Лекции по "Концепции современного естествознания"

ign="justify">   Потенциал  электростатического поля.. Поля с перечисленными свойствами типа называются потенциальными, поскольку для помещенных в них тел может быть введено понятие потенциальной энергии как работы сил поля по перемещению заряда в точку, принятую за нулевую. При этом потенциальная энергия оказывается пропорциональной величине заряда помещенного в поле тела. Это позволяет ввести характеризующее только поле понятие потенциала как энергии единичного заряда в рассматриваемой точке:

(4)     ,

где символ “( , )” использован для обозначения операции скалярного произведения векторов, определяемой равенством:

(5)       ;

в простейшем геометрическом представлении вектором в виде стрелок скалярное произведение числено равно произведению длин векторов на косинус угла между ними.

     Потенциал в системе единиц Си измеряется в вольтах . Человек способен ощущать разность потенциалов около 1В. Напряжение (разность потенциалов), превосходящее 30В, считается опасным для жизни.

     Движение частиц в электростатических полях. Электрические силы (F=QE), направленные вдоль поля (в случае положительно заряженных частиц) и против (в случае отрицательных),  способны изменять скорость зарядов как по величине, так и по направлению. Это обуславливает широкое использование электростатических полей для разгона и управления движением заряженных частиц. Так в электронно-лучевых трубках телевизоров и осциллографов электроны создаются и разгоняются в заряженном до разности потенциалов ок.30кВ конденсаторе - электронной пушке и посылаются в нужную точку флюоресцирующего при их ударах ударах экрана при помощи изменяемых во времени полей в конденсаторах, образующих отклоняющую систему (рис. 9_2).

     Магнитные взаимодействия. Опыт показывает, что силы, возникающие между зарядами при их движении, отличаются от электростатических. Для описания возникающих отличий был введен новый тип взаимодействий - магнитные и их переносчик - магнитное поле. Для количественного магнитных полей был введен вектор магнитной индукции В так, чтобы действующая на движущейся со скоростью v заряд Q сила вычислялась по формуле:

(6)     ,

где символ “[ , ]” использован для обозначения операции векторного умножения, определяемой в трехмерном случае соотношением:

(7)    

и представляет собой вектор, числено равный площади параллелограмма, построенного на перемножаемых векторах, и направленный перпендикулярно его плоскости в стороны, определяемую по правилу правой руки (рис. 9_3).

     Магнитное поле и его свойства. Магнитные поля создаются движущимися зарядами, подчиняются принципу суперпозиции и могут быть рассчитаны согласно:

(8)     .

Обычно магнитные поля изображают с помощью линий, в каждой точке которых вектор В направлен по касательной. В случае движущегося равномерно и прямолинейно заряда линии В представляют собой семейство окружностей с центрами, лежащими на его траектории (рис. 9_4). В общем случае линии магнитного поля представляют собой замкнутые кривые, нигде не возникающие и не обрывающиеся. Поля с такими свойствами называют вихревыми.

     Движение заряженных частиц в магнитных полях в общем случае происходит по винтовым траектория, “накрученным” на линии В (рис.9_4). Радиус кривизны траектории (при заданном поле) определяется перпендикулярной полю составляющей начальной скорости и удельным зарядом частицы (q/m), период вращения определяется только удельным зарядом, шаг траектории - направленной по полю составляющей скорости. При движении в магнитном поле кинетическая энергия частиц не меняется, действующие силы вызывают лишь изменения направления движения. Магнитные поля широко используются для управления пучками заряженных частиц (магнитная фокусировка в электронно-лучевых трубках), их сортировке по скоростям (монокинетизации электронных пучков) или удельным зарядам (масс-спектроскопия, пузырьковые камеры в магнитных полях и т.д.).

     Магнитное поле Земли предохраняет биосферы от попадания опасных для жизни потоков заряженных частиц, приходящих из космоса. Эти частицы, закручиваясь вокруг линий В, “путешествуют” от одного магнитного полюса планеты к другому за среднее время порядка. 1.5 с.

      Электрические и магнитные поля в веществе. С точки зрения теории электричества вещество при нормальных условиях можно рассматривать как вакуум с относительно небольшим количеством связанных зарядов и молекулярных токов. Первые представляют собой главным образом совокупности положительно заряженных ядер и окружающих их отрицательно заряженных электронных облаков; вторые - обусловлены движением электронов в атомах и специфическим (присущим микрообъектам) внутренним движением - спином. Полные электрическое и магнитное поля в веществе является суперпозицией внешних полей (создаваемых “свободными” зарядами и токами) и полей, создаваемых зарядами вещества. При отсутствии внешнего поля заряды и токи в веществе обычно распределяются так, что их средние электрическое и магнитное поля оказываются равными нулю. Внешние поля вызывают перераспределение  связанных зарядов и молекулярных токов и, как следствие, появление дополнительных полей в веществе.

      В большинстве веществ (диэлектрика) отрицательно заряженные электроны достаточно крепко связаны  электрическими силами с положительными ядрами, и внешнее поле не способно привести к значительному перераспределению зарядов. В таких веществах электрическое поле оказывается меньшим по сравнению с полем, которое создавали бы свободные заряды в вакууме. В металлах электроны способны практически беспрепятственно перемещаться и под действием электрического поля двигаются до тех пор, пока не создадут в веществе конфигурации, при которой полное поле обратится в 0. В диэлектриках электрическое поле ослабевает, в металлах равно 0.

     По отношению к реакции на внешнее магнитное поле вещества подразделяются на диамагнетики (ослабляют магнитное поле), парамагнетики (поле в веществе незначительно увеличивается) и ферромагнетики (поле возрастает в десятки тысяч раз и не исчезает после выключения внешнего поля). В отличие от электростатики, непротиворечивая теория магнитных свойств вещества может быть изложена лишь на языке квантовой механики. 

10. Постоянный электрический ток

     Условия возникновения тока. Электрическим током называют направленное движение заряженных частиц. Количественными характеристиками тока являются его сила тока (отношение заряда: переносимого через поперечное сечение проводника в единицу времени):

1.     

и его плотность, определяемая соотношением:

2.      .

Единицей измерения силы тока является ампер (1А - характерное значение тока, потребляемого бытовыми электронагревательными приборами).

      Необходимыми условиями существования тока являются наличие свободных носителей зарядов, замкнутой цепи и источника ЭДС (батареи), поддерживающего направленное движение.

     Электрический ток может существовать в различных средах: в металлах, вакууме, газах, в растворах и расплавах электролитов, в плазме, в полупроводниках, в тканях живых организмов.

      При протекании тока практически всегда происходит взаимодействие носителей зарядов с окружающей средой, сопровождающееся передачей энергии последней в виде тепла. Роль источника ЭДС как раз и состоит в компенсации тепловых потерь в цепях.

     Электрический ток в металлах обусловлен движением относительно свободных электронов через кристаллическую решетку. Причины существования свободных электронов в проводящих кристаллах может быть объяснена только на языке квантовой механики.

     Опыт показывает, что сила электрического тока, протекающего по проводнику, пропорциональна приложенной к его концам разности потенциалов (закон Ома). Постоянный для выбранного проводника  коэффициент пропорциональности между током и напряжением называют электрическим сопротивлением:

(3)    

      Сопротивление измеряют в омах (сопротивление человеческого тела составляет около 1000 Ом). Величина электрического сопротивления проводников слабо возрастает при увеличении их температуры. Это связано с тем, что при нагревании узлы кристаллической решетки усиливают хаотические тепловые колебания, что препятствует направленному  движению электронов. Во многих задачах непосредственный учет колебаний решетки оказывается весьма трудоемким. Для упрощения взаимодействия электронов с колеблющимися узлами оказывается удобным заменить их столкновениями с частицами  газа гипотетических частиц - фононов, свойства которых подбираются так, чтобы получить максимально приближенное к реальности описание и могут оказываться весьма экзотическими. Объекты такого типа весьма популярны в физике и называются квазичастицами. Помимо взаимодействий с колебаниями кристаллической решетки движению электронов в кристалле могут препятствовать дислокации - нарушения регулярности решетки. Взаимодействия с дислокациями играют определяющую роль при низких температурах, когда тепловые колебания практически отсутствуют.

     Некоторые материалы при низких температурах полностью утрачивают электрическое сопротивление, переходя в сверх проводящее состояние. Ток в таких средах может существовать без каких-либо ЭДС, поскольку потери энергии при столкновениях электронов с фононами и дислокациями отсутствуют. Создание материалов, сохраняющих сверхповодящее состояние при относительно высоких (комнатных) температурах и небольших токах является весьма важной задачей, решение которой произвело бы настоящий переворот в современной энергетике, т.к. позволило бы передавать электроэнергию на большие расстояния без тепловых потерь.

     В настоящее время электрический ток в металлах используется главным образом для превращения электрической энергии в тепловую (нагреватели, источники света) или в механическую (электродвигатели). В последнем случае электрический ток используется в качестве источника магнитных полей, взаимодействие с которыми других токов вызывает появление сил.

     Электрический ток в вакууме строго говоря невозможен из-за отсутствия в нем свободных электрических зарядов. Однако, некоторые проводящие вещества при нагревании или облучении светом способны испускать со своей поверхности электроны (термоэмиссия и фотоэмиссия), которые способны поддерживать электрический ток, двигаясь от катода к другому (положительному) электроду - аноду. При подаче на анод отрицательного напряжения ток в цепи обрывается. Описанное свойство обуславливает широкое применение электровакуумных приборов в электронных устройствах для выпрямления переменного тока. До сравнительно недавнего времени электровакуумные устройства широко использовались в качестве усилителей электрических сигналов. В настоящее время они почти полностью вытеснены полупроводниковыми приборами.

     Электрический ток в газах на первый взгляд не может существовать из-за отсутствия свободных заряженных частиц (электроны в атомах и молекулах газов прочно “связаны” с ядрами электростатическими силами). Однако, при передаче атому энергии порядка 10эВ (энергия, приобретаемая свободным электроном при прохождении через разность потенциалов в 10 В), последний переходит в ионизированное состояние (электрон уходит от ядра на сколь угодно большое расстояние). В газах при комнатных температурах всегда присутствует очень небольшое количество ионизированных атомов, возникших под действием космического излучения (фотоионизация). При помещении такого газа в электрическое поле заряженные частицы начинают разгоняться, передавая нейтральным атомам набранную кинетическую энергия и ионизуя их. В результате развивается лавинообразный процесс нарастания числа свободных электронов и ионов - возникает электрический разряд. Характерное свечение разряда связано с выделением энергии при рекомбинации электронов и положительных ионов. Типы электрических разрядов весьма разнообразны и сильно завися от состава газа и внешних условий.

      Плазма. Вещество, содержащее смесь нейтральных атомов, свободных электронов и положительных ионов, называют плазмой. Плазма, возникающая в результате сравнительно слаботочных  электрических разрядов (напр. в трубках “дневного света”) характеризуется весьма малыми концентрациями заряженных частиц по сравнению с нейтральными  ( ). Обычно ее называют низкотемпературной, поскольку температура атомов и ионов близка к комнатной. Средняя же энергия гораздо более легких электронов оказывается гораздо большей. Т.о. низкотемпературная плазма является существенно неравновесной, открытой средой. Как отмечалось, в подобных средах возможны процессы самоорганизации. Хорошо известным примером является генерация в плазме газовых лазеров высоко упорядоченного когерентного излучения.