-
Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях.
Для
вывода общих закономерностей будем
считать, что магнитное поле однородно
и на частицы электрическое поле не
действует. Если заряженная частица
движется в магнитном поле со скоростью
вдоль линий магнитной индукции, то угол
между векторами
и
равен 0 или
.
Тогда сила Лоренца равна 0, т.е. магнитное
поле на частицу не действует и она
движется равномерно и прямолинейно.
Если
заряженная частица движется в магнитном
поле со скоростью
,
перпендикулярной вектору
,
то сила Лоренца
постоянная по модулю и нормальна к
траектории частицы. Согласно второму
закону Ньютона, эта сила создает
центростремительное ускорение. Отсюда
следует, что частица будет двигаться
по окружности, радиус
которой определяется из условия
,
откуда
.
Период
вращения частицы, т.е. время
,
за которое она совершает один полный
оборот,
.
Подставив сюда предыдущее выражение, получим
,
т.е.
период вращения частицы в однородном
магнитном поле определяется только
величиной, обратной удельному заряду
частицы, и магнитной индукцией поля, но
не зависит от ее скорости (при
).
На этом основано действие циклических
ускорителей заряженных частиц.
Если
скорость
заряженной частицы направлена под углом
к вектору
,
то ее движение можно представить в виде
суперпозиции: 1) равномерного прямолинейного
движения вдоль поля со скоростью
;
2) равномерного движения со скоростью
по окружности в плоскости, перпендикулярной
полю. Радиус окружности определяется
формулой
.
В результате сложения обоих движений
возникает движение по спирали, ось
которой параллельна магнитному полю.
Шаг винтовой линии
.
Подставив в последнее выражение формулу периода, получим:
.
Направление, в котором закручивается спираль, зависит от знака заряда частицы.
Если
скорость
заряженной частицы составляет угол
с направлением вектора
неоднородного магнитного поля, индукция
которого возрастает в направлении
движения частицы, то
и
уменьшаются с ростом
.
На этом основана фокусировка заряженных
частиц в магнитном поле.
-
Термоэлектродвижущая сила, эффект Пельтье и эффект Томсона.
В 1834 г. Ж.Пельтье обнаружил, что при прохождении через контакт двух различных проводников электрического тока, в зависимости от его направления, помимо тепла Джоуля-Ленца выделяется или поглощается дополнительная теплота. Таким образом явление Пельтье является обратным по отношению к эффекту Зеебека.
В отличие от теплоты Джоуля-Ленца, которая пропорциональна квадрату силы тока, теплота Пельтье пропорциональна первой степени силы тока и меняет знак при изменении направления тока.
,
где П – коэффициент Пельтье, зависящий
от химической природы металлов и
температуры
Согласно наблюдениям Пельтье, при пропускании тока через те же два металла, что и в опыте Зеебека, но с одинаковой температурой спаев, один из них нагревается, а другой охлаждается. Если направление тока совпадает с термотоком, то нагревается спай В и охлаждается спай А (рис.216), а если направление тока противоположно, то наоборот.
Определить
коэффициент Пельтье можно при
калориметрических измерениях количества
теплоты в спаях двух металлов (рис.217).
При пропускании тока в указанном
направлении через контакт меди и висмута,
в первом сосуде выделяется
,
а во втором
.
Следовательно:
.
Для металлов коэффициент Пельтье ~
10-3-10-2
В, а для полупроводников ~ 0,003-0,3 В.
Объясняется явление Пельтье тем, что при переходе электрона из одного металла в другой изменяется его полная энергия, а, следовательно, в одном спае внутренняя энергия переходит в энергию электронов, а в другом энергия электронов отдается кристаллической решетке, что соответствует закону сохранения энергии.
При малой силе тока теплота Пельтье может превышать теплоту Джоуля-Ленца, что используется в термоэлектрических полупроводниковых холодильниках, созданных впервые в 1954 г. под руководством А.Ф.Иоффе, а также в других приборах.
В.Томсон теоретически обосновал, что при прохождении тока по неравномерно нагретому проводнику должно происходить дополнительное выделение или поглощение теплоты. Проведенный им для проверки эксперимент получил название явление Томсона.
Суть эксперимента состояла в том, что концы двух металлических стержней поддерживались при различной температуре, а по цепи, в которую стержни были подсоединены, пропускался постоянный ток (рис. 218). Без тока точки 1 и 2 имели одинаковую температуру, а при пропускании тока между точками 1 и 2 регистрировалась разница температур. Выделение или поглощение тепла зависело от химической природы проводников и соотношения градиента температуры и направления тока.
Например, для цинка наблюдалось выделение тепла, если возрастание температуры совпадало с направлением силы тока, а для железа – наоборот.
Эффект Томсона, как и другие термоэлектрические явления, наиболее корректно и количественно обосновывается в рамках квантовых представлений об энергетических состояниях электрона при различных условиях в кристаллической структуре.