Материал: Электричество и магнетизм. Курс лекций. Стрелядкин

Куперовская пара электронов вращается вокруг слегка деформированной области решетки.

Такие пары электронов называют Куперовскими парами. Эта пара движется в поле как единая частица. Энергия связи пары Е~10-2эВ. Поэтому при kT~10-2эВ Куперовские пары разрушаются и сверхпроводимость исчезает.

Рисунок П4.2 − Вращение двух электронов вокруг решетки, деформированной положительной областью

Электрический ток в газах. Несамостоятельный и самостоятельный разряды

В обычных условиях газы являются диэлектриком, который почти не проводит ток. Например, воздух является изолятором в линиях электропередач. При некоторых условиях газы начинают проводить электрический ток. Примером может служить искра, молния, люминесцентные лампы.

Явление протекания тока через газы называют газовым разрядом. Носителями тока в газовом разряде являются ионы и электроны, которые возникают при ионизации газа.

Ионизация – это появление ионов в изначально нейтральном газе.

Обычно ионизация происходит за счет выбивания электрона из атома или молекулы и появления отрицательного электрона и положительного иона. Причиной ионизации могут быть:

1)высокая температура;

2)ультрафиолетовые лучи;

3)разгон электрона в электрическом поле E и его столкновение с нейтральной молекулой. Условие такой ионизации e∙E∙λ>W, где λ − длина свободного пробега электрона, а W – энергия ионизации (распада молекулы на ионы)

Рекомбинация – это обратный ионизации процесс. Несамостоятельный разряд происходит под действием внешнего

ионизатора.

Самостоятельный разряд − разряд, происходящий без действия внешнего ионизатора (за счет разгона электронов и ионизации молекул). Напряжение, при котором возникает самостоятельный разряд, называется напряжением пробоя (потенциал ионизации).

76

Существуют различные виды разрядов, которые зависят от источников ионизации и силы тока. Например, тлеющий разряд происходит в лампах дневного света, дуговой разряд используется при сварке металлов. Коронный разряд возможен при высоких напряженностях на громоотводах. Искровой разряд используют при обработке металлов.

Работа выхода электронов из металла и термоэдектронная эмиссия Работа выхода Aвых − это количество энергии, которую должен

затратить электрон, чтобы выйти из металла и удалиться от него.

Примером такого процесса может служить термоэлектронная эмиссия, которая заключается в вылете электронов из сильно нагретого металла.

При этом тепловая энергия электронов k∙T становится сравнимой с работой выхода Aвых и часть электронов могут вылететь из металла.

Именно такой процесс происходит на нагретых катодах в вакуумных лампах, которые использовались в электронике до появления транзисторов.

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. ТИПЫ МАГНЕТИКОВ: ДИАМАГНЕТИКИ,

ПАРАМАГНЕТИКИ, ФЕРРОМАГНЕТИКИ

Диамагнетики Диамагнетики – вещества, у которых магнитные моменты атомов

(молекул) в отсутствие магнитного поля равны нулю (векторная сумма орбитальных моментов всех электронов атома равна нулю), Pm=0.

Но в магнитном поле у каждого атома появляется наведенный (дополнительный) магнитный момент ∆Pm~B следовательно J~∆Pm~−B, откуда намагниченность можно выразить соотношением:

где χ' - (хи) коэффициент пропорциональности, причем у диамагнетиков χ'<0.

Рассмотрим подробнее, как возникает наведённый магнитный момент.

1. В типичном диамагнетике в отсутствие магнитного поля: (В=0), орбитальные магнитные моменты компенсируют друг друга. Например, если два электрона вращаются по орбитам в противоположных направлениях (см.

77

Рисунок П5.1 − Орбитальные магнитные моменты компенсируют друг друга в диамагнетике в отсутствии магнитного поля

2. а) В магнитном поле (В 0) появляется сила Лоренца Fл=−e∙[V×B], которая для одного электрона (см. рис. П5.2):

1)уменьшает центростремительную силу: Fц=Fкул−Fл А

2)уменьшает скорость вращения электрона Fц=(m∙V2)/R

3)следовательно уменьшает ν - частоту вращения

4)уменьшает магнитный момент Pm1

Рисунок П5.2 − В магнитном поле возникает сила Лоренца

Приращение магнитного момента ∆Pm1 противоположно магнитной индукции B.

б) Если электрон вращается в другую сторону, то Fл добавляется к силе Кулона, увеличивается скорость, частота, магнитный момент Pm2.

Приращение магнитного момента ∆Pm2 также противоположно B. В результате: J~∆Pm~−B, точнее J=B∙χ//μ0, где χ'<0.

Парамагнетики Парамагнетики – вещества, у которых магнитные моменты атомов

(молекул) в отсутствие внешнего магнитного поля отличны от нуля (Pm≠0).

Вмагнитном поле (внешнем) магнитные моменты атомов стремятся ориентироваться вдоль внешнего поля (тепловое движение этому препятствует).

Врезультате степень ориентации и намагниченность тем сильнее, чем больше магнитное поле: J~B. Вводя коэффициент пропорциональности, получим:

диамагнетиков χ'>0.

Сначала начинается прецессия, но за счет столкновений прецессия затухает, а Pm ориентируется вдоль B.

Ферромагнетики

78

Ферромагнетики – вещества, у которых внутреннее магнитное поле в сотни раз превышает вызвавшее его внешнее поле, но для них также справедливо уравнение:

где χ' - (хи) коэффициент пропорциональности, причем у диамагнетиков χ'≈1.

Опыты Столетова. Кривая намагничивания. Магнитный гистерезис. Точка Кюри

Столетов исследовал поведение ферромагнетиков (железа) в магнитном поле и установил следующие его свойства:

Рисунок П5.3 − Кривая намагничивания

1.При H>HH происходит насыщение намагниченности, (см. рис. П5.3).

2.Существует магнитный гистерезис – отставание намагниченности J от изменения напряженности магнитного поля H (см. рис. П5.4).

Рисунок П5.4 − Гистерезис

3. Перечисленные свойства обнаруживаются при T<TКЮРИ

1)при T<TК - вещество является ферромагнетиком.

2)при T>TК - вещество превращается в парамагнетик.

Объяснение: при T<TК ферромагнетик разбит на области-домены, размеры которых составляют l~10−4...10−5 м.

В пределах каждого домена все Pm ориентированы одинаково (до насыщения).

Без внешнего поля домены ориентированы хаотически и результирующий магнитный момент тела равен нулю.

79

Вполе начинается преимущественная ориентация доменов вдоль поля. В насыщении все домены ориентированы в направлении B.

Гистерезис объясняется «трением» между границ доменов.

Вквантовой механике образование доменов объясняется взаимодействием между спинами электронов, (см. рис. П5.5).

Рисунок П5.5 − Взаимодействие между спинами электронов

ПРИЛОЖЕНИЕ 6. НЕКОТОРЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ

СООТНОШЕНИЯ

Физический смысл grad( ) - это вектор, который дает направление и величину тангенса угла самого крутого подъема функции (вода катится противоположно градиенту), (см. рис. П6.1).

Физический смысл дивергенции - это скаляр равный числу силовых линий векторного поля A, выходящих из единичного объема (элементарный поток),

(см. рис. П6.2).

80