisko strāvu pastiprināšanai. Fotopavairotājs ir vakuuma caurule ar fotokatodu K un anodu A, starp kuriem ir vairāki elektrodi - emitētāji(155. att.). Elektroni, kas gaismas ietekmē noplēsti no fotokatoda, nonāk emitētājā E 1, izejot cauri paātrinājuma potenciāla starpībai starp K un E 1. E 1 tiek izsists no emitētāja elektroni. Šādi pastiprinātā elektronu plūsma tiek novirzīta uz emitētāju E 2, un reizināšanas process tiek atkārtots uz visiem nākamajiem emitētājiem. Ja PMT satur n izstarotāji, tad pie anoda A, sauc kolekcionārs, izrādās, ka tas ir pastiprināts n reizes lielāka par fotoelektronu strāvu.
4. Autoelektroniskās emisijas ir elektronu emisija no metālu virsmas spēcīga ārējā elektriskā lauka ietekmē. Šīs parādības var novērot evakuētā mēģenē, kuras elektrodu konfigurācija (katods - gals, anods - caurules iekšējā virsma) ļauj pie aptuveni 10 3 V sprieguma iegūt elektriskos laukus ar aptuveni 10 stiprumu. 7 V / m. Pakāpeniski palielinoties spriegumam, jau pie lauka intensitātes pie katoda virsmas aptuveni 10 5 -10 6 V/m, katoda emitēto elektronu dēļ rodas vāja strāva. Šīs strāvas stiprums palielinās, palielinoties spriegumam visā caurulē. Strāvas rodas, kad katods ir auksts, tāpēc aprakstītā parādība tiek saukta arī par aukstā emisija.Šīs parādības mehānisma skaidrojums ir iespējams, tikai pamatojoties uz kvantu teoriju.
Metāli satur vadīšanas elektronus, kas veido elektronu gāzi un piedalās termiskajā kustībā. Tā kā vadītspējas elektroni tiek turēti metāla iekšpusē, līdz ar to virsmas tuvumā ir spēki, kas iedarbojas uz elektroniem un tiek virzīti metālā. Lai elektrons atstātu metālu ārpus tā robežām, pret šiem spēkiem ir jāveic noteikts darbs A, ko sauc par elektrona atstāšanas darbu no metāla. Šis darbs, protams, dažādiem metāliem ir atšķirīgs.
Elektrona potenciālā enerģija metālā ir nemainīga un vienāda ar:
Wp = -eφ, kur j ir elektriskā lauka potenciāls metāla iekšpusē.
21. Kontakta potenciāla atšķirība - šī ir potenciālā starpība starp vadītājiem, kas rodas, saskaroties diviem dažādiem vadītājiem, kuriem ir vienāda temperatūra.
Saskaroties diviem vadītājiem ar dažādām darba funkcijām, uz vadītājiem parādās elektriskie lādiņi. Un starp to brīvajiem galiem rodas potenciāla atšķirība. Potenciālu starpību starp punktiem, kas atrodas ārpus vadītājiem, to virsmas tuvumā, sauc par kontakta potenciāla starpību. Tā kā vadītājiem ir tāda pati temperatūra, ja nav pielietota sprieguma, lauks var pastāvēt tikai robežslāņos (Volta noteikums). Pastāv iekšēja potenciāla starpība (metāliem saskaroties) un ārējā (starpībā). Ārējā kontakta potenciāla starpības vērtība ir vienāda ar darba funkciju starpību, kas saistīta ar elektronu lādiņu. Ja vadītāji ir savienoti gredzenā, tad emf gredzenā būs vienāds ar 0. For dažādi pāri Metāliem kontakta potenciālu starpības vērtība svārstās no voltu desmitdaļām līdz voltu vienībām.
Termoelektriskā ģeneratora darbība balstās uz termoelektriskā efekta izmantošanu, kuras būtība ir tāda, ka, sildot divu dažādu metālu savienojuma vietu (savienojumu), starp to brīvajiem galiem, kuriem ir zemāka temperatūra, rodas potenciāla starpība. vai ts termoelektromotīves spēks (termo-EMF). Ja aizverat šādu termoelementu (termopāri) ārējai pretestībai, tad caur ķēdi plūdīs elektriskā strāva (1. att.). Tādējādi termoelektrisko parādību laikā notiek tieša siltumenerģijas pārvēršana elektroenerģijā.
Termoelektromotīves spēka lielumu aptuveni nosaka pēc formulas E = a(T1 – T2)
22. Magnētiskais lauks - spēka lauks, kas iedarbojas uz kustīgiem elektriskiem lādiņiem un ķermeņiem ar magnētisku momentu neatkarīgi no to kustības stāvokļa; elektromagnētiskā sastāvdaļa magnētiskais lauks
Kustīgs lādiņš q, rada ap sevi magnētisko lauku, kura indukcija
kur ir elektrona ātrums, ir attālums no elektrona līdz noteiktam lauka punktam, μ - vides relatīvā magnētiskā caurlaidība, μ 0 = 4π ·10 -7 Gn/m- magnētiskā konstante.
Magnētiskā indukcija- vektora daudzums, kas ir jaudas raksturlielums magnētiskais lauks (tā ietekme uz lādētām daļiņām) noteiktā telpas punktā. Nosaka spēku, ar kādu magnētiskais lauks iedarbojas uz lādiņu, kas kustas ar ātrumu.
Konkrētāk, tas ir vektors, kurā Lorenca spēks, kas iedarbojas no magnētiskā lauka uz lādiņu, kas kustas ar ātrumu, ir vienāds ar
23. Saskaņā ar Biota-Savarta-Laplasa likumu kontūras elements dl, caur kuru plūst strāva es, rada ap sevi magnētisko lauku, kura indukcija noteiktā punktā K
kur ir attālums no punkta K uz pašreizējo elementu dl, α – leņķis starp rādiusa vektoru un pašreizējo elementu dl.
Vektora virzienu var atrast pēc Maksvela likums(ģimene): ja jūs ieskrūvējat karkasu ar labās puses vītni strāvas virzienā vadītāja elementā, tad karkasa roktura kustības virziens norādīs magnētiskās indukcijas vektora virzienu.
Biota-Savarta-Laplasa likuma piemērošana kontūrām dažādi veidi, mēs iegūstam:
· rādiusa apļveida pagrieziena centrā R ar strāvas stiprumu es magnētiskā indukcija
magnētiskā indukcija uz apļveida strāvas ass 
Kur a– attālums no punkta, kurā tiek meklēts B uz apļveida strāvas plakni,
· lauks, ko rada bezgalīgi garš vadītājs, kas no attāluma nes strāvu r no diriģenta
· lauks, ko rada ierobežota garuma vadītājs attālumā r no diriģenta (15. att.) 
· lauks toroid vai bezgalīgi gara solenoīda iekšpusē n- apgriezienu skaits uz solenoīda garuma vienību (toroid)
Magnētiskās indukcijas vektors ir saistīts ar magnētiskā lauka stiprumu ar attiecību
Tilpuma enerģijas blīvums magnētiskais lauks:
25 .Uz uzlādētas daļiņas, kas pārvietojas magnētiskajā laukā ar indukciju B ar ātrumu υ , no magnētiskā lauka rodas spēks, ko sauc Lorenca spēks
un šī spēka modulis ir vienāds ar 
.
Lorenca spēka virzienu var noteikt ar kreisās rokas likums: ja liek kreisā roka tā, lai ātrumam perpendikulāra indukcijas vektora sastāvdaļa nonāk plaukstā un četri pirksti atrodas pozitīvā lādiņa kustības ātruma virzienā (vai pret negatīvā lādiņa ātruma virzienu), tad liekts īkšķis norādīs Lorenca spēka virzienu
26 .Cikliski uzlādētu daļiņu paātrinātāju darbības princips.
Uzlādētas daļiņas rotācijas perioda T neatkarību magnētiskajā laukā izmantoja amerikāņu zinātnieks Lorenss idejā par ciklotronu - lādētu daļiņu paātrinātāju.
Ciklotrons sastāv no diviem dees D 1 un D 2 - dobiem metāla puscilindriem, kas novietoti augstā vakuumā. Atstarpē starp deem tiek izveidots paātrinājošs elektriskais lauks. Uzlādēta daļiņa, kas iekļūst šajā spraugā, palielina ātrumu un lido puscilindra (dee) telpā. Dees tiek novietotas pastāvīgā magnētiskajā laukā, un daļiņas trajektorija dees iekšpusē būs izliekta aplī. Kad daļiņa otrreiz iekļūst spraugā starp deiem, elektriskā lauka polaritāte mainās un tas atkal kļūst paātrināts. Ātruma palielināšanos pavada trajektorijas rādiusa palielināšanās. Praksē deem tiek piemērots mainīgs lauks ar frekvenci ν= 1/T=(B/2π)(q/m). Daļiņas ātrums palielinās katru reizi intervālā starp dees elektriskā lauka ietekmē.
27.Amperu jauda ir spēks, kas iedarbojas uz vadītāju, caur kuru plūst strāva es, kas atrodas magnētiskajā laukā
Δ l– vadītāja garums un virziens sakrīt ar strāvas virzienu vadītājā.
Amperu jaudas modulis: 
.
Divi paralēli, bezgalīgi gari taisni vadītāji, kas nes strāvu Es 1 Un es 2 mijiedarboties savā starpā ar spēku
Kur l- vadītāja sekcijas garums, r- attālums starp vadītājiem.
28. Paralēlo strāvu mijiedarbība - Ampera likums
Tagad jūs varat viegli iegūt formulu divu paralēlu strāvu mijiedarbības spēka aprēķināšanai.
Tātad caur diviem gariem taisniem paralēliem vadītājiem (440. att.), kas atrodas attālumā R viens no otra (kas ir daudz, 15 reizes mazāks par vadītāju garumiem), plūst līdzstrāvas I 1, I 2.
Saskaņā ar lauka teoriju vadītāju mijiedarbība tiek skaidrota šādi: elektriskā strāva pirmajā vadītājā rada magnētisko lauku, kas mijiedarbojas ar elektrisko strāvu otrajā vadītājā. Lai izskaidrotu spēka rašanos, kas iedarbojas uz pirmo vadītāju, ir nepieciešams “apmainīties” vadītāju lomām: otrais rada lauku, kas iedarbojas uz pirmo. Garīgi pagrieziet labo skrūvi, grieziet ar kreiso roku (vai izmantojiet šķērsproduktu) un pārliecinieties, ka strāvai plūstot vienā virzienā vadītāji pievelkas, un, strāvām plūstot pretējos virzienos, vadītāji atgrūž1.
Tādējādi spēks, kas iedarbojas uz otrā vadītāja sekciju ar garumu Δl, ir ampērspēks, tas ir vienāds ar
kur B1 ir pirmā vadītāja radītā magnētiskā lauka indukcija. Rakstot šo formulu, tiek ņemts vērā, ka indukcijas vektors B1 ir perpendikulārs otrajam vadītājam. Līdzstrāvas radītā lauka indukcija pirmajā vadītāja vietā otrā vadītāja vietā ir vienāda ar
No formulām (1), (2) izriet, ka spēks, kas iedarbojas uz otrā vadītāja izvēlēto posmu, ir vienāds ar
29. Spole ar strāvu magnētiskajā laukā.
Ja magnētiskajā laukā ievieto nevis vadītāju, bet spoli (vai spoli) ar strāvu un novieto to vertikāli, tad, piemērojot kreisās puses likumu spoles augšējai un apakšējai pusei, iegūstam, ka elektromagnētiskie spēki F iedarbojoties uz tiem, tiks virzīti dažādos virzienos. Šo divu spēku darbības rezultātā rodas elektromagnētiskais griezes moments M, kas izraisīs spoles griešanos. šajā gadījumā pulksteņrādītāja virzienā. Šis brīdis
kur D ir attālums starp spoles malām.
Spole griezīsies magnētiskajā laukā, līdz tā ieņems pozīciju, kas ir perpendikulāra magnētiskā lauka līnijām (50. att., b). Šajā pozīcijā vislielākā magnētiskā plūsma izies cauri spolii. Līdz ar to spolei vai spolei ar strāvu, kas tiek ievadīta ārējā magnētiskajā laukā, vienmēr ir tendence ieņemt tādu pozīciju, lai caur spoli izietu vislielākā iespējamā magnētiskā plūsma.
Magnētiskais moments, magnētiskais dipola moments- galvenais daudzums, kas raksturo vielas magnētiskās īpašības (magnētisma avots, saskaņā ar klasiskā teorija elektromagnētiskās parādības ir elektriskās makro un mikrostrāvas; Par elementāru magnētisma avotu uzskata slēgtu strāvu). Elementārdaļiņām ir magnētiskais moments, atomu kodoli, atomu un molekulu elektroniskie apvalki. Magnētiskais moments elementārdaļiņas(elektroni, protoni, neitroni un citi), kā ir pierādījusi kvantu mehānika, ir saistīts ar sava mehāniskā momenta - spina - esamību.
30. Magnētiskā plūsma - fiziskais daudzums, vienāds ar plūsmas blīvumu lauka līnijām, kas iet caur bezgalīgi mazu laukumu dS. Plūsma F in kā magnētiskās indukcijas vektora integrālis IN caur ierobežotu virsmu S Nosaka caur integrāli virs virsmas.
31. Darbs, pārvietojot strāvu nesošo vadītāju magnētiskajā laukā
Aplūkosim strāvu nesošu ķēdi, ko veido nekustīgi vadi un kustīgs džemperis ar garumu l, kas slīd pa tiem (2.17. att.). Šī ķēde atrodas ārējā vienmērīgā magnētiskajā laukā, kas ir perpendikulāra ķēdes plaknei.
Uz strāvas elementu I (kustīgo vadu) ar garumu l iedarbojas ampērspēks, kas vērsts pa labi:
Ļaujiet vadītājam l virzīties paralēli sev attālumā dx. Tas veiks tālāk norādītās darbības.
dA=Fdx=IBldx=IBdS=IdФ
Darbs, ko vadītājs veic pie strāvas kustības laikā, ir skaitliski vienāds ar strāvas un magnētiskās plūsmas reizinājumu, ko šis vadītājs šķērso.
Formula paliek spēkā, ja jebkuras formas vadītājs pārvietojas jebkurā leņķī pret magnētiskās indukcijas vektora līnijām.
32. Vielas magnetizācija . Pastāvīgos magnētus var izgatavot tikai no salīdzinoši nedaudzām vielām, bet visas vielas, kas atrodas magnētiskajā laukā, tiek magnetizētas, t.i., tās pašas kļūst par magnētiskā lauka avotiem. Tā rezultātā magnētiskās indukcijas vektors vielas klātbūtnē atšķiras no magnētiskās indukcijas vektora vakuumā.
Atoma magnētisko momentu veido tā sastāvā iekļauto elektronu orbitālie un iekšējie momenti, kā arī kodola magnētiskais moments (ko nosaka kodolā iekļauto elementārdaļiņu - protonu un protonu magnētiskie momenti). neitroni). Kodola magnētiskais moments ir daudz mazāks par elektronu momentiem; tāpēc, apsverot daudzus jautājumus, to var atstāt novārtā un pieņemt, ka atoma magnētiskais moments ir vienāds ar elektronu magnētisko momentu vektoru summu. Var ņemt vērā arī molekulas magnētisko momentu vienāds ar summu tā sastāvā iekļauto elektronu magnētiskie momenti.
Tādējādi atoms ir sarežģīta magnētiskā sistēma, un atoma magnētiskais moments kopumā ir vienāds ar visu elektronu magnētisko momentu vektoru summu.
Magnētika un tiek sauktas par vielām, kuras var magnetizēt ārējā magnētiskajā laukā, t.i. spēj radīt savu magnētisko lauku. Vielu iekšējais lauks ir atkarīgs no to atomu magnētiskajām īpašībām. Šajā ziņā magnēti ir dielektriķu magnētiskie analogi.
Saskaņā ar klasiskajiem jēdzieniem atoms sastāv no elektroniem, kas pārvietojas pa orbītām ap pozitīvi lādētu kodolu, kas savukārt sastāv no protoniem un neitroniem.
Visas vielas ir magnētiskas, t.i. visas vielas tiek magnetizētas ārējā magnētiskajā laukā, bet magnetizācijas raksturs un pakāpe ir atšķirīga. Atkarībā no tā visus magnētus iedala trīs veidos: 1) diamagnētiskie; 2) paramagnētiskie materiāli; 3) feromagnēti.
Diamagnēti. - tajos ietilpst daudzi metāli (piemēram, varš, cinks, sudrabs, dzīvsudrabs, bismuts), lielākā daļa gāzu, fosfors, sērs, kvarcs, ūdens, lielākā daļa organiskie savienojumi utt.
Diamagnēti raksturo šādas īpašības:
2) savs magnētiskais lauks ir vērsts pret ārējo un nedaudz vājina to (m<1);
3) nav atlikušā magnētisma (paša diamagnētiskā lauka magnētiskais lauks pazūd pēc ārējā lauka noņemšanas).
Pirmās divas īpašības norāda, ka diamagnētisko materiālu relatīvā magnētiskā caurlaidība m ir tikai nedaudz mazāka par 1. Piemēram, spēcīgākajam no diamagnētiskajiem materiāliem – bismutam – m = 0,999824.
Paramagnēti- Tajos ietilpst sārmu un sārmzemju metāli, alumīnijs, volframs, platīns, skābeklis utt.
Paramagnētiskajiem materiāliem ir raksturīgas šādas īpašības:
1) ļoti vāja magnetizācija ārējā magnētiskajā laukā;
2) savs magnētiskais lauks ir vērsts gar ārējo un nedaudz pastiprina to (m>1);
3) nav atlikušā magnētisma.
No pirmajām divām īpašībām izriet, ka m vērtība ir tikai nedaudz lielāka par 1. Piemēram, vienam no spēcīgākajiem paramagnētiem - platīnam - relatīvā magnētiskā caurlaidība m = 1,00036.
33.Feromagnēti - Tie ietver dzelzi, niķeli, kobaltu, gadolīniju, to sakausējumus un savienojumus, kā arī dažus mangāna un hroma sakausējumus un savienojumus ar neferomagnētiskiem elementiem. Visām šīm vielām ir feromagnētiskas īpašības tikai kristāliskā stāvoklī.
Feromagnētiem ir šādas īpašības:
1) ļoti spēcīga magnetizācija;
2) paša magnētiskais lauks ir vērsts gar ārējo un ievērojami uzlabo to (m vērtības svārstās no vairākiem simtiem līdz vairākiem simtiem tūkstošu);
3) relatīvā magnētiskā caurlaidība m ir atkarīga no magnetizējošā lauka lieluma;
4) ir atlikušais magnētisms.
Domēns- makroskopisks apgabals magnētiskajā kristālā, kurā spontānā homogēnā magnetizācijas vektora vai antiferomagnētisma vektora orientācija (temperatūrai, kas attiecīgi zemāka par Kirī vai Nīla punktu) noteiktā - stingri sakārtotā - veidā tiek pagriezta vai nobīdīta, tas ir, , polarizēts, attiecībā pret atbilstošā vektora virzieniem blakus esošajos domēnos.
Domēni ir veidojumi, kas sastāv no milzīga skaita [sakārtotu] atomu un dažreiz ir redzami ar neapbruņotu aci (izmēri 10–2 cm3).
Domēni pastāv fero- un antiferomagnētiskos, feroelektriskos kristālos un citās vielās ar spontānu liela attāluma secību.
Kirī punkts jeb Kirī temperatūra,- otrās kārtas fāzes pārejas temperatūra, kas saistīta ar pēkšņām vielas simetrijas īpašību izmaiņām (piemēram, magnētiskā - feromagnētos, elektriskā - feroelektrikā, kristāliskā ķīmiskā - sakārtotos sakausējumos). Nosaukts P. Kirī vārdā. Temperatūrā T, kas zemāka par Kirī punktu Q, feromagnētiem ir spontāna magnetizācija un noteikta magnētiski kristāliska simetrija. Kirī punktā (T=Q) feromagnēta atomu termiskās kustības intensitāte ir pietiekama, lai iznīcinātu tā spontāno magnetizāciju (“magnētisko secību”) un mainītu tā simetriju, kā rezultātā feromagnēts kļūst paramagnētisks. Līdzīgi antiferomagnētiem pie T=Q (tā sauktajā antiferomagnētiskajā Kirī punktā jeb Nīla punktā) tiek iznīcināta to raksturīgā magnētiskā struktūra (magnētiskās apakšrežģi), un antiferomagnēti kļūst paramagnētiski. Feroelektrikā un antiferoelektrikā pie T = Q atomu termiskā kustība samazina kristāla režģa elementāro šūnu elektrisko dipolu spontāni sakārtoto orientāciju līdz nullei. Sakārtotos sakausējumos Kirī punktā (sakausējumu gadījumā to sauc arī par punktu.
Magnētiskā histerēze novērots magnētiski sakārtotās vielās (noteiktā temperatūras diapazonā), piemēram, feromagnētos, parasti sadalītos spontānās (spontānās) magnetizācijas apgabala domēnos, kuros magnetizācijas lielums (magnētiskais moments uz tilpuma vienību) ir vienāds, bet virzieni ir dažādi.
Ārējā magnētiskā lauka ietekmē laukā magnetizēto domēnu skaits un lielums palielinās uz citu domēnu rēķina. Atsevišķu domēnu magnetizācijas vektori var griezties pa lauku. Pietiekami spēcīgā magnētiskajā laukā feromagnēts tiek magnetizēts līdz piesātinājumam, un tas sastāv no viena domēna ar piesātinājuma magnetizāciju JS, kas vērsta gar ārējo lauku H.
Tipiska magnetizācijas atkarība no magnētiskā lauka histerēzes gadījumā
34. Zemes magnētiskais lauks
Kā zināms, magnētiskais lauks ir īpašs spēka lauka veids, kas ietekmē ķermeņus ar magnētiskām īpašībām, kā arī kustīgus elektriskos lādiņus. Zināmā mērā magnētisko lauku var uzskatīt par īpašu matērijas veidu, kas ar magnētisko momentu pārraida informāciju starp elektriskajiem lādiņiem un ķermeņiem. Attiecīgi Zemes magnētiskais lauks ir magnētiskais lauks, kas tiek radīts faktoru, kas saistīti ar funkcionālās īpašības mūsu planētas. Tas ir, ģeomagnētisko lauku rada pati Zeme, nevis ārējie avoti, lai gan pēdējiem ir noteikta ietekme uz planētas magnētisko lauku.
Tādējādi Zemes magnētiskā lauka īpašības neizbēgami ir atkarīgas no tā izcelsmes īpašībām. Galvenā teorija, kas izskaidro šī spēka lauka rašanos, ir saistīta ar strāvu plūsmu planētas šķidrā metāla kodolā (temperatūra kodolā ir tik augsta, ka metāli atrodas šķidrā stāvoklī). Zemes magnētiskā lauka enerģiju ģenerē tā sauktais hidromagnētiskais dinamo mehānisms, ko izraisa elektrisko strāvu daudzvirzienu un asimetrija. Tie rada palielinātu elektrisko izlādi, kas izraisa siltumenerģijas izdalīšanos un jaunu magnētisko lauku rašanos. Interesanti, ka hidromagnētiskajam dinamo mehānismam ir spēja “pašuzbudināt”, tas ir, aktīva elektriskā aktivitāte zemes kodolā pastāvīgi rada ģeomagnētisko lauku bez ārējas ietekmes.
35.Magnetizācija - vektora fiziskais lielums, kas raksturo makroskopiska fiziska ķermeņa magnētisko stāvokli. To parasti apzīmē ar M. To definē kā vielas tilpuma vienības magnētisko momentu:
Šeit M ir magnetizācijas vektors; - magnētiskā momenta vektors; V - apjoms.
IN vispārējs gadījums(neviendabīga gadījumā tā vai cita iemesla dēļ vidēja) magnetizācija tiek izteikta kā
un ir koordinātu funkcija. Kur ir molekulu kopējais magnētiskais moments tilpumā dV Sakarība starp M un magnētiskā lauka intensitāti H diamagnētiskos un paramagnētiskos materiālos parasti ir lineāra (vismaz tad, ja magnetizācijas lauks nav pārāk liels):
kur χm sauc par magnētisko jutību. Feromagnētiskajos materiālos magnētiskās histerēzes dēļ nav viennozīmīgas attiecības starp M un H, un atkarības aprakstīšanai tiek izmantots magnētiskās jutības tensors.
Magnētiskā lauka stiprums(standarta apzīmējums H) ir vektora fiziskais lielums, kas vienāds ar starpību starp magnētiskās indukcijas vektoru B un magnetizācijas vektoru M.
IN Starptautiskā sistēma vienības (SI): H = (1/µ 0)B - M kur µ 0 ir magnētiskā konstante.
Magnētiskā caurlaidība- fizikālais daudzums, koeficients (atkarībā no vides īpašībām), kas raksturo attiecības starp magnētisko indukciju B un magnētiskā lauka stiprumu H vielā. Šis koeficients dažādiem datu nesējiem ir atšķirīgs, tāpēc viņi runā par konkrētas vides magnētisko caurlaidību (tas nozīmē, tā sastāvu, stāvokli, temperatūru utt.).
Parasti apzīmē ar grieķu burtu µ. Tas var būt skalārs (izotropām vielām) vai tensors (anizotropām vielām).
Kopumā attiecības starp magnētisko indukciju un magnētiskā lauka stiprumu caur magnētisko caurlaidību tiek ieviestas kā
un vispārīgā gadījumā šeit tas jāsaprot kā tensors, kuram komponentu apzīmējumā atbilst
Katram lādiņam elektriskā laukā ir spēks, kas var pārvietot šo lādiņu. Nosakiet darbu A, pārvietojot punktu pozitīvo lādiņu q no punkta O uz punktu n, ko veic negatīva lādiņa Q elektriskā lauka spēki. Saskaņā ar Kulona likumu spēks, kas pārvieto lādiņu, ir mainīgs un vienāds ar
Kur r ir mainīgais attālums starp lādiņiem.
. Šo izteiksmi var iegūt šādi:
Lielums atspoguļo lādiņa potenciālo enerģiju Wp noteiktā elektriskā lauka punktā:
Zīme (-) parāda, ka, lādiņu kustinot ar lauku, tā potenciālā enerģija samazinās, pārvēršoties kustības darbā.
Vērtību, kas vienāda ar vienības pozitīvā lādiņa potenciālo enerģiju (q = +1), sauc par elektriskā lauka potenciālu.
Tad 
. Ja q = +1.
Tādējādi potenciālā starpība starp diviem lauka punktiem ir vienāda ar lauka spēku darbu, lai pārvietotu vienības pozitīvo lādiņu no viena punkta uz otru.
Elektriskā lauka punkta potenciāls ir vienāds ar darbu, kas veikts, lai pārvietotu vienības pozitīvo lādiņu no noteiktā punkta uz bezgalību: . Mērvienība - Volt = J/C.
Lādiņa pārvietošanas darbs elektriskajā laukā nav atkarīgs no ceļa formas, bet ir atkarīgs tikai no potenciālās starpības starp ceļa sākuma un beigu punktu.
Virsmu, kuras potenciāls visos punktos ir vienāds, sauc par ekvipotenciālu.
Lauka stiprums ir tā jaudas raksturlielums, un potenciāls ir tā enerģijas raksturlielums.
Attiecību starp lauka intensitāti un tā potenciālu izsaka formula
,
zīme (-) ir saistīta ar to, ka lauka stiprums ir vērsts potenciāla samazināšanās virzienā un potenciāla pieauguma virzienā.
5. Elektrisko lauku izmantošana medicīnā.
Franklinizācija, jeb "elektrostatiskā duša" ir ārstnieciska metode, kurā pacienta ķermenis vai atsevišķas tā daļas tiek pakļautas pastāvīgam augstsprieguma elektriskajam laukam.
Pastāvīgais elektriskais lauks vispārējās iedarbības procedūras laikā var sasniegt 50 kV, ar vietējā ietekme 15 – 20 kV.
Terapeitiskās iedarbības mehānisms. Franklinizācijas procedūra tiek veikta tā, lai pacienta galva vai cita ķermeņa daļa kļūtu līdzīga vienai no kondensatora plāksnēm, bet otrā ir elektrods, kas piekārts virs galvas vai uzstādīts virs iedarbības vietas 6 attālumā. - 10 cm. Augsta sprieguma ietekmē zem elektrodam piestiprināto adatu galiem notiek gaisa jonizācija, veidojoties gaisa joniem, ozonam un slāpekļa oksīdiem.
Ozona un gaisa jonu ieelpošana izraisa reakciju asinsvadu tīklā. Pēc īslaicīgas asinsvadu spazmas kapilāri paplašinās ne tikai virspusējos audos, bet arī dziļajos. Rezultātā tiek uzlaboti vielmaiņas un trofiskie procesi, un audu bojājumu klātbūtnē tiek stimulēti reģenerācijas un funkciju atjaunošanas procesi.
Asinsrites uzlabošanās rezultātā normalizējas vielmaiņas procesi un nervu darbību, ir samazinājies galvassāpes, palielināts asinsspiediens, palielināts asinsvadu tonuss, pazemināta sirdsdarbība.
Franklinizācijas izmantošana ir indicēta funkcionālie traucējumi nervu sistēma
Problēmu risināšanas piemēri
1. Kad darbojas franklinizācijas aparāts, katru sekundi 1 cm 3 gaisa veidojas 500 000 vieglo gaisa jonu. Nosakiet jonizācijas darbu, kas nepieciešams, lai apstrādes sesijas laikā (15 min) radītu tādu pašu gaisa jonu daudzumu 225 cm 3 gaisa. Tiek pieņemts, ka gaisa molekulu jonizācijas potenciāls ir 13,54 V, un gaiss parasti tiek uzskatīts par viendabīgu gāzi.
- jonizācijas potenciāls, A - jonizācijas darbs, N - elektronu skaits.
2. Apstrādājot ar elektrostatisko dušu, elektriskās mašīnas elektrodiem tiek pielietota potenciāla starpība 100 kV. Nosakiet, cik liels lādiņš iziet starp elektrodiem vienas apstrādes procedūras laikā, ja ir zināms, ka elektriskā lauka spēki veic 1800 J lielu darbu.
No šejienes 
Elektriskais dipols medicīnā
Saskaņā ar Einthovena teoriju, kas ir elektrokardiogrāfijas pamatā, sirds ir elektriskais dipols, kas atrodas vienādmalu trijstūra (Einthovena trijstūra) centrā, kura virsotnes nosacīti var uzskatīt 
atrodas labā roka, kreiso roku un kreiso kāju.
Laikā sirds cikls mainās gan dipola stāvoklis telpā, gan dipola moments. Potenciālās starpības mērīšana starp Einthovena trijstūra virsotnēm ļauj noteikt attiecības starp sirds dipola momenta projekcijām uz trīsstūra malām šādi:
Zinot spriegumus U AB, U BC, U AC, var noteikt, kā dipols ir orientēts attiecībā pret trijstūra malām.
Elektrokardiogrāfijā potenciālo starpību starp diviem ķermeņa punktiem (šajā gadījumā starp Einthovena trijstūra virsotnēm) sauc par vadu.
Tiek izsaukta potenciālās starpības novadījumos reģistrācija atkarībā no laika elektrokardiogramma.
Tiek saukta dipola momenta vektora beigu punktu ģeometriskā atrašanās vieta sirds cikla laikā vektora kardiogramma.
Lekcija Nr.4
Kontakta parādības
1. Kontakta potenciāla starpība. Volta likumi.
2. Termoelektrība.
3. Termopāri, tā izmantošana medicīnā.
4. Atpūtas potenciāls. Darbības potenciāls un tā sadalījums.
- Kontakta potenciāla atšķirība. Volta likumi.
Kad dažādi metāli nonāk ciešā saskarē, starp tiem rodas potenciāla atšķirība, kas ir atkarīga tikai no to ķīmiskais sastāvs un temperatūra (Volta pirmais likums). Šo potenciālo atšķirību sauc par kontaktu.
Lai pamestu metālu un nonāktu vidē, elektronam ir jādarbojas pret metāla pievilkšanas spēkiem. Šo darbu sauc par elektrona darba funkciju, kas atstāj metālu.
Sazināsimies divus dažādus metālus 1 un 2, kuriem ir attiecīgi darba funkcija A 1 un A 2 un A 1< A 2 . Очевидно, что свободный электрон, попавший в процессе теплового движения на поверхность раздела металлов, будет втянут во второй металл, так как со стороны этого металла на электрон действует большая сила притяжения (A 2 >A 1). Līdz ar to, saskaroties ar metāliem, brīvie elektroni tiek “iesūknēti” no pirmā metāla uz otro, kā rezultātā pirmais metāls tiek uzlādēts pozitīvi, otrais – negatīvi. Potenciālu starpība, kas rodas šajā gadījumā, rada elektrisko lauku ar intensitāti E, kas apgrūtina turpmāku elektronu “sūknēšanu” un pilnībā apstāsies, kad elektrona pārvietošanas darbs kontakta potenciālu starpības dēļ kļūs vienāds ar starpību darba funkcijas:
(1)
Tagad nonāksim saskarē ar diviem metāliem ar A 1 = A 2, kuriem ir dažādas brīvo elektronu koncentrācijas n 01 > n 02. Tad sāksies preferenciālā brīvo elektronu pārnešana no pirmā metāla uz otro. Rezultātā pirmais metāls tiks uzlādēts pozitīvi, otrais - negatīvi. Starp metāliem radīsies potenciāla atšķirība, kas apturēs turpmāku elektronu pārnesi. Iegūto potenciālu starpību nosaka izteiksme:
, (2)
kur k ir Bolcmaņa konstante.
Vispārējā kontakta gadījumā starp metāliem, kas atšķiras gan pēc darba funkcijas, gan brīvo elektronu koncentrācijas, kr.r.p. no (1) un (2) būs vienāds ar:
(3)
Ir viegli parādīt, ka virknē savienoto vadītāju kontaktu potenciālu atšķirību summa ir vienāda ar gala vadītāju radīto kontakta potenciālu starpību un nav atkarīga no starpvadiem:
Šo pozīciju sauc par Volta otro likumu.
Ja tagad tieši savienojam gala vadītājus, tad potenciālu starpība, kas pastāv starp tiem, tiek kompensēta ar vienādu potenciālu starpību, kas rodas kontaktā 1 un 4. Tāpēc c.r.p. nerada strāvu slēgtā metāla vadītāju ķēdē ar vienādu temperatūru.
2. Termoelektrība ir kontakta potenciāla starpības atkarība no temperatūras.
Izveidosim slēgtu ķēdi no diviem atšķirīgiem metāla vadītājiem 1 un 2.
Kontaktu a un b temperatūras tiks uzturētas dažādās temperatūrās T a > T b . Tad saskaņā ar formulu (3) c.r.p. karstā krustojumā vairāk nekā aukstā krustojumā: . Rezultātā starp krustojumiem a un b rodas potenciāla starpība, ko sauc par termoelektromotīvi, un slēgtā ķēdē plūdīs strāva I. Izmantojot formulu (3), iegūstam
Kur 
katram metālu pārim.
- Termopāri, tā izmantošana medicīnā.
Tiek saukta slēgta vadītāju ķēde, kas rada strāvu kontaktu temperatūru atšķirību dēļ starp vadītājiem termopāri.
No formulas (4) izriet, ka termopāra termoelektromotīves spēks ir proporcionāls savienojumu (kontaktu) temperatūras starpībai.
Formula (4) ir derīga arī temperatūrām pēc Celsija skalas:
Termopāri var izmērīt tikai temperatūras atšķirības. Parasti vienā krustojumā tiek uzturēta 0ºC temperatūra. To sauc par auksto krustojumu. Otru krustojumu sauc par karsto vai mērīšanas krustojumu.
Termopārim ir ievērojamas priekšrocības salīdzinājumā ar dzīvsudraba termometriem: tas ir jutīgs, bez inerces, ļauj izmērīt nelielu priekšmetu temperatūru un ļauj veikt mērījumus attālināti.
Cilvēka ķermeņa temperatūras lauka profila mērīšana.
Tiek uzskatīts, ka cilvēka ķermeņa temperatūra ir nemainīga, taču šī pastāvība ir relatīva, jo dažādās ķermeņa daļās temperatūra nav vienāda un mainās atkarībā no funkcionālais stāvoklisķermeni.
Ādas temperatūrai ir sava skaidri noteikta topogrāfija. Viņiem ir viszemākā temperatūra (23-30º) distālās sekcijas ekstremitātes, deguna gals, ausis. Visvairāk karstums- V paduses zona, starpenē, kaklā, lūpās, vaigos. Pārējos apgabalos temperatūra ir 31 - 33,5 ºС.
U vesels cilvēks Temperatūras sadalījums ir simetrisks attiecībā pret ķermeņa viduslīniju. Šīs simetrijas pārkāpums kalpo par galveno kritēriju slimību diagnosticēšanai, konstruējot temperatūras lauka profilu, izmantojot kontaktierīces: termopāri un pretestības termometru.
4. Atpūtas potenciāls. Darbības potenciāls un tā sadalījums.
Šūnas virsmas membrāna nav vienādi caurlaidīga dažādiem joniem. Turklāt jebkuru konkrētu jonu koncentrācija dažādās membrānas pusēs ir atšķirīga, šūnas iekšpusē tiek uzturēts vislabvēlīgākais jonu sastāvs. Šie faktori noved pie tā, ka normāli funkcionējošā šūnā parādās potenciāla atšķirība starp citoplazmu un vidi(atpūtas potenciāls)
Uzbudinot, mainās potenciālā starpība starp šūnu un vidi, rodas darbības potenciāls, kas izplatās nervu šķiedrās.
Darbības potenciāla izplatīšanās mehānisms pa nervu šķiedru tiek aplūkots pēc analoģijas ar izplatīšanos elektromagnētiskais vilnis caur divu vadu līniju. Tomēr līdz ar šo analoģiju pastāv arī būtiskas atšķirības.
Elektromagnētiskais vilnis, kas izplatās vidē, vājinās, jo tā enerģija izkliedējas, pārvēršoties molekulārās-termiskās kustības enerģijā. Elektromagnētiskā viļņa enerģijas avots ir tā avots: ģenerators, dzirkstele utt.
Uzbudinājuma vilnis nesamazinās, jo tas saņem enerģiju no pašas vides, kurā tas izplatās (lādētās membrānas enerģija).
Tādējādi darbības potenciāla izplatīšanās pa nervu šķiedru notiek autoviļņa veidā. Aktīvā vide ir uzbudināmas šūnas.
Problēmu risināšanas piemēri
1. Konstruējot cilvēka ķermeņa virsmas temperatūras lauka profilu, izmanto termopāri ar pretestību r 1 = 4 omi un galvanometru ar pretestību r 2 = 80 omi; I=26 µA pie krustojuma temperatūras starpības ºС. Kāda ir termopāra konstante?
Termopāra radītā termojauda ir vienāda ar , kur termopāri ir temperatūras starpība starp krustojumiem.
Saskaņā ar Oma likumu ķēdes posmam, kurā U tiek pieņemts kā . Tad
Lekcija Nr.5
Elektromagnētisms
1. Magnētisma būtība.
2. Strāvu magnētiskā mijiedarbība vakuumā. Ampera likums.
4. Dia-, para- un feromagnētiskās vielas. Magnētiskā caurlaidība un magnētiskā indukcija.
5. Ķermeņa audu magnētiskās īpašības.
1. Magnētisma būtība.
Ap kustīgiem elektriskiem lādiņiem (strāvām) rodas magnētiskais lauks, caur kuru šie lādiņi mijiedarbojas ar magnētiskiem vai citiem kustīgiem elektriskiem lādiņiem.
Magnētiskais lauks ir spēka lauks, un to attēlo magnētiskās spēka līnijas. Atšķirībā no elektriskā lauka līnijām, magnētiskā lauka līnijas vienmēr ir slēgtas.
Vielas magnētiskās īpašības izraisa elementāras apļveida strāvas šīs vielas atomos un molekulās.
2 . Strāvu magnētiskā mijiedarbība vakuumā. Ampera likums.
Strāvu magnētiskā mijiedarbība tika pētīta, izmantojot kustīgu vadu ķēdes. Ampere konstatēja, ka mijiedarbības spēka lielums starp divām mazām vadītāju sekcijām 1 un 2 ar strāvām ir proporcionāls šo posmu garumiem, strāvas stiprumiem I 1 un I 2 tajos un ir apgriezti proporcionāls attāluma kvadrātam. r starp sadaļām:
Izrādījās, ka pirmās sekcijas ietekmes spēks uz otro ir atkarīgs no to relatīvā stāvokļa un ir proporcionāls leņķu sinusiem un .
kur ir leņķis starp un rādiusa vektoru r 12, kas savienojas ar, un ir leņķis starp un normālo n ar plakni Q, kas satur sekciju un rādiusa vektoru r 12.
Apvienojot (1) un (2) un ieviešot proporcionalitātes koeficientu k, iegūstam Ampera likuma matemātisko izteiksmi:
(3)
Spēka virzienu nosaka arī karkasa noteikums: tas sakrīt ar karkasa, kura rokturis griežas no parastā n 1, translācijas kustības virzienu.
Strāvas elements ir vektors, kas pēc lieluma ir vienāds ar bezgalīgi maza vadītāja posma dl garumā un strāvas stipruma I reizinājumu Idl, kas ir virzīts pa šo strāvu. Pēc tam, pārejot no (3) no maza uz bezgalīgi mazu dl, mēs varam ierakstīt Ampera likumu diferenciālā forma:
. (4)
Koeficientu k var attēlot kā
kur ir magnētiskā konstante (vai vakuuma magnētiskā caurlaidība).
Racionalizācijas vērtība, ņemot vērā (5) un (4), tiks ierakstīta veidlapā
. (6)
3 . Magnētiskā lauka stiprums. Ampera formula. Biota-Savarta-Laplasa likums.
Tā kā elektriskās strāvas mijiedarbojas viena ar otru caur to magnētiskajiem laukiem, uz šīs mijiedarbības pamata var noteikt magnētiskā lauka kvantitatīvo raksturlielumu - Ampera likumu. Lai to izdarītu, mēs sadalām vadītāju l ar strāvu I daudzās elementārās sadaļās dl. Tas rada lauku telpā.
Šī lauka punktā O, kas atrodas attālumā r no dl, ievietojam I 0 dl 0. Tad saskaņā ar Ampera likumu (6) uz šo elementu iedarbosies spēks.
(7)
kur ir leņķis starp strāvas I virzienu griezumā dl (radot lauku) un rādiusa vektora r virzienu, un ir leņķis starp strāvas virzienu I 0 dl 0 un normālo n pret plakni Q, kas satur dl un r.
Formulā (7) izvēlamies daļu, kas nav atkarīga no pašreizējā elementa I 0 dl 0, apzīmējot to ar dH:
Biota-Savarta-Laplasa likums (8)
dH vērtība ir atkarīga tikai no strāvas elementa Idl, kas rada magnētisko lauku, un no punkta O stāvokļa.
Vērtība dH ir magnētiskā lauka kvantitatīvs raksturlielums, un to sauc par magnētiskā lauka stiprumu. Aizstājot (8) ar (7), mēs iegūstam
kur ir leņķis starp strāvas virzienu I 0 un magnētisko lauku dH. Formulu (9) sauc par Ampera formulu un izsaka spēka, ar kādu magnētiskais lauks iedarbojas uz tajā esošo strāvas elementu I 0 dl 0, atkarību no šī lauka stipruma. Šis spēks atrodas Q plaknē, kas ir perpendikulāra dl 0. Tās virzienu nosaka “kreisās rokas likums”.
Pieņemot, ka (9) ir 90º, mēs iegūstam:
Tie. Magnētiskā lauka stiprums ir vērsts tangenciāli pret lauka līniju un ir vienāds ar spēka attiecību, ar kādu lauks iedarbojas uz vienības strāvas elementu, pret magnētisko konstanti.
4 . Diamagnētiskās, paramagnētiskās un feromagnētiskās vielas. Magnētiskā caurlaidība un magnētiskā indukcija.
Visas vielas, kas novietotas magnētiskajā laukā, iegūst magnētiskas īpašības, t.i. tiek magnetizēti un tādējādi maina ārējo lauku. Šajā gadījumā dažas vielas vājina ārējo lauku, bet citas to stiprina. Pirmie tiek saukti diamagnētisks, otrais - paramagnētisks vielas. Starp paramagnētiskajām vielām krasi izceļas vielu grupa, kas izraisa ļoti lielu ārējā lauka pieaugumu. Šis feromagnēti.
Diamagnēti- fosfors, sērs, zelts, sudrabs, varš, ūdens, organiskie savienojumi.
Paramagnēti- skābeklis, slāpeklis, alumīnijs, volframs, platīns, sārmu un sārmzemju metāli.
Feromagnēti– dzelzs, niķelis, kobalts, to sakausējumi.
Ģeometriskā summa elektronu orbitālie un spina magnētiskie momenti un kodola iekšējais magnētiskais moments veido vielas atoma (molekulas) magnētisko momentu.
Diamagnētiskajos materiālos atoma (molekulas) kopējais magnētiskais moments ir nulle, jo magnētiskie momenti dzēš viens otru. Tomēr ārējā magnētiskā lauka ietekmē šajos atomos tiek inducēts magnētiskais moments, kas ir vērsts pretēji ārējam laukam. Rezultātā diamagnētiskā vide tiek magnetizēta un rada savu magnētisko lauku, kas ir vērsts pretēji ārējam un vājina to.
Diamagnētisko atomu inducētie magnētiskie momenti tiek saglabāti tik ilgi, kamēr pastāv ārējs magnētiskais lauks. Kad ārējais lauks tiek likvidēts, izzūd atomu inducētie magnētiskie momenti un diamagnētiskais materiāls tiek demagnetizēts.
Paramagnētiskajos atomos orbitāles, griešanās un kodola momenti viens otru nekompensē. Tomēr atomu magnētiskie momenti ir izkārtoti nejauši, tāpēc paramagnētiskajai videi nav magnētisku īpašību. Ārējais lauks rotē paramagnētiskos atomus tā, ka to magnētiskie momenti tiek noteikti galvenokārt lauka virzienā. Rezultātā paramagnētiskais materiāls tiek magnetizēts un rada savu magnētisko lauku, sakrītot ar ārējo un pastiprinot to.
(4), kur ir vides absolūtā magnētiskā caurlaidība. Vakuumā =1, , un
Feromagnētos ir apgabali (~10 -2 cm) ar identiski orientētiem to atomu magnētiskajiem momentiem. Tomēr pašu domēnu orientācija ir dažāda. Tāpēc, ja nav ārēja magnētiskā lauka, feromagnēts netiek magnetizēts.
Parādoties ārējam laukam, domēni, kas orientēti šī lauka virzienā, sāk palielināties, jo blakus esošajiem domēniem ir atšķirīga magnētiskā momenta orientācija; feromagnēts kļūst magnetizēts. Ar pietiekami spēcīgu lauku visi domēni tiek pārorientēti gar lauku, un feromagnēts tiek ātri magnetizēts līdz piesātinājumam.
Kad ārējais lauks tiek likvidēts, feromagnēts netiek pilnībā demagnetizēts, bet saglabā atlikušo magnētisko indukciju, jo termiskā kustība nevar dezorientēt domēnus. Demagnetizāciju var panākt, karsējot, kratot vai izmantojot apgriezto lauku.
Temperatūrā, kas vienāda ar Kirī punktu, termiskā kustība spēj dezorientēt atomus domēnos, kā rezultātā feromagnēts pārvēršas paramagnētā.
Magnētiskās indukcijas plūsma caur noteiktu virsmu S ir vienāda ar indukcijas līniju skaitu, kas iekļūst šajā virsmā:
(5)
Mērvienība B – Tesla, F-Weber.
Elektronu darba funkcijas formula
Metāli satur vadīšanas elektronus, kas veido elektronu gāzi un piedalās termiskajā kustībā. Tā kā vadītspējas elektroni tiek turēti metāla iekšpusē, līdz ar to virsmas tuvumā ir spēki, kas iedarbojas uz elektroniem un tiek virzīti metālā. Lai elektrons atstātu metālu ārpus tā robežām, pret šiem spēkiem ir jāveic noteikts darbs A, ko sauc elektronu darba funkcija izgatavots no metāla. Šis darbs, protams, dažādiem metāliem ir atšķirīgs.
Elektrona potenciālā enerģija metālā ir nemainīga un vienāda ar:
W p = -eφ , kur j ir elektriskā lauka potenciāls metāla iekšpusē.
Kad elektrons iziet cauri virsmas elektronu slānim, potenciālā enerģija ātri samazinās ar darba funkciju un kļūst par nulli ārpus metāla. Elektronu enerģijas sadalījumu metālā var attēlot kā potenciālu.
Iepriekš apskatītajā interpretācijā elektrona darba funkcija ir vienāda ar potenciāla urbuma dziļumu, t.i.
Aout = eφ
Šis rezultāts atbilst klasiskajai metālu elektronu teorijai, kas pieņem, ka elektronu ātrums metālā atbilst Maksvela sadalījuma likumam un ir nulle absolūtā nulles temperatūrā. Taču patiesībā vadītspējas elektroni pakļaujas Fermi-Diraka kvantu statistikai, saskaņā ar kuru pie absolūtās nulles elektronu ātrums un attiecīgi arī to enerģija nav nulle.
Maksimālo enerģijas vērtību, kas elektroniem ir pie absolūtās nulles, sauc par Fermi enerģiju E F . Metālu vadītspējas kvantu teorija, pamatojoties uz šo statistiku, sniedz atšķirīgu darba funkcijas interpretāciju. Elektronu darba funkcija no metāla ir vienāds ar starpību starp potenciālās barjeras augstumu eφ un Fermi enerģiju.
A out = eφ" - E F
kur φ" ir elektriskā lauka potenciāla vidējā vērtība metāla iekšpusē.
Vienkāršu vielu elektronu darba funkciju tabula
Tabulā parādītas elektronu darba funkciju vērtības polikristāliskiem paraugiem, kuru virsmu notīra vakuumā kalcinējot vai mehāniski apstrādājot. Nepietiekami ticami dati ir ievietoti iekavās.
|
Viela |
Vielas formula |
Elektronu darba funkcija (W, eV) |
|
alumīnija |
||
|
berilija |
||
|
ogleklis (grafīts) |
||
|
germānija |
||
|
mangāns |
||
|
molibdēns |
||
|
pallādijs |
||
|
prazeodīms |
||
|
alva (γ-forma) |
||
|
alva (β forma) |
||
|
stroncijs |
||
|
volframs |
||
|
cirkonijs |
Kas īsti ir spriedze? Tas ir veids, kā aprakstīt un izmērīt elektriskā lauka stiprumu. Pats spriegums nevar pastāvēt bez elektronu lauka ap pozitīvajiem un negatīvajiem lādiņiem. Tāpat kā magnētiskais lauks ieskauj ziemeļu un dienvidu polu.
Autors mūsdienu koncepcijas, elektroni viens otru neietekmē. Elektriskais lauks ir kaut kas tāds, kas rodas no viena lādiņa, un tā klātbūtni var sajust cits.
To pašu var teikt par spriedzes jēdzienu! Tas tikai palīdz mums iedomāties, kā varētu izskatīties elektriskais lauks. Godīgi sakot, tam nav ne formas, ne izmēra, nekā tamlīdzīga. Bet lauks darbojas ar noteiktu spēku uz elektroniem.
Spēki un to darbība uz lādētu daļiņu
Uzlādēts elektrons ir pakļauts spēkam ar zināmu paātrinājumu, liekot tam kustēties arvien ātrāk. Šis spēks darbojas, lai pārvietotu elektronu.
Spēka līnijas ir iedomātas formas, kas parādās ap lādiņiem (ko nosaka elektriskais lauks), un, ja šajā zonā ievietosim lādiņu, tas piedzīvos spēku.
Elektrības līniju īpašības:
- ceļot no ziemeļiem uz dienvidiem;
- nav savstarpēju krustojumu.
Kāpēc abas spēka līnijas nekrustojas? Jo tas nenotiek iekšā īsta dzīve. Tas, kas tiek teikts, ir fizisks modelis un nekas vairāk. Fiziķi to izgudroja, lai aprakstītu elektriskā lauka uzvedību un īpašības. Modelis šajā ziņā ir ļoti labs. Bet, atceroties, ka tas ir tikai modelis, mums ir jāzina, kāpēc šādas līnijas ir vajadzīgas.
Spēka līnijas parāda:
- elektrisko lauku virzieni;
- spriedze. Jo tuvāk līnijas, jo lielāks lauka stiprums un otrādi.
Ja mūsu modeļa novilktās spēka līnijas krustojas, attālums starp tām kļūs bezgalīgi mazs. Lauka kā enerģijas veida stipruma dēļ un tāpēc pamatlikumi fizika tas nav iespējams.
Kas ir potenciāls?
Potenciāls ir enerģija, kas tiek iztērēta, lai pārvietotu uzlādētu daļiņu no pirmā punkta, kuram ir nulles potenciāls, uz otro punktu.
Potenciālā starpība starp punktiem A un B ir darbs, ko veic spēki, lai pārvietotu noteiktu pozitīvo elektronu pa patvaļīgu ceļu no A uz B.
Jo lielāks ir elektrona potenciāls, jo lielāks plūsmas blīvums uz laukuma vienību. Šī parādība ir līdzīga gravitācijai. Jo lielāka masa, jo lielāks potenciāls, jo intensīvāks un blīvāks ir gravitācijas lauks uz laukuma vienību.
Neliels zema potenciāla lādiņš ar samazinātu plūsmas blīvumu ir parādīts nākamajā attēlā.
Un zemāk ir lādiņš ar augstu potenciālu un plūsmas blīvumu.
Piemēram: pērkona negaisa laikā elektroni vienā punktā tiek noplicināti, bet citā tiek savākti, veidojot elektrisko lauku. Kad spēks ir pietiekams, lai izjauktu dielektrisko konstanti, rodas zibens spēriens (sastāv no elektroniem). Kad potenciālu starpība ir izlīdzināta, elektriskais lauks tiek iznīcināts.
Elektrostatiskais lauks
Šis ir elektriskā lauka veids, nemainīgs laikā, ko veido lādiņi, kas nekustas. Elektrona pārvietošanas darbu nosaka attiecības,
kur r1 un r2 ir lādiņa q attālumi līdz kustības trajektorijas sākuma un beigu punktiem. No iegūtās formulas var redzēt, ka darbs, kas tiek veikts, pārvietojot lādiņu no punkta uz punktu, nav atkarīgs no trajektorijas, bet ir atkarīgs tikai no kustības sākuma un beigām.
Katrs elektrons ir pakļauts spēkam, un tāpēc, elektronam pārvietojoties pa lauku, tiek veikts noteikts darba apjoms.
Elektrostatiskajā laukā darbs ir atkarīgs tikai no ceļa gala punktiem, nevis no trajektorijas. Tāpēc, kad kustība notiek pa slēgtu cilpu, lādiņš atgriežas sākotnējā stāvoklī, un darba apjoms kļūst vienāds ar nulli. Tas notiek tāpēc, ka potenciāla kritums ir nulle (jo elektrons atgriežas tajā pašā punktā). Tā kā potenciālu starpība ir nulle, arī neto darbs būs nulle, jo krišanas potenciāls ir vienāds ar darbu, kas dalīts ar lādiņa vērtību, izteiktu kulonos.
Par vienmērīgu elektrisko lauku
Elektrisko lauku starp divām pretēji lādētām plakanām metāla plāksnēm, kur sprieguma līnijas ir paralēlas viena otrai, sauc par viendabīgu.
Kāpēc spēks uz lādiņu šādā laukā vienmēr ir vienāds? Pateicoties simetrijai. Ja sistēma ir simetriska un ir tikai viena mērījumu variācija, visa atkarība pazūd. Atbildei ir daudz citu būtisku iemeslu, taču simetrijas faktors ir visvienkāršākais.
Pozitīva lādiņa pārvietošanas darbs
Elektriskais lauks– tā ir elektronu plūsma no “+” uz “-”, kas rada augstu spriedzi reģionā.
Plūsma ir caur to ejošo elektriskā lauka līniju skaits. Kādā virzienā pārvietosies pozitīvie elektroni? Atbilde: elektriskā lauka virzienā no pozitīva (augsts potenciāls) uz negatīvu (zems potenciāls). Tāpēc pozitīvi lādēta daļiņa virzīsies šajā virzienā.
Lauka intensitāti jebkurā punktā definē kā spēku, kas iedarbojas uz pozitīvo lādiņu, kas atrodas šajā punktā.
Darbs ir elektronu daļiņu transportēšana pa vadītāju. Saskaņā ar Oma likumu jūs varat noteikt darbu, izmantojot dažādas formulas, lai veiktu aprēķinu.
No enerģijas nezūdamības likuma izriet, ka darbs ir enerģijas izmaiņas atsevišķā ķēdes posmā. Pozitīva lādiņa pārvietošana pret elektrisko lauku prasa darbu, un tas rada potenciālās enerģijas pieaugumu.
Secinājums
No skolas mācību programma Mēs atceramies, ka ap lādētām daļiņām veidojas elektriskais lauks. Jebkurš lādiņš elektriskajā laukā ir pakļauts spēkam, un tā rezultātā, lādiņam kustoties, tiek veikts zināms darbs. Lielāks lādiņš rada lielāku potenciālu, kas rada intensīvāku vai spēcīgāku elektrisko lauku. Tas nozīmē, ka uz laukuma vienību ir lielāka plūsma un blīvums.
Svarīgi ir tas, ka darbs ir jāveic ar noteiktu spēku, lai pārvietotu lādiņu no augsta potenciāla uz zemu. Tas samazina uzlādes starpību starp poliem. Elektronu pārvietošanai no strāvas uz punktu ir nepieciešama enerģija.
Raksti komentāros, raksta papildinājumus, varbūt kaut ko palaidu garām. Apskatiet, es priecāšos, ja jūs atradīsiet kaut ko citu noderīgu manējā.
