Между двумя электродами возникает искровой разряд. Разряды

Если постепенно увеличивать напряжение между двумя электродами, находящимися в атмосферном воздухе и имеющими такую форму, что электрическое поле между ними не слишком сильно отличается от однородного (например, два плоских электрода с закругленными краями или два достаточно больших шара), то при некотором напряжении возникает электрическая искра. Она имеет вид ярко светящегося канала, соединяющего оба электрода, который обычно бывает сложным образом изогнут и разветвлен (см. приложение 1.2).

Электрическая искра возникает в том случае, если электрическое поле в газе достигает некоторого определенного значения Е к (критическая напряженность поля или напряженность пробоя), которая зависит от рода газа и его состояния. Для воздуха при нормальных условиях Е к 3*10 6 В/м. Чем больше расстояние между электродами, тем большее напряжение между ними необходимо для наступления искрового пробоя газа. Это напряжение называется напряжением пробоя.

Возникновение пробоя объясняется следующим образом: в газе всегда есть некоторое число ионов и электронов, возникающих от случайных причин. Однако, число их настолько мало, что газ практически не проводит электричества. При достаточно большой напряженности поля кинетическая энергия, накопленная ионом в промежутке между двумя соударениями, может сделаться достаточной, чтобы ионизировать нейтральную молекулу при соударении. В результате образуется новый отрицательный электрон и положительно заряженный остаток - ион.

Свободный электрон 1 при соударении с нейтральной молекулой расщепляет ее на электрон 2 и свободный положительный ион. Электроны 1 и 2 при дальнейшем соударении с нейтральными молекулами снова расщепляет их на электроны 3 и 4 и свободные положительные ионы, и т.д (рис. 3.2.1).

Такой процесс ионизации называют ударной ионизацией, а ту работу, которую нужно затратить, чтобы произвести отрывание электрона от атома - работой ионизации. Работа ионизации зависит от строения атома и поэтому различна для разных газов.

Образовавшиеся под влиянием ударной ионизации электроны и ионы увеличивает число зарядов в газе, причем в свою очередь они приходят в движение под действием электрического поля и могут произвести ударную ионизацию новых атомов. Таким образом, процесс усиливает сам себя, и ионизация в газе быстро достигает очень большой величины. Явление аналогично снежной лавине, поэтому этот процесс был назван ионной лавиной.

Образование ионной лавины и есть процесс искрового пробоя, а то минимальное напряжение, при котором возникает ионная лавина, есть напряжение пробоя.

Таким образом, при искровом пробое причина ионизации газа заключается в разрушении атомов и молекул при соударениях с ионами (ударная ионизация). Величина Е к увеличивается с увеличением давления. Отношение критической напряженности поля к давлению газа р для данного газа остается приблизительно постоянным в широкой области изменения давлений:

Этот закон позволяет определить Ек при разных давлениях, если известно его значение при каком-либо одном давлении.

Напряжение пробоя понижается при воздействии на газ внешнего ионизатора. Если приложить к газовому промежутку напряжение, несколько меньшее пробойного, и внести в пространство между электродами зажженную газовую горелку, то возникает искра. Такое же действие оказывает и освещение отрицательного электрода ультрафиолетовым светом, а также другие ионизаторы.

Для объяснения искрового разряда вначале казалось естественным предположить, что основными процессами в искре являются ионизация электронными ударами в объеме и ионизация положительными ионами (в объеме или на катоде). Однако впоследствии выяснилось, что эти процессы не могут объяснить многие особенности образования искры. Остановимся для примера на скорости развития искрового заряда. Если бы в искре существенную роль играла ионизация положительными ионами, то время развития искры было бы по крайней мере того же порядка, что и время перемещения положительных ионов от анода до катода. Это время легко оценить - оно оказывается порядка 10 -4 - 10 -5 с. Между тем, опыт показывает, что время ее развития на несколько порядков меньше.

Объяснение большой скорости развития искры, так же как и других особенностей этой формы разряда, дано так называемой стримерной теорией искры, в настоящее время обоснованной прямыми экспериментальными данными. Согласно этой теории, возникновению ярко светящегося канала искры предшествует появление слабо светящихся скоплений ионизированных частиц (стримеров). Пронизывая газоразрядный промежуток, стримеры образуют проводящие мостики, по которым в последующие стадии разряда и устремляются мощные потоки электронов. Причиной возникновения стримеров является не только образование электронных лавин посредством ударной ионизации, но еще и ионизация газа излучением, возникающим в самом разряде (фотоионизация).

Схема развития стримера изображена на рис. 3.2.2.

В виде конусов на этом рисунке показаны электронные лавины, зарождающиеся в точках вершин конусов и распространяющиеся от катода к аноду. Существенным в этой схеме является то обстоятельство, что, помимо первоначальной электронной лавины, зародившейся непосредственно у катода, происходит образование новых лавин в точках, расположенных далеко впереди от головы первоначальной лавины. Эти новые лавины возникают вследствие появления электронов в объеме газа в результате фотоионизации излучением, исходящим из лавин, возникших ранее (на рисунке это излучение показано схематически в виде волнистых линий). В процессе своего развития отдельные лавины нагоняют друг друга и сливаются вместе, в результате чего возникает хорошо проводящий канал стримера. Из приведенной схемы ясно, что вследствие возникновения многих лавин общий путь CD, проходимый стримером, намного больше расстояния АВ, проходимого одной первоначальной лавиной (различие в длинах АВ и CD в действительности намного больше, чем показано на рис. 3.2.2).

Из-за выделения при рассмотренных процессах большого количества энергии газ в искровом промежутке нагревается до 10000 С, что приводит к его свечению. Быстрый нагрев газа ведёт к повышению давления, достигающему 10 7 10 8 Па, и возникновению ударных волн, объясняющих звуковые эффекты при искровом разряде - характерное потрескивание в слабых разрядах и мощные раскаты грома в случае молнии, являющейся примером мощного искрового разряда между грозовым облаком и и Землёй или между двумя грозовыми облаками.

Искровой разряд используется для воспламенения горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания. При малой длине разрядного промежутка искровой разряд вызывает специфическое разрушение анода, называемое эрозией. Это явление было использовано в электроискровом методе резки, сверления и других видах точной обработки металла. Его используют в спектральном анализе для регистрации заряженных частиц (искровые счетчики).

Искровой промежуток применяется в качестве предохранителя от перенапряжения (искровые разрядники) в электрических линиях передач (например, в телефонных линиях). Если вблизи линии проходит сильный кратковременный ток, то в проводах этой линии индуцируются напряжении и токи, которые могут разрушить электрическую установку, и опасны для жизни людей.

Во избежание этого используются специальные предохранители, состоящие из двух изогнутых электродов, один из которых присоединен к линии, а другой заземлен. Если потенциал линии относительно земли сильно возрастает, то между электродами возникает искровой разряд, который вместе с нагретым им воздухом поднимается вверх, удлиняется и обрывается.

Наконец, электрическая искра применяется для измерения больших разностей потенциалов с помощью шарового разрядника, электродами которого служат два металлических шара, закрепленных на стойках 1 и 2. Вторая стойка с шаром может приближаться или удаляться от первой при помощи винта. Шары присоединяют к источнику тока, напряжение которого требуется измерить, и сближают их до появления искры. Измеряя расстояние при помощи шкалы на подставке, можно дать грубую оценку напряжению по длине искры (пример: при диаметре шара 5 см и расстоянии 0,5 см напряжение пробоя равно 17,5 кВ, а при расстоянии 5 см - 100 кВ). Этим методом можно измерять с точностью до нескольких процентов разности потенциалов порядка десятков тысяч вольт.

В зависимости от давления газа, конфигурации электродов и параметров внешней цепи существует четыре типа самостоятельных разрядов:

• тлеющий разряд;
• искровой разряд;
• дуговой разряд;
• коронный разряд.

1. Тлеющий разряд возникает при низких давлениях. Его можно наблюдать в стеклянной трубке с впаянными у концов плоскими металлическими электродами (рис. 8.5). Вблизи катода располагается тонкий светящийся слой, называемый катодной светящейся пленкой 2.

Между катодом и пленкой находится астоново темное пространство 1. Справа от светящейся пленки помещается слабо светящийся слой, называемый катодным темным пространством 3. Этот слой переходит в светящуюся область, которую называют тлеющим свечением 4, с тлеющим пространством граничит тёмный промежуток – фарадеево тёмное пространство 5. Все перечисленные слои образуют катодную часть тлеющего разряда. Вся остальная часть трубки заполнена святящимся газом. Эту часть называют положительным столбом 6.

При понижении давления катодная часть разряда и фарадеево тёмное пространство увеличивается, а положительный столб укорачивается.

Измерения показали, что почти все падения потенциала приходятся на первые три участка разряда (астоново темное пространство, катодная святящаяся плёнка и катодное тёмное пятно). Эту часть напряжения, приложенного к трубке, называют катодным падением потенциала .

В области тлеющего свечения потенциал не изменяется – здесь напряженность поля равна нулю. Наконец, в фарадеевом тёмном пространстве и положительном столбе потенциал медленно растёт.

Такое распределение потенциала вызвано образованием в катодном темном пространстве положительного пространственного заряда, обусловленного повышенной концентрацией положительных ионов.

Положительные ионы, ускоренные катодным падением потенциала, бомбардируют катод и выбивают из него электроны. В астоновом темном пространстве эти электроны, пролетевшие без столкновений в область катодного тёмного пространства, имеют большую энергию, вследствие чего они чаще ионизируют молекулы, чем возбуждают. Т.е. интенсивность свечения газа уменьшается, но зато образуется много электронов и положительных ионов. Образовавшиеся ионы в начале имеют очень малую скорость и потому в катодном тёмном пространстве создаётся положительный пространственный заряд, что и приводит к перераспределению потенциала вдоль трубки и к возникновению катодного падения потенциала.

Электроны, возникшие в катодном тёмном пространстве, проникают в область тлеющего свечения, которая характеризуется высокой концентрацией электронов и положительных ионов коленарным пространственным зарядом, близким к нулю (плазма). Поэтому напряженность поля здесь очень мала. В области тлеющего свечения идёт интенсивный процесс рекомбинации, сопровождающийся излучением выделяющейся при этом энергии. Таким образом, тлеющее свечение есть, в основном, свечение рекомбинации.

Из области тлеющего свечения в фарадеево тёмное пространство электроны и ионы проникают за счёт диффузии. Вероятность рекомбинации здесь сильно падает, т.к. концентрация заряженных частиц невелика. Поэтому в фарадеевом тёмном пространстве имеется поле. Увлекаемые этим полем электроны накапливают энергию и часто в конце концов возникают условия, необходимые для существования плазмы. Положительный столб представляет собой газоразрядную плазму. Он выполняет роль проводника, соединяющего анод с катодными частями разряда. Свечение положительного столба вызвано, в основном, переходами возбужденных молекул в основное состояние.

2. Искровой разряд возникает в газе обычно при давлениях порядка атмосферного. Он характеризуется прерывистой формой. По внешнему виду искровой разряд представляет собой пучок ярких зигзагообразных разветвляющихся тонких полос, мгновенно пронизывающих разрядный промежуток, быстро гаснущих и постоянно сменяющих друг друга (рис. 8.6). Эти полоски называют искровыми каналами .

Т газа = 10 000 К ~ 40 см I = 100 кА t = 10 –4 c l ~ 10 км

После того, как разрядный промежуток «пробит» искровым каналом, сопротивление его становится малым, через канал проходит кратковременный импульс тока большой силы, в течение которого на разрядный промежуток приходится лишь незначительное напряжение. Если мощность источника не очень велика, то после этого импульса тока разряд прекращается. Напряжение между электродами начинает повышаться до прежнего значения, и пробой газа повторяется с образованием нового искрового канала.

В естественных природных условиях искровой разряд наблюдается в виде молнии. На рисунке 8.7 изображен пример искрового разряда – молния, продолжительностью 0,2 ÷ 0,3 с силой тока 10 4 – 10 5 А, длиной 20 км (рис. 8.7).



3. Дуговой разряд . Если после получения искрового разряда от мощного источника постепенно уменьшать расстояние между электродами, то разряд из прерывистого становится непрерывным, возникает новая форма газового разряда, называемая дуговым разрядом (рис. 8.8).

~ 10 3 А
Рис. 8.8

При этом ток резко увеличивается, достигая десятков и сотен ампер, а напряжение на разрядном промежутке падает до нескольких десятков вольт. Согласно В.Ф. Литкевичу (1872 – 1951), дуговой разряд поддерживается, главным образом, за счет термоэлектронной эмиссии с поверхности катода. На практике – это сварка, мощные дуговые печи.

4. Коронный разряд (рис. 8.9).возникает в сильном неоднородном электрическом поле при сравнительно высоких давлениях газа (порядка атмосферного). Такое поле можно получить между двумя электродами, поверхность одного из которых обладает большой кривизной (тонкая проволочка, острие).

Наличие второго электрода необязательна, но его роль могут играть ближайшие, окружающие заземленные металлические предметы. Когда электрическое поле вблизи электрода с большой кривизной достигает примерно 3∙10 6 В/м, вокруг него возникает свечение, имеющее вид оболочки или короны, откуда и произошло название заряда.

Такой разряд возникает обычно при давлениях порядка атмосферного и сопровождается характерным звуковым эффектом - «треском» искры. Температура в главном канале искрового разряда может достигать 10 000 . В природе искровые разряды часто возникают в виде молний . Расстояние, «пробиваемое» искрой в воздухе, зависит от напряженности электрического поля у поверхности электродов и их формы. Для сфер, радиус которых много больше разрядного промежутка, она считается равной 30 кВ на сантиметр, для иголок - 10 кВ на сантиметр.

Условия [ | ]

Искровой разряд обычно происходит, если мощность источника энергии недостаточна для поддержания стационарного дугового разряда или тлеющего разряда . В этом случае одновременно с резким возрастанием разрядного тока напряжение на разрядном промежутке в течение очень короткого времени (от нескольких микросекунд до нескольких сотен микросекунд) падает ниже напряжения погасания искрового разряда, что приводит к прекращению разряда. Затем разность потенциалов между электродами вновь растёт, достигает напряжения зажигания, и процесс повторяется. В других случаях, когда мощность источника энергии достаточно велика, также наблюдается вся совокупность явлений, характерных для этого разряда, но они являются лишь переходным процессом, ведущим к установлению разряда другого типа - чаще всего дугового .

Природа [ | ]

Искровой разряд представляет собой пучок ярких, быстро исчезающих или сменяющих друг друга нитевидных, часто сильно разветвлённых полосок - . Эти каналы заполнены плазмой , в состав которой в мощном искровом разряде входят не только ионы исходного газа, но и ионы вещества электродов , интенсивно испаряющегося под действием разряда. Механизм формирования искровых каналов (и, следовательно, возникновения искрового разряда) объясняется стримерной теорией электрического пробоя газов. Согласно этой теории, из электронных лавин, возникающих в электрическом поле разрядного промежутка, при определённых условиях образуются стри́меры - тускло светящиеся тонкие разветвлённые каналы, которые содержат ионизированные атомы газа и отщеплённые от них свободные электроны. Среди них можно выделить так называемый лидер - слабо светящийся разряд, «прокладывающий» путь для основного разряда. Он, двигаясь от одного электрода к другому, перекрывает разрядный промежуток и соединяет электроды непрерывным проводящим каналом. Затем в обратном направлении по проложенному пути проходит главный разряд, сопровождаемый резким возрастанием силы тока и количества энергии, выделяющегося в них. Каждый канал быстро расширяется, в результате чего на его границах возникает ударная волна. Совокупность ударных волн от расширяющихся искровых каналов порождает звук , воспринимаемый как «треск» искры (в случае молнии - гром).

Напряжение зажигания искрового разряда, как правило, достаточно велико. Напряжённость электрического поля в искре понижается от нескольких десятков киловольт на сантиметр (кВ/см) в момент пробоя до порядка 100 В/см спустя несколько микросекунд. Максимальная сила тока в мощном искровом разряде может достигать значений порядка нескольких сотен килоампер.

Особый вид искрового разряда - скользящий искровой разряд , возникающий вдоль поверхности раздела газа и твёрдого диэлектрика, помещенного между электродами, при условии превышения напряженностью поля пробивной прочности воздуха. Области скользящего искрового разряда, в которых преобладают заряды какого-либо одного знака, индуцируют на поверхности диэлектрика заряды другого знака, вследствие чего искровые каналы стелются по поверхности диэлектрика, образуя при этом так называемые фигуры Лихтенберга .

Процессы, близкие к происходящим при искровом разряде, свойственны также кистевому разряду, который является переходной стадией между

7. Искровой разряд

Искровой разряд, в отличии от других видов разряда, является прерывистым даже при пользовании источником постоянного напряжения. По внешнему виду искровой разряд представляет собой пучок ярких зигзагообразных полос, постоянно сменяющих одна другую. Светящиеся полосы - искровые каналы - распространяются от обоих электродов. Разрядный промежуток в случае искры неоднороден, поэтому количественное исследование процессов в искровом разряде является затруднительным. Одним из основных методов исследования искрового разряда является фотографирование.

Потенциал зажигания искрового разряда весьма высок. Однако, когда промежуток уже пробит, сопротивление его резко уменьшается, и через промежуток проходит значительный ток. Если мощность источника мала, то разряд гаснет. После этого напряжение на разрядном промежутке снова возрастает и разряд вновь может зажечься. Такой процесс носит название релаксационных колебаний разряда. Если разрядный промежуток имеет большую ёмкость, каналы искры ярко светятся и производят впечатление широких полос. Это конденсированный искровой разряд.

Если между электродами находится какое-нибудь препятствие, то искра пробивает его, образуя более или менее узкое отверстие. Установлено, что температура газа в канале искры может возрастать до очень больших значений (10000-12000 К). Образование областей высокого давления и их передвижение в газе носят взрывной характер и сопровождаются звуковыми эффектами. Это может быть слабое потрескивание (при незначительных избыточных давлениях) или гром.

Особым видом искрового разряда является скользящий разряд, происходящий вдоль поверхности раздела какого-либо твёрдого диэлектрика и газа вокруг металлического электрода (острия), касающегося этой поверхности. Если в качестве диэлектрика использовать фотопластинку, то можно сделать эту картину видимой для глаза. Очертания, получаемые при помощи искрового разряда на поверхности диэлектрика, называют фигурами Лихтенберга. Фигуры Лихтенберга могут служить для определения полярности разряда и для определения высокого напряжения, так как максимальное напряжение разрядного импульса прямо пропорционально радиусу поверхности, которую занимает фигура. На этом принципе основаны приборы для измерения очень высоких напряжений - клинодографы. Если расстояние между электродами мало, то искровой разряд сопровождается разрушением анода - эрозией. Этот эффект используется для точечной сварки и резки металлов.

На основе многочисленных наблюдений над искровым разрядом в 1940 году Мик и независимо от него Ретер выдвинули теорию искрового разряда, которая получила название стримерной. Стример - это область газа с высокой степенью ионизации, распространяющаяся в направлении катода (положительный стример) или в направлении анода (отрицательный стример). Стримерная теория представляет собой теорию однолавинного пробоя. Согласно этой теории между электродами проходит лавина электронов. После прохождения лавины электроны попадают на анод, а положительные ионы, имея значительно меньшие скорости, образуют конусообразное ионизированное пространство. Плотность ионов в этом пространстве недостаточна для пробоя. Однако под действием фотоэлектронов возникают дополнительные лавины. Эти лавины будут двигаться к стволу главной лавины, если поле её пространственного заряда соизмеримо с приложенным напряжением. Таким образом пространственный заряд непрерывно увеличивается, и процесс развивается как самораспространяющийся стример. Когда напряжение, приложенное к разрядному промежутку, превышает минимальное пробивное значение, поле пространственного заряда, образованное лавиной, будет соизмеримо с величиной внешнего поля ещё до того, как лавина достигнет анода. В этом случае стримеры возникают в середине промежутка. Таким образом, для возникновения стримера необходимо соблюдение двух основных условий: 1) поле лавины и поле, созданное приложенным к электродам напряжением, должны находиться в определённом соотношении и 2) фронт лавины должен излучать достаточное количество фотонов для поддержания и развития стримера.

При большой мощности источника искровой разряд переходит в дуговой. К искровым разрядам относится и молния. В этом случае одним электродом является облако, а другим - земля. Напряжение в молнии достигает миллионов вольт, а ток - до сотни килоампер. Переносимый молнией заряд обычно составляет 10-30 кулон, а в отдельных случаях достигает 300 кулон.

Искровой разряд.

Если между двумя электродами в воздухе появляется электрическое поле напряженностью порядка 3·10 В/м, то возникает электрическая искра в виде ярко светящегося сложно изогнутого тонкого канала, соединяющего оба электрода (рис.4.8).

Пример искрового разряда – молния. Особенности такого разряда объясняются теорией стримеров. Согласно этой теории возникновению ярко светящегося канала искры предшествует появление отдельных слабо светящихся скоплений ионизированных частиц. В промежутке между электродами эти скопления – стримеры образуют проводящие мостики, по которым затем устремляется мощный поток электронов. Причиной возникновения стримеров является как образование электронных лавин, так и фотоионизация, т.е. ионизация газа возникающим в разряде излучением. В результате образуются вторичные лавины, которые нагоняют друг друга, образуя хорошо проводящий канал. Так, сила тока в канале молнии может составлять от 10 до 10 А, а напряжение между облаком и землей перед возникновением молнии достигает 10 – 10 В.

Съемки камерой с вращающимся объективом показали, что молнии предшествует развитие слабо светящегося канала – лидера, распространяющегося от облака к земле со скоростью 10 – 10 м/с. При этом происходит сильный разогрев воздуха в главном канале и возникает ударная звуковая волна – гром.

В промышленности используют электроискровую обработку металлов – упрочнение поверхности и сверление.

Коронный разряд.

Если один электрод тонкий (провод), а другой имеет большую поверхность (цилиндр) (рис.4.9), то возникает неоднородное электрическое поле. У провода силовые линии сгущаются и при напряженности поля 3·10 В/м возникают электронные лавины и свечение у провода в виде короны.

При удалении от провода напряженность поля уменьшается и электронные лавины обрываются.

Коронный разряд возникает при отрицательном потенциале на проводе, при положительном и при переменном напряжении между проводом и цилиндром. Меняется только направление лавин.

Электроны вылетающие за пределы короны, присоединяются к нейтральным атомам, заряжая их отрицательно. Это используют в электростатических фильтрах для очистки промышленных газов. Газ с пылью пропускают через систему электродов провод – цилиндр. Пыль заряжается прилипающими электронами и притягивается к цилиндру, затем стряхивается в бункер, а в атмосферу выходит газ без пыли.

Коронный разряд может возникнуть возле любых тонких проводников, заострений. Такой разряд наблюдался в предгрозовую пору на верхушках корабельных мачт, деревьев. Можно наблюдать зажигание короны возле проводов, находящихся под высоким напряжением. Для предотвращения коронного разряда и токов утечки, проводники должны иметь достаточно большой диаметр.

Дуговой разряд.

Дуговой разряд был открыт в 1802 году профессором физики В.Петровым. Он получил разряд в виде светящейся дуги, раздвигая два угольных электрода, предварительно приведенные в соприкосновение и присоединенные к мощной батарее гальванических элементов. В месте контакта сопротивление цепи высокое и происходит сильный разогрев, угли раскаляются. В результате возникает термоэлектронная эмиссия из катода. Электроны бомбардируют анод, образуя в нем углубление – кратер. Температура анода около 4000 К, при 20 атм она может подняться до 7000 К. Сила тока достигает десятков и сотен ампер, а напряжение на разрядном промежутке составляет несколько десятков вольт. Этот тип дугового разряда применяется для сварки и резки металлов.

4. Плазмой называют сильно ионизованный газ, в котором концентрации положительных ионов и отрицательных электронов практически одинаковы. Плазма может быть высокотемпературной, полученной при высоких температурах термической ионизацией атомов, например, при термоядерном синтезе или в области дугового разряда. Газоразрядная низкотемпературная плазма возникает в электрическом поле.

Плазма имеет сходство с обычными газами и подчиняется газовым законам. Однако по электропроводности она приближается к металлам, для нее характерно сильное взаимодействие с электрическими и магнитными полями. Наличие подвижных разноименно заряженных частиц сопровождается их рекомбинацией и свечением.

Плазма используется в магнитогидродинамических (МГД) генераторах электрического тока. Низкотемпературная плазма применяется в газовых лазерах и плазменных телевизорах.

ЛЕКЦИЯ 5

Тема: Магнитное поле в вакууме и в веществе

Вопросы: 1) Действие магнитного поля на проводник с током. Магнитная

индукция.

2) Магнитное поле проводника с током. Закон Био-Савара-Лапласа.

3) Контур с током в магнитном поле.

4) Работа в магнитном поле.

1. В 1820 году Ампер открыл действие тока на магнитную стрелку: при пропускании тока через проводник расположенная рядом с ним магнитная стрелка поворачивается перпендикулярно к проводнику. Опыты Ампера показали, что проводники с током притягиваются друг к другу, если токи в них текут в одну сторону, и отталкиваются, если токи текут в противоположных направлениях. Таким образом, было установлено, что вокруг проводников с током существует магнитное поле. Обнаружить его можно по действию на проводник с током или постоянный магнит.

Пусть в однородном магнитном поле помещен прямой проводник длиной l с током I (рис.5.1).

Из опытов было установлено, что на проводник со стороны магнитного поля действует сила (сила Ампера)

F = I l B sinα,

где α – угол между проводником и направлением магнитного поля.

Направление силы можно определить по правилу левой руки (если четыре пальца расположить по направлению тока, а силовые линии магнитного поля будут входить в ладонь, то отогнутый большой палец покажет направление силы).

Если угол α между направлениями вектора В и тока в проводнике отличен от 90°, то для определения направления силы более удобно пользоваться правилом буравчика: воображаемый буравчик располагается перпендикулярно плоскости, содержащей вектор В и проводник с током, затем его рукоятка поворачивается от направления тока к направлению вектора В . Поступательное перемещение буравчика будет показывать направление силы. Правило буравчика часто называют правилом правого винта.

Сила Ампера зависит как от силы тока, так и от магнитного поля. Величина В называется магнитной индукцией и служит основной силовой характеристикой магнитного поля.

Если положить I = 1 А, l = 1 м, α = 90º, то B = F. Отсюда вытекает физический смысл В. Магнитной индукцией В называется физическая величина, численно равная силе, с которой магнитное поле действует на прямой проводник единичной длины с током единичной силы, расположенный перпендикулярно к силовым линиям магнитного поля.

Единица измерения магнитной индукции: [B] = Н/А·м = Тл (тесла).

Теперь становится понятным, почему два проводника с током притягиваются или отталкиваются: в зависимости от направления токов магнитное поле одного проводника выталкивает или втягивает другой проводник с током.

Магнитное поле удобно изображать с помощью силовых линий. Представление о таких линиях дает расположение железных опилок возле полюсов постоянного магнита.

Линией магнитной индукции (силовой линией) называется такая линия, проведенная в магнитном поле, касательная к которой в любой точке совпадает с вектором магнитной индукции в этой точке. Линии магнитной индукции замкнуты и охватывают проводник с током. Тот факт, что силовые линии не имеют начала, говорит об отсутствии магнитных зарядов.

Направление силовых линий определяется по правилу буравчика: если ввинчивать буравчик так, чтобы винт двигался по направлению тока, то направление движения рукоятки совпадет с направлением силовой линии. Густота силовых линий пропорциональна величине магнитной индукции. Вблизи проводника с током магнитное поле неоднородно, чем ближе к проводнику, тем поле сильнее и силовые линии гуще. Однородное магнитное поле можно создать внутри длинной катушки с током.

Как видно из рисунка 5.6, магнитное поле катушки с током аналогично магнитному полю постоянного магнита, т.е. имеет «северный» конец N, из которого выходят силовые линии, и «южный» S, в который силовые линии входят. Индикаторные магнитные стрелки ориентируются по направлению касательных к линиям индукции.

Введем понятие – магнитный поток или поток Ф вектора магнитной индукции сквозь площадку S: Ф =В Scosα, где α – угол между нормалью (перпендикуляром) к площадке и магнитной индукцией В .

Единица измерения потока вектора магнитной индукции [Ф] = Тл·м² = Вб (вебер).

Если поле неоднородное и поверхность не плоская, то ее разбивают на бесконечно малые элементы dS так, что каждый элемент можно считать плоским, а поле однородным. Поток вектора магнитной индукции через элемент поверхности dФ = ВdScosα, а через всю поверхность

2. В результате многих опытов разных ученых был выведен закон Био – Савара – Лапласа, позволяющий рассчитывать магнитную индукцию полей, создаваемых проводниками с током.

Тогда величина магнитной индукции в точке, удаленной от проводника на расстояние r определяется по закону Био-Савара-Лапласа, как

,

где величина μ0 = 4π·10 Гн/м называется магнитной постоянной.

Направление вектора dВ перпендикулярно плоскости, в которой лежат dl и r. Вектор dВ направлен по касательной ксиловой линии, проведенной через рассматриваемую точку поля, в соответствии с правилом буравчика.

Для магнитного поля выполняется принцип суперпозиции: если имеется несколько проводников с током, то магнитная индукция в любой точке равна векторной сумме магнитных индукций, создаваемых в этой точке каждым проводником отдельно. Принцип суперпозиции справедлив и для элементов тока. Применяя совместно закон Био-Савара-Лапласа и принцип суперпозиции, можно определить магнитную индукцию различных проводников с током.

Пример. Магнитное поле в центре кругового проводника с током.

Магнитные индукции каждого элемента тока dl в центре направлены в одну сторону, перпендикулярную к плоскости контура проводника, и просто суммируются. Это можно понять, если провести через центр силовые линии каждого элемента проводника с током и построить к ним касательные. Направление магнитной индукции кругового проводника с током можно определять и по правилу буравчика: если ввинчивать буравчик, вращая рукоятку по направлению тока, то винт покажет направление магнитной индукции в центре.

Величину магнитной индукции определим по закону Био-Савара-Лапласа

Создаваемые круговыми токами магнитные поля удобно описывать с помощью магнитного момента pm = IS, где I–ток в контуре, а S– площадь, обтекаемая током. За направление магнитного момента принимают направление нормали к плоскости витка, совпадающее с направлением вектора В в центре. Тогда

Можно показать, что магнитная индукция внутри длинной катушки с током (соленоида) B = μ0μnI, где n – число витков на единице длины катушки.

3. Поместим проводник, согнутый в виде прямоугольной рамки, в однородное магнитное поле.

При протекании тока по проводнику на каждую его сторону действует сила со стороны магнитного поля. На верхнюю и нижнюю стороны действуют растягивающие контур силы. На боковые стороны действуют силы F1 = F2 = IBl sin90º, где l - длина боковой стороны. Каждая из этих сил создает вращающий момент М = Fd, где d – плечо силы.

Момент пары сил М = 2Fd.= 2IBl d. Из рис.5.10 видно, что . Тогда M = IBla sinα или M = IBSsinα, где S – площадь рамки. Контур с током поворачивается до тех пор, пока его вращающий момент не станет равным нулю, т.е. станет равным нулю угол α. Таким образом, рамка с током в магнитном поле стремиться развернуться перпендикулярно к силовым линиям. Можно связать вращающий момент и магнитный момент контура с током

Вращающий момент перестает действовать, когда магнитный момент контура с током ориентирован вдоль направления магнитной индукции поля.

Рис.5.11

3. Магнитное поле может перемещать проводник с током, значит, поле совершает работу. Пусть прямой проводник длиной l под действием однородного магнитного поля переместится на расстояние dx в направлении, перпендикулярном к силовым линиям магнитного поля.

Рис.5.12

Работа dA = Fdx = Il Bdx. Так как произведение перемещения на длину проводника – это площадь dS, описываемая проводником при движении, то dA = IBdS, или dA = IdФ. Следовательно, работа по перемещению проводника в магнитном поле равна произведению силы тока в проводнике на магнитный поток, проходящий сквозь площадь, описываемую проводником при движении.

ЛЕКЦИЯ 6

Тема: Действие магнитного поля на движущийся заряд. Магнитное поле в

веществе

Вопросы: 1) Сила Лорентца.

2) Движение заряда в магнитном поле.

3) Магнитное поле в веществе.

4) Ферромагнетики.

1. Проводник с током создает в окружающем пространстве магнитное поле. Поскольку электрический ток представляет собой направленное движение заряженных частиц, то и любой движущийся заряд создает магнитное поле. Можно записать закон Био-Савара-Лапласа для одного заряда. Для этого преобразуем Idl = jSdl = nqvSdl = Nqv. Здесь j – плотность тока, n - число заряженных частиц в единице объема (концентрация частиц), v - скорость частиц. N – полное число частиц в отрезке dl проводника. Теперь магнитная индукция, создаваемая отрезком проводника с током, может быть представлена как

,

а магнитная индукция поля, создаваемого в вакууме одним зарядом q на расстоянии r от заряда

Направление силовых линий определяется по правилу буравчика.

Магнитное поле действует на ток, а значит и на каждый заряд должна тоже действовать сила. Выражение для нее получил Г.Лорентц.

На заряд q, движущийся в магнитном поле со скоростью v действует сила F = qvBsinα, где α – угол между направлением скорости и магнитной индукции. Направление силы для положительного заряда определяется по правилу левой руки или правого винта (вращать от v к B ).

Таким образом, между движущимися зарядами существует как электрическое, так и магнитное взаимодействие.

2. Пусть частица с зарядом q и скоростью v влетает в однородное магнитное поле перпендикулярно к линиям магнитной индукции B (рис.6.3).

Сила, действующая на частицу, F = qvBsin90º. Сила перпендикулярна к скорости, значит, она не совершает работы и не меняет энергию и величину скорости частицы. Однако, сила, перпендикулярная к скорости, всегда вызывает центростремительное ускорение и движение по окружности, т.е.

Радиус окружности траектории тем больше, чем больше скорость частицы. С увеличением магнитной индукции радиус уменьшается. Он зависит также от удельного заряда q/m частицы.

Период обращения частицы Т = 2πR/v. Подставив выражение для радиуса, получим , т.е. период от скорости не зависит.

Пусть теперь заряженная частица влетает в магнитное поле под углом α к направлению магнитной индукции (рис.6.4).

В этом случае скорость частицы v0 можно представить как векторную сумму тангенциальной скорости vt, направленной вдоль В, и нормальной скорости vn, перпендикулярной к В.

vt = v0 cosα, подставив эту скорость в выражение для силы Лорентца, получим F = qvtBsin0º, т.е. F = 0. Значит, вдоль силовой линии сила на частицу не действует и она движется равномерно и прямолинейно в этом направлении.

vn = v0 sinα,. сила Лоренца F = qvnBsin90º вызывает центростремительное ускорение и движение по окружности с радиусом и периодом . В результате частица описывает траекторию в виде цилиндрической спирали с шагом (расстояние между витками спирали, на которое частица перемещается вдоль силовой линии, сделав один полный оборот) f = vt T.

Закономерности движения заряженных частиц в магнитных и электрических полях используются в ускорителях, магнетронах, масс-спектрометрах и др.

3. Все вещества состоят из атомов и молекул, движение электронов в которых представляет собой замкнутые молекулярные токи. Каждый из этих токов создает магнитное поле, т.е. обладает магнитным моментом

где I – сила тока, S - площадь, обтекаемая током, n - единичный вектор нормали к плоскости витка с током.

В обычных условиях в результате теплового движения частиц магнитные моменты молекулярных токов разориентированы. Если поместить вещество в магнитное поле, то магнитные моменты частиц частично или полностью ориентируются вдоль внешнего магнитного поля, усиливая его (рис.6.6).

Вещества, способные намагничиваться, называются магнетиками. Магнитное состояние вещества характеризуется вектором намагничения, т.е. магнитным моментом единицы объема вещества

Единица измерения намагниченности – тесла. Для удобства рассмотрения ввели физическую величину Н – напряженность магнитного поля. Это силовая характеристика магнитного поля, связанная с магнитной индукцией соотношением . Она характеризует магнитное поле в вакууме. Из опытов следует, что вектор намагничения пропорционален напряженности магнитного поля , где χ – магнитная восприимчивость вещества.

Полное значение магнитной индукции в магнетике равно

Значит, магнитная индукция в веществе , где μ – магнитная проницаемость вещества. Она показывает, во сколько раз магнитное поле в веществе сильнее, чем в вакууме.

Есть некоторые вещества, у которых μ<1, их называют диамагнетиками (азот, вода, серебро, висмут). У них магнитный момент молекулярных токов устанавливается против поля, что объясняется появлением дополнительного вращения электронных орбиталей (прецессии) в магнитном поле.

У многих веществ μ >1, их называют парамагнетиками (кислород, алюминий и др.). У диамагнетиков и парамагнетиков магнитная проницаемость близка к единице, т.е. они намагничиваются слабо.

На границе раздела двух различных сред с разными значениями магнитной проницаемости линии магнитной индукции преломляются. Нормальная составляющая ветора магнитной индукции не меняется

Касательные к границе раздела составляющие индукции испытывают скачок, причем

Из этих формул вытекает закон преломления линий индукции

где - угол между линиями магнитной индукции в среде 1 и нормалью к поверхности раздела, а - соответствующий угол в среде 2. Значит, линии индукции, входя в среду с большей магнитной проницаемостью, удаляются от нормали и сгущаются (рис.6.7).

Рис.6.7 а – шар в магнитном поле (μ шара больше μ среды);

б - шар в магнитном поле (μ шара меньше μ среды);

в - железный цилиндр помещен в первоначально однородное

магнитноеполе.

4. Есть вещества, которые способны сильно намагничиваться, их магнитная проницаемость имеет величину порядка тысяч единиц и может достигать в специальных случаях миллиона. Такие свойства проявляет железо и его сплавы, поэтому этот класс веществ назвали ферромагнетиками. Свойства ферромагнетиков проявляют и другие металлы (табл.6.1).

Табл.6.1 Ферромагнитные металлы

Ферромагнетики - вещества (как правило, в твёрдом кристаллическом или аморфном состоянии), в которых ниже определённой критической температуры ТК (точки Кюри) устанавливается дальний ферромагнитный порядок магнитных моментов атомов. Иными словами, ферромагнетик - такое вещество, которое при охлаждении ниже определённой температуры приобретает магнитные свойства. Выше точки Кюри ферромагнитные свойства исчезают.

Для ферромагнетиков характерна сильная ориентировка магнитных моментов атомов без внешнего магнитного поля. В результате обменного взаимодействия электронов образуются отдельные области самопроизвольного намагничения – домены. Такие домены были обнаружены на опыте с помощью порошковых фигур. На хорошо отполированную поверхность ферромагнетика помещают слой жидкости с порошком оксида железа. Крупинки оседают в местах неоднородности магнитного поля, то есть у стенок доменов, и границы доменов хорошо видны в микроскопе (рис.6.7).

Рис. 6.7 а – без магнитного поля; б – магнитное поле перпендикулярно плоскости чертежа; в – магнитное поле противоположного направления.

Направления намагничения в отдельных доменах различны и таковы, что полный магнитный момент ферромагнетика равен нулю. При включении внешнего магнитного поля растут домены, у которых вектор намагничения составляет острый угол с направлением внешнего магнитного поля, а объем доменов с тупым углом уменьшается.

Рис.6.8 Процесс намагничения ферромагнетика: а,б,в – смещение

границ; г и д – вращение вектора намагничения

В случае слабых полей (область 1) смещения границ обратимы и точно следуют за изменением поля. При увеличении поля смещения границ доменов делаются необратимыми и невыгодные домены исчезают. Затем при еще большем увеличении поля изменяется направление магнитного момента внутри домена. В очень сильном магнитном поле магнитные моменты всех доменов устанавливаются параллельно полю и ферромагнетик теперь намагничен до насыщения.

Все эти процессы намагничивания происходят с некоторой задержкой, то есть отстают от изменения поля, это явление называется гистерезисом (рис.6.8).

Рис.6.9 Петля гистерезиса

Если уменьшать магнитное поле, то когда поле Н станет равным нулю, в магнетике наблюдается остаточное намагничение +В. Чтобы полностью размагнитить магнетик, надо приложить магнитное поле противоположного знака –Нс. Это поле называют коэрцитивной силой ферромагнетика.

При циклическом перемагничении ферромагнетика изменение индукции в нем будет изображаться петлей гистерезиса. Работа при циклическом перемагничении пропорциональна площади петли гистерезиса. На нее затрачивается энергия магнитного поля, которая в конечном итоге превращается в тепло.