Материал: Справочное пособие по магнитным явлениям

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам

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

Источник: https://studfile.net/preview/19992782/