ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ДВИЖУЩИЕСЯ ЗАРЯЖЕННЫЕ ЧАСТИЦЫ
В части I были обсуждены основные теоретические принципы, объясняющие, каким образом отдельные магнитные поля дости гают равновесия и по отношению друг к другу, и по отношению к различным энергетическим составляющим окружающей сре ды — химической, тепловой, механической, электростатической и электромагнитной. Если какая-либо одна из этих составляющих, например механическое напряжение, температура, интенсивность электромагнитного облучения, изменится, то вся окружающая среда перейдет к новым условиям равновесия.
Кроме того, в том случае, когда в данной окружающей среде присутствует магнитное поле, равновесие ее энергетических со ставляющих наступает при иных условиях, чем при отсутствии этого поля. Хотя магнитное поле само по себе является не одной из форм энергии, а, скорее, чем-то производным от энергии движущихся электрически заряженных частиц, изменяющееся магнитное поле все же передает энергию, при этом передача энергии вызывает взаимодействие между окружающей средой,
вкоторой существует поле, и движущимся электрическим зарядом, создающим поле; процесс взаимодействия влияет как на среду, так и на заряд. Такой процесс взаимодействия будет рассмотрен
вчасти II этого справочника.
10. ДВИЖУЩИЙСЯ ПРОВОДНИК
Если вещество движется в пространстве, где существует магнитное поле, то каждая из заряженных частиц, входящих в состав вещества (электрон, ион и т. п.), испытывает действие силы Лоренца в соответствии с уравнением (2.4).
Приложение к заряженной частице силы Лоренца эквивалент но приложению к этой частице электрического потенциала, ускоряющего %е движение. Как и в случае напряжения, генери руемого любым источником, такая сила способна вызывать ток, пока имеются его носители и замкнутая цепь, в которой может течь этот ток. Если данное конкретное движение вещества та ково, что течение тока невозможно, то происходит перераспреде ление заселенностей носителей заряда, создающее в объеме та кого вещества градиент потенциала, противоположный силе Лоренца и полностью ее уравновешивающий.
Если вещество движется в пространстве, где существует магнитное поле, то сила, обусловливающая это движение, соз дает либо кинетическую энергию, представленную электрическим током, либо потенциальную энергию, представленную градиентом электрического потенциала.
10.1. ПРОВОЛОКА В МАГНИТНОМ ПОЛЕ
Если отрезок проводящей проволоки перемещается в магнит ном поле, то между ее концами появляется электрическое на пряжение. Такую проволоку, вообще говоря, можно двигать в любом направлении, однако напряжение, генерируемое при этом движении, определяется только составляющей движения, перпен дикулярной направлению магнитного поля, т. е. напряжение воз никает лишь при условии, что проволока пересекает силовые линии поля. Математическое выражение для напряжения, гене рируемого в проволоке при ее движении в магнитном поле, или напряжения Лоренца, имеет следующий вид:
|
Е=иЗ(с1х/си)&ту, |
(10.1) |
|
где йх/И — скорость движения проволоки; |
В — магнитная ин |
||
дукция; |
Ь — длина проволоки |
(эффективная длина по перпенди |
|
куляру |
к направлению, поля) |
и <р — угол между направлением |
|
движения проволоки и направлением магнитного поля. Несмотря на то что при движении проволоки в магнитном
поле генерируется напряжение, получить в этой проволоке изме рительный ток нельзя, если отсутствует замкнутая цепь, обеспе чивающая его течение. Если же цепь замыкается другой про волокой, также движущейся в магнитном поле, то эта последняя проволока генерирует свое собственное напряжение. При дви жении двух отрезков проволоки в одном и том же поле, с одной и той же скоростью и в одном и том же направлении их напря жения будут противоположны, так что выходной сигнал преоб;, разования будет отсутствовать. Однако в том случае, когда одна из проволок отличается от другой скоростью или направлением движения или же движется в другом магнитном поле, между проволоками возникает «разностное» напряжение, для которого можно найти полезное применение.
Если к изображенному на рис. 10.1 отрезку проволоки,- генерирующему напряжение, подсоединить замыкающую ветвь, цепи, то электроны потекут по этой ветви от нижней части, проволоки к ее верхней части, так что проволока будет экви-, валентна батарее с положительным полюсом наверху и отрица тельным внизу. Генерируемое при этих условиях напряжение, вызванное приложенной к электронам силой (напряжение Ло ренца), считается распределенным между отрицательным и положительным концами проволоки.
Рис. ЮЛ. Между двумя концами проволоки, движущейся в маг нитном поле, генерируется элек трическое напряжение:
—“ ------------ электроны:
+ф + + Н---- дефицит электронов
Если в проволоке действительно течет ток, то движение элект ронов сверху вниз равносильно течению тока снизу вверх. Пре одолевая сопротивление проволоки, этот ток создает противодей ствующее напряжение, распределенное по тому же направлению, что и ток.
Если же ток в проволоке не течет, то заряды накапливаются на ее концах до тех пор, пока между концами не образуется напряжение, противоположное напряжению Лоренца. При этом напряжение Лоренца стремится удалить противоположные за ряды друг от друга, тогда как напряжение, вызванное разделе нием зарядов, наоборот, стремится их сблизить.
10.2. ДВИЖЕНИЕ ПРОВОДНИКА С УСКОРЕНИЕМ
Предположим, что некоторый проводник движется с постоян ной скоростью в пространстве, где отсутствует поле. Такое дви жение не оказывает никакого дополнительного влияния на опре деленные частицы в проводнике по сравнению с какими-либо другими его частицами, поскольку все частицы движутся с одной и той же скоростью.
Если же проводник движется с ускорением, то на частицы действуют силы, которые различаются в зависимости от масс конкретных частиц (сила равна произведению массы на уско рение). Кроме того, реакция каждой частицы на воздействие этой силы подчинена ограничениям, налагаемым на нее химиче скими связями, которые обусловливают формирование вещества, образующего проводник. Вследствие того что связи электронов проводимости обычно бывают менее жесткими, чем связи других частиц, сила инерции электрона приводит к некоторому смещению электрона в веществе, в результате чего в проводнике устанавли
вается некоторый градиент потенциала, обусловленный ускорен ным движением.
Поскольку в проводниках разных типов электроны проводи мости находятся в средах с различными свойствами, под влия нием ускорения в них устанавливаются также различные на пряжения'. Если из проводящих веществ двух разных типов со ставлена замкнутая электрическая цепь, то при движении этой цепи с ускорением в ней начнет циркулировать ток из-за раз личия напряжений, генерируемых в ветвях цепи, состоящих из проводящих веществ разных типов.
• Эффект Толмена заключается в том, что движущийся с ускорением проводник генерирует электрическое напряжение в результате инерции электронов.
10.3.ПРОВОЛОЧНАЯ КАТУШКА
Всоответствии с обобщением принципов, описанных в § 10.1,
впроволочной катушке генерируется напряжение при любом из менении магнитного потока, проходящего через эту катушку. Ка тушка, схематически изображенная на рис. 10.2, является преж де всего генератором заряда. Электрический заряд, генерируемый
втакой катушке, пропорционален изменению магнитного потока через катушку.
Если такая катушка подсоединена к баллистическому галь ванометру, то при перемещении ее из области с определенной магнитной индукцией поля в другую область, где поле имеет иную индукцию, отброс гальванометра будет пропорционален разности между этими двумя индукциями поля. Используя
одно из таких двух полей в качестве стандартного, можно ука занным способом измерять индукцию магнитных полей. Если же катушка периодически меняет свое положение между двумя об^
Рис. 10.2. Генератор заряда. В катуш ке генерируется электрический заряд, пропорциональный изменению магнит ного потока, проходящего через ка тушку
Рис. 10.3. В катушке, непрерывно вра щающейся в магнитном поле, генериру ется синусоидальное электрическое на пряжение
ластями пространства с разными индукциями поля, то ее выход ной сигнал будет представлять собой переменное напряжение, пропорциональное как разности индукций поля, так и частоте колебаний катушки.
На рис. 10.3 показана схема с проволочной катушкой, которая может поворачиваться в магнитном поле на угол 180° Такой поворот равносилен перемещению катушки из поля с одной ин дукцией в другое поле, имеющее противоположную по направ лению индукцию с такой же абсолютной величиной. Поворот эквивалентен также перемещению катушки из поля, индукция которого вдвое превышает заданную, в поле с нулевой индук цией. Если катушка вращается непрерывно с постоянной ско ростью, то на ее выходе генерируется синусоидальное напряже ние. На рис. 12.3 иллюстрируется относительное напряжение в последовательные моменты времени при вращении катушки.
10.4.УНИПОЛЯРНЫЙ ГЕНЕРАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА
Вконструкции униполярного генератора постоянного тока (рис. 10.4) принцип движущегося проводника используется в
несколько ином варианте. В основу этого прибора положен вращающийся диск, а не движущаяся проволока. Однако диск можно рассматривать как совокупность радиальных полос или проволок, каждая их которых при своем движении пересекает силовые линии поля. Когда такой диск вращается в магнитном поле, возникает напряжение между его центром и внешним краем. Это напряжение пропорционально угловой скорости вращения диска и общему числу пересекаемых силовых линий.
Описанный прибор является также генератором заряда — он создает определенное число единиц электрического заряда при повороте диска на заданный угол. Этот заряд пропорционален числу прерванных силовых линий, обратно пропорционален им педансу цепи и не зависит от скорости вращения диска.
Униполярный генератор постоянного тока обеспечивает быст рое возвращение баллистического гальванометра к нулевому по ложению после отклонения.
Рис. 10.4. Униполярный генера тор постоянного тока. Если про водящий диск вращается в маг нитном поле, то между его цент ром и краем генерируется элек трическое напряжение