Движение электрических зарядов

Движение электрических зарядов

В основе многих явлений, происходящих во Вселенной, лежат явления, связанные с движением электрических зарядов. Например, наша планета постоянно подвергается бомбардировке заряженными частицами высоких энергий, приходящими из космического пространства. Некоторые из этих частиц возникают за пределами Солнечной системы и в основном представляют собой протоны (примерно 85%),  - частицы (около 14%), а также тяжелые атомные ядра. Большинство из этих частиц, вероятно, образуется в пределах нашей Галактики, и поэтому их потоки называют галактическими космическими лучами. Кроме них известны также солнечные космические лучи, исходящие из Солнца. Они также состоят в основном из протонов. Их потоки особенно сильны в периоды сильных возмущений на поверхности Солнца.

При подходе к Земле эти частицы попадают в ее магнитное поле. Траектории некоторых заряженных частиц в магнитном поле Земли показаны на рис.1. Если кинетическая энергия частицы сравнительно небольшая, то частица отклоняется полем и не достигает поверхности Земли. Частицы же с большей энергией могут ее достигнуть. При этом граничная энергия, в частности для протонов, с увеличением геомагнитной широты уменьшается. В области магнитных полюсов протоны даже с небольшой энергией могут достигать поверхности Земли, "навиваясь" на магнитные силовые линии.

Вблизи Земли есть области, которые содержат заряженные частицы в больших количествах. Их называют радиационными поясами. Они представляют собой "ловушки", в которых заряженные частицы захватываются магнитным полем Земли.

На рис.1.16 показана схема радиационных поясов. Линии на карте проведены через точки с одинаковым значением плотности электронов. На каждой из кривых показаны числа отсчетов в секунду, зарегистрированных счетчиками Гейгера. На карте выделены штриховкой две области, в которых плотность электронов особенно высока: эти области образуют так называемые внутренний и внешний радиационные пояса.

Магнитное поле Земли захватывает не только электроны^* , но и протоны^* . Как и плотность электронов, плотность протонов в зависимости от положения тоже меняется. Распределение протонов со сравнительно низкой энергией показано на рис.3. На нем выделены три радиационных пояса, но в действительности такое четкое разделение отсутствует. Скорее имеет место непрерывное распределение протонов, причем частицы с меньшими энергиями концентрируются во внешнем поясе, а протоны с большей энергией располагаются ближе к поверхности Земли.

Удержание основной части электронов^* и протонов^* геомагнитным полем объясняется тем, что отделившиеся от Солнца протоны за счет своей высокой энергии достигают верхних слоев земной атмосферы и сталкиваются здесь с ядрами атомов атмосферных газов. При этом в результате ядерных реакций испускаются нейтроны. Так как они не имеют электрических зарядов, то магнитное поле Земли на них не действует. Поэтому они, двигаясь по прямолинейным траекториям, попадают из зоны ядерных реакций в области магнитного поля с меньшей напряженностью. Так как нейтроны неустойчивы, то спустя в среднем 12,8 мин. они распадаются на протоны, электроны и нейтрино. Образующиеся при этом электроны и протоны захватываются магнитным полем и образуют в конечном итоге радиационные пояса. Нейтрино же не несут электрических зарядов и поэтому улетают.

Другим явлением, связанным с движением заряженных частиц в магнитном поле Земли, является полярное сияние. Полярные сияния наиболее часто наблюдаются в высоких северных широтах, но изредка их можно наблюдать значительно южнее. Свет в полярных сияниях генерируется солнечными протонами, проникающими в земное магнитное поле до высот примерно 100 км. На этих высотах атмосфера чрезвычайно разрежена, но все же содержит достаточное количество атомов кислорода и азота. Столкновения протонов с этими атомами возбуждают отчетливо видимое свечение. Хотя полярные сияния происходят непрерывно, однако обычно интенсивность излучаемого ими света недостаточна для наблюдения. Только тогда, когда на Солнце происходят сильные возмущения, число протонов, достигающих верхние слои атмосферы, резко возрастает, и можно наблюдать величественное зрелище полярных сияний.

С движением заряженных частиц связаны молнии. Последние представляют собой гигантские электрические искровые разряды между облаками в атмосфере Земли или между облаками и земной поверхностью. Длина молний достигает нескольких километров. Их диаметр составляет, как правило, десятки сантиметров, а длительность - десятые доли секунды. Молнии обычно сопровождаются громом. Наиболее часто наблюдаются линейные молнии, но иногда возникают молнии шаровые.

Для практики и повседневной деятельности людей наибольший интерес представляет упорядоченное движение зарядов - электрический ток. Он работает в электродвигателях, радио- и телеаппаратуре, компьютерах и многих других устройствах. Трудно назвать область человеческой деятельности, которая бы не зависела от эффектов, порождаемых движением электрических зарядов. Рассмотрим причины возникновения и некоторые свойства электрического тока, а также его связь с электрическими и магнитными полями. Все эти явления объясняются теорией близкодействия, созданной английским ученым М.Фарадеем^* .

Согласно этой теории электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждый неподвижный заряд создает в окружающем пространстве так называемое электрическое поле: поле одного заряда действует на другой заряд. Соотечественник Фарадея - Максвелл^* , основываясь на идеях Фарадея, сумел теоретически показать, что воздействие одного электрического заряда на другой распространяется в пространстве с конечной скоростью.

Основная величина, характеризующая электрическое поле, представляет собой силу, приложенную в этом поле к единичному положительному заряду. Она называется напряженностью электрического поля.

Распределение любого поля в пространстве для наглядности изображают силовыми линиями. Силовая линия поля - это линия, у которой касательная в каждой точке показывает направление поля. Увидеть силовые линии электрического поля можно, расположив заряженные тела в какой-либо вязкой жидкости (например, касторке), предварительно перемешанной с продолговатыми кусочками диэлектрика (например, хинина). Тогда вблизи заряженных тел кристаллики хинина выстроятся в цепочки, расположенные вдоль силовых линий поля.

На рис. 1.19 показано несколько примеров силовых линий электрического поля, полученных таким способом. Чем больше густота линий, тем больше напряженность поля. За направление силовых линий условились считать направление силы, приложенной к положительному заряду.

Электрическое поле характерно тем, что работа его сил при перемещении электрического заряда из одной точки в другую, не зависит от формы пути (рис. 1.20a). На замкнутом пути эта работа просто равна нулю (рис. 1.20б). Поля, обладающие таким свойством, называются потенциальными.

Если поле потенциально, то положение в нем двух любых точек А и В однозначно определяет работу по перемещению электрического заряда между ними. Эта работа называется напряжением поля между рассматриваемыми точками, или разностью потенциалов. Так, например, напряжение в розетке бытовой сети определяет работу, которую может совершить электрическое поле при перемещении заряда от одного отверстия розетки до другого по любому пути и, в частности, по любой электрической цепи.

Электрическое поле является необходимым условием возникновения электрического тока. Последний представляет собой движение электрических зарядов, причем достаточно часто их носителями являются электроны.

По способности поддерживать электрический ток все вещества делятся на проводники и изоляторы, причем среди первых различают обычные проводники, полупроводники и сверхпроводники.

Проводники содержат внутри себя достаточное количество свободных зарядов, способных без особых затруднений перемещаться под действием поля. Изоляторы же таких зарядов не имеют.

Обычно в проводниках часть электронов не связана с какими-то атомами и может свободно перемещаться по всему объему вещества. В отсутствие приложенного к проводнику электрического поля свободные электроны движутся хаотично, часто сталкиваясь с неподвижными атомами и изменяя при этом направление своего движения. В среднем через любое сечение проводника электронов в одну сторону проходит столько же, сколько в противоположную сторону (рис. 1.21а). Поэтому результирующего переноса электронов через такое сечение нет, и электрический ток равен нулю.

Если концы проводника присоединить к зажимам батареи (рис. 1.21б), то в нем возникнет электрическое поле. За счет этого в любом сечении проводника, перпендикулярном силовым линиям поля, возникнет перенос электронов, ибо через это сечение в одну сторону будет проходит электронов меньше, чем в другую. Направление, в котором происходит их перемещение, противоположно направлению силовых линий. Направлением же тока считают направление движения положительных зарядов, ибо ток отрицательных зарядов (т.е. ток действительно движущихся электронов) в каком-либо направлении эквивалентен току положительных зарядов в противоположном направлении. Под термином "электрический ток" понимают так называемый условный ток, идущий в том же направлении, что и электрические силовые линии. Термины же "электронный ток" и "поток электронов" применяют к движению электронов.

Основной характеристикой электрического тока является физическая величина, называемая силой тока. Количественно она определяется как скорость переноса электрического заряда Q через какую-либо поверхность (рис. 7) и, следовательно, определяется равенством

Постоянное электрическое поле в проводнике действует на заряженные частицы с постоянной силой. Но скорость частиц не нарастает непрерывно, как это должно было бы происходить по закону Ньютона^* : движущиеся частицы достаточно часто сталкиваются с ионами кристаллической решетки проводника. При этом они то и дело теряют энергию, передавая ее ионам решетки, а поле снова разгоняет их. В результате этого электроны движутся с некоторой, в среднем постоянной скоростью, тем меньшей, чем больше сопротивление окружающей их среды. Это сопротивление называют электрическим сопротивлением. Наряду с напряжением на концах проводника оно определяет заряд, проходящий через поперечное сечение проводника в 1 с, т.е. силу тока.

Сталкиваясь с ионами металлического проводника, электроны передают им свою энергию. Вследствие этого увеличивается интенсивность колебаний ионов около положения равновесия. А чем с большей скоростью колеблются ионы, тем больше нагревается проводник, тем выше его температура.

Большинство бытовых электроприборов потребляет ток в несколько ампер. Поэтому бытовая электропроводка рассчитывается обычно на токи 15-20 А.

Величина электрической мощности (требующейся для работы, например, электродвигателя, телевизора, компьютера) равна произведению напряжения и силы тока:

В системе СИ единицей мощности является ватт (Вт) - мощность, при которой за время в одну секунду совершается работа в 1 джоуль (Дж).

Электроэнергия, потребляемая каким-либо электроприбором и преобразуемая в нем в другие виды энергии (например, кинетическую или тепловую), равна произведению мощности на время, в течение которого эта мощность используется:

С электрическими явлениями тесно связано явление магнетизма. Известно, что некоторые камни (в частности, магнитный железняк) способны притягивать к себе кусочки железа, а также притягиваться друг к другу. Такие камни были обнаружены еще в древности возле города Магнезия (Малая Азия) и получили название магнитов. Свойство магнитов притягивать к себе железо называется магнетизмом. В отличие от электричества магнетизм является постоянным свойством вещества.

Если продолговатый кусок магнитного железняка подвесить на нити или положить на деревянную дощечку, плавающую в спокойной воде, то он примет вполне определенное направление относительно поверхности Земли; его длина будет расположена в направлении север - юг. Это свойство используется в магнитных компасах.

Известно, что разноименные полюса магнитов притягиваются, а одноименные - отталкиваются (рис. 1.24). Поэтому в компасе северный полюс магнитной стрелки притягивается южным магнитным полюсом Земли. Последний расположен вблизи северного географического полюса, но с ним не совпадает.

С помощью компаса можно получить картину магнитного поля Земли или любого магнитного материала: компас в любой точке показывает направление магнитного поля, хотя и не дает никаких сведений о напряженности этого поля. В частности, при измерении поля простого стержневого магнита с помощью компасной стрелки получается картина магнитных силовых линий в виде, показанном на рис. 1.25. При этом за направление силовых линий условно принимают то, которое указывает северный конец компасной стрелки. Это означает, что силовые линии вне стержневого магнита выходят из его северного полюса, а входят в южный полюс.

О концентрации магнитных силовых линий можно судить по расположению железных опилок, находящихся на листе бумаги, который положен поверх стержневого магнита. При этом опилки ведут себя подобно маленьким компасным стрелкам и выстраиваются вдоль силовых линий (рис. 1.26).

Если разрезать стержневой магнит на два куска, то обе половинки окажутся "полноценными" магнитами, имеющими северный и южный полюса и ориентированными так же, как исходный магнит.

До начала XIX века полагали, что электричество и магнетизм не связаны друг с другом. Но в 1820 году датский физик Г. Х. Эрстед^* (1777-1851) обнаружил, что ток в проводнике оказывает влияние на ориентацию расположенной поблизости от него магнитной стрелки. Это открытие показало, что между электрическим током и магнетизмом существует глубокая связь. В дальнейшем явления электромагнетизма были обнаружены в самых разнообразных опытах.

Наиболее крупный вклад в развитие этой области физики внес французский физик-теоретик Андре-Мари Ампер^* (1775-1836). Одним из первых его открытий явилось то, что проводник с током сам создает магнитное поле. Он установил, что силовые линии такого магнитного поля представляют собой окружности, расположенные в плоскости, перпендикулярной проводнику с током, с центром на оси проводника. Картина силовых линий, полученная при этом с помощью железных опилок, показана на рис. 1.27. Она выражает так называемое правило правой руки:

Если взять проводник с током в правую руку так, чтобы
большой палец указывал условное направление тока, то
охватывающие проводник остальные пальцы покажут направ-
ление магнитных силовых линий (рис. 1.28).

На практике достаточно часто требуются однородные магнитные поля. Их можно получить, согнув стержневой магнит так, чтобы северный и южный полюса оказались близки и параллельны друг к другу (рис. 1.29). Понятно, что напряженность такого магнитного поля изменять нельзя. Это ограничивает его применение.

Получить однородное магнитное поле с поддающейся изменению напряженностью можно, пропуская электрический ток через провод, навитый на железное ярмо, имеющее форму подковы. В этом случае магнитное поле создается каждым витком провода (рис. 1.30). В центре витка, где силовые линии сгущаются, магнитное поле особенно сильно. Железное ярмо собирает силовые линии и направляет их в пространство между полюсными наконечниками магнита. Так и возникает однородное поле. При изменении в проводе силы тока меняется напряженность магнитного поля в межполюсном промежутке. Такое устройство называется электромагнитом. Особенно эффективна конструкция электромагнита, в котором имеются два ярма Ш-образной формы, а токовые обмотки размещены на каждом из полюсов (рис. 1.31).

Во всех электромагнитах напряженность поля между полюсами зависит не только от силы тока в обмотке, но и от геометрической формы ярма и полюсов, а также от химического состава используемого железа.

В отличие от силовых линий электрического поля, которые начинаются на положительных и оканчиваются на отрицательных зарядах, силовые линии магнитного поля не имеют ни начала, ни конца. Так, например, силовые линии прямолинейного проводника с током представляют собой окружности. У постоянного магнита или электромагнита, имеющего вид стержня, силовые линии не ограничиваются полюсами, а продолжаются внутри стержня или сердечника, нигде не прерываясь. Непрерывность силовых линий магнитного поля в отсутствие магнитных зарядов (монополей) является одним из важнейших опытных фактов в теории электромагнитизма.

Установлено также, что неподвижный электрический заряд, помещенный в магнитное поле, не испытывает никакого воздействия на него. Оказывается, магнитное поле действует только на движущийся заряд.

Огромный интерес представляют явления, связанные с движением проводника с током относительно магнитного поля. Движущийся в магнитном поле проводник с током эквивалентен движущемуся заряду. Поэтому он испытывает действие магнитного поля (рис. 1.33). Если выключить источник питания, поддерживающий в проводнике ток, то действие магнитного поля прекратится. Если перемещать обесточенный проводник в магнитном поле (рис. 1.34), то оно начнет действовать на заряды в проводнике, и заряды начнут двигаться вдоль проводника: возникнет электрический ток, причем он будет наблюдаться до тех пор, пока проводник перемещается в магнитном поле. В этом случае говорят, что в проводнике наводится (или индуцируется) ток. Это явление, известное как явление электромагнитной индукции, было открыто М. Фарадеем^* в 1831 году.

Для индукции тока в проводнике несущественно является ли магнитное поле во время движения проводника постоянным или нет: важно лишь, чтобы проводник перемещался относительно поля, и тогда в проводнике появится ток, следовательно, в нем возникает электрическое поле. Но оказывается, что также как переменное магнитное поле создает электрическое поле, так и переменное электрическое поле создает магнитное поле.

Рассмотрим случай, изображенный на рис. 18. Пусть имеются две пластины с зарядами + q и - q. Если цепь разомкнута, то равные и разноименные заряды создают в пространстве между пластинами постоянное электрическое поле, ток по проводам не идет, и вокруг цепи магнитного поля нет. Но если цепь замкнуть, то по проводам пойдет ток, вокруг них возникнет магнитное поле. Однако в пространстве между пластинами никакого тока в обычном понимании нет: там происходит только изменение электрического поля. Несмотря на то, что в этой области нет движения электрических зарядов, в ней все же присутствует магнитное поле, созданное меняющимся электрическим полем. Это показывает, что магнитное поле может создаваться как электрическим током, так и изменяющимся электрическим полем.

Экспериментально установлено, что магнитные поля не могут существовать самостоятельно и полностью зависят от движения электрических зарядов. Тот факт, что магнитные поля можно создавать в областях, в которых меняются электрические поля, даже при отсутствии там движущихся заряженных частиц, вовсе не противоречит отмеченному выше. Ведь электрические поля не могут изменяться, если в других частях цепи не возникают токи. Именно поэтому в конечном итоге причиной возникновения магнитных полей является движение зарядов.

Все вещества в природе - магнетики, то есть при помещении их в магнитное поле они намагничиваются. Такая универсальность магнетизма вытекает из того, что электроны участвуют в создании собственного магнитного поля вещества, причем двумя способами: во-первых, электрон сам обладает определенными магнитными свойствами (у него есть так называемый спиновый магнитный момент); во-вторых, электроны движутся вокруг ядра, и это движение, как всякий круговой ток, создает магнитное поле - в данном случае орбитальный магнитный момент (точнее магнитный момент пространственного движения электронного облака вокруг ядра).

Окружающие нас вещества по характеру взаимодействия с внешним магнитным полем делятся на три группы: парамагнетики, диамагнетики и ферромагнетики. Парамагнетики лишь слегка усиливают его, диамагнетики ослабляют. Ферромагнетики же обладают сильными магнитными свойствами. Кроме железа к ним относятся никель, кобальт, а также их многочисленные сплавы и соединения (ферриты).

Несколько десятилетий назад при исследовании тяжелых элементов выяснилось, что среди редкоземельных элементов (пантаноидов), их сплавов и соединений есть гораздо более сильные ферромагнетики, чем элементы группы железа. К их типу относятся гадолиний, тербий, диспрозий, эрбий и другие. В сплаве друг с другом и с элементами группы железа дают материалы с очень сильными магнитными свойствами. Такие элементы, как самарий и европий, хотя и являются сами по себе слабыми магнетиками, но в ряде сплавов, оказывается, проявляют исключительно сильные магнитные свойства.

У редкоземельных элементов и их соединений магнитные моменты в объеме кристаллов расположены удивительно разнообразно: параллельно, антипараллельно, по конусу, по спирали и т.д. Большинство таких структур являются антиферромагнитными. Однако в сильных магнитных полях, а также при понижении температуры эти антиферромагнитные структуры обычно разрушаются, и редкоземельные металлы становятся ферромагнетиками.

Необычные магнитные свойства редкоземельных элементов объясняются особенностями пространственного строения электронного облака их атомов: у редкоземельных элементов электронное облако несферично в то время, как у железа оно почти сферично. Это является следствием того, что у элементов группы железа магнитные свойства определяются только спиновыми магнитными моментами, а у редкоземельных элементов - еще и орбитальными.

Необычные магнитные свойства редкоземельных элементов проявляются, например, в том, что при низких температурах их магнитострикция, то есть изменение размеров тела при его намагничивании, резко возрастает. Это объясняется тем, что внешнее поле поворачивает магнитные моменты атомов, а вместе с ними и несферические электронные облака. Они, в свою очередь, "деформируют" электрическое поле, а следовательно, и весь кристалл.

Необычны свойства полупроводников, имеющих в своем составе такие редкие земли, как европий и самарий: у них магнитные и электрические свойства очень тесно связаны между собой. В частности, под действием магнитного поля и при изменении температуры, у них заметно изменяются электрическое сопротивление, фотопроводимость, а также оптические свойства.

В некоторых редкоземельных магнетиках возникают очень большие магнитотепловые эффекты. Они связаны с переходом части энергии магнитного поля в тепло и проявляются при относительно низких температурах - ниже 0^оС. В "железных" магнетиках подобные явления при низких температурах ничтожно малы.

Для постоянных магнитов нужны материалы с большой энергией магнитной анизотропии: они не будут перемагничиваться внешними полями. Но, например, для трансформаторов нужны материалы, которые должны перемагничиваться даже в слабых магнитных полях. У них магнитная анизотропия должна быть как можно меньше. Такие материалы называют магнитомягкими.

Редкоземельные магнетики в сильных магнитных полях могут менять свою температуру на десятки градусов. Благодаря большому магнитотепловому эффекту редкоземельные материалы могут использоваться в магнитных холодильных машинах в качестве рабочих тел. Последние циклически перемещаются между приемниками и источниками теплоты. Вокруг источника теплоты издается слабое магнитное поле, а вокруг приемника - сильное поле. В зоне слабого поля рабочее тело размагничивается, его температура снижается, при этом тепло от окружающей среды отбирается. В зоне сильного магнитного поля рабочее тело, наоборот, намагничивается, выделяющаяся при этом теплота передается приемнику.

У редкоземельных металлов при низких температурах наблюдается огромная по сравнению с железом и кобальтом магнитная анизотропия. Это связано с тем, что когда внешнее магнитное поле ориентирует магнитные моменты, электронное облако поворачивается, не деформируясь, т.е. оставаясь несферическим. При этом оно возмущает электрическое поле окружающих атомов, и, следовательно, нужно приложить большую энергию, чтобы изменить направление магнитного момента в таком кристалле. Большая магнитная анизотропия редкоземельных магнетиков используется при создании мощных постоянных. Например, магнитная энергия магнитов и соединения самария с кобальтом в 25 раз выше энергии магнитов из наиболее часто используемого материала "алнико".

С анизотропией в редкоземельных магнетиках связаны магнитные переходы типа спиновой переориентации. Оказывается, что магнитная анизотропия ориентирует магнитный момент в зависимости от внешних условий. Это явление можно использовать на практике, например, для измерения температуры, а также для записи информации в двоичном коде. Например, если участок образца нагреть лазерным лучом, то в магнетике произойдет спиновая переориентация. Можно считать, что на этом участке записана "единица", а остальным участкам с первоначальным направлением магнитного момента можно поставить в соответствие нули. Такое разбиение кристалла на участки с разным направлением намагниченности сохраняется в некотором интервале температур. Для того чтобы "стереть" записанную информацию, нужно просто намагнитить образец в каком-нибудь другом направлении.

Возможны и другие применения магнитных свойств редкоземельных элементов, но реализовать их на практике, оказывается непросто.

de.ifmo.ru