Магнитное взаимодействие постоянных токов. Вектор магнитной индукции. Закон Ампера. Закон Био-Савара-Лапласа. Магнитная индукция прямого и кругового тока

№1магнитное взаимодействие постоянных токов. Вектор магнитной индукции. Закон Ампера. Закон Био-Савара-Лапласа. Магнитная индукция прямого и кругового тока.§ 109. Магнитное поле и его характеристикиОпыт показывает, что, подобно тому, как в пространстве, окружающем электриче­ские заряды, возникает электростатиче­ское поле, так в пространстве, окружаю­щем токи и постоянные магниты, возника­ет силовое поле, называемое магнитным.Наличие магнитного поля обнаруживается по силовому действию на внесенные в него проводники с током или постоянные маг­ниты. Особенноси магнитного поля:: действие только на движущиеся в эл. поле заряды. Опыт показывает, что характер воздействия магнитного поля на ток различен в за­висимости от формы проводника, по кото­рому течет ток, от расположения провод­ника и от направления тока. Следователь­но, чтобы охарактеризовать магнитноеполе, надо рассмотреть его действие на определенный ток.Подобно тому, как при исследовании электростатического поля использовались точечные заряды, при исследовании маг­нитного поля используется замкнутый плоский контур с током (рамка с током), размеры которого малы по сравнению с расстоянием до токов, образующих маг­нитное поле. Ориентация контура в про­странстве характеризуется направлением нормали к контуру. В качестве положи­тельного направления нормали принима­ется направление, связанное с током пра­вилом правого винта, т. е. за положитель­ное направление нормали принимается направление поступательного движения винта, головка которого вращается в направлении тока, текущего в рамке (рис. 160).

Опыты показывают, что магнитное поле оказывает на рамку с током ориентирую­щее действие, поворачивая ее определен­ным образом. Этот результат связывается с определенным направлением магнитного поля. За направление магнитного поля в данной точке принимается направление, вдоль которого располагается положи­тельная нормаль к рамке (рис. 161). За направление магнитного поля может быть также принято направление, совпадающее с направлением силы, которая действует на северный полюс магнитной стрелки, помещенной в данную точку. Так как оба полюса магнитной стрелки лежат в близ­ких точках поля, то силы, действующие на оба полюса, равны друг другу. Следо­вательно, на магнитную стрелку действу­ет пара сил, поворачивающая ее так, чтобы ось стрелки, соединяющая южный полюс с северным, совпадала с направле­нием поля.Рамкой с током можно воспользовать­ся также и для количественного описания магнитного поля. Так как рамка с током испытывает ориентирующее действие по­ля, то на нее в магнитном поле действует пара сил. Вращающий момент сил зависит как от свойств поля в данной точке, так и от свойств рамки:М=[рmВ], (109.1)где В — вектор магнитной индукции,яв­ляющейся количественной характеристи­кой магнитного поля, рmвектор магнит­ного момента рамкис током. Для плоского контура с током Ipm = ISn, (109.2) где S — площадь поверхности контура (рамки), n—единичный вектор нормали к поверхности рамки. Направление рmсовпадает, таким образом, с направлением положительной нормали. Если в данную точку магнитного поля помещать рамки с различными магнитны­ми моментами, то на них действуют раз­личные вращающие моменты, однако от­ношение Mmax/pm max — максимальный вращающий момент) для всех контуров одно и то же и поэтому может служить характеристикой магнитного поля, назы­ваемой магнитной индукцией: В=Мmaxm.Магнитная индукцияв данной точке однородного магнитного поля определяет­ся максимальным вращающим моментом, действующим на рамку с магнитным мо­ментом, равным единице, когда нормаль к рамке перпендикулярна направлению поля. Следует отметить, что вектор В мо­жет быть выведен также из закона Ампера (см. §111) и из выражения для силы Лоренца (см. § 114).Так как магнитное поле является сило­вым, то его, по аналогии с электрическим, изображают с помощью линий магнитной индукции— линий, касательные к кото­рым в каждой точке совпадают с направ­лением вектора В. Их направление зада­ется правилом правого винта: головка винта, ввинчиваемого по направлению то­ка, вращается в направлении линий маг­нитной индукции.

Линии магнитной индукции можно «проявить» с помощью железных опилок, намагничивающихся в исследуемом поле и ведущих себя подобно маленьким маг­нитным стрелкам. На рис. 162, а показаны линии магнитной индукции поля кругового тока, на рис. 162, б — линии магнитной индукции поля соленоида (соленоид — равномерно намотанная на цилиндрическую поверхность проволочная спираль, по которой течет электрический ток).

Линии магнитной индукции всегда за­мкнуты и охватывают проводники с током. Этим они отличаются от линий напряжен­ности электростатического поля, которые являются разомкнутыми (начинаются на положительных зарядах и кончаются на отрицательных).

Вектор маг­нитной индукции В характеризует резуль­тирующее магнитное поле, создаваемое всеми макро- и микротоками, т. е. при одном и том же токе и прочих равных условиях вектор В в различных средах будет иметь разные значения.

Магнитное поле макротоков описыва­ется вектором напряженности Н.Для од­нородной изотропной среды вектор маг­нитной индукции связан с вектором на­пряженности следующим соотношением:В=m0mН, (109.3)где m0 — магнитная постоянная, m — без­размерная величина — магнитная прони­цаемость среды,показывающая, во сколь­ко раз магнитное поле макротоков Н уси­ливается за счет поля микротоков среды. Сравнивая векторные характеристики электростатического (Е и D) и магнитного (В и Н) полей, укажем, что аналогом вектора напряженности электростатиче­ского поля Е является вектор магнитной индукции В, так как векторы Е и В опреде­ляют силовые действия этих полей и за­висят от свойств среды. Аналогом вектора электрического смещения D является век­тор напряженности Н магнитного поля.§ 110. Закон Био — Савара — Лапласа и его применение к расчету магнитного поляЗакон Био — Савара — Лапласадля проводника с током I, элемент которого dl создает в некоторой точке А (рис. 164) индукцию поля dB, записывается в виде где dl — вектор, по модулю равный длине dl элемента проводника и совпадающий по направлению с током, r — радиус-вектор, проведенный из элемента dl проводника в точку А поля, r — модуль радиуса-векто­ра г. Направление dB перпендикулярно dlи r, т. е. перпендикулярно плоскости, в ко­торой они лежат, и совпадает с каса­тельной к линии магнитной индукции. Это направление может быть найдено по пра­вилу нахождения линий магнитной индук­ции (правилу правого винта): направле­ние вращения головки винта дает направ­ление dB, если поступательное движение винта соответствует направлению тока в элементе. Модуль вектора dB определяется вы­ражением где а — угол между векторами dl и г. Для магнитного поля, как и для элек­трического, справедлив принцип суперпо­зиции:магнитная индукция результирую­щего поля, создаваемого несколькими то­ками или движущимися зарядами, равна векторной сумме магнитных индукций складываемых полей, создаваемых каж­дым током или движущимся зарядом в от­дельности: Расчет характеристик магнитного поля (В и Н) по приведенным формулам в об­щем случае довольно сложен. Однако если распределение тока имеет определенную симметрию, то применение закона Био — Савара — Лапласа совместно с принци­пом суперпозиции позволяет довольно просто рассчитать конкретные поля. Рас­смотрим два примера.1. Магнитное поле прямого тока —тока, текущего по тонкому прямому проводу бесконечной длины (рис. 165). В произвольной точке А, удаленной от оси проводника на расстояние R, векторы dB от всех элементов тока имеют одина­ковое направление, перпендикулярное плоскости чертежа («к нам»). Поэтому сложение векторов dB можно заменить сложением их модулей. В качестве по­стоянной интегрирования выберем угол а (угол между векторами dl и r), выразив через него все остальные величины. Из рис. 165 следует, что (радиус дуги CD вследствие малости dl равен r, и угол FDC по этой же причине можно считать прямым). Подставив эти выражения в (110.2), получим, что маг­нитная индукция, создаваемая одним эле­ментом проводника, равна Так как угол а для всех элементов прямо­го тока изменяется в пределах от 0 до я, то, согласно (110.3) и (110.4), Следовательно, магнитная индукция поля прямого тока 2. Магнитное поле в центре кругового проводника с током(рис. 166). Как следу­ет из рисунка, все элементы кругового проводника с током создают в центре магнитное поле одинакового направления — вдоль нормали от витка. Поэтому сложе­ние векторов dB можно заменить сложени­ем их модулей. Так как все элементы проводника перпендикулярны радиусу-вектору (sina=1) и расстояние всех эле­ментов проводника до центра кругового тока одинаково и равно R, то, согласно (110.2), Тогда Следовательно, магнитная индукция поля в центре кругового проводника с током § 111. Закон Ампера. Взаимодействие параллельных токов.Магнитное поле (см. § 109) оказывает на рамку с током ориентирующее действие. Следовательно, вращающий момент, ис­пытываемый рамкой, есть результат дейст­вия сил на отдельные ее элементы. Обоб­щая результаты исследования действия магнитного поля на различные проводники с током, Ампер установил, что сила dF, с которой магнитное поле действует на элемент проводника dl с током, находяще­гося в магнитном поле, прямо пропорцио­нальна силе тока I в прводнике и век­торному произведению элемента длиной dl проводника на магнитную индук­цию В:dF = I[dl, В]. (111.1) Направление вектора dF может быть найдено, согласно (111.1), по общим пра­вилам векторного произведения, откуда следует правило левой руки:если ладонь левой руки расположить так, чтобы в нее входил вектор В, а четыре вытянутых пальца расположить по направлению тока в проводнике, то отогнутый большой палец покажет направление силы, действующей на ток. Модуль силы Ампера (см. (111.1)) вычисляется по формулеdF = IBdlsina, (111.2) где a — угол между векторами dl и В.

Закон Ампера применяется для опре­деления силы взаимодействия двух токов. Рассмотрим два бесконечных прямолиней­ных параллельных тока I1 и I2 (направле­ния токов указаны на рис. 167), расстоя­ние между которыми равно R. Каждый из проводников создает магнитное поле, ко­торое действует по закону Ампера на дру­гой проводник с током. Рассмотрим, с ка­кой силой действует магнитное поле тока I1 на элемент dl второго проводника с то­ком I2. Ток I1 создает вокруг себя магнит­ное поле, линии магнитной индукции кото­рого представляют собой концентрические окружности. Направление вектора b1 за­дается правилом правого винта, его мо­дуль по формуле (110.5) равен Направление силы dF1, с которой поле B1действует на участок dl второго тока, определяется по правилу левой руки и указано на рисунке. Модуль силы, со­гласно (111.2), с учетом того, что угол a между элементами тока I2 и вектором B1 прямой, равен dF1=I2B1dl, или, подставляя значение для В1, получим Рассуждая аналогично, можно пока­зать, что сила dF2, с которой магнитное поле тока I2 действует на элемент dl пер­вого проводника с током I1, направлена в противоположную сторону и по модулю равна Сравнение выражений (111.3) и (111.4) показывает, чтоdF1=dF2, т. е. два параллельных тока одинакового направления притягиваются друг к другу с силой Если токи имеют противоположные на­правления, то, используя правило левой руки, можно показать, что между ними действует сила отталкивания, определяе­мая формулой (111.5). §112.Магнитная постоянная. Единицы магнитной индукции и напряженности магнитного поляЕсли два параллельных проводника с то­ком находятся в вакууме (m=1), то сила взаимодействия на единицу длины про­водника, согласно (111.5), равна Для нахождения числового значения m0 воспользуемся определением ампера, согласно которому при I1=I2=1А и R=1 м dF/dl=2•10-7 Н/м. Подставив это значение в формулу (112.1), получим m0=4p•10-7 Н/А2=4p•10-7 Гн/м, где генри(Гн) — единица индуктивности (см. §126). Закон Ампера позволяет определить единицу магнитной индукции В. Предпо­ложим, что элемент проводника dl с током I перпендикулярен направлению магнит­ного поля. Тогда закон Ампера (см. (111.2)) запишется в виде dF=IBdl, откуда Единица магнитной индукции — тесла (Тл): 1 Тл—магнитная индукция такого однородного магнитного поля, которое действует с силой в 1 Н на каждый метр длины прямолинейного проводника, распо­ложенного перпендикулярно направлению поля, если по этому проводнику проходит ток в 1 А:1Тл=1Н/(А•м). Так как m0= 4•10-7 Н/А2, а в случае вакуума (m=1), согласно (1.09.3), В =m0H, то для данного случая H=В/m0. Единица напряженности магнитного поля — ампер на метр (А/м): 1 А/м — напряженность такого поля, магнитная индукция которого в вакууме равна 4p•10-7 Тл.

№2 Тепловое излучение. Спектральные характеристики теплового излучения. Закон Кирхгофа. Абсолютно черное тело. Законы Стефана-Больцмана и Вина. Формула Рэлея-Джинса и «ультрафиолетовая катастрофа».197. Тепловое излучение и Его характеристики Тела, нагретые до достаточно высоких температур, светятся. Свечение тел, обусловленное нагреванием, называется тепловым (температурным) излучением. Тепловое излучение характеризуется сплошным спектром, положение максимума которого зависит от температуры. При высоких температурах излучаются короткие (видимые и ультрафиолетовые) электромагнитные волны, при низких - преимущественно длинные (инфракрасные). Тепловое излучение - практически единственный вид излучения, который может быть равновесным. Количественной характеристикой теплового излучения служит спектральная плотность энергетической светимости (излучательностн) тела - мощность излучения с единицы площади поверхности тела в интервале частот единичной ширины: где dWизлv, dv - энергия электромагнитного излучения, испускаемого за единицу времени (мощность излучения) с единицы площади поверхности тела в интервале частот от v до v+dv.Единица спектральной плотности энергетической светимости (Rv,T) - джоуль на метр в квадрате(Дж/м2).Записанную формулу можно представить в виде функции длины волны: где знак минус указывает на то, что с возрастанием одной из величин (V или l) другая величина убывает. Поэтому в дальнейшем знак минус будем опускать. Таким образом, (197.1)С помощью формулы (197.1) можно перейти от Rv,T к Rl,T, и наоборот.Зная спектральную плотность энергетической светимости, можно вычислить интегральную энергетическую светимость (интегральную нзлучательность)(ее называют про сто энергетической светимостью тела), просуммировав по всем частотам: (197.2)Способность тел поглощать падающее на них излучение характеризуется спектральной поглощательной способностью

показывающей, какая доля энергии, приносимой за единицу времени на единицу площади поверхности тела падающими на нее электромагнитными волнами с частота ми от v до v+dv, поглощается телом. Спектральная поглощательная способность - величина безразмерная. Величины Rv,T и Аv,T зависят от природы тела, его термодинамической температуры и при этом различаются для излучений с различными частотами. Поэтому эти величины относят к определенным Т и v (вернее, к достаточно узкому интервалу частот от v до v+dv).

Тело, способное поглощать полностью при любой температуре все падающее на него излучение любой частоты, называется черным.Следовательно, спектральная поглощательная способность черного тела для всех частот и температур тождественно равна единице (Ачv,T = 1). Абсолютно черных тел в природе нет, однако такие тела, как сажа, платиновая чернь, черный бархат и некоторые другие, в определенном интервале частот по своим свойствам близки к ним.

Идеальной моделью черного тела является замкнутая полость с небольшим отверстием О, внутренняя поверхность которой зачернена (рис. 286). Луч света, попавший внутрь такой полости, испытывает многократные отражения от стенок, в результате чего интенсивность вышедшего излучения оказывается практически равной нулю. Опыт показывает, что при размере отверстия, меньшего 0,1 диаметра полости, падающее излучение всех частот полностью поглощается. Вследствие этого открытые окна домов со стороны улицы кажутся черными, хотя внутри комнат достаточно светло из-за отражения света от стен.

Наряду с понятием черного тела используют понятие серого тела - тела, поглощательная способность которого меньше единицы, но одинакова для всех частот и зависит только от температуры, материала и состояния поверхности тела. Таким образом, дня серого тела Асv,T = АТ = const <1.

Исследование теплового излучения сыграло важную роль в создании квантовой теории света, поэтому необходимо рассмотреть законы, которым оно подчиняется.

§ 198. ЗАКОН КИРХГОФА.Кирхгоф, опираясь на второй закон термодинамики и анализируя условия равновесного излучения в изолированной системе тел, установил количественную связь между спектральной плотностью энергетической светимости и спектральной поглощательной способностью тел. Отношение спектральной плотности энергетической светимости к спектральной поглощательной способности не зависит от природы тела; оно является для всех тел универсальной функцией частоты (длины волны) и температуры (закон Кирхгофа): (198.1)

Для черного тела Ачv,T ≡ 1, поэтому из закона Кирхгофа (см. (198.1)) вытекает, что Rv,T для черного тела равнаrv,T. Таким образом, универсальная функция Кирхгофа rv,T есть не что иное, как спектральная плотность энергетической светимости черного тела. Следовательно, согласно закону Кирхгофа, для всех тел отношение спектральной плотности энергетической светимости к спектральной плотности энергетической светимости к спектральной поглощательной способности равно спектральной плотности энергетической светимости черного тела при той же температуре и частоте.

Из закона Кирхгофа следует, что спектральная плотность энергетической светимости любого тела в любой области спектра всегда меньше спектральной плотности энергетической светимости черного тела (при тех же значениях Т и v), так как Аv,T < 1 и поэтому Rv,T < rv,T. Кроме того, из (198.1) вытекает, что если тело при данной температуре T не поглощает электромагнитные волны в интервале частот от v до v+dv, то оно их в этом интервале частот при температуреT и не излучает, так как при Аv,T = 0 Rv,T = 0.

Используя закон Кирхгофа, выражение для энергетической светимости тела (197.2) можно записать в виде, где 2е выражение для сегоро тела.

(198.2)

- энергетическая светимость черного тела (зависит только от температуры).

Закон Кирхгофа описывает только тепловое излучение, являясь настолько характерным для него, что может служить надежным критерием для определения природы излучения. Излучение, которое закону Кирхгофа не подчиняется, не является тепловым.

Законы Стефана-Больцмана и смещения Вина

Австрийский физик И. Стефан (183S-1893), анализируя экспериментальные данные (1879), и Л. Больцман, применяя термодинамический метод (1884), решили… т. е. энергетическая светимость черного тела пропорциональна четвертой степени… Закон Стефана - Больцмана, определяя зависимость Re от температуры, не дает ответа относительно спектрального состава…

ФОРМУЛЫ РЭЛЕЯ - ДЖИНСА И ПЛАНКА

Формула Рэлея - Джннса для спектральной плотности энергетической светимости черного тела имеет вид (200.1) где <e> = kT-средняя энергия… Как показал опыт, выражение (200.1) согласуется с экспериментальными данными… в то время как по закону Стефана - Больцмана Re пропорциональна четвертой степени температуры. Этот результат получил…

Виды фотоэлектрического эффекта.Законы внешнего фотоэффекта

Первые фундаментальные исследования фотоэффекта выполнены русским ученым А. Г. Столетовым. Принципиальная схема для исследования фотоэффекта… Рис. 289 Два электрода (катод К из исследуемого металла и анод А - в схеме Столетова применялась металлическая сетка) в…

Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Экспериментальное подтверждение квантовых свойств света

По Эйнштейну, каждый квант поглощается только одним электроном. Поэтому число вырванных фотоэлектронов должно быть пропорционально интенсивности… Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода А… Уравнение (203.1) называетсяуравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА

2. если вещество обладает магнитными свойствами - элементарные магнитные поля одинаково направлены (сориентированы) и образуется собственное… Намагничевание вещества - появление собственного внутреннего магнитного… Все вещества, помещенные во внешнее магнитное поле, создают собственное внутреннее магнитное поле.

Эффект Комптона и его элементарная теория

где l¢ - длина волны рассеянного излучения, lC - комптоновская длина волны(при рассеянии фотона на электронеlC =2,426 пм). Эффектом Комптона называется упругое рассеяние коротковолнового… Объяснение эффекта Комптона дано на основе квантовых представлений о природе света. Если считать, как это делает…

Единство корпускулярных и волновых свойств электромагнитного излучения

Взаимосвязь между двойственными корпускулярно-волновыми свойствами света можно объяснить, если использовать, как это делает квантовая оптика,… №7.классификация магнетиков: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики,… где z − число электронов в атоме.

Диа- и парамагнетизм

Ради простоты предположим, что элек­трон в атоме движется по круговой орби­те. Если орбита электрона ориентирована относительно вектора В… Таким образом, электронные орбиты атома под действием внешнего магнитного поля… § 133. Намагниченность. Магнитное поле в веществеПодобно тому, как для количественного описания поляризации…

Условия на границе раздела двух магнетиков

Рассмотрим условия для векторов В и Н на границе раздела двух однород­ных магнетиков (магнитные проницаемо­сти m1 и m2) при отсутствии на границе тока проводимости.Построим вблизи границы раздела магнетиков 1 и 2 прямой цилиндр ничтож­но малой высоты, одно основание которого находится в первом магнетике, другое — во втором (рис. 190). Основания DS на­столько малы, что в пределах каждого из них вектор В одинаков. Согласно теореме Гаусса (120.3),B2nDS-B1nDS=0(нормали n и n' к основаниям цилиндра направлены противоположно). ПоэтомуВ1n2n. (134.1) Заменив, согласно В=(m0mН, проекции вектора В проекциями вектора Н, умно­женными на m0m получим Hn1/Hn2=m2/m1. (134.2) Вблизи границы раздела двух магне­тиков 1 и 2 построим небольшой замкну­тый прямоугольный контур ABCDA дли­ной l, ориентировав его так, как показано на рис.191. Согласно теореме (133.10) о циркуляции вектора Н, (токов проводимости на границе раздела нет), откуда

H2tl-H1tl=0 (знаки интегралов по AB и CD разные, так как пути интегрирования противополож­ны, а интегралы по участкам ВС и DA ничтожно малы). Поэтому H1t=H2t. (134.3)Заменив, согласно B=m0mH, проекции вектора Н проекциями вектора В, делен­ными на m0m, получим B1t/B2t=m1/m2. (134.4) Таким образом, при переходе через границу раздела двух магнетиков нор­мальная составляющая вектора В n) и тангенциальная составляющая вектора Н (Ht) изменяются непрерывно (не пре­терпевают скачка), а тангенциальная со­ставляющая вектора В (Вt) и нормальная составляющая вектора Н (Hn) претерпева­ют скачок. Из полученных условий (134.1) — (134.4) для составляющих векторов В и Н следует, что линии этих векторов испытывают излом (преломляются). Как и в случае диэлектриков (см. §90), можно найти закон преломления линий В (а зна­чит, и линий Н): tga2/tga1=m2/m1. (предоставим это сделать по аналогии (см. §90) читателю). Из этой формулы следует, что, входя в магнетик с большей магнитной проницаемостью, линии В и Н удаляются от нормали.

Ферромагнетики и их свойства

Напряженность HC называется ко­эрцитивной силой. При дальнейшем увеличении проти­воположного поля ферромагнетик… Наконец, процесс намагничения фер­ромагнетиков сопровождается изменени­ем его линейных размеров и объема. Это явление…

Линейчатый спектр атома водорода

Швейцарский ученый И. Бальмер (1825-1898) подобрал эмпирическую формулу, описывающую все известные в то время спектральные линии атома водорода в… где R' = 1,10107 м-1-постоянная Ридберга*. Так как v=c/A, то формула… где R = R'с = 3,291015 с-1 - также постоянная Ридбeрга.

Серия Пашена ,серия Брэкета, серия Пфунда, серия Хэмфри

где т имеет в каждой данной серии постоянное значение, т= 1, 2, 3, 4, 5, 6 (определяет серию), п принимает целочисленные значения начиная с т+1… Исследование более сложных спектров - спектров паров щелочных металлов (на… Приведенные выше сериальные формулы подобраны эмпирически и долгое время не имели теоретического обоснования, хотя и…

Постулаты Бора

Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний): в атоме существуют стационарные (не изменяющиеся со временем) состояния, в которых он не… В стационарном состоянии атома электрон, двигаясь по круговой орбите, должен… равной разности энергий соответствующих стационарных состоянии (Еn и Еm - соответственно энергии стационарных…

ОПЫТЫ ФРАНКА И ГЕРЦА

Вакуумная трубка, заполненная парами ртути (давление приблизительно равно 13… Электроны, ускоренные в области 1, попадают в область 2 между сетками, где испытывают соударения с атомами паров…

СПЕКТР АТОМА ВОДОРОДА ПО БОРУ

Следуя Бору, рассмотрим движение электрона в водородоподобной системе, ограничиваясь круговыми стационарными орбитами. Решая совместно уравнение… где n = 1, 2, 3, ... . Из выражения (212.1) следует, что радиусы орбит растут… Для атома водорода (Z = 1) радиус первой орбиты электрона при n = 1, называемый первым воровским радиусом(а), равен …

Вращение рамки в магнитном поле

времени t, согласно (120.1), равен Ф=BnS=BScosa=BScoswt, где a=wt— угол поворота рамки в мо­мент времени t (начало отсчета выбрано так,… ξi=ξmaxsinwt. Таким образом, если в однородном маг­нитном поле равномерно вращается рам­ка, то в ней…

Волновая функция и ее статистический смысл

На данном этапе развития возникли новые принципиальные проблемы, в частности проблема физической природы волн де Бройля. Для выяснения этой проблемы… Необходимость вероятностного подхода к описанию микрочастиц является важнейшей… Чтобы устранить эти трудности, немецкий физик М. Борн (1882-1970) в 1926 г. предположил, что по волновому закону…

ОБЩЕЕ УРАВНЕНИЕ ШРЕДИНГЕРА. УРАВНЕНИЕ ШРЕДИНГЕРА ДЛЯ СТАЦИОНАРНЫХ СОСТОЯНИЙ

Основное уравнение нерелятивистской квантовой механики сформулировано в 1926 г. Э. Шредингером. Уравнение Шредингера, как и все основные уравнения… где ℏ=h/(2), т - масса частицы,  - оператор Лапласа i… Уравнение (217.1) справедливо для любой частицы (со спином, равным 0; см. § 225), движущейся с малой (по сравнению со…

Ток смещения

Рассмотрим цепь переменного тока, содержащую конденсатор (рис. 196). Между обкладками заряжающегося и разряжающегося конденсатора имеется переменное… «протекают» токи смещения, причем в тех участках, где отсутствуют… Найдем количественную связь между изменяющимся электрическим и вызывае­мым им магнитным полями. По Максвел­лу,…

Уравнения Максвелла для электромагнитного поля

В основе теории Максвелла лежат рас­смотренные выше четыре уравнения: 1. Электрическое поле (см. § 137) мо­жет быть как потенциальным (eq), так и… 2. Обобщенная теорема о циркуляции вектора Н (см. (138.4)): Это уравнение показывает, что магнит­ные поля могут…

Возникновение электромагнитной волны. Плоская электромагнитная волна. Скорость распространения электромагнитной волны. Энергия, переносимая электромагнитной волной. Вектор Умова-Пойтинга. § 161. Экспериментальное получение электромагнитных волн

Существование электромагнитных волн —

переменного электромагнитного поля, рас­пространяющегося в пространстве с ко­нечной скоростью,— вытекает из уравне­ний Максвелла (см. §139). Уравнения Максвелла сформулированы в 1865 г. на основе обобщения эмпирических законов электрических и магнитных явлений. Как уже указывалось, решающую роль для утверждения максвелловской теории сыг­рали опыты Герца (1888), доказавшие, что электрические и магнитные поля дей­ствительно распространяются в виде волн, поведение которых полностью описывает­ся уравнениями Максвелла.

Источником электромагнитных волн в действительности может быть любой электрический колебательный контур или проводник, по которому течет переменный электрический ток, так как для возбужде­ния электромагнитных волн необходимо создать в пространстве переменное элек­трическое поле (ток смещения) или со­ответственно переменное магнитное поле. Однако излучающая способность источни­ка определяется его формой, размерами и частотой колебаний. Чтобы излучение играло заметную роль, необходимо увеличить объем пространства, в котором пере­менное электромагнитное поле создается.

Поэтому для получения электромагнитных волн непригодны закрытые колебательные контуры, так как в них электрическое поле сосредоточено между обкладками конден­сатора, а магнитное — внутри катушки индуктивности.

Герц в своих опытах, уменьшая число витков катушки и площадь пластин кон­денсатора, а также раздвигая их (рис. 225, а, б), совершил переход от за­крытого колебательного контура к откры­тому колебательному контуру (вибратору Герца),представляющему собой два стер­жня, разделенных искровым промежутком (рис. 225, в). Если в закрытом колебатель­ном контуре переменное электрическое по­ле сосредоточено внутри конденсатора (рис. 225, а), то в открытом оно заполняет окружающее контур пространство (рис. 225, в), что существенно повышает интенсивность электромагнитного излуче­ния. Колебания в такой системе поддер­живаются за счет источника э.д.с., под­ключенного к обкладкам конденсатора, а искровой промежуток применяется для того, чтобы увеличить разность потенциа­лов, до которой первоначально заряжают­ся обкладки.

Для возбуждения электромагнитных волн вибратор Герца В подключался к ин­дуктору И (рис.226). Когда напряжение на искровом промежутке достигало про­бивного значения, возникала искра, закорачивающая обе половины вибратора, и в нем возникали свободные затухающие колебания. При исчезновении искры кон­тур размыкался и колебания прекраща­лись. Затем индуктор снова заряжал кон­денсатор, возникала искра и в контуре опять наблюдались колебания и т. д. Для регистрации электромагнитных волн Герц пользовался вторым вибратором, называе­мым резонатором Р, имеющим такую же частоту собственных колебаний, что и из­лучающий вибратор, т. е. настроенным в резонанс с вибратором. Когда электро­магнитные волны достигали резонатора, то в его зазоре проскакивала электриче­ская искра.

С помощью описанного вибратора Герц достиг частот порядка 100 МГц и по­лучил волны, длина Я которых составляла примерно 3 м. П. Н. Лебедев, применяя миниатюрный вибратор из тонких плати­новых стерженьков, получил миллиметро­вые электромагнитные волны с l=6— 4 мм. Дальнейшее развитие методики эк­сперимента в этом направлении позволило в 1923 г. советскому физику А. А. Глаголе­вой-Аркадьевой (1884—1945) сконструи­ровать массовый излучатель,в котором короткие электромагнитные волны, воз­буждаемые колебаниями электрических зарядов в атомах и молекулах, генериро­вались с помощью искр, проскакиваемых между металлическими опилками, взве­шенными в масле. Так были получены

Таблица 5волны от 50 мм до 80 мкм. Тем самым было доказано существование волн, пере­крывающих интервал между радиоволна­ми и инфракрасным излучением.

Недостатком вибраторов Герца и Ле­бедева и массового излучателя Глаголе­вой-Аркадьевой являлось то, что свобод­ные колебания в них быстро затухали и обладали малой мощностью. Для полу­чения незатухающих колебаний необходи­мо создать автоколебательную систему, которая обеспечивала бы по­дачу энергии с частотой, равной частоте собственных колебаний контура. Поэтому в 20-х годах нашего столетия перешли к генерированию электромагнитных волн с помощью электронных ламп. Ламповые генераторы позволяют получать колеба­ния заданной (практически любой) мощ­ности и синусоидальной формы.

Электромагнитные волны, обладая ши­роким диапазоном частот (или длин волн l=c/v, где с — скорость электромагнит­ных волн в вакууме), отличаются друг от друга по способам их генерации и ре­гистрации, а также по своим свойствам. Поэтому электромагнитные волны делятся на несколько видов: радиоволны, световые волны, рентгеновское и g-излучения (табл.5). Следует отметить, что границы между различными видами электромаг­нитных волн довольно условны.

 

Дифференциальное уравнение электромагнитной волны

Всякая функция, удовлетворяющая уравнениям (162.1) и (162.2), описывает некоторую волну. Следовательно, электро­магнитные поля действительно могут… где с= 1/Öe0m0, e0 и m0 — соответственно электрическая и магнитная… В вакууме (при e=1 и m=1) скорость распространения электромагнитных волн совпадает со скоростью с. Так как em> 1,…

Излучение диполя. Применение электромагнитных волн

Характер электромагнитного поля ди­поля зависит от выбора рассматриваемой точки. Особый интерес представляет так называемая волновая зона диполя—… тина электромагнитного поля диполя силь­но упрощается. Это связано с тем, что… Если волна распространяется в одно­родной изотропной среде, то время про­хождения волны до точек, удаленных от диполя…

РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ПРИРОДЕ СВЕТА

Согласно корпускулярной теории (теории истечения), свет представляет собой поток частиц (корпускул), испускаемых светящимися телами и летящих по… (170.1) где с - скорость распространения света в вакууме, v - скорость распространения света в среде. Так как n в среде всегда…

КОГЕРЕНТНОСТЬ И МОНОХРОМАТИЧНОСТЬ

СВЕТОВЫХ ВОЛН

Понять физическую причину немонохроматичности, а следовательно, и некогерентности волн, испускаемых двумя независимыми источниками света, можно… Описанная модель испускания света справедлива и для любого макроскопического… Любой немонохроматический свет можно представить в виде совокупности сменяющих друг друга независимых гармонических…

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА

В точках пространства, где cos(2 - 1) > 0, интенсивность I > I1 + I2 , где cos(2 - 1) < О, интенсивность I… Для некогерентных волн разность (2 - 1) непрерывно изменяется,… Как можно создать условия, необходимые для возникновения интерференции световых волн? Для получения когерентных…

МЕТОДЫ НАБЛЮДЕНИЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ СВЕТА

1. Метод Юнга. Источником света служит ярко освещенная щель S (рис. 245), от которой световая волна падает на две узкие равноудаленные щели S1 и S2,… Интерференционная картина (область ВС) наблюдается на экране (Э),… 2. Зеркала Френеля.Свет от источника S (рис. 246) падает расходящимся пучком на два плоских зеркала А1О и А2О,…

ИНТЕРФЕРЕНЦИИ СВЕТА В ТОНКИХ ПЛЕНКАХ

Пусть на плоскопараллельную прозрачную пленку с показателем преломления n и толщиной d под углом i (рис. 249) падает плоская монохроматическая волна… где показатель преломления окружающей пленку среды принят равным 1, а член… С учетом потери полуволны для оптической разности хода получим

ПРИМЕНЕНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ СВЕТА

Явление интерференции применяется также для улучшения качества оптических приборов (просветление оптики) и получения высокоотражающих покрытий.… Для устранения указанных недостатков осуществляют так называемое просветление… Просветляющий слойРис. 253

Волновая функция и ее статистический смысл

На данном этапе развития возникли новые принципиальные проблемы, в частности проблема физической природы волн де Бройля. Для выяснения этой проблемы… Дифракционная картина, наблюдаемая для микрочастиц, также характеризуется… Необходимость вероятностного подхода к описанию микрочастиц является важнейшей отличительной особенностью квантовой…

ОБЩЕЕ УРАВНЕНИЕ ШРЕДИНГЕРА. УРАВНЕНИЕ ШРЕДИНГЕРА ДЛЯ СТАЦИОНАРНЫХ СОСТОЯНИЙ

Основное уравнение нерелятивистской квантовой механики сформулировано в 1926 г. Э. Шредингером. Уравнение Шредингера, как и все основные уравнения… Уравнение (217.1) справедливо для любой частицы (со спином, равным 0; см. §… (х, t) = Acos(t-kx), если в комплексной записи (x, t) = Aei(t-kx). Следовательно,…

ДВИЖЕНИЕ СВОБОДНОЙ ЧАСТИЦЫ

Прямой подстановкой можно убедиться в том, что частным решением уравнения (219.1) является функция (x) =Aeikx, где A = const и k = const, с… Из выражения (219.2) следует, что зависимость энергии от импульса оказывается обычной для нерелятивистских частиц. Следовательно, энергия свободной частицы может принимать любые…