Питомим зарядом електрона називають відношення заряду е електрона до його маси m.
У магнітному полі, індукція якого, на заряд Q. рухається зі швидкістю. діє сила Лоренца:
.
Напрямок сили Лоренца збігається з напрямком вектора. якщо заряд Q позитивний, і протилежно йому, якщо Q - негативно (див. Рис. 1).
Сила Лоренца завжди направлена перпендикулярна швидкості зарядженої частинки (кут між ними дорівнює) і тому роботи над часткою не робить. Дійсно, за визначенням, робота А дорівнює:
Отже, діючи на заряджену частинку постійним магнітним полем, змінити її енергію не можна, можна змінити лише траєкторію частинки. Ця обставина використовують для вимірювання методом магнетрона, методом відхилення електронного пучка в магнітному полі Землі і іншими подібними методами.
Магнетрон - електронна лампа, в якій електрони рухаються в перехресних постійних електричному і магнітному полях.
Електронна лампа з коаксіальним катодом і анодом поміщається в магнітне поле соленоїда так, щоб її вісь симетрії збіглася з віссю соленоїда.
Електрони, що вилітають з поверхні катода, рухаються до анода під дією електричного поля і набувають кінетичну енергію
,
де - швидкість електрона, UА - різниця потенціалів між катодом і анодом.
Постійний струм I, протікаючи по соленоїду, створює магнітне поле
де n - число витків на одиниці довжини соленоїда (. N - число витків, l - довжина соленоїда), m - відносна магнітна проникність середовища, в яку поміщений соленоїд,
m0 = 4p × 10 -7 Гн / м. Вектор індукції спрямований уздовж осі симетрії соленоїда. Для вакууму m = 1. B = В0:
Сила Лоренца, що діє з боку магнітного поля на електрони, грає роль доцентрової сили. Тому електрони, швидкість яких перпендикулярно вектору. рухаються по колу радіуса r:
Траєкторії електронів в слабких магнітних полях починається на катоді і закінчуються на аноді лампи (див. Рис. 2). Зі збільшенням струму I в соленоїді, а отже, зі збільшенням вектора індукції радіус r кола настільки зменшиться, що електрони перестануть досягати анода, і анодний струм в лампі припиниться (див. Рис. 3).
Питома заряд електрона знаходять, виключаючи з (1) і (3) швидкість і висловлюючи радіус r орбіти електронів через а і b - радіуси катода і анода відповідно:
Індукцію В0 магнітного поля в соленоїді визначають за формулою (3), вводячи поправку на кінцеві розміри соленоїда
де I0 - струм в соленоїді, при якому зникає анодний струм, R - радіус соленоїда.
Порядок виконання роботи
1. Встановлюють в анодному ланцюзі постійне анодна напруга UА. вказане викладачем. Таким чином створюють умови для сталості анодного струму IА (контролюють за допомогою міліамперметра). Значення UА записують.
2. Змінюючи за допомогою реостата опір в ланцюзі соленоїда, реєструють залежність IА від I в соленоїді. Будують графік IА = f (I) і методом екстраполяції знаходять струм I0 в соленоїді, при якому IА = 0.
3. За формулою (6) обчислюють В0. а потім за формулою (5), знаходять. Результат представляють у вигляді
.
1. Яка мета роботи?
2. Які сили діють на заряджену частку в електричному і магнітному полях? Які з цих сил роблять роботу над часткою? Як її підрахувати?
3. Від чого залежить індукція магнітного поля в соленоїді?
4. У якому випадку струм в анодному ланцюзі електронної лампи постійний?
5. В який момент зникає анодний струм?
Лабораторна робота № 72
Визначення точки Кюрі
Будь-яке речовина є магнетиком, тобто воно здатне під дією магнітного поля набувати магнітний момент (намагнічуватися). Для кількісного опису намагнічення магнетика вводять векторну величину - намагніченість. У разі однорідно намагніченої тіла намагніченість визначається як магнітний момент одиниці об'єму тіла. У разі неоднорідне намагніченого тіла визначається наступним виразом:
де DV - фізично нескінченно малий обсяг речовини, в якому знаходиться N молекул, -магнітно момент i-ой молекули.
Одиниця намагніченості в СІ - А / м.
Як показує досвід, в несильних магнітних полях намагніченість прямо пропорційна напруженості намагнічує поле
де c - безрозмірна величина, яка називається магнітною сприйнятливістю речовини.
Магнітне поле в речовині складається з двох полів: зовнішнього поля, створюваного струмом і поля, створюваного намагніченим речовиною
.
називається вектором магнітної індукції поля всередині магнетика.
Тут m 0 = 4p × 10 -7 Гн / м - магнітна постійна.
Так як В0 = m0 H. а J = c Н, то на підставі (3)
Безрозмірна величина називається відносної магнітної проникністю речовини.
Отже, В = m m0 Н = m В0. звідки випливає, що відносна магнітна проникність середовища m показує, у скільки разів змінюється магнітне поле В в магнетику в порівнянні з магнітним полем В0 в вакуумі.
По поведінці в зовнішніх магнітних полях магнетики можна розділити на три класи:
1. Діамагнетик - речовини, у яких вектор завжди спрямований протилежно вектору В0. тобто Діамагнетик намагнічуються проти зовнішнього поля. До діамагнетиків відносяться багато метали (срібло, мідь, золото та ін.), Більшість органічних сполук, смоли і т.д. У діамагнетіков c <0, а m <1. Внутри диамагнетика магнитное поле ослабляется.
2. Парамагнетики - речовини, у яких вектор збігається за напрямком з В0, тобто парамагнетики намагнічуються у напрямку зовнішнього поля. До парамагнетикам відносяться рідкоземельні елементи, алюміній, платина та ін. У парамагнетиків c> О, а m> 1. Усередині парамагнетиков магнітне поле посилюється.
3. Феромагнетики - сильномагнітних речовини. До них відносяться залізо, нікель, кобальт, гадоліній і деякі сплави.
Ферромагнетики мають складної нелінійної залежністю В від В0. т. е. m є функцією В0. Тому для феромагнетиків вводиться поняття диференціальної магнітної проникності. при цьому m >> 1. Наприклад, для заліза m = 5000, а для сплаву супермаллоя-800000.
У феромагнетиків спостерігається явище гістерезису, яке полягає в тому, що магнітна індукція В залежить не тільки від значення В0 в даний момент, але і від того, яке було В0 раніше.
При дії на феромагнетик змінного магнітного поля індукція В змінюється по замкнутій кривій, званої петлею гистерезиса (див. Рис. 1). Якщо максимальне значення індукції зовнішнього поля таке, що намагнічування досягає насичення, виходить так звана максимальна петля гістерезису. Усередині максимальної петлі можна отримати безліч інших петель, утворених у зовнішніх полях, недостатніх для насичення.
Якщо феромагнетик, магнітний момент якого спочатку дорівнював нулю, помістити в магнітне поле і побудувати залежність У від В0. отримаємо основну, або нульову криву намагнічення.
Якщо зменшувати індукцію зовнішнього поля від В0 до нуля, то намагничение буде зменшуватися по кривій а в, яка лежить вище кривої ОА. При В0 = 0 намагнічування не звертається до нуль, а характеризується залишковою магнітною індукцією Сх. З наявністю залишкового намагнічування пов'язано існування постійних магнітів.
Щоб розмагнітити зразок, необхідно змінити напрямок зовнішнього поля, довівши його значення до деякої величини Вок. Це значення індукції зовнішнього поля називається коерцитивної силою.
Величини Сх. і Вок є основними характеристиками феромагнетика. Феромагнетик з великою коерцитивної силою (з широкою петлею гистерезиса) називають жорстким. Жорсткі ферромагнетики, наприклад, вуглецеві і вольфрамові стали, застосовують для виготовлення постійних магнітів. Феромагнетик з малої коерцитивної силою (вузької петлею гистерезиса) називають м'яким. М'які ферромагнетики, наприклад, м'яке залізо, сплав заліза з нікелем, використовують для виготовлення сердечників трансформаторів.
Феромагнітні властивості речовини залежать від температури. Для кожного феромагнетика є певна температура Тс. яка називається точкою Кюрі, при якій речовина втрачає феромагнітні властивості. Для заліза точка Кюрі дорівнює 768 0 С, а для деяких сплавів, наприклад, пермаллоя (30% Ni і 70% Fe) Тс = 70 0 С.
Перехід речовини з феромагнітного в парамагнітний стан не супроводжується поглинанням або виділенням тепла і тому називається фазовим переходом другого роду.
Велике значення величини відносної магнітної проникності m і інші особливості ферромагнетиков можна пояснити на основі їх внутрішньої магнітної структури.
Феромагнетик при температурах нижче точки Кюрі являє собою в магнітному відношенні безліч макроскопічних (10 -6 - 10 -5 м) областей мимовільної однорідної намагніченості - доменів. Власні (спінові) магнітні моменти електронів усередині домену паралельні один одному. Таким чином, в межах кожного домена ферромагнетик володіє певним магнітним моментом. Напрямки магнітних моментів різних доменів різні, тому в цілому в відсутності зовнішнього поля сумарний магнітний момент тіла дорівнює нулю.
Між доменами існують перехідні шари, в яких намагничение безперервно змінює напрямок.
Форма кривої намагнічення і наявність петлі гістерезису у феромагнетиків обумовлені змінами доменної структури в зовнішньому магнітному полі.
При подальшому збільшенні зовнішнього поля процес поглинання одними доменами (енергетично більш вигідними) інших йде все далі до їх повного поглинання. На наступному етапі починається орієнтація моментів доменів в напрямку поля. При цьому спінові магнітні моменти електронів в межах домену повертаються одночасно без порушення їх суворої паралельності один одному. Необхідність цих процесів і є причиною гистерезиса.
У точці Кюрі інтенсивність теплового руху атомів виявляється достатньою для руйнування доменів і феромагнетик стає парамагнетиків. При охолодженні феромагнетика нижче точки Кюрі в ньому знову виникають домени.
Встановлено, що феромагнітними властивостями можуть володіти тільки кристалічні речовини, в атомах яких маються недобудовані внутрішні електронні оболонки з некомпенсованими спинами. У подібних кристалах можуть виникати сили, які змушують магнітні моменти електронів орієнтуватися паралельно один одному. Ці сили, називані обмінними, мають квантову природу. Вони обумовлені хвильовими властивостями електронів.