- •В.Л. Бурковский ю.Н. Глотова
- •Введение
- •1. Механические эффекты и деформация
- •1.1. Силы инерции
- •1.2. Гравитация
- •1.3. Трение и износ
- •1.4. Деформация
- •2. Молекулярные явления
- •2.1. Тепловое расширение вещества
- •2.2. Фазовые переходы, агрегатные состояния веществ
- •2.3. Поверхностное натяжение жидкостей
- •2.4. Капиллярность
- •2.5. Сорбция
- •2.6. Диффузия
- •2.7. Тепломассообмен
- •2.8. Термофорез и фотофорез
- •2.9. Молекулярные цеолитовые сита
- •3. Гидростатика, гидроаэродинамика
- •3.1. Течение жидкости и газа
- •3.2. Явление сверхтекучести
- •3.3. Скачок уплотнения
- •3.4. Дросселирование жидкостей и газов
- •3.5. Гидравлические удары
- •3.6. Kавитация
- •4. Колебания и волны
- •4.1. Механические колебания
- •4.2. Акустика
- •4.3. Ультразвук
- •4.4. Волновое движение
- •5. Электромагнитные явления
- •5.1. Взаимодействие тел
- •5.2. Закон Джоуля-Ленца
- •5.3. Проводимость металлов
- •5.4. Электромагнитное поле
- •5.5. Проводник с током в магнитном поле
- •5.6. Электромагнитная индукция
- •5.7. Электромагнитные волны
- •6. Электрические свойства вещества, диэлектрики
- •6.1. Проводники, изоляторы и полупроводники
- •6.2. Диэлектрическая проницаемость
- •6.3. Пробой диэлектриков
- •6.4. Электромеханические эффекты в диэлектриках
- •6.5. Пироэлектрики и сегнетоэлектрики
- •6.6. Электреты
- •7. Магнитные свойства вещества
- •7.1. Магнетики
- •7.2. Магнитокалорический эффект
- •7.3. Магнитострикция
- •7.4. Магнитоэлектрический эффект
- •7.5. Гиромагнитные явления
- •7.6. Магнитоакустический эффект
- •7.7. Ферромагнитный резонанс
- •7.8. Аномалии свойств при фазовых переходах
- •8. Контактные, термоэлектрические и эмиссионные явления
- •8.1. Контактная разность потенциалов
- •8.2. Термоэлектрические явления
- •8.3. Электронная эмиссия
- •9. Гальвано- и термомагнитные явления
- •9.1. Гальваномагнитные явления
- •9.2. Термомагнитные явления
- •10. Электрические разряды в газах
- •10.1. Факторы, влияющие на газовый разряд
- •10.2. Высокочастотный тороидальный разряд
- •10.3. Роль среды и электродов
- •10.4. Тлеющий разряд
- •10.5. Коронный разряд
- •10.6. Дуговой разряд
- •10.7. Искровой разряд
- •10.8. Факельный разряд
- •10.9. "Стекание" зарядов с острия
- •11. Электрокинетические явления
- •12. Свет и вещество
- •12.1. Свет, ультрафиолетовое и инфракрасное излучение
- •12.2. Отражение и преломление света
- •12.3. Поглощение и рассеяние
- •12.4. Испускание и поглощение света
- •13. Фотоэлектрические и фотохимеческие явления
- •13.1. Фотоэлектрические явления
- •13.2. Фотохимические явления
- •14. Люминисценция
- •14.1. Люминесценция, возбуждаемая электромагнитным излучением
- •14.2. Люминесценция, возбуждаемая корпускулярным излучением
- •14.3. Люминесценция, возбуждаемая электрическим полем
- •14.4. Хемилюминесценция
- •14.5. Триболюминесценция
- •14.6. Радиотермолюминесценция
- •14.7. Стимуляция и тушение люминесценции
- •14.8. Эффект поляризации
- •15. Анизотропия и свет
- •15.1. Двойное лучепреломление
- •15.2. Механооптические явления
- •15.3. Электрооптические явления
- •15.4. Магнитооптические явления
- •15.5. Фотодихроизм
- •15.6. Поляризация при рассеивании света
- •16. Эффекты нелинейной оптики
- •17. Явления микромира
- •17.1. Радиоактивность
- •17.2. Рентгеновское и гамма-излучения
- •17.3. Взаимодействие частиц с веществом
- •17.4. Электронный парамагнитный резонанс
- •17.5. Ядерный магнитный резонанс
- •18. Другие физические эффекты
- •18.1. Стробоскопический эффект
- •18.2. Муаровый эффект
- •18.3. Высокодисперсные структуры
- •18.4. Жидкие кристаллы
- •18.5. Лента Мебиуса
- •18.6. Реология
- •Заключение
- •Алфавитный указатель физических законов, явлений и эффектов
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
5. Электромагнитные явления
5.1. Взаимодействие тел
В основе всех физических явлений лежит взаимодействие между телами или частицами. Согласно представления современной физике всякое взаимодействие передается через некоторое поле. Электрические заряды взаимодействуют через электрическое поле, которое они создают, магниты и электрические токи – через магнитное поле. Механическое взаимодействие осуществляется через электромагнитные поля, создаваемые электронами вещества.
Взаимодействие заряженных тел или частиц в самом простейшем случае описывается законом Кулона.
Известно, что разноименные заряды притягиваются, а одноименные – отталкиваются.
Изменяя форму поверхности заряженных тел можно изменить конфигурацию образующихся полей. А это, в свою очередь, открывает возможность управлять силами, действующими на заряженные частицы (тела), помещенные в такое поле.
При внесении незаряженного проводника в электрическое поле носители заряда приходят в движение. В результате у концов проводника возникают заряды противоположенного знака, называемые индуцированными зарядами.
Это же явление используется для защиты различных объектов от воздействия электрических полей путем электрического экранирования и для получения сверхвысоких постоянных напряжений (генератор Ван-де Граафа). При частичном введении диэлектрика между обкладками конденсатора наблюдается втягивание диэлектрика между обкладками.
5.2. Закон Джоуля-Ленца
Под действием электрического поля в проводнике при создании на его концах разности потенциалов заряды движутся – в проводнике возникает электрический ток. Любые нарушения кристаллической решетки проводника – дефекты, примеси, тепловые колебания – являются причиной рассеяния электронных волн, т.е. уменьшения упорядочности движения электронов. При этом в проводнике выделяется тепло (закон Джоуля - Ленца).
5.3. Проводимость металлов
Высокая проводимость металлов связана с особенностью их электронного спектра, в котором непосредственно над заполненными уровнями находятся свободные уровни. У большинства металлов сопротивление увеличивается линейно с ростом температуры, в то же время ряд сплавов имеет отрицательных температурный коэффициент сопротивления. Меняется сопротивление и у неметаллов.
Сопротивление металлов при плавлении возрастает, если его плотность возрастает (в полтора-два раза, для свинца – в 3-4 раза) и, наоборот, падает, если плотность металла при плавлении уменьшается (висмут, сурьма, галлий).
При приложении внешнего гидравлического давления сопротивление металлов уменьшается. Это уменьшение максимально у щелочных металлов, имеющих максимальную сжимаемость. У ряда элементов на кривых зависимости сопротивления от давления имеются скачки, используемые в физике высоких давлений в качестве реперных точек.
Кроме того, на сопротивление металлов очень сильно влияет наличие примесей (или состав сплава), что используется для идентификации сплавов. Так, например, при изменении количества примесей в стали от 0,1 до 1,1% ее удельное сопротивление изменяется от (10 до 30)·10-8 Ом·см.
Широко используются изобретателями и обычные изменения сопротивления объектов за счет изменения размеров или состава объекта.
При низких температурах поведение сопротивления металлов весьма сложно. У некоторых металлов и сплавов обнаруживается явление сверхпроводимости. Сверхпроводящее состояние устойчиво, если температура, магнитное поле и плотность тока не превышает некоторых критических пределов. В 1976 г. достигнуты следующие максимальные значения этих параметров: критическая температура 23,4 К, критическое поле 600 кЗ, плотность тока 11·1011 А/см2.
Если один из параметров поддерживать вблизи критического значения, то сверхпроводящая система может быть использована для очень точного определения небольших изменений измеряемой величины, например, вблизи критической температуры – 10 см/ºС.
Сверхпроводимость – свойство многих проводников, состоящее в том, что их электрическое сопротивление скачком падает до нуля* при охлаждении ниже определенной критической температуры Тк, характерной для данного материала. Это явление обнаружено у более, чем 25 металлов, большого числа сплавов, полупроводников, полимеров.
Опыты установили, что сопротивление металлов в сверхпроводящем состоянии меньше, чем 10~20 Ом-м. Кроме того, в состоянии сверхпроводимости выталкивается магнитное поле из сверхпроводника
(идеальный диэлектрик)
Рис. 5.1. Зависимость сопротивления от температуры для ртути
Ртуть при 4,1 5К переходит в сверхпроводящее состояние. Важное свойство: выше критического магнитного поля Нк сверхпроводимость исчезает. С ростом температуры Нк монотонно падает.
Применение: сверхпроводящий магнит, резонатор, сверхчувствительный W-метр [3].
Эффект Купера –объединение электронов в металле в пары, приводящее к появлению сверхпроводимости; предсказан в 1956 г. американским физиком Л. Купером. Без учета эффект Купера в основном состоянии металла (при температуре Т –> 0 К) электроны заполняют в пространстве импульсов объем, ограниченный Ферми поверхностью. Распределение по импульсам такого, что в металле имеются электроны с равными и противоположно направленными импульсами. Согласно Куперу, электроны, находящиеся вблизи поверхности Ферми и имеющие противоположно направленные импульсы и спины, могут объединяться в пары благодаря взаимодействию через решетку, которая возникает в результате обмена виртуальными фононами и имеет характер притяжения. Куперовские пары имеют целочисленный (нулевой) спин, поэтому система куперовских пар обладает сверхтекучестью.
Малая величина энергии связи электронов куперовской пары обусловливает существование низкотемпературной сверхпроводимости металлов, их соединений и сплавов (~ до 10К).