§ 104. Funkcja pracy elektronów opuszczających metal
Doświadczenie pokazuje, że wolne elektrony praktycznie nie opuszczają metalu w zwykłych temperaturach. W związku z tym w powierzchniowej warstwie metalu musi występować opóźniające pole elektryczne, zapobiegające ucieczce elektronów z metalu do otaczającej próżni. Praca wymagana do usunięcia elektronu z metalu do próżni nazywa się funkcja pracy. Wskażmy dwa prawdopodobne przyczyny wygląd funkcji pracy:
1. Jeśli z jakiegoś powodu elektron zostanie usunięty z metalu, wówczas w miejscu, w którym elektron opuścił, powstaje nadmiar ładunku dodatniego, a elektron jest przyciągany przez wywołany przez siebie ładunek dodatni.
2. Pojedyncze elektrony opuszczając metal oddalają się od niego na odległości rzędu atomowych i w ten sposób tworzą nad powierzchnią metalu „chmurę elektronów”, której gęstość szybko maleje wraz z odległością. Tworzy się ta chmura wraz z zewnętrzną warstwą jonów dodatnich sieci podwójna warstwa elektryczna, którego pole jest podobne do pola kondensatora płytkowego równoległego. Grubość tej warstwy jest równa kilku odległościom międzyatomowym (10–10–10–9 m). Nie wytwarza pola elektrycznego w przestrzeni zewnętrznej, ale zapobiega ucieczce wolnych elektronów z metalu.
Zatem, gdy elektron opuszcza metal, musi pokonać pole elektryczne podwójnej warstwy, które go opóźnia. Różnica potencjałów w tej warstwie, tzw skok potencjału powierzchniowego, jest określona przez funkcję pracy ( A) elektron z metalu:
Gdzie e-ładunek elektronowy. Ponieważ na zewnątrz warstwy podwójnej nie ma pola elektrycznego, potencjał ośrodka wynosi zero, a wewnątrz metalu potencjał jest dodatni i równy . Energia potencjalna wolnego elektronu wewnątrz metalu wynosi - mi i jest ujemny w stosunku do próżni. Na tej podstawie możemy założyć, że cała objętość metalu dla elektronów przewodzących reprezentuje studnię potencjału z płaskim dnem, której głębokość jest równa funkcji pracy A.
Funkcja pracy jest wyrażona w elektronowoltów(eV): 1 eV jest równy pracy wykonanej przez siły pola podczas przemieszczania elementarnego ładunku elektrycznego (ładunek równy ładunkowi elektronu), gdy przechodzi on przez różnicę potencjałów 1 V. Ponieważ ładunek elektronu wynosi 1,610 –19 C, wówczas 1 eV = 1,610 –19 J.
Funkcja pracy zależy od natury chemicznej metali oraz od czystości ich powierzchni i zmienia się w granicach kilku elektronowoltów (na przykład dla potasu A= 2,2 eV dla platyny A=6,3 eV). Wybierając powłokę powierzchniową w określony sposób, można znacznie zmniejszyć funkcję pracy. Na przykład, jeśli nałożysz wolfram na powierzchnię (A= 4,5eV) warstwę tlenku metalu ziem alkalicznych (Ca, Sr, Ba), wówczas funkcja pracy zostaje zredukowana do 2 eV.
§ 105. Zjawiska emisyjne i ich zastosowanie
Jeśli dostarczymy elektronom w metalach energię potrzebną do pokonania pracy, wówczas część elektronów może opuścić metal, powodując zjawisko emisji elektronów, czyli emisje elektroniczne. W zależności od sposobu przekazania energii elektronom wyróżnia się emisję termoelektronową, fotoelektroniczną, elektronów wtórnych i polową.
1. Emisja termojonowa to emisja elektronów przez nagrzane metale. Stężenie wolnych elektronów w metalach jest dość wysokie, dlatego nawet w średnich temperaturach, ze względu na rozkład prędkości (energii) elektronów, niektóre elektrony mają wystarczającą energię, aby pokonać barierę potencjału na granicy metalu. Wraz ze wzrostem temperatury zwiększa się liczba elektronów, których energia kinetyczna ruchu termicznego jest większa niż funkcja pracy, i zauważalne staje się zjawisko emisji termojonowej.
Badanie praw emisji termoelektrycznej można przeprowadzić za pomocą najprostszej lampy dwuelektrodowej - dioda próżniowa, który jest próżniowym cylindrem zawierającym dwie elektrody: katodę K i anoda A. W najprostszym przypadku katoda jest włóknem wykonanym z metalu ogniotrwałego (na przykład wolframu), podgrzewanym prądem elektrycznym. Anoda najczęściej ma postać metalowego cylindra otaczającego katodę. Jeśli dioda jest podłączona do obwodu, jak pokazano na ryc. 152, wówczas po podgrzaniu katody i przyłożeniu do anody napięcia dodatniego (w stosunku do katody) w obwodzie anodowym diody pojawia się prąd. Jeśli zmienisz polaryzację baterii B a następnie prąd zatrzymuje się, niezależnie od tego, jak gorąco jest nagrzana katoda. W rezultacie katoda emituje cząstki ujemne - elektrony.
Jeśli utrzymamy stałą temperaturę nagrzanej katody i usuniemy zależność prądu anodowego I i od napięcia anodowego U A, - charakterystyka prądowo-napięciowa(Rys. 153) okazuje się, że nie jest to liniowe, to znaczy dla diody próżniowej prawo Ohma nie jest spełnione. Zależność prądu termojonowego I od napięcia anodowego w obszarze małych wartości dodatnich U opisane prawo trzech sekund(założona przez rosyjskiego fizyka S. A. Bogusławskiego (1883-1923) i amerykańskiego fizyka I. Langmuira (1881-1957)):
Gdzie W- współczynnik zależny od kształtu i wielkości elektrod, a także ich względnego położenia.
Wraz ze wzrostem napięcia anodowego prąd wzrasta do pewnej wartości maksymalnej I nas, tzw prąd nasycenia. Oznacza to, że prawie wszystkie elektrony opuszczające katodę docierają do anody, zatem dalszy wzrost natężenia pola nie może prowadzić do wzrostu prądu termoelektrycznego. W konsekwencji gęstość prądu nasycenia charakteryzuje emisyjność materiału katody.
Wyznacza się gęstość prądu nasycenia Formuła Richardsona – Deshmana, wyprowadzone teoretycznie na podstawie statystyki kwantowej:
Gdzie A - funkcja pracy elektronów opuszczających katodę, T - temperatura termodynamiczna, Z- stałe, teoretycznie równe dojenie wszystkich metali (nie jest to potwierdzone eksperymentalnie, co najwyraźniej tłumaczy się efektami powierzchniowymi). Prowadzi to do zmniejszenia funkcji pracy ostry wzrost gęstość prądu nasycenia. Dlatego stosuje się katody tlenkowe (na przykład nikiel pokryty tlenkiem metalu ziem alkalicznych), których funkcja pracy wynosi 1-1,5 eV.
Na ryc. 153 pokazuje charakterystykę prądowo-napięciową dla dwóch temperatur katod: T 1 i T 2 i T 2 > T 1 . Z Wraz ze wzrostem temperatury katody emisja elektronów z katody staje się bardziej intensywna, a także wzrasta prąd nasycenia. Na U a =0 obserwuje się prąd anodowy, tj. część elektronów emitowanych przez katodę ma wystarczającą energię, aby pokonać funkcję pracy i dotrzeć do anody bez przykładania pola elektrycznego.
Zjawisko emisji termoelektrycznej wykorzystuje się w urządzeniach, w których konieczne jest uzyskanie przepływu elektronów w próżni, np. w lampach próżniowych, lampach rentgenowskich, mikroskopach elektronowych itp. Lampy elektronowe znajdują szerokie zastosowanie w elektrotechnice i radiotechnice. , automatyka i telemechanika do prostowania prądów przemiennych, wzmacniania sygnałów elektrycznych i prądów przemiennych, generowania oscylacji elektromagnetycznych itp. W zależności od przeznaczenia w lampach stosuje się dodatkowe elektrody sterujące.
2. Emisja fotoelektronów to emisja elektronów z metalu pod wpływem światła, a także krótkofalowego promieniowania elektromagnetycznego (na przykład promieni rentgenowskich). Główne zasady tego zjawiska zostaną omówione przy rozpatrywaniu efektu fotoelektrycznego.
3. Wtórna emisja elektronów- to emisja elektronów z powierzchni metali, półprzewodników lub dielektryków pod wpływem bombardowania wiązką elektronów. Wtórny przepływ elektronów składa się z elektronów odbitych od powierzchni (elektronów odbitych elastycznie i nieelastycznie) oraz „prawdziwych” elektronów wtórnych – elektronów wybijanych z metalu, półprzewodnika lub dielektryka przez elektrony pierwotne.
Stosunek liczby elektronów wtórnych N 2 do liczby podstawowej N 1 , powodujące emisję nazywa się współczynnik emisji elektronów wtórnych:
Współczynnik zależy od rodzaju materiału powierzchniowego, energii bombardujących cząstek i kąta ich padania na powierzchnię. W półprzewodnikach i dielektrykach więcej niż metale. Wyjaśnia to fakt, że w metalach, w których stężenie elektronów przewodzących jest wysokie, elektrony wtórne, często zderzając się z nimi, tracą energię i nie mogą opuścić metalu. W półprzewodnikach i dielektrykach, ze względu na niską koncentrację elektronów przewodzących, zderzenia elektronów wtórnych z nimi występują znacznie rzadziej, a prawdopodobieństwo opuszczenia emitera przez elektrony wtórne wzrasta kilkukrotnie.
Na przykład na ryc. 154 pokazuje jakościową zależność współczynnika emisji elektronów wtórnych z energii mi padające elektrony dla KCl. Wraz ze wzrostem energii elektronów wzrasta, gdy elektrony pierwotne wnikają głębiej w sieć krystaliczną i w związku z tym wybijają więcej elektronów wtórnych. Jednak przy pewnej energii elektronów pierwotnych zaczyna spadać. Wynika to z faktu, że wraz ze wzrostem głębokości wnikania elektronów pierwotnych, elektronom wtórnym coraz trudniej jest uciec na powierzchnię. Oznaczający maks dla KCl sięga12 (dla czystych metali nie przekracza 2).
Zjawisko wtórnej emisji elektronów wykorzystuje się w fotopowielacze(PMT), stosowany do wzmacniania słabych prądów elektrycznych. Fotopowielacz jest lampą próżniową z fotokatodą K i anodą A, pomiędzy którymi znajduje się kilka elektrod - emitery(ryc. 155). Elektrony wyrwane z fotokatody pod wpływem światła dostają się do emitera E 1, przechodząc przez przyspieszającą różnicę potencjałów pomiędzy K i E 1. E 1 zostaje wyrzucony z emitera elektrony. Wzmocniony w ten sposób przepływ elektronów kierowany jest do emitera E 2, a proces powielania powtarza się na wszystkich kolejnych emiterach. Jeśli PMT zawiera N emitery, następnie na anodzie A, tzw kolektor, okazuje się, że jest wzmocniony N razy prąd fotoelektronowy.
4. Emisje autoelektroniczne to emisja elektronów z powierzchni metali pod wpływem silnego zewnętrznego pola elektrycznego. Zjawiska te można zaobserwować w lampie próżniowej, której konfiguracja elektrod (katoda – końcówka, anoda – wewnętrzna powierzchnia lampy) pozwala przy napięciach około 10–3 V uzyskać pola elektryczne o sile około 10 7 V/m. Wraz ze stopniowym wzrostem napięcia, już przy natężeniu pola na powierzchni katody wynoszącym około 10 5 -10 6 V/m, powstaje słaby prąd z powodu elektronów emitowanych przez katodę. Siła tego prądu wzrasta wraz ze wzrostem napięcia na rurze. Prądy powstają, gdy katoda jest zimna, dlatego opisane zjawisko nazywa się również zimna emisja. Wyjaśnienie mechanizmu tego zjawiska możliwe jest jedynie w oparciu o teorię kwantową.
Metale zawierają elektrony przewodzące, które tworzą gaz elektronowy i uczestniczą w ruchu termicznym. Ponieważ elektrony przewodzące są utrzymywane wewnątrz metalu, dlatego w pobliżu powierzchni działają siły działające na elektrony i skierowane w metal. Aby elektron opuścił metal poza swoje granice, należy wykonać pewną pracę A przeciwko tym siłom, która nazywa się pracą wyjścia elektronu z metalu. Ta praca jest oczywiście inna dla różnych metali.
Energia potencjalna elektronu wewnątrz metalu jest stała i równa:
Wp = -eφ, gdzie j jest potencjałem pola elektrycznego wewnątrz metalu.
21. Kontaktowa różnica potencjałów - jest to różnica potencjałów między przewodnikami, która powstaje, gdy zetkną się dwa różne przewodniki o tej samej temperaturze.
Kiedy zetkną się dwa przewodniki o różnych funkcjach pracy, na przewodnikach pojawiają się ładunki elektryczne. Pomiędzy ich wolnymi końcami powstaje różnica potencjałów. Różnica potencjałów pomiędzy punktami znajdującymi się na zewnątrz przewodników, w pobliżu ich powierzchni, nazywana jest różnicą potencjałów kontaktowych. Ponieważ przewodniki mają tę samą temperaturę, w przypadku braku przyłożonego napięcia pole może istnieć tylko w warstwach granicznych (reguła Volty). Istnieje wewnętrzna różnica potencjałów (w przypadku kontaktu metali) i zewnętrzna (w szczelinie). Wartość różnicy potencjałów kontaktu zewnętrznego jest równa różnicy funkcji pracy związanych z ładunkiem elektronu. Jeśli przewodniki zostaną połączone w pierścień, wówczas emf w pierścieniu będzie równy 0. Dla różne pary W przypadku metali wartość różnicy potencjałów stykowych waha się od dziesiątych części wolta do jednostek woltów.
Działanie generatora termoelektrycznego opiera się na wykorzystaniu efektu termoelektrycznego, którego istota polega na tym, że podczas podgrzewania złącza (złącza) dwóch różnych metali powstaje różnica potencjałów pomiędzy ich wolnymi końcami, które mają niższą temperaturę, lub tzw siła termoelektromotoryczna (termo-EMF). Jeśli zamkniesz taki termoelement (termoparę) na opór zewnętrzny, wówczas przez obwód przepłynie prąd elektryczny (ryc. 1). Zatem podczas zjawisk termoelektrycznych następuje bezpośrednia konwersja energii cieplnej na energię elektryczną.
Wielkość siły termoelektromotorycznej określa się w przybliżeniu wzorem E = a(T1 – T2)
22. Pole magnetyczne - pole siłowe działające na poruszające się ładunki elektryczne i na ciała posiadające moment magnetyczny, niezależnie od stanu ich ruchu; składnik magnetyczny elektro pole magnetyczne
Ruchomy ładunek Q, tworzy wokół siebie pole magnetyczne, którego indukcję
gdzie jest prędkością elektronu, jest odległością elektronu od danego punktu pola, μ – względna przenikalność magnetyczna ośrodka, μ 0 = 4π ·10 -7 Gn/m– stała magnetyczna.
Indukcja magnetyczna- wielkość wektorowa, tj charakterystyka mocy pole magnetyczne (jego wpływ na naładowane cząstki) w danym punkcie przestrzeni. Określa siłę, z jaką pole magnetyczne działa na ładunek poruszający się z dużą prędkością.
Dokładniej, jest to wektor taki, że siła Lorentza działająca z pola magnetycznego na ładunek poruszający się z prędkością jest równa
23. Zgodnie z prawem Biota-Savarta-Laplace'a element konturowy dł, przez który przepływa prąd I, wytwarza wokół siebie pole magnetyczne, którego indukcja następuje w określonym punkcie K
gdzie jest odległość od punktu K do bieżącego elementu dł, α – kąt pomiędzy wektorem promienia a bieżącym elementem dł.
Kierunek wektora można znaleźć za pomocą Reguła Maxwella(świder): jeśli wkręcisz świder z gwintem prawoskrętnym w kierunku prądu w elemencie przewodzącym, to kierunek ruchu rączki świdra będzie wskazywał kierunek wektora indukcji magnetycznej.
Zastosowanie prawa Biota-Savarta-Laplace'a do konturów różne rodzaje, otrzymujemy:
· w środku okręgu o promieniu R z obecną siłą I Indukcja magnetyczna
indukcja magnetyczna na osi prądu kołowego 
Gdzie A– odległość od punktu, w którym się szuka B do płaszczyzny prądu kołowego,
· pole utworzone przez nieskończenie długi przewodnik przewodzący prąd na odległość R od konduktora
· pole wytworzone przez przewodnik o skończonej długości w pewnej odległości R od przewodnika (ryc. 15) 
· pole wewnątrz toroidu lub nieskończenie długiego solenoidu N– liczba zwojów na jednostkę długości elektromagnesu (toroidu)
Wektor indukcji magnetycznej jest powiązany z natężeniem pola magnetycznego zależnością
Wolumetryczna gęstość energii pole magnetyczne:
25 .O cząstce naładowanej poruszającej się w polu magnetycznym z indukcją B z szybkością υ , z pola magnetycznego wypływa siła zwana Siła Lorentza
a moduł tej siły jest równy 
.
Kierunek siły Lorentza można wyznaczyć ze wzoru reguła lewej ręki: jeśli umieścisz lewa ręka tak, że składowa wektora indukcji prostopadła do prędkości wchodzi do dłoni, a cztery palce są ustawione w kierunku prędkości ruchu ładunku dodatniego (lub przeciwnie do kierunku prędkości ładunku ujemnego), wówczas zgięty kciuk wskaże kierunek siły Lorentza
26 .Zasada działania cyklicznych akceleratorów cząstek naładowanych.
Niezależność okresu rotacji T naładowanej cząstki w polu magnetycznym wykorzystał amerykański naukowiec Lawrence w idei cyklotronu – akceleratora cząstek naładowanych.
Cyklotron składa się z dwóch części D 1 i D 2 - wydrążonych metalowych półcylindrów umieszczonych w wysokiej próżni. W szczelinie pomiędzy płytkami wytwarza się przyspieszające pole elektryczne. Naładowana cząstka wchodząca w tę szczelinę zwiększa swoją prędkość i leci w przestrzeń półcylindra (dee). Dees umieszcza się w stałym polu magnetycznym, a trajektoria cząstki wewnątrz dees będzie zakrzywiona w okręgu. Kiedy cząstka po raz drugi wejdzie w szczelinę między deeskami, polaryzacja pola elektrycznego zmienia się i pole elektryczne ponownie zaczyna przyspieszać. Wzrostowi prędkości towarzyszy wzrost promienia trajektorii. W praktyce na dee przyłożone jest pole zmienne o częstotliwości ν= 1/T=(B/2π)(q/m). Prędkość cząstki wzrasta każdorazowo w odstępie między deeskami pod wpływem pola elektrycznego.
27.Moc amperowa to siła działająca na przewodnik, przez który przepływa prąd I, znajdujący się w polu magnetycznym
Δ l– długość przewodu i kierunek pokrywa się z kierunkiem prądu w przewodniku.
Amperowy moduł mocy: 
.
Dwa równoległe, nieskończenie długie, proste przewodniki, w których płynie prąd ja 1 I ja 2 oddziałują ze sobą siłą
Gdzie l– długość odcinka przewodu, R– odległość pomiędzy przewodnikami.
28. Oddziaływanie prądów równoległych - prawo Ampera
Teraz możesz łatwo uzyskać wzór na obliczenie siły oddziaływania między dwoma równoległymi prądami.
Tak więc przez dwa długie proste równoległe przewodniki (ryc. 440), umieszczone w odległości R od siebie (czyli wiele, 15 razy mniej niż długości przewodów), przepływają prądy stałe I 1, I 2.
Zgodnie z teorią pola interakcję przewodników wyjaśnia się w następujący sposób: prąd elektryczny w pierwszym przewodniku wytwarza pole magnetyczne, które oddziałuje z prądem elektrycznym w drugim przewodniku. Aby wyjaśnić pojawienie się siły działającej na pierwszy przewodnik, należy „zamienić role” przewodników: drugi tworzy pole działające na pierwszy. Obróć w myślach prawą śrubę, obróć lewą ręką (lub użyj iloczynu krzyżowego) i upewnij się, że gdy prąd płynie w jednym kierunku, przewodniki przyciągają się, a gdy prądy płyną w przeciwnych kierunkach, przewodniki odpychają się1.
Zatem siła działająca na odcinek długości Δl drugiego przewodnika jest siłą Ampera i jest równa
gdzie B1 jest indukcją pola magnetycznego wytworzonego przez pierwszy przewodnik. Pisząc ten wzór, bierze się pod uwagę, że wektor indukcyjny B1 jest prostopadły do drugiego przewodnika. Indukcja pola wytworzonego przez prąd stały w pierwszym przewodniku, w miejscu drugiego, jest równa
Ze wzorów (1), (2) wynika, że siła działająca na wybrany odcinek drugiego przewodnika jest równa
29. Cewka z prądem w polu magnetycznym.
Jeśli umieścimy w polu magnetycznym nie przewodnik, ale cewkę (lub cewkę) z prądem i umieścimy ją pionowo, to stosując regułę lewej ręki do górnej i dolnej strony cewki, otrzymamy, że siły elektromagnetyczne F działanie na nie będzie skierowane w różnych kierunkach. W wyniku działania tych dwóch sił powstaje moment elektromagnetyczny M, który powoduje obrót cewki w w tym przypadku zgodnie ze wskazówkami zegara. Ten moment
gdzie D jest odległością między bokami cewki.
Cewka będzie się obracać w polu magnetycznym, aż zajmie położenie prostopadłe do linii pola magnetycznego (ryc. 50, b). W tej pozycji przez cewkę przejdzie największy strumień magnetyczny. W rezultacie cewka lub cewka z prądem wprowadzonym do zewnętrznego pola magnetycznego zawsze ma tendencję do przyjmowania takiego położenia, że przez cewkę przepływa największy możliwy strumień magnetyczny.
Moment magnetyczny, magnetyczny moment dipolowy- główna wielkość charakteryzująca właściwości magnetyczne substancji (źródło magnetyzmu wg teoria klasyczna zjawiska elektromagnetyczne to makro- i mikroprądy elektryczne; Za elementarne źródło magnetyzmu uważa się prąd zamknięty). Cząstki elementarne mają moment magnetyczny, jądra atomowe, powłoki elektroniczne atomów i cząsteczek. Moment magnetyczny cząstki elementarne(elektrony, protony, neutrony i inne), jak pokazała mechanika kwantowa, wynika z istnienia ich własnego momentu mechanicznego – spinu.
30. Strumień magnetyczny - wielkość fizyczna, równa gęstości strumienia linii pola przechodzących przez nieskończenie mały obszar dS. Przepływ F w jako całka wektora indukcji magnetycznej W przez skończoną powierzchnię S Wyznaczane poprzez całkę po powierzchni.
31. Praca polegająca na poruszaniu się przewodnika z prądem w polu magnetycznym
Rozważmy obwód przewodzący prąd utworzony przez nieruchome druty i przesuwającą się po nich ruchomą zworkę o długości l (ryc. 2.17). Obwód ten znajduje się w zewnętrznym jednolitym polu magnetycznym prostopadłym do płaszczyzny obwodu.
Na element prądowy I (ruchomy drut) o długości l działa siła amperowa skierowana w prawo:
Niech przewodnik l porusza się równolegle do siebie na odległość dx. Spowoduje to następujące czynności:
dA=Fdx=IBldx=IBdS=IdФ
Praca wykonana przez przewodnik nad poruszającym się prądem jest liczbowo równa iloczynowi prądu i strumienia magnetycznego przepływającego przez ten przewodnik.
Wzór pozostaje ważny, jeśli przewodnik o dowolnym kształcie porusza się pod dowolnym kątem do linii wektora indukcji magnetycznej.
32. Magnetyzacja materii . Magnesy trwałe mogą być wykonane ze stosunkowo niewielkiej liczby substancji, ale wszystkie substancje umieszczone w polu magnetycznym ulegają namagnesowaniu, czyli same stają się źródłami pola magnetycznego. W rezultacie wektor indukcji magnetycznej w obecności materii różni się od wektora indukcji magnetycznej w próżni.
Na moment magnetyczny atomu składają się momenty orbitalne i wewnętrzne elektronów wchodzących w jego skład, a także moment magnetyczny jądra (określany momentami magnetycznymi cząstek elementarnych wchodzących w skład jądra - protonów i neutrony). Moment magnetyczny jądra jest znacznie mniejszy niż momenty elektronów; dlatego też przy rozważaniu wielu zagadnień można go pominąć i przyjąć, że moment magnetyczny atomu jest równy sumie wektorowej momentów magnetycznych elektronów. Można również wziąć pod uwagę moment magnetyczny cząsteczki równa kwocie momenty magnetyczne elektronów wchodzących w jego skład.
Zatem atom jest złożonym układem magnetycznym, a moment magnetyczny atomu jako całości jest równy sumie wektorowej momentów magnetycznych wszystkich elektronów
Magnetyzm i nazywane są substancjami, które można namagnesować w zewnętrznym polu magnetycznym, tj. zdolne do wytwarzania własnego pola magnetycznego. Pole wewnętrzne substancji zależy od właściwości magnetycznych ich atomów. W tym sensie magnesy są magnetycznymi analogami dielektryków.
Według klasycznych koncepcji atom składa się z elektronów poruszających się po orbitach wokół dodatnio naładowanego jądra, które z kolei składa się z protonów i neutronów.
Wszystkie substancje są magnetyczne, tj. wszystkie substancje są namagnesowane w zewnętrznym polu magnetycznym, ale charakter i stopień namagnesowania są różne. W zależności od tego wszystkie magnesy dzielą się na trzy typy: 1) diamagnetyczne; 2) materiały paramagnetyczne; 3) ferromagnetyki.
Diamagnetyki. - zalicza się do nich wiele metali (np. miedź, cynk, srebro, rtęć, bizmut), większość gazów, fosfor, siarka, kwarc, woda, zdecydowana większość związki organiczne itp.
Diamagnetyki charakteryzują się następującymi właściwościami:
2) własne pole magnetyczne jest skierowane przeciwko zewnętrznemu i nieznacznie je osłabia (m<1);
3) nie ma magnetyzmu szczątkowego (własne pole magnetyczne diamagnetyku zanika po usunięciu pola zewnętrznego).
Dwie pierwsze właściwości wskazują, że względna przenikalność magnetyczna m materiałów diamagnetycznych jest tylko nieco mniejsza niż 1. Na przykład najsilniejszy z materiałów diamagnetycznych, bizmut, ma m = 0,999824.
Paramagnetyki- Należą do nich metale alkaliczne i ziem alkalicznych, aluminium, wolfram, platyna, tlen itp.
Materiały paramagnetyczne charakteryzują się następującymi właściwościami:
1) bardzo słabe namagnesowanie w zewnętrznym polu magnetycznym;
2) własne pole magnetyczne jest kierowane wzdłuż zewnętrznego i nieznacznie je wzmacnia (m>1);
3) nie ma magnetyzmu szczątkowego.
Z dwóch pierwszych właściwości wynika, że wartość m jest tylko nieznacznie większa od 1. Przykładowo dla jednego z najsilniejszych paramagnetyków – platyny – względna przenikalność magnetyczna m = 1,00036.
33.Ferromagnetyki - Należą do nich żelazo, nikiel, kobalt, gadolin, ich stopy i związki, a także niektóre stopy i związki manganu i chromu z pierwiastkami nieferromagnetycznymi. Wszystkie te substancje mają właściwości ferromagnetyczne tylko w stanie krystalicznym.
Ferromagnetyki charakteryzują się następującymi właściwościami:
1) bardzo silne namagnesowanie;
2) własne pole magnetyczne jest kierowane wzdłuż zewnętrznego i znacznie je wzmacnia (wartości m wahają się od kilkuset do kilkuset tysięcy);
3) względna przenikalność magnetyczna m zależy od wielkości pola magnesującego;
4) występuje magnetyzm szczątkowy.
Domena- obszar makroskopowy w krysztale magnetycznym, w którym orientacja wektora spontanicznego jednorodnego namagnesowania lub wektora antyferromagnetyzmu (odpowiednio w temperaturze poniżej punktu Curie lub Néela) w pewien ściśle uporządkowany sposób jest obracana lub przesuwana, tj. , spolaryzowany, względem kierunków odpowiedniego wektora w sąsiednich domenach.
Domeny to formacje składające się z ogromnej liczby [uporządkowanych] atomów, czasami widoczne gołym okiem (rozmiary rzędu 10−2 cm3).
Domeny występują w kryształach ferro- i antyferromagnetycznych, ferroelektrycznych i innych substancjach o spontanicznym uporządkowaniu dalekiego zasięgu.
Punkt Curie, czyli temperatura Curie,- temperatura przejścia fazowego drugiego rzędu związana z nagłą zmianą właściwości symetrii substancji (na przykład magnetyczną - w ferromagnetykach, elektryczną - w ferroelektrykach, krystaliczną chemię - w uporządkowanych stopach). Nazwany na cześć P. Curie. W temperaturze T poniżej punktu Curie Q ferromagnetyki wykazują spontaniczne namagnesowanie i pewną symetrię magnetyczno-krystaliczną. W punkcie Curie (T=Q) intensywność ruchu termicznego atomów ferromagnesu jest wystarczająca, aby zniszczyć jego spontaniczne namagnesowanie („porządek magnetyczny”) i zmienić jego symetrię, w wyniku czego ferromagnetyk staje się paramagnetyczny. Podobnie w przypadku antyferromagnetyków w T=Q (w tak zwanym antyferromagnetycznym punkcie Curie lub punkcie Néela) ich charakterystyczna struktura magnetyczna (podsieci magnetyczne) ulega zniszczeniu, a antyferromagnetyki stają się paramagnetyczne. W ferroelektrykach i antyferroelektrykach przy T=Q ruch termiczny atomów redukuje do zera spontaniczną uporządkowaną orientację dipoli elektrycznych komórek elementarnych sieci krystalicznej. W stopach uporządkowanych punkt Curie (w przypadku stopów nazywany jest także punktem.
Histereza magnetyczna obserwowane w substancjach uporządkowanych magnetycznie (w pewnym zakresie temperatur), np. w ferromagnetykach, zwykle podzielonych na domeny obszaru spontanicznego (spontanicznego) namagnesowania, w którym wielkość namagnesowania (moment magnetyczny na jednostkę objętości) jest taka sama, ale kierunki są inne.
Pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego liczba i wielkość domen namagnesowanych przez to pole wzrasta kosztem innych domen. Wektory namagnesowania poszczególnych domen mogą obracać się wzdłuż pola. W wystarczająco silnym polu magnetycznym ferromagnes zostaje namagnesowany do stanu nasycenia i składa się z jednej domeny o namagnesowaniu nasycenia JS skierowanym wzdłuż pola zewnętrznego H.
Typowa zależność namagnesowania od pola magnetycznego w przypadku histerezy
34. Pole magnetyczne Ziemi
Jak wiadomo, pole magnetyczne to szczególny rodzaj pola siłowego, które oddziałuje na ciała posiadające właściwości magnetyczne, a także poruszające się ładunki elektryczne. Do pewnego stopnia pole magnetyczne można uznać za szczególny rodzaj materii, która przekazuje informację pomiędzy ładunkami elektrycznymi a ciałami za pomocą momentu magnetycznego. Odpowiednio, ziemskie pole magnetyczne jest polem magnetycznym, które powstaje w wyniku czynników związanych z cechy funkcjonalne naszej planety. Oznacza to, że pole geomagnetyczne jest tworzone przez samą Ziemię, a nie przez źródła zewnętrzne, chociaż te ostatnie mają pewien wpływ na pole magnetyczne planety.
Zatem właściwości ziemskiego pola magnetycznego nieuchronnie zależą od cech jego pochodzenia. Główna teoria wyjaśniająca powstanie tego pola siłowego związana jest z przepływem prądów w ciekłym metalowym jądrze planety (temperatura w jądrze jest tak wysoka, że metale znajdują się w stanie ciekłym). Energia pola magnetycznego Ziemi generowana jest przez tzw. mechanizm dynama hydromagnetycznego, który wynika z wielokierunkowości i asymetrii prądów elektrycznych. Generują wzmożone wyładowania elektryczne, co prowadzi do uwolnienia energii cieplnej i pojawienia się nowych pól magnetycznych. Co ciekawe, mechanizm dynama hydromagnetycznego ma zdolność „samowzbudzania”, co oznacza, że aktywna aktywność elektryczna w jądrze Ziemi stale generuje pole geomagnetyczne bez wpływu zewnętrznego.
35.Namagnesowanie - wektorowa wielkość fizyczna charakteryzująca stan magnetyczny makroskopowego ciała fizycznego. Zwykle oznacza się go M. Definiuje się go jako moment magnetyczny jednostkowej objętości substancji:
Tutaj M jest wektorem namagnesowania; - wektor momentu magnetycznego; V - objętość.
W przypadek ogólny(w przypadku niejednorodnego, z tego czy innego powodu, ośrodka) namagnesowanie wyraża się jako
i jest funkcją współrzędnych. Gdzie jest całkowity moment magnetyczny cząsteczek w objętości dV Zależność pomiędzy M a natężeniem pola magnetycznego H w materiałach diamagnetycznych i paramagnetycznych jest zwykle liniowa (przynajmniej wtedy, gdy pole magnesujące nie jest zbyt duże):
gdzie χm nazywa się podatnością magnetyczną. W materiałach ferromagnetycznych nie ma jednoznacznej zależności pomiędzy M i H ze względu na histerezę magnetyczną, a do opisu tej zależności wykorzystuje się tensor podatności magnetycznej.
Siła pola magnetycznego(oznaczenie standardowe H) jest wektorową wielkością fizyczną równą różnicy między wektorem indukcji magnetycznej B i wektorem namagnesowania M.
W System międzynarodowy jednostki (SI): H = (1/µ 0)B - M gdzie µ 0 to stała magnetyczna.
Przepuszczalność magnetyczna- wielkość fizyczna, współczynnik (zależny od właściwości ośrodka) charakteryzujący związek pomiędzy indukcją magnetyczną B a natężeniem pola magnetycznego H w substancji. Współczynnik ten jest inny dla różnych ośrodków, dlatego mówią o przenikalności magnetycznej konkretnego ośrodka (czyli jego składzie, stanie, temperaturze itp.).
Zwykle oznaczane grecką literą µ. Może to być skalar (dla substancji izotropowych) lub tensor (dla substancji anizotropowych).
Ogólnie rzecz biorąc, związek między indukcją magnetyczną a natężeniem pola magnetycznego poprzez przenikalność magnetyczną wprowadza się jako
iw ogólnym przypadku należy go rozumieć jako tensor, który odpowiada w notacji składowej
Na każdy ładunek w polu elektrycznym przypada siła, która może go poruszyć. Wyznacz pracę A przemieszczania punktowego ładunku dodatniego q z punktu O do punktu n, wykonaną przez siły pola elektrycznego ładunku ujemnego Q. Zgodnie z prawem Coulomba siła przemieszczająca ładunek jest zmienna i równa
Gdzie r jest zmienną odległością pomiędzy ładunkami.
. Wyrażenie to można uzyskać w następujący sposób:
Wielkość ta reprezentuje energię potencjalną W p ładunku w danym punkcie pola elektrycznego:
Znak (-) wskazuje, że gdy ładunek porusza się w polu, jego energia potencjalna maleje, zamieniając się w pracę ruchu.
Wartość równa energii potencjalnej jednostkowego ładunku dodatniego (q = +1) nazywana jest potencjałem pola elektrycznego.
Następnie 
. Dla q = +1.
Zatem różnica potencjałów między dwoma punktami pola jest równa pracy sił pola potrzebnych do przeniesienia jednostkowego ładunku dodatniego z jednego punktu do drugiego.
Potencjał punktu pola elektrycznego jest równy pracy wykonanej podczas przemieszczania jednostkowego ładunku dodatniego z danego punktu do nieskończoności: . Jednostka miary - Volt = J/C.
Praca przemieszczania ładunku w polu elektrycznym nie zależy od kształtu toru, lecz zależy jedynie od różnicy potencjałów pomiędzy punktem początkowym i końcowym toru.
Powierzchnię we wszystkich punktach, której potencjał jest taki sam, nazywamy ekwipotencjalną.
Natężenie pola jest jego charakterystyką mocy, a potencjał jest jego charakterystyką energetyczną.
Zależność pomiędzy natężeniem pola a jego potencjałem wyraża wzór
,
znak (-) wynika z faktu, że natężenie pola jest skierowane w stronę potencjału malejącego i w kierunku potencjału rosnącego.
5. Zastosowanie pól elektrycznych w medycynie.
Franklinizacja, lub „prysznic elektrostatyczny” to metoda terapeutyczna, podczas której ciało pacjenta lub jego określone części poddawane są działaniu stałego pola elektrycznego o wysokim napięciu.
Stałe pole elektryczne podczas ogólnej procedury narażenia może osiągnąć 50 kV, przy wpływ lokalny 15 – 20 kV.
Mechanizm działania terapeutycznego. Zabieg franklinizacji przeprowadza się w taki sposób, że głowa pacjenta lub inna część ciała staje się jedną z płytek kondensatora, natomiast druga jest elektrodą zawieszoną nad głową lub zainstalowaną nad miejscem naświetlania w odległości 6 - 10cm. Pod wpływem wysokiego napięcia pod końcówkami igieł przymocowanych do elektrody następuje jonizacja powietrza z utworzeniem jonów powietrza, ozonu i tlenków azotu.
Wdychanie ozonu i jonów powietrza powoduje reakcję w sieci naczyniowej. Po krótkotrwałym skurczu naczyń krwionośnych naczynia włosowate rozszerzają się nie tylko w tkankach powierzchownych, ale także głębokich. W rezultacie usprawniane są procesy metaboliczne i troficzne, a w przypadku uszkodzenia tkanek pobudzane są procesy regeneracji i przywracania funkcji.
W wyniku poprawy krążenia krwi następuje normalizacja procesy metaboliczne i funkcjonowanie nerwów, następuje zmniejszenie bólów głowy, nasilenie ciśnienie krwi, zwiększony ton naczyniowy, zmniejszona częstość akcji serca.
Wskazane jest stosowanie franklinizacji zaburzenia funkcjonalne system nerwowy
Przykłady rozwiązywania problemów
1. Gdy działa aparat franklinizujący, w 1 cm3 powietrza co sekundę powstaje 500 000 lekkich jonów powietrza. Wyznacz pracę jonizacji potrzebną do wytworzenia takiej samej ilości jonów powietrza w 225 cm 3 powietrza podczas jednego zabiegu (15 min). Zakłada się, że potencjał jonizacji cząsteczek powietrza wynosi 13,54 V, a powietrze jest umownie uważane za gaz jednorodny.
- potencjał jonizacji, A - praca jonizacyjna, N - liczba elektronów.
2. Podczas obróbki natryskiem elektrostatycznym na elektrody maszyny elektrycznej przykładana jest różnica potencjałów 100 kV. Określ, ile ładunku przepływa pomiędzy elektrodami podczas jednego zabiegu zabiegowego, jeśli wiadomo, że siły pola elektrycznego wykonują pracę 1800 J.
Stąd 
Dipol elektryczny w medycynie
Według teorii Einthovena, która leży u podstaw elektrokardiografii, serce jest Dipole elektryczne, znajdujący się w środku trójkąta równobocznego (trójkąta Einthovena), którego wierzchołki można umownie rozważyć 
położony w prawa ręka, lewe ramię i lewa noga.
Podczas cykl serca zmienia się zarówno położenie dipola w przestrzeni, jak i moment dipolowy. Pomiar różnicy potencjałów między wierzchołkami trójkąta Einthovena pozwala nam określić zależność pomiędzy rzutami momentu dipolowego serca na boki trójkąta w następujący sposób:
Znając napięcia U AB, U BC, U AC, można określić, w jaki sposób dipol jest zorientowany względem boków trójkąta.
W elektrokardiografii różnica potencjałów między dwoma punktami na ciele (w tym przypadku między wierzchołkami trójkąta Einthovena) nazywana jest odprowadzeniem.
Rejestracja różnicy potencjałów w odprowadzeniach w zależności od czasu nazywa się elektrokardiogram.
Nazywa się geometryczne położenie punktów końcowych wektora momentu dipolowego podczas cyklu serca kardiogram wektorowy.
Wykład nr 4
Zjawiska kontaktowe
1. Różnica potencjałów kontaktowych. Prawa Volty.
2. Termoelektryczność.
3. Termopara, jej zastosowanie w medycynie.
4. Potencjał spoczynkowy. Potencjał czynnościowy i jego rozkład.
- Kontaktowa różnica potencjałów. Prawa Volty.
Kiedy różne metale wchodzą w bliski kontakt, powstaje między nimi różnica potencjałów, zależna tylko od ich skład chemiczny i temperatura (pierwsze prawo Volty). Ta różnica potencjałów nazywa się kontaktem.
Aby opuścić metal i przedostać się do otoczenia, elektron musi wykonać pracę wbrew siłom przyciągania metalu. Praca ta nazywana jest funkcją pracy elektronu opuszczającego metal.
Zetknijmy dwa różne metale 1 i 2, posiadające funkcję pracy odpowiednio A 1 i A 2 oraz 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 >1). W konsekwencji, poprzez kontakt metali, wolne elektrony są „przepompowywane” z pierwszego metalu do drugiego, w wyniku czego pierwszy metal jest naładowany dodatnio, drugi - ujemnie. Powstała w tym przypadku różnica potencjałów tworzy pole elektryczne o natężeniu E, które utrudnia dalsze „pompowanie” elektronów i całkowicie ustanie, gdy praca przemieszczania elektronu na skutek różnicy potencjałów kontaktowych zrówna się z różnicą potencjałów funkcje pracy:
(1)
Zetknijmy teraz dwa metale z A 1 = A 2, posiadające różne stężenia wolnych elektronów n 01 > n 02. Następnie rozpocznie się preferencyjny transfer wolnych elektronów z pierwszego metalu do drugiego. W rezultacie pierwszy metal zostanie naładowany dodatnio, drugi - ujemnie. Pomiędzy metalami powstanie różnica potencjałów, która zatrzyma dalszy transfer elektronów. Wynikową różnicę potencjałów określa się za pomocą wyrażenia:
, (2)
gdzie k jest stałą Boltzmanna.
W ogólnym przypadku kontaktu metali różniących się zarówno pracą wyjścia, jak i stężeniem wolnych elektronów, cr.r.p. z (1) i (2) będzie równe:
(3)
Łatwo wykazać, że suma różnic potencjałów stykowych przewodów połączonych szeregowo jest równa różnicy potencjałów stykowych utworzonych przez przewody końcowe i nie zależy od przewodów pośrednich:
Stanowisko to nazywa się drugim prawem Volty.
Jeśli teraz bezpośrednio połączymy przewody końcowe, wówczas istniejąca między nimi różnica potencjałów zostanie kompensowana przez równą różnicę potencjałów, która powstaje na stykach 1 i 4. Dlatego c.r.p. nie wytwarza prądu w obwodzie zamkniętym składającym się z metalowych przewodników o tej samej temperaturze.
2. Termoelektryczność jest zależnością różnicy potencjałów stykowych od temperatury.
Zróbmy obwód zamknięty z dwóch różnych metalowych przewodników 1 i 2.
Temperatury styków a i b będą utrzymywane w różnych temperaturach T a > T b . Następnie zgodnie ze wzorem (3) c.r.p. w gorącym złączu więcej niż w zimnym złączu: . W efekcie pomiędzy złączami a i b powstaje różnica potencjałów, zwana siłą termoelektromotoryczną, a w obwodzie zamkniętym będzie płynął prąd I. Korzystając ze wzoru (3) otrzymujemy
Gdzie 
dla każdej pary metali.
- Termopara, jej zastosowanie w medycynie.
Nazywa się obwód zamknięty przewodników, w którym wytwarza się prąd w wyniku różnic temperatur styków między przewodnikami termoelement.
Ze wzoru (4) wynika, że siła termoelektromotoryczna termopary jest proporcjonalna do różnicy temperatur złączy (styków).
Wzór (4) obowiązuje także dla temperatur w skali Celsjusza:
Termopara może mierzyć jedynie różnice temperatur. Zwykle jedno złącze utrzymuje się w temperaturze 0°C. Nazywa się to zimnym złączem. Drugie złącze nazywane jest złączem gorącym lub pomiarowym.
Termopara ma znaczną przewagę nad termometrami rtęciowymi: jest czuła, pozbawiona bezwładności, umożliwia pomiar temperatury małych obiektów oraz umożliwia zdalne pomiary.
Pomiar profilu pola temperatury ciała ludzkiego.
Uważa się, że temperatura ciała człowieka jest stała, ale ta stałość jest względna, ponieważ w różnych częściach ciała temperatura nie jest taka sama i zmienia się w zależności od stan funkcjonalny ciało.
Temperatura skóry ma swoją własną, dobrze określoną topografię. Mają najniższą temperaturę (23-30°C) odcinki dystalne kończyny, czubek nosa, uszy. Najbardziej ciepło- V obszar pachowy, w kroczu, szyi, ustach, policzkach. Pozostałe obszary mają temperaturę 31 - 33,5 ºС.
U zdrowa osoba Rozkład temperatury jest symetryczny względem linii środkowej ciała. Naruszenie tej symetrii służy jako główne kryterium diagnozowania chorób poprzez konstruowanie profilu pola temperaturowego za pomocą urządzeń kontaktowych: termopary i termometru oporowego.
4. Potencjał spoczynkowy. Potencjał czynnościowy i jego rozkład.
Błona powierzchniowa komórki nie jest jednakowo przepuszczalna dla różnych jonów. Ponadto stężenie poszczególnych jonów jest różne po różnych stronach membrany, a najkorzystniejszy skład jonów utrzymuje się wewnątrz ogniwa. Czynniki te prowadzą do pojawienia się w normalnie funkcjonującej komórce różnicy potencjałów między cytoplazmą a środowisko(potencjał spoczynkowy)
Po wzbudzeniu zmienia się różnica potencjałów między komórką a otoczeniem, powstaje potencjał czynnościowy, który rozprzestrzenia się we włóknach nerwowych.
Mechanizm propagacji potencjału czynnościowego wzdłuż włókna nerwowego rozważa się analogicznie do propagacji fala elektromagnetyczna poprzez linię dwuprzewodową. Jednak wraz z tą analogią istnieją także zasadnicze różnice.
Fala elektromagnetyczna rozchodząca się w ośrodku słabnie wraz z rozproszeniem swojej energii, zamieniając się w energię ruchu molekularno-termicznego. Źródłem energii fali elektromagnetycznej jest jej źródło: generator, iskra itp.
Fala wzbudzenia nie zanika, ponieważ otrzymuje energię z samego ośrodka, w którym się rozchodzi (energia naładowanej membrany).
Zatem propagacja potencjału czynnościowego wzdłuż włókna nerwowego zachodzi w postaci fali automatycznej. Aktywnym środowiskiem są pobudliwe komórki.
Przykłady rozwiązywania problemów
1. Konstruując profil pola temperaturowego powierzchni ciała ludzkiego, stosuje się termoparę o rezystancji r 1 = 4 omów i galwanometr o rezystancji r 2 = 80 omów; I=26 µA przy różnicy temperatur złącza °С. Jaka jest stała termopary?
Moc termoelektryczna powstająca w termoparze jest równa , gdzie termopary to różnica temperatur pomiędzy złączami.
Zgodnie z prawem Ohma dla części obwodu, w której U przyjmuje się jako . Następnie
Wykład nr 5
Elektromagnetyzm
1. Natura magnetyzmu.
2. Oddziaływanie magnetyczne prądów w próżni. Prawo Ampera.
4. Substancje dia-, para- i ferromagnetyczne. Przepuszczalność magnetyczna i indukcja magnetyczna.
5. Właściwości magnetyczne tkanek organizmu.
1. Natura magnetyzmu.
Wokół poruszających się ładunków elektrycznych (prądów) powstaje pole magnetyczne, poprzez które ładunki te oddziałują z magnetycznymi lub innymi poruszającymi się ładunkami elektrycznymi.
Pole magnetyczne jest polem siłowym i jest reprezentowane przez linie magnetyczne siły. W przeciwieństwie do linii pola elektrycznego, linie pola magnetycznego są zawsze zamknięte.
Właściwości magnetyczne substancji wynikają z elementarnych prądów kołowych w atomach i cząsteczkach tej substancji.
2 . Oddziaływanie magnetyczne prądów w próżni. Prawo Ampera.
Magnetyczne oddziaływanie prądów badano za pomocą obwodów z ruchomym drutem. Ampere ustalił, że wielkość siły oddziaływania między dwoma małymi odcinkami przewodów 1 i 2 z prądami jest proporcjonalna do długości tych odcinków, mocy prądu I 1 i I 2 w nich i jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości r pomiędzy sekcjami:
Okazało się, że siła oddziaływania pierwszego odcinka na drugi zależy od ich względnego położenia i jest proporcjonalna do sinusów kątów i .
gdzie jest kątem pomiędzy i wektorem promienia r 12 łączącym się z, oraz jest kątem pomiędzy i normalną n do płaszczyzny Q zawierającej przekrój i wektor promienia r 12.
Łącząc (1) i (2) oraz wprowadzając współczynnik proporcjonalności k, otrzymujemy matematyczny wyraz prawa Ampera:
(3)
Kierunek siły jest również określony przez regułę świdra: pokrywa się z kierunkiem ruchu translacyjnego świdra, którego uchwyt obraca się od normalnego n 1.
Element prądowy to wektor równy iloczynowi Idl nieskończenie małego odcinka długości dl przewodnika i natężenia prądu I w nim i skierowany wzdłuż tego prądu. Następnie przechodząc (3) od małego do nieskończenie małego dl, możemy zapisać prawo Ampera forma różnicowa:
. (4)
Współczynnik k można przedstawić jako
gdzie jest stała magnetyczna (lub przenikalność magnetyczna próżni).
Wartość racjonalizacji uwzględniająca (5) i (4) zostanie zapisana w formularzu
. (6)
3 . Siła pola magnetycznego. Wzór Ampera. Prawo Biota-Savarta-Laplace'a.
Ponieważ prądy elektryczne oddziałują ze sobą poprzez swoje pola magnetyczne, na podstawie tego oddziaływania można ustalić ilościową charakterystykę pola magnetycznego - prawo Ampera. W tym celu dzielimy przewodnik l z prądem I na wiele elementarnych odcinków dl. Tworzy pole w przestrzeni.
W punkcie O tego pola, położonym w odległości r od dl, umieszczamy I 0 dl 0. Wtedy zgodnie z prawem Ampera (6) na ten element będzie działać siła
(7)
gdzie jest kątem pomiędzy kierunkiem prądu I w odcinku dl (tworzącym pole) a kierunkiem wektora promienia r oraz jest kątem pomiędzy kierunkiem prądu I 0 dl 0 a normalną n do płaszczyzny Q zawierającej dl i r.
We wzorze (7) wybieramy część niezależną od aktualnego elementu I 0 dl 0, oznaczając ją przez dH:
Prawo Biota-Savarta-Laplace'a (8)
Wartość dH zależy tylko od aktualnego elementu Idl, który wytwarza pole magnetyczne, oraz od położenia punktu O.
Wartość dH jest ilościową charakterystyką pola magnetycznego i nazywana jest natężeniem pola magnetycznego. Podstawiając (8) do (7) otrzymujemy
gdzie jest kątem między kierunkiem prądu I 0 a polem magnetycznym dH. Wzór (9) nazywany jest wzorem Ampera i wyraża zależność siły, z jaką pole magnetyczne działa na znajdujący się w nim element prądowy I 0 dl 0, od siły tego pola. Siła ta leży w płaszczyźnie Q prostopadłej do dl 0. Jego kierunek wyznacza „reguła lewej ręki”.
Zakładając =90° w (9), otrzymujemy:
Te. Natężenie pola magnetycznego jest skierowane stycznie do linii pola i jest równe stosunkowi siły, z jaką pole działa na element prądu jednostkowego, do stałej magnetycznej.
4 . Substancje diamagnetyczne, paramagnetyczne i ferromagnetyczne. Przepuszczalność magnetyczna i indukcja magnetyczna.
Wszystkie substancje umieszczone w polu magnetycznym uzyskują właściwości magnetyczne, tj. są namagnesowane i dlatego zmieniają pole zewnętrzne. W tym przypadku niektóre substancje osłabiają pole zewnętrzne, inne je wzmacniają. Pierwsze z nich to tzw diamagnetyczny, drugi - paramagnetyczny Substancje. Wśród substancji paramagnetycznych ostro wyróżnia się grupa substancji powodujących bardzo duży wzrost pola zewnętrznego. Ten ferromagnetyki.
Diamagnetyki- fosfor, siarka, złoto, srebro, miedź, woda, związki organiczne.
Paramagnetyki- tlen, azot, aluminium, wolfram, platyna, metale alkaliczne i metale ziem alkalicznych.
Ferromagnetyki– żelazo, nikiel, kobalt i ich stopy.
Suma geometryczna orbitalne i spinowe momenty magnetyczne elektronów oraz wewnętrzny moment magnetyczny jądra tworzą moment magnetyczny atomu (cząsteczki) substancji.
W materiałach diamagnetycznych całkowity moment magnetyczny atomu (cząsteczki) wynosi zero, ponieważ momenty magnetyczne znoszą się wzajemnie. Jednakże pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego w tych atomach indukowany jest moment magnetyczny, skierowany przeciwnie do pola zewnętrznego. W rezultacie ośrodek diamagnetyczny ulega namagnesowaniu i wytwarza własne pole magnetyczne, skierowane przeciwnie do zewnętrznego i osłabiając je.
Indukowane momenty magnetyczne atomów diamagnetycznych zachowują się tak długo, jak długo istnieje zewnętrzne pole magnetyczne. Po wyeliminowaniu pola zewnętrznego indukowane momenty magnetyczne atomów zanikają, a materiał diamagnetyczny ulega rozmagnesowaniu.
W atomach paramagnetycznych momenty orbitalne, spinowe i jądrowe nie kompensują się wzajemnie. Jednak atomowe momenty magnetyczne są ułożone losowo, więc ośrodek paramagnetyczny nie wykazuje właściwości magnetycznych. Pole zewnętrzne wiruje atomy paramagnetyczne w taki sposób, że ich momenty magnetyczne ustalają się głównie w kierunku pola. W rezultacie materiał paramagnetyczny ulega namagnesowaniu i wytwarza własne pole magnetyczne, zbiegając się z polem zewnętrznym i wzmacniając je.
(4), gdzie jest absolutną przenikalnością magnetyczną ośrodka. W próżni =1, , i
W ferromagnetykach występują obszary (~10 -2 cm) o identycznie zorientowanych momentach magnetycznych ich atomów. Jednakże orientacja samych domen jest zróżnicowana. Dlatego przy braku zewnętrznego pola magnetycznego ferromagnes nie jest namagnesowany.
Wraz z pojawieniem się pola zewnętrznego domeny zorientowane w kierunku tego pola zaczynają zwiększać swoją objętość, ponieważ sąsiednie domeny mają różne orientacje momentu magnetycznego; ferromagnetyk zostaje namagnesowany. Przy wystarczająco silnym polu wszystkie domeny zostają przeorientowane wzdłuż pola, a ferromagnes zostaje szybko namagnesowany do stanu nasycenia.
Po wyeliminowaniu pola zewnętrznego ferromagnes nie ulega całkowitemu rozmagnesowaniu, ale zachowuje resztkową indukcję magnetyczną, ponieważ ruch termiczny nie może zdezorientować domen. Rozmagnesowanie można osiągnąć poprzez ogrzewanie, wstrząsanie lub zastosowanie odwróconego pola.
W temperaturze równej punktowi Curie ruch termiczny może dezorientować atomy w domenach, w wyniku czego ferromagnetyk zamienia się w paramagnet.
Strumień indukcji magnetycznej przez pewną powierzchnię S jest równy liczbie linii indukcyjnych przechodzących przez tę powierzchnię:
(5)
Jednostka miary B – Tesla, F-Weber.
Wzór na funkcję pracy elektronu
Metale zawierają elektrony przewodzące, które tworzą gaz elektronowy i uczestniczą w ruchu termicznym. Ponieważ elektrony przewodzące są utrzymywane wewnątrz metalu, dlatego w pobliżu powierzchni działają siły działające na elektrony i skierowane w metal. Aby elektron opuścił metal poza jego granice, należy wykonać pewną pracę A przeciwko tym siłom, co nazywa się funkcja pracy elektronu zrobiony z metalu. Ta praca jest oczywiście inna dla różnych metali.
Energia potencjalna elektronu wewnątrz metalu jest stała i równa:
W p = -eφ , gdzie j jest potencjałem pola elektrycznego wewnątrz metalu.
Kiedy elektron przechodzi przez powierzchniową warstwę elektronów, energia potencjalna szybko maleje o funkcję pracy i osiąga zero na zewnątrz metalu. Rozkład energii elektronów wewnątrz metalu można przedstawić jako studnię potencjału.
W omówionej powyżej interpretacji funkcja pracy elektronu jest równa głębokości studni potencjału, tj.
Aout = eφ
Wynik ten jest zgodny z klasyczną elektronową teorią metali, która zakłada, że prędkość elektronów w metalu jest zgodna z prawem rozkładu Maxwella i wynosi zero w temperaturze zera absolutnego. Jednak w rzeczywistości elektrony przewodnictwa podlegają statystyce kwantowej Fermiego-Diraca, zgodnie z którą przy zera absolutnym prędkość elektronów i, odpowiednio, ich energia są niezerowe.
Maksymalna wartość energii, jaką mają elektrony w temperaturze zera absolutnego, nazywana jest energią Fermiego EF. Kwantowa teoria przewodnictwa metali, oparta na tych statystykach, daje inną interpretację funkcji pracy. Funkcja pracy elektronu z metalu jest równa różnicy między wysokością bariery potencjału eφ a energią Fermiego.
A out = eφ" - E F
gdzie φ” jest średnią wartością potencjału pola elektrycznego wewnątrz metalu.
Tabela funkcji pracy elektronów z substancji prostych
W tabeli przedstawiono wartości funkcji pracy elektronów dla próbek polikrystalicznych, których powierzchnia jest oczyszczana w próżni poprzez kalcynację lub obróbkę mechaniczną. W nawiasach podano dane o niewystarczającej wiarygodności.
|
Substancja |
Formuła substancji |
Funkcja pracy elektronu (W, eV) |
|
aluminium |
||
|
beryl |
||
|
węgiel (grafit) |
||
|
german |
||
|
mangan |
||
|
molibden |
||
|
paladium |
||
|
prazeodym |
||
|
cyna (forma γ) |
||
|
cyna (forma β) |
||
|
stront |
||
|
wolfram |
||
|
cyrkon |
Czym właściwie jest napięcie? Jest to sposób opisu i pomiaru natężenia pola elektrycznego. Samo napięcie nie może istnieć bez pola elektronowego wokół ładunków dodatnich i ujemnych. Podobnie jak pole magnetyczne otacza biegun północny i południowy.
Przez nowoczesne koncepcje, elektrony nie wpływają na siebie. Pole elektryczne to coś, co pochodzi od jednego ładunku, a jego obecność można wyczuć przez inny.
To samo można powiedzieć o pojęciu napięcia! Pomaga nam to tylko wyobrazić sobie, jak mogłoby wyglądać pole elektryczne. Szczerze mówiąc, nie ma kształtu, rozmiaru ani nic takiego. Ale pole działa z pewną siłą na elektrony.
Siły i ich działanie na cząstkę naładowaną
Na naładowany elektron działa siła o pewnym przyspieszeniu, która powoduje, że porusza się coraz szybciej. Siła ta faktycznie porusza elektron.
Linie siły to wyimaginowane kształty pojawiające się wokół ładunków (wyznaczanych przez pole elektryczne) i jeśli umieścimy jakikolwiek ładunek w tym obszarze, zadziała na niego siła.
Właściwości linii energetycznych:
- podróżować z północy na południe;
- nie mają wzajemnych przecięć.
Dlaczego te dwie linie sił nie przecinają się? Ponieważ to się nie zdarza prawdziwe życie. Mówi się o modelu fizycznym i niczym więcej. Fizycy wymyślili go, aby opisać zachowanie i charakterystykę pola elektrycznego. Modelka jest w tym bardzo dobra. Ale pamiętając, że to tylko model, musimy wiedzieć, dlaczego takie linie są potrzebne.
Linie pola pokazują:
- kierunki pól elektrycznych;
- napięcie. Im bliżej linii, tym większe natężenie pola i odwrotnie.
Jeśli narysowane linie sił naszego modelu przetną się, odległość między nimi stanie się nieskończenie mała. Ze względu na siłę pola jako formy energii i dlatego prawa podstawowe fizyka, to niemożliwe.
Co to jest potencjał?
Potencjał to energia zużyta na przemieszczenie naładowanej cząstki z pierwszego punktu, który ma potencjał zerowy, do drugiego punktu.
Różnica potencjałów między punktami A i B to praca wykonana przez siły, aby przesunąć pewien dodatni elektron po dowolnej drodze z A do B.
Im większy potencjał elektronu, tym większa gęstość strumienia na jednostkę powierzchni. Zjawisko to jest podobne do grawitacji. Im większa masa, tym większy potencjał, tym intensywniejsze i gęstsze jest pole grawitacyjne na jednostkę powierzchni.
Na poniższym rysunku pokazano niewielki ładunek o niskim potencjale i zmniejszonej gęstości strumienia.
A poniżej znajduje się ładunek o wysokim potencjale i gęstości strumienia.
Na przykład: podczas burzy elektrony są wyczerpywane w jednym miejscu i gromadzone w innym, tworząc pole elektryczne. Kiedy siła jest wystarczająca do przełamania stałej dielektrycznej, następuje uderzenie pioruna (składającego się z elektronów). Gdy różnica potencjałów zostanie wyrównana, pole elektryczne ulega zniszczeniu.
Pole elektrostatyczne
Jest to rodzaj stałego w czasie pola elektrycznego, utworzonego przez nieruchome ładunki. Praca poruszania się elektronu jest określona przez zależności,
gdzie r1 i r2 są odległościami ładunku q od punktów początkowych i końcowych trajektorii ruchu. Z otrzymanego wzoru widać, że praca wykonana podczas przemieszczania ładunku z punktu do punktu nie zależy od trajektorii, ale zależy jedynie od początku i końca ruchu.
Na każdy elektron działa siła, dlatego też, gdy elektron porusza się w polu, wykonywana jest określona praca.
W polu elektrostatycznym praca zależy tylko od końcowych punktów ruchu, a nie od trajektorii. Dlatego gdy ruch odbywa się po zamkniętej pętli, ładunek powraca do pierwotnego położenia, a ilość pracy staje się równa zeru. Dzieje się tak, ponieważ spadek potencjału wynosi zero (ponieważ elektron powraca do tego samego punktu). Ponieważ różnica potencjałów wynosi zero, praca netto również będzie wynosić zero, ponieważ potencjał opadania jest równy pracy podzielonej przez wartość ładunku wyrażoną w kulombach.
O jednolitym polu elektrycznym
Pole elektryczne pomiędzy dwiema przeciwnie naładowanymi płaskimi płytkami metalowymi, gdzie linie napięcia są do siebie równoległe, nazywa się jednorodnym.
Dlaczego siła działająca na ładunek w takim polu jest zawsze taka sama? Dzięki symetrii. Kiedy układ jest symetryczny i występuje tylko jedna zmienność pomiaru, wszelkie zależności znikają. Istnieje wiele innych podstawowych powodów odpowiedzi, ale współczynnik symetrii jest najprostszy.
Praca polegająca na przemieszczaniu ładunku dodatniego
Pole elektryczne– jest to przepływ elektronów od „+” do „-”, prowadzący do powstania wysokiego napięcia w regionie.
Przepływ jest liczbą linii pola elektrycznego przechodzących przez niego. W jakim kierunku będą się poruszać elektrony dodatnie? Odpowiedź: w kierunku pola elektrycznego od dodatniego (wysoki potencjał) do ujemnego (niski potencjał). Dlatego dodatnio naładowana cząstka będzie poruszać się w tym kierunku.
Natężenie pola w dowolnym punkcie definiuje się jako siłę działającą na ładunek dodatni umieszczony w tym punkcie.
Zadanie polega na transporcie cząstek elektronów wzdłuż przewodnika. Zgodnie z prawem Ohma pracę można określić, korzystając z różnych odmian wzorów do przeprowadzenia obliczeń.
Z prawa zachowania energii wynika, że praca to zmiana energii na wydzielonym odcinku łańcucha. Przemieszczanie ładunku dodatniego pod pole elektryczne wymaga wykonania pracy i powoduje wzrost energii potencjalnej.
Wniosek
Z program nauczania Pamiętamy, że wokół naładowanych cząstek powstaje pole elektryczne. Na każdy ładunek w polu elektrycznym działa siła, w wyniku czego podczas ruchu ładunku zostaje wykonana pewna praca. Większy ładunek tworzy większy potencjał, który wytwarza bardziej intensywne lub silniejsze pole elektryczne. Oznacza to, że występuje większy przepływ i gęstość na jednostkę powierzchni.
Ważne jest, aby pewna siła wykonała pracę, aby przenieść ładunek z wysokiego potencjału do niskiego. Zmniejsza to różnicę ładunków pomiędzy biegunami. Przenoszenie elektronów z prądu do punktu wymaga energii.
Piszcie komentarze, uzupełnienia do artykułu, może coś przeoczyłem. Zajrzyj, będzie mi miło, jeśli znajdziesz coś jeszcze przydatnego na moim.
