Материал: Справочное пособие по магнитным явлениям

УСЛОВИЯ ДВИЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В ФИЗИЧЕСКОЙ СРЕДЕ

Любая очень малая частица, несущая электрический заряд, взаимодействует электростатически с любой другой заряженной частицей, находящейся в тех же условиях физической окружаю­ щей среды. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются, частицы с положительным и отрицательным зарядами стремятся образовать пары (в процессе образования таких пар взаимно погашается макроскопическое влияние каж­ дой частицы), скопления частиц с одноименными зарядами при­ водят к появлению электростатических градиентов.

Таким образом, присутствие множества электрически заря­ женных частиц в виде различных конфигураций создает различ­ ные условия окружающей среды, в которых движутся все эти частицы, поскольку фактически все частицы атомных масштабов находятся в движении. Траектории движения могут быть прямо­ линейными, криволинейными, колебательными или даже случай­ ными, причем в любых условиях все такие частицы обладают собственным вращением, или спином. Из-за наличия спина каж­ дая частица характеризуется своим направлением, которое опре­ деляется ориентацией оси спина.

В дополнение к вышесказанному движущиеся электрические заряды создают магнитные поля, направление которых зависит от направления движения зарядов. С каждой частицей связано как спиновое поле, так и траекторное поле, причем поля, созда­ ваемые одной частицей, взаимодействуют с полями, создавае­ мыми всеми другими частицами. Поля, направленные противопо­ ложно одно другому, обусловливают силу притяжения между частицами, порождающими эти поля, и в то же время приводят к уменьшению суммарной напряженности поля, тогда как одина­ ково направленные поля вызывают взаимное отталкивание час­ тиц и одновременно увеличивают напряженность.

Любопытное явление наблюдается в случае двух электронов со спинами, имеющими противоположное направление. Связан­ ные с ними противоположно направленные магнитные поля соз­ дают силу притяжения между электронами, тогда как одноимен­ ные электрические заряды взаимно отталкиваются. В итоге возникает тенденция к образованию электронной пары, когда расстояние между электронами таково, что силы притяжения и отталкивания уравновешиваются. Каждая такая пара при сохра-

П

нении указанных соотношений равновесия может притягиваться к частицам с положительным зарядом, например к положитель­ ному иону или атомному ядру.

В этих условиях отрицательные частицы испытывают действие сил, заставляющих их двигаться вокруг положительной частицы по окружности со скоростью, значение которой тем больше, чем меньше диаметр окружности. Иными словами, по мере того как сила электростатического притяжения стремится сблизить час­ тицы, центробежная механическая сила действует в противопо­ ложном направлении. В результате электроны приобретают тен­ денцию к вращению вокруг положительного иона по траектори­ ям, где электростатические силы уравновешиваются механи­ ческими силами.

Кроме того, все указанные частицы движутся с разными, постоянно изменяющимися скоростями и в разных, постоянно изменяющихся направлениях. Изменения скорости приводят к выделению или поглощению электромагнитной энергии, тогда как осредненный эффект движения частиц проявляется в виде тепло­ вой энергии.

Итак, полная энергия, характеризующая условия окружаю­ щей среды, слагается из электрической, механической, тепловой, электромагнитной и химической (композиционной) составляю­ щих. Полная энергия может оставаться постоянной, в то время как эти ее составляющие могут находиться в состоянии непре­ рывного взаимного обмена. В части I этого справочника рас­ сматриваются некоторые соотношения между движущимися электрически заряженными частицами (движущимися магнето­ нами) и различными составляющими энергии окружающей сре­ ды, в которой происходит это движение.

2.ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Воснову «учения о магнетизме», как и большинства других дисциплин, положены очень немногочисленные и довольно простые понятия. Они достаточно просты по крайней мере с точ­ ки зрения того, «что они собой представляют», хотя несколько труднее объяснить, «почему они таковы». Принятые однажды как таковые, они могут использоваться в качестве основных строительных блоков для развития всей изучаемой дисциплины.

Вто же время они служат ориентирами при попытках объяснять наблюдаемые явления.

Во-первых, есть такое понятие, как «электрон». Электроны не просто существуют — их бессчетные количества присутствуют везде, куда бы мы ни бросили взгляд. Электрон представляет собой объект с ничтожно малой массой, несущий единичный отрицательный электрический заряд и вращающийся относитель­ но своей оси с некоторой постоянной скоростью. Одним из

проявлений движения электронов являются электрические токи; иными словами, электрические токи «переносятся» электронами.

Во-вторых, есть такое понятие, как «поле», которое можно использовать для передачи силы через то, что в других отноше­ ниях является пустым пространством. В данном смысле сущест­ вуют поля трех основных типов — гравитационные, электриче­ ское и магнитное.

В-третьих, согласно представлениям Ампера любой движу­ щийся электрон окружен магнитным полем. Поскольку электро­ ны с собственным вращением — это движущиеся электроны, вокруг каждого электрона, обладающего спином, создается маг­ нитное поле. Вследствие этого каждый электрон действует как микроминиатюрный постоянный магнит.

В-четвертых, согласно представлениям Лоренца на электриче­ ский заряд, движущийся в магнитном поле, действует определен­ ная сила. Она является результатом взаимодействия внешнего поля и поля Ампера.

Наконец, вещество сохраняет свою целостность в пространст­ ве благодаря силам притяжения между частицами, электриче­ ское поле которых порождается их электрическим зарядом, а магнитное поле — их спином. Ниже яано более подробное рас­ смотрение указанных явлений.

2.1. ТРИ ТИПА ПОЛЕЙ

Если два объекта находятся в пустом пространстве и разде­ лены некоторым расстоянием, то каждый из них может воздейст­ вовать на другой с определенной силой. Например, тело, лишен­ ное опоры, падает на землю; электроны, находящиеся в непо­ средственной близости один от другого, взаимно отталкиваются; стержневые магниты взаимно отталкиваются или притягиваются в зависимости от их относительной ориентации в пространстве.

Поле — это механизм передачи силы через пространство. Любой объект, который может создавать на расстоянии силу, приложенную к другому объекту, окружен полем определенного типа. Поле простирается во всем пространстве, хотя для практи­ ческих целей всегда можно считать, что область существования поля не слишком велика.

Поле может быть определено только в виде соотношения между какими-либо двумя объектами. Два объекта не могут воздействовать один на другой силой, если каждый из них не окружен собственным полем. Таким образом, возникновение силы в точках открытого пространства обусловлено взаимодействием двух полей.

Существуют поля трех различных типов — электрическое, магнитное и гравитационное. Передача силы возможна только при взаимодействии полей одного и того же типа.

Для описания поля указывают величину и направление силы,

которую оно может создать в любой точке пространства. Один из способов представления поля — векторы, изображенные в виде стрелок и указывающие как абсолютную величину, так и направление силы. Совокупность таких стрелок, распределенных в области, где существует поле, может использоваться для опи­ сания его формы.

Хотя все объекты окружены собственными, характерными для них полями, эти поля не сохраняют постоянную, неизменную форму, поскольку взаимодействие между ними искажает форму каждого поля. Однако собственное поле каждого отдельно взя­ того объекта можно условно определить через силу, которая была бы приложена к гипотетическому второму объекту, если бы последний находился в данной области пространства. Этот второй объект мыслится как точечный источник, обладающий полем единичной величины. При этом допускается, что поле второго объекта не вносит искажений в поле первого.

2.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Имеется два различных определения магнитного поля: магнитное поле — это область в окрестности движущихся элект­ рических зарядов, где проявляются магнитные силы; любая об­ ласть, в которой электрически заряженное тело испытывает дейст­ вие силы при своем движении, содержит магнитное поле.

2.3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИ ЗАРЯЖЕННЫЕ ЧАСТИЦЫ

Электрон представляет собой электрически заряженную части­ цу весьма малых размеров. Каждый электрон во всех отношениях идентичен любому другому электрону.

Протон — это частица, значительно превышающая по раз­ мерам электрон и обладающая электрическим зарядом, который в точности равен по абсолютной величине заряду электрона, но имеет противоположную полярность. Понятие противоположной полярности определяется следующими противоположными явле­ ниями: электрон и протон испытывают по отношению один к другому силу притяжения, тогда как два электрона или два про­ тона отталкиваются один от другого.

В соответствии с соглашением, принятым в экспериментах Бенджамина Франклина, заряд электрона считают отрицатель­ ным, а заряд протона — положительным. Поскольку все другие электрически заряженные тела несут электрические заряды либо положительные, либо отрицательные, значения которых всегда являются в точности кратными заряду электрона, послед­ ний используют в качестве «единичного значения» при описании данного явления.

и