книги / Справочное пособие по магнитным явлениям

ББК 31.21 Б97

УДК 621.3.013(035.5)

Н. Е. В1ЖКЕ

НА№ ВООК ОР МАС№Т1С РНЕ1ЧОМЕ1ЧА

Уап №з(гапс1 КетНоШ Сошрапу 1пс., 1986

Бэрк Г. Ю.

Б97 Справочное пособие по магнитным явлениям: Пержс англ.— М-.Энергоатомиздат, 1991.— 384 с.

15ВЫ 5-283-02483-0

Дано систематизированное изложение вопросов происхож­ дения магнитного поля и электромагнитного взаимодействия. Объяснение основных понятий и эффектов электромагнитного взаимодействия дается на качественном физическом уровне, доступном широкому кругу читателей. Рассмотрены многочис­ ленные физические явления, положенные в основу практиче­ ских приборов и устройств, которые применяются в физическом эксперименте и в различных областях техники.

Для инженерно-техниняскик рвботников.

Общая теория магнетизма и широкий круг относящихся к нему явлений уже рассматривались в многочисленных книгах. Специалисты вряд ли нуждаются в помощи при поисках путей в лабиринте опубликованной информации. В то же время те, кто не являются специалистами в данной области, могут быть обес­ куражены этим обилием материалов. Большинство публикаций ограничиваются рассмотрением определенных вопросов, и изло­ женные в них концепции вполне могут показаться не связанными между собой, если читатели без соответствующей подготовки попытаются постичь их во всей полноте. Поскольку эта дисцип­ лина уже достаточно глубоко изучена и с каждым годом к ней добавляется очень мало новой информации, такое положение нельзя считать удовлетворительным. В настоящее время любой читатель даже с минимальными техническими познаниями дол­ жен иметь возможность усвоить основные принципы магнетизма

исвободно в них ориентироваться.

Впредлагаемой книге главным фактором, способствующим достижению поставленной цели, является предельная простота в последовательности изложения материала и обсуждении его деталей. Используется схема логической классификации явлений, базирующаяся на описании характера электронных процессов, возникающих при взаимодействии любых форм вещества с лю­ быми видами энергии. Здесь предпринята попытка представить каждое вызывающее интерес явление в возможно более нагляд­ ной графической форме и одновременно свести словесное его описание к минимуму, достаточному для пояснения иллюстраций. Такой подход можно было бы назвать принципом журнала «Лайф», где каждое сообщение обязательно сопровождается иллюстрацией. На наших рисунках часто используются следую­ щие два условных -обозначения. Во-первых, мелкими точками изображаются медленно движущиеся (холодные), а крупными — быстро движущиеся (горячие) электронные носители. Это разли­ чие в размерах помогает достаточно выразительно показать взаимосвязь между тепловыми и электронными явлениями. Во-вторых, стрелками изображены малые заряженные частицы со спином, образующие намагниченные тела — микроминиатюрные магниты, которые называются магнетонами (спином обладают все субмолекулярные частицы, как заряженные электрически, так

и не заряженные). В основе многих магнитных явлений лежит именно характер взаимодействий между магйетонами, обуслов­ ленных как их электрическим зарядом, так и магнитной поля­ ризацией.

Прежде всего будет показано, что все без исключения магнит­ ные явления представляют собой следствия закона Ампера, уста­ навливающего взаимосвязь между магнитным полем и движу­ щимся электрическим зарядом, затем обсуждаются поля Био — Савара, окружающие прямолинейные траектории всех электри­ ческих токов, и, наконец, рассматриваются тороидальные поля, образующиеся около токонесущих катушек и электрических заря­ дов со спином. Токонесущие катушки используются в конструк­ циях электромагнитов, тогда как вращающиеся заряженные тела порождают явления постоянного магнетизма.

Весь представленный здесь материал содержит подробное описание различных магнитных явлений, число которых более чем вчетверо превышает число явлений, описанных в любо \ дру­ гой из известных автору публикаций на эту тему.

Справочник подразделяется на пять частей. В первой части рассматриваются соотношения между движущимися электриче­ ски заряженными частицами и различными энергетическими со­ ставляющими физической среды, через которую движутся эти частицы. Во второй части обсуждается влияние изменений маг­ нитного поля на движущиеся заряженные частицы. Следующие три части посвящены магнитным явлениям, возникающим при движении магнетонов. В третьей части рассмотрены условия и ожидаемые следствия движения магнетонов при наличии жест­ ких ограничений, например, в твердом теле или в жидкости, а в четвертой части — следствия их движения в тех случаях, когда они не испытывают значительной интерференции с другими час­ тицами, находящимися в той же среде, и не вступают во взаимо­ действие с этими частицами (таковы условия в вакууме или газе). Наконец, в пятой части описаны явления совершенно иного типа, происходящие при движении магнетонов через кристалли­ ческие структуры без значительного взаимного обмена энергией.

Г Ю. Бэрк

Как ни странно, современная литература, посвященная маг­ нетизму и его различным приложениям, по крайней мере как источник основных инженерно-технических знаний часто явля­ ется неполной, неточной и, конечно, недостаточно четко органи­ зованной. Предлагаемое обсуждение направлено на то, чтобы исправить сложившееся здесь положение, в первую очередь для облегчения работы инженеров по электронике.

Дан ответ на фундаментальный вопрос: какие электронные явления могут происходить при взаимодействии вещества и энер­ гии в присутствии магнитных полей? Для описания возможных результатов такого взаимодействия введен термин магнитопреобразование (та^пеМ гапздисВоп), причем для представления структур вещества используется модель с дискретными частицами. Это самая удобная модель для пояснения наибольшего числа магнитных явлений наиболее широкому кругу читателей. Хотя модель с дискретными частицами является весьма полезным средством для изложения материала, она не всегда оказывается обоснованной. В частности, она не годится для объяснения явле­ ний, происходящих при температурах, близких к температуре абсолютного нуля. Таких трудностей можно было бы ожидать, поскольку ни одна модель не дает совершенно точного описания системы, для которой она предназначается.

Возможно, некоторые читатели предпочли бы энергетическую модель, так как именно такую модель используют в большинстве университетов при преподавании науки о строении вещества. Однако при таком подходе круг читателей ограничился бы не­ большим числом специалистов, которые уже приложили значи­ тельные усилия для постижения рассматриваемого здесь пред­ мета и найдут немного нового на страницах этой книги. Кроме того, модель с дискретными частицами и энергетическая модель дополняют одна другую, и тот, кто стремится к более глубокому и исчерпывающему пониманию, может с пользой для себя срав­ нить приведенные здесь объяснения с изложенным в других работах.

Коротко говоря, книга построена таким образом, чтобы чи­ татель со средним уровнем технических знаний, работающий с конкретным устройством, смог понять, каким образом его ис-

пользовать, каковы его характеристики и присущие ему ограни­ чения.

1.1. МАГНИТОПРЕОБРАЗОВАНИЕ

Фундаментальное понятие электропреобразования (полезного электрического явления при взаимодействии между веществом и энергией) служит удобной отправной точкой для феноменоло­ гического рассмотрения тех процессов, которые представляют интерес для специалистов в области техники с электронным уклоном.

Запишем следующее определение:

электропреобразователь — это устройство, способное созда­ вать электрическое напряжение, обусловленное некоторым «ини­ циирующим» явлением, причем электрическим аналогом этого явления может служить частота, амплитуда, фаза или длитель­ ность сигнала.

Это определение побуждает нас к обсуждению явлений, ко­ торые по крайней мере в принципе могут выступать в качестве фактора активизации в различных приборах, тогда как сами «инициирующие явления» выступают в виде определенных форм энергии. Хотя все формы энергии можно свести к некоторому одному «общему знаменателю», рассмотрим здесь отдельно сле­ дующие конкретные формы: химическую, тепловую, механиче­ скую, электрическую и лучистую (электромагнитную). Каждая из этих форм энергии может быть преобразована в электриче­ ский эквивалент определенным процессом электропреобразова­ ния.

Далее, поскольку между электрическим и магнитным полями существует взаимосвязь, характеристики чувствительности про­ цесса электропреобразования зависят от магнитного поля. Учи­

электропреобразователя, выполняющий свою функцию в присутст­ вии магнитного поля.

В этой книге рассматриваются магнитные явления, обуслов­ ливающие различные электронные процессы и поэтому представ­ ляющие интерес для инженеров по электронике.

Высказываемые в книге соображения, однако, выходят да­ леко за пределы простого перечисления известных явлений. Действительно, хотя само по себе электропреобразование сво­ дится к процессу превращения некоторого интересующего нас явления в его электрический аналог, современные методы анало­ го-цифрового преобразования позволяют легко получить инфор­ мацию в цифровом виде, если имеется подходящий ее аналог.

В книге дано общее изложение некоторых фундаментальных принципов, позволяющих использовать основные рассматривае-

мые физические явления для того, чтобы быстро и точно полу­ чить нужную информацию.

1.2. УРОВЕНЬ СТРОГОСТИ И ПРЕДЕЛЫ ОБСУЖДЕНИЯ

Проведенное здесь обсуждение является феноменологическим. Принципы преобразования представлены, насколько это практи­ чески целесообразно, при помощи определенных упрощенных опи­ саний в рамках определенной логической классификации. Меха­ нические устройства, которые часто входят в состав преобразо­ вателя, описаны лишь с той степенью подробности, которая не­ обходима для облегчения понимания исходных принципов, по­ скольку строгое и исчерпывающее изложение их теории можно найти в специальных публикациях.

Понятие преобразования, которое по определению очерчи­ вает круг вопросов этой книги, включает по крайней мере один из следующих процессов: генерацию электрического напряжения; изменение тока, обусловленное изменениями параметров цепей; изменение связи между двумя цепями и введение определенных временных задержек.

Изучение принципов преобразования предусматривает об­ суждение различных «эффектов». Эти эффекты часто связывают с именами ученых, которые их открывали в процессе историче­ ского развития науки и познания человеком окружающего мира. Удачная конструкция полезного прибора рождается в резуль­ тате относительной изоляции какого-либо одного из этих эффек­ тов от всех остальных, тогда как точность преобразования от­ части ограничивается эффектами второго порядка, влияние ко­ торых удается уменьшить лишь до некоторого допустимого ми­ нимума.

Задача состоит в том, чтобы дать простое и доступное объяс­ нение определенных явлений. Таким образом, приведенное рас­ смотрение не может устареть, как устаревают, например, теоре­ тические диссертационные работы, описания конкретных конст­ рукций датчиков или современные рекомендации по конкретным измерительным процедурам. Как интерпретация, так и способ использования явления могут со временем изменяться, однако сам факт существования данного явления остается непрелож­ ным. Хотя нет сомнений в том, что предстоит открытие новых явлений, представленные здесь описания не должны утратить своего значения, по крайней мере в этом состоял замысел автора. Были приложены определенные усилия к тому, чтобы избежать необходимости в дополнительных редакционных замечаниях. С этой целью не использовались определения такого рода, как «хороший», «полезный», «значительный», «эффективный» и т. п., или другие выражения, оценивающие степень значимости, ко­ торые подвержены изменениям во времени и применение кото­

рых вообще характеризуется некоторой ограниченностью при описании сложных физических процессов.

На самом деле материал книги все же подчинен некоторым ограничениям, которые являлись прямым результатом редак­ ционного решения. Было признано целесообразным из очень большого числа наблюдаемых явлений отобрать для описания только те, которые обеспечивают возможность преобразования. Разумеется, это не соответствует первоначально поставленной цели. Хотя любой излом передаточной функции может при опре­ деленных условиях обеспечить преобразование, в окончательный текст книги, подготовленный к публикации, были включены лишь явления, представляющие интерес для самого автора.

1.3.МОДЕЛЬ

Свозрастанием сложности специальных отраслей техники они становятся все менее доступными для лиц, не специализи­ рующихся в этих отраслях. К сожалению, многие специалисты

усугубляют эту ситуацию, культивируя узко специальный язык и публикуя работы, в которых могут разобраться только посвя­ щенные. В частности, многие страницы, сплошь заполненные сложными формулами с непостижимыми обозначениями, способ­ ны обескуражить каждого, за исключением лишь наиболее эрудированных в данной области специалистов.

Конечно, для описания окружающего мира со всеми извест­ ными в настоящее время подробностями нельзя обойтись без математических методов. Однако эти методы не являются необ­ ходимыми для достижения ожидаемого уровня понимания мате­ риала книги у предполагаемого круга ее читателей. Тем не менее, чтобы наше обсуждение вышло за рамки простого перечисления явлений, должны быть изложены некоторые принципы строения вещества. Для эффективности изложения представленные прин­ ципы должны соответствовать принятым сегодня физическим теориям и служить первой вехой на пути, по которому будут продвигаться те, кто в большей степени заинтересуется данным вопросом.

Такие выдающиеся ученые, как Эйнштейн и Инфельд, счита­ ли этот подход разумным, о чем свидетельствует следующее высказывание: «Цель любой физической теории — объяснить как можно более широкий круг явлений. Она оправдана лишь в той степени, в какой делает явления понятными».

Очевидно, эти авторы не возражали бы против добавления «...для конкретного контингента лиц». Таким образом, задача заключается в выборе достаточно совершенной модели, подхо­ дящей для выбранной категории читателей.

На самом деле число возможных вариантов в этом вопросе очень мало. Подавляющее большинство людей воспринимает

Студенты, впервые приступающие к изучению магнитных явлений, найдут здесь простое и всестороннее графическое пред­ ставление этих явлений, дополняющее книги с более теоретиче­ ским уклоном. Для каждого рассматриваемого явления предла­ гается такая иллюстрация, которая ускоряет процесс обучения, поскольку изображение воспринимается с минимальными уси­ лиями. Если эти иллюстрации помогут донести до сознания чи­ тателя удивительную простоту, которой характеризуется строе­ ние вещества (а не его сложность), то поставленная цель будет достигнута.

Специалисты в области техники, занимающиеся установкой преобразователей определенных типов и поэтому обязанные по­ нимать принципы их работы, чтобы учитывать присущие им огра­ ничения; инженеры других специальностей, применяющие стан­ дартные измерительные приборы, работники управленческого звена — для каждого из них представленная информация будет полезной.

По сути дела, любая категория заинтересованных читателей сможет найти здесь ряд ответов на основной вопрос — как ра­ ботает данное устройство? Более того, поскольку в книге упомя­ нуто множество явлений, до сих пор не собранных воедино в какой-либо одной публикации, конструкторы и другие высоко­ квалифицированные специалисты смогут использовать книгу как источник сведений, который подскажет им путь удовлетворения любознательности и усвоения более подробной и глубокой в тео­ ретическом плане информации, необходимой для их деятельно­ сти.

1.5. ОБЩАЯ ЦЕЛЬ

Чарлз Литтон как-то сказал: «Если вы хотите понять, как работает некий электронный прибор, сделайтесь очень малень­ ким, войдите в прибор и осмотритесь вокруг себя. Если вы доста­ точно наблюдательны, то вы увидите, что заставляет его функ­ ционировать».

Предлагаемая книга призвана способствовать развитию «ра­ зумной интуиции», на которую обращает внимание это замеча­ ние Литтона.