- •1. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона
- •4 Принцип суперпозиции электростатических полей. Поле диполя
- •§ 81. Теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме
- •Применение теоремы Гаусса к расчету некоторых электростатических полей в вакууме
- •6. Циркуляция вектора напряженности электростатического поля
- •7. Потенциал электростатического поля
- •8. Связь Напряженность как градиент потенциала. Эквипотенциальные поверхности
- •Вычисление разности потенциалов по напряженности поля
- •9Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков
- •Поляризованность. Напряженность поля в диэлектрике
- •10. Электрическое смещение. Теореме Гаусса для электростатического поля в диэлектрике
- •11. Связь между векторами е и d Условия на границе раздела двух диэлектрических сред
- •Доп к 9 Сегнетоэлектрики
- •12. Проводники в электростатическом поле
- •13 Электрическая емкость уединенного проводника Конденсатор
- •14. Энергия системы зарядов, уединенного проводника и конденсатора. Энергия электростатического поля
- •15. Электрический ток, сила и плотность тока
- •16. Сторонние силы. Электродвижущая сила и напряжение
- •17. Закон Ома. Сопротивление проводников
- •18. Работа и мощность тока. Закон Джоуля — Ленца
- •19. Закон Ома для неоднородного участка цепи
- •20. Правила Кирхгофа для разветвленных цепей
- •21. Элементарная классическая теория электропроводности металлов
- •21. Вывод основных законов электрического тока в классической теории электропроводности металлов
- •22. Работа выхода электронов из металла
- •22. Эмиссионные явления и их применение
- •23. Ионизация газов. Несамостоятельный газовый разряд
- •23. Самостоятельный газовый разряд и его типы
- •23. Плазма и ее свойства
- •24 Магнитное поле и его характеристики
- •25Закон Био — Савара — Лапласа и его применение к расчету магнитного поля
- •26. Закон Ампера. Взаимодействие параллельных токов
- •24 Магнитная постоянная. Единицы магнитной индукции и напряженности магнитного поля
- •27. Магнитное поле движущегося заряда
- •27. Действие магнитного поля на движущийся заряд силой Лоренца
- •28 Движение заряженных частиц в магнитном поле
- •28 Ускорители заряженных частиц
- •29. Эффект Холла
- •30. Циркуляция вектора в магнитного поля в вакууме
- •31. Магнитные поля соленоида и тороида
- •32. Поток вектора магнитной индукции. Теорема Гаусса для поля в
- •33. Работа по перемещению проводника и контура с током в магнитном поле
- •34. Явление электромагнитной индукции (опыты Фарадея)
- •34. Закон Фарадея и его вывод из закона сохранения энергии
- •35. Вращение рамки в магнитном поле
- •36. Индуктивность контура. Самоиндукция
- •36 Токи при размыкании и замыкании цепи
- •37. Взаимная индукция
- •37. Трансформаторы
- •37 Энергия магнитного поля
- •38. Магнитные моменты электронов и атомов
- •39. М свойства вещ ва Диа- и парамагнетизм ферам
- •39. Условия на границе раздела двух магнетиков
- •§ 135. Ферромагнетики и их свойства
- •39 Природа ферромагнетизма
- •40. Намагниченность. Магнитное поле в веществе
- •41Вихревое электрическое поле
- •41Ток смещения
- •42Уравнения Максвелла для электромагнитного поля
- •43 Гармонические колебания и их характеристики
- •44Механические гармонические колебания
- •45. Свободные гармонические колебания в колебательном контуре
- •46. 47 Дифференциальное уравнение свободных затухающих колебаний (механических и электромагнитных) и его решение. Автоколебания
- •48. Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний (механических и электромагнитных) и его решение
- •50. Резонанс напряжений
- •51. Резонанс токов
- •§52. Мощность, выделяемая в цепи переменного тока
- •48. 49 Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний (механических и электромагнитных) и его решение
- •48. Переменный ток
37 Энергия магнитного поля
Проводник, по которому протекает электрический ток, всегда окружен магнитным полем, причем магнитное поле появляется и исчезает вместе с появлением и исчезновением тока. Магнитное поле, подобно электрическому, является носителем энергии. Естественно предположить, что энергия магнитного поля равна работе, которая затрачивается током на создание этого поля.
Рассмотрим контур индуктивностью L, по которому течет ток I. С данным контуром сцеплен магнитный поток (см. (126.1)) Ф=LI, причем при изменении тока на dI магнитный поток изменяется на dФ=LdI. Однако для изменения магнитного потока на величину dФ (см. § 121) необходимо совершить работу dА=IdФ=LIdI. Тогда работа по созданию магнитного потока Ф будет равна
Следовательно, энергия магнитного поля, связанного с контуром,
(130.1)
Исследование свойств переменных магнитных полей, в частности распространения электромагнитных волн, явилось доказательством того, что энергия магнитного поля локализована в пространстве. Это соответствует представлениям теории поля.
Энергию магнитного поля можно представить как функцию величин, характеризующих это поле в окружающем пространстве. Для этого рассмотрим частный случай — однородное магнитное поле внутри длинного соленоида. Подставив в формулу (130.1) выражение (126.2), получим
Так как I=Bl/(0N) (см. (119.2)) и В=0H (см. (109.3)), то
130.2)
где Sl = V — объем соленоида.
Магнитное поле соленоида однородно и сосредоточено внутри него, поэтому энергия (см. (130.2)) заключена в объеме соленоида и распределена в нем с постоянной объемной плотностью
(130.3)
Выражение (130.3) для объемной плотности энергии магнитного поля имеет вид, аналогичный формуле (95.8) для объемной плотности энергии электростатического поля, с той разницей, что электрические величины заменены в нем магнитными. Формула (130.3) выведена для однородного поля, но она справедлива и для неоднородных полей. Выражение (130.3) справедливо только для сред, для которых зависимость В от Н линейная, т.е. оно относится только к пара- и диамагнетикам (см. § 132).
38. Магнитные моменты электронов и атомов
Рассматривая действие магнитного поля на проводники с током и на движущиеся заряды, мы не интересовались процессами, происходящими в веществе. Свойства среды учитывались формально с помощью магнитной проницаемости . Для того чтобы разобраться в магнитных свойствах сред и их влиянии на магнитную индукцию, необходимо рассмотреть действие магнитного поля на атомы и молекулы вещества.
Опыт показывает, что все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются. Рассмотрим причину этого явления с точки зрения строения атомов и молекул, положив в основу гипотезу Ампера (см. § 109), согласно которой в любом теле существуют микроскопические токи, обусловленные движением электронов в атомах и молекулах.
Для качественного объяснения магнитных явлений с достаточным приближением можно считать, что электрон движется в атоме по круговым орбитам. Электрон, движущийся по одной из таких орбит, эквивалентен круговому току, поэтому он обладает орбитальным магнитным моментом (см. (109.2)) pm=ISn, модуль которого
(131.1)
где I=e — сила тока, — частота вращения электрона по орбите, S — площадь орбиты. Если электрон движется по часовой стрелке (рис. 187), то ток направлен против часовой стрелки и вектор рm (в соответствии с правилом правого винта) направлен перпендикулярно плоскости орбиты электрона, как указано на рисунке.
С другой стороны, движущийся по орбите электрон обладает механическим моментом импульса Le, модуль которого, согласно (19.1),
(131.2)
где v = 2, r2 = S. Вектор Le (его направление также определяется по правилу правого винта) называется орбитальным механическим моментом электрона.
Из рис. 187 следует, что направления рm и Le, противоположны, поэтому, учитывая выражения (131.1) и (131.2), получим
(131.3)
где величина
(131.4)
называется гиромагнитным отношением орбитальных моментов (общепринято писать со знаком «–», указывающим на то, что направления моментов противоположны). Это отношение, определяемое универсальными постоянными, одинаково для любой орбиты, хотя для разных орбит значения v и r различны. Формула (131.4) выведена для круговой орбиты, но она справедлива и для эллиптических орбит.
Экспериментальное определение гиромагнитного отношения проведено в опытах Эйнштейна и де Гааза* (1915), которые наблюдали поворот свободно подвешенного на тончайшей кварцевой нити железного стержня при его намагничении во внешнем магнитном поле (по обмотке соленоида пропускался переменный ток с частотой, равной частоте крутильных колебаний стержня). При исследовании вынужденных крутильных колебаний стержня определялось гиромагнитное отношение, которое оказалось равным –(e/m). Таким образом, знак носителей, обусловливающих молекулярные токи, совпадал со знаком заряда электрона, а гиромагнитное отношение оказалось в два раза большим, чем введенная ранее величина g (см. (131.4)). Для объяснения этого результата, имевшего большое значение для дальнейшего развития физики, было предположено, а впоследствии доказано, что кроме орбитальных моментов (см. (131.1) и (131.2)) электрон обладает собственным механическим моментом импульса Les, называемым спином. Считалось, что спин обусловлен вращением электрона вокруг своей оси, что привело к целому ряду противоречий. В настоящее время установлено, что спин является неотъемлемым свойством электрона, подобно его заряду и массе. Спину электрона Les, соответствует собственный (сотовый) магнитный момент рms, пропорциональный Les и направленный в противоположную сторону:
(131.5)
*В. И. де Гааз (1878—1960) — нидерландский физик.
Величина gs называется гиромагнитным отношением спиновых моментов.
Проекция собственного магнитного момента на направление вектора В может принимать только одно из следующих двух значений:
где ħ=h/(2) (h—постоянная Планка), b—магнетон Бора, являющийся единицей магнитного момента электрона.
В общем случае магнитный момент электрона складывается из орбитального и спинового магнитных моментов. Магнитный момент атома, следовательно, складывается из магнитных моментов входящих в его состав электронов и магнитного момента ядра (обусловлен магнитными моментами входящих в ядро протонов и нейтронов). Однако магнитные моменты ядер в тысячи раз меньше магнитных моментов электронов, поэтому ими пренебрегают. Таким образом, общий магнитный момент атома (молекулы) pa равен векторной сумме магнитных моментов (орбитальных и спиновых) входящих в атом (молекулу) электронов:
(131.6)
Еще раз обратим внимание на то, что при рассмотрении магнитных моментов электронов и атомов мы пользовались классической теорией, не учитывая ограничений, накладываемых на движение электронов законами квантовой механики. Однако это не противоречит полученным результатам, так как для дальнейшего объяснения намагничивания веществ существенно лишь то, что атомы обладают магнитными моментами.