ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 22.11.2019
Просмотров: 18851
Скачиваний: 11
• Напівпровідники широко застосовують тепер в електроніці, їх викори-
стання здійснило революцію в радіотехніці. Радіодеталі стали мініатюр-
ними, з'явилась можливість виготовляти їх типографським способом.
Вони забезпечують виняткову надійність апаратури і зумовлюють ве-
лику економію дорогих матеріалів. Дослідження напівпровідників ще
триває, і сьогодні неможливо передбачити розвиток фізики напівпровід-
ників.
Запитання для самоконтролю і повторення
1. У чому відмінність провідників від напівпровідників та ізоляторів?
2. Що розуміють під власною провідністю напівпровідників? 3. Поясніть
провідності
р-
і «-типів. 4. Як залежить електропровідність напівпровід-
ників від температури та освітленості? 5. Поясніть будову і дію напів-
провідникового діода. 6. Які переваги мають напівпровідникові діоди і
тріоди порівняно з ламповими? 7. Поясніть будову і дію електронно-
променевої трубки. 8. Розкажіть про перспективи розвитку напівпровід-
никової техніки.
Глава 16
Магнітне поле
§ 139. Магнітне поле
Магнітне поле
Початок сучасному розумінню природи магнетизму поклав
датський фізик Г. Ерстед. Він уперше в 1819 р. встановив, а наступні числен-
ні досліди підтвердили той факт, що рухомі електричні заряди взаємодіють
не так, як ті, що перебувають у спокої.
Дослідження, проведені російським фізиком О. О. Ейхенвальдом у
1901 р., показали, що коли заряджене тіло перебуває в спокої відносно
спостерігача, то навколо цього тіла існує
електричне поле.
Якщо воно
рухається відносно спостерігача, то виникає
магнітне поле
, яке відхиляє
легкорухливу магнітну стрілку. Аналогічно на магнітну стрілку діє і провід-
ник із струмом. Якщо по прямому провіднику, розміщеному по магнітному
меридіану в напрямі північ - південь, пропустити струм, то розміщена під
Рис. 16. 1
ним магнітна стрілка від-
хилиться (рис. 16.1). Як-
що помістити стрілку над
провідником, то стрілка
відхилиться у протилеж-
ний бік.
360
Великий внесок у розуміння природи магнетизму французького вче-
ного А. Ампера. Він установив, що всякий електричний струм здатний
взаємодіяти з іншим струмом з силою, яку не можна пояснити кулонівською
взаємодією.
Згідно з
теорією близькодії
, нерухомі електричні заряди взаємодіють
через електричне поле. Провідники із струмом електрично нейтральні.
Але, пропустивши по двох паралельних провідниках струм, ми побачимо,
що провідники, в яких струми І
х
і /
2
проходять в одному напрямі, притя-
гуються (рис. 16.2, а), а провідники, в яких струми проходять у протилежних
напрямах, відштовхуються (рис. 16.2,
б).
Взаємодію між провідниками із струмом, тобто взаємодію між ру-
хомими електричними зарядами, називають магнітною. Сили, 5 якими
провідники із струмом діють один на одного, називають магнітними си-
лами.
Причиною виникнення сил магнітної взаємодії є магнітне поле, яке
виникає навколо провідника із струмом.
Магнітне
поле - це особлива форма матерії, через яку взаємодіють
рухомі заряджені
частинки
або тіла,
що мають магнітний момент.
Експериментальним доведенням реальності магнітного і електричного полів
є факт існування електромагнітних хвиль. Магнітне поле, як і електричне, є
окремим проявом єдиного
електромагнітного поля.
Характерною особливістю електричного поля є його здатність діяти на
нерухомі заряди.
Основна властивість магнітного поля в тому, що воно діє на
рухомі за-
ряди
(електричний струм).
Нерухомі заряди не створюють магнітного поля. Тільки рухомі заряди
(електричний струм) і постійні магніти створюють магнітне поле.
У процесі вивчення взаємодії постійних магнітів було встановлено:
постійні магніти мають два полюси: північний
і південний
(на
рис. 16.1 - відповідно N і
8);
однойменні полюси відштовхуються один від
одного, а різноймен-
ні
притягуються.
Це наводило на думку про існування в природі "магнітних зарядів". Як-
би магнітні заряди існували в природі, то їх можна було б поділити як і
електричні, тобто дістати постійний магніт тільки з одним полюсом. Проте
якщо поділити магніт на дві половини,
то кожна частина знову матиме два по-
люси. Процес поділу можна продовжн-
ій скільки завгодно, і кожний малень-
кий шматочок магніту буде магнітом з
двома полюсами. Пізніше було показа-
но, що навіть електрони, протони, нейт-
а 5
рони поводять себе як крихітні магніти.
Рис, 16.2
361
І
Якщо окремі тіла можна зарядити позитивно
або негативно, оскільки існує елементарний
еле-
ктричний заряд, то ніколи не можна відокремити
північний полюс магніту від південного.
Отже, немає підстав вважати, що в природі
іс-
нують окремі магнітні заряди.
Цю думку висловив Ампер у гіпагезі про елеменга-
рні електричні струми. Згідно з гіпотезою Ампера, все-
редині атомів і молекул речовини циркулюють елемен-
тарні, електричні струми. Якщо ці струми розміщені
хаотично один відносно одного, то їх дія взаємно компенсується і жодних маг -
нітних властивостей тіло не має. У намагніченому стані (наприклад, у постій-
них магнітах) елементарні струми відповідно орієнтовані (рис, 163). Отже,
магнітні властивості будь-якого тіла пояснюються замкненими електричними
струмами всередині нього, тобто магнітна взаємодія - це взаємодія струмів.
о о о
о о о
о о о
Замкнений контур Із струмом у магнітному полі
Для вивчення електричного поля використовують
пробний
заряді тобто такий, який власним полем не спотворює цього електричного
поля. Для дослідження властивостей магнітного поля використовують
маленьку плоску рамку із струмом, підвідні проводи до якої скручують:
тоді в цих проводах проходить той самий струм, але в протилежних на-
прямах, тому сили, які діють з боку магнітного поля на кожний провід-
ник, однакові, але протилежно напрямлені. Результуюча сила, яка діє з
боку магнітного поля на скручений провідник, дорівнює нулю. Розміри
рамки і сила струму, який проходить по ній, мають бути такими, щоб маг-
нітне поле самої рамки не спотворювало досліджуваного магнітного поля.
Таку рамку із струмом називають
пробним контуром.
Виконаємо дослід,, Підвісимо вертикально маленький пробний контур.
На деякій відстані від нього розмістимо провідник. Якщо струму в провід-
нику немає, то рамка перебуває в байдужому стані рівноваги. Якщо по
провіднику пропустити електричний струм, то рамка із струмом повер-
неться і розміститься так, щоб провід був у площині рамки
(рис. 16.4). Якщо змінити напрям струму в провіднику, то І
рамка повернеться на куг к . У
Отже,
магнітне поле чинить орієнтуючу дію на проб-
і/
\
ний контур
. Цим користуються для встановлення нагіря-
У
му поля. 8
Пробний контур, вміщений у магнітне поле, зазнає з і І
боку магнітного поля дії обертального моменту сили М На
ДОСЛІДІ
було встановлено, що
ДНЯ
певної
ТОЧКИ
магнітного
Рис» і 4 4
362
о
і
І
поля максимальне значення моменту сили М ^ , який діє
на контур із струмом, пропорційне добутку сили струму
н контурі на площу контуру 5. тобто М^ =/5
т
. Величи-
ну
р
с
, що характеризує магнітні властивості контуру із
струмом, які ви-значають його поводження в зовніш-
ньому магнітному полі, називають
магнітним моментом
контуру.
Отже
М
гшх
~
р
с
.
Магнітному моменту контуру
р
с
приписують певний
напрям у просторі. Отже, це
величина векторна.
Вектор
р
с
збігається з напрямом додатної нормалі п
до площини контуру (рис. 16.5). Додатний напрям нормалі
збігається з напрямом переміщення
гвинта
з правою нарізкою, який оберта-
(ться у напрямі струму. Напрям магнітного моменту можна визначити і за
допомогою магнітної стрілки. Цей напрям показує північний полюс стрілки.
Рис. 16.5
§ 140. Вектор індукції магнітного поля
Магнітна індукція
Експериментально було встановлено, що
відношення макси-
мального обертального моменту, який діє на контур із струмом у магніт-
ному полі, до магнітного моменту цього контуру не залежить від влас-
тивостей пробного контуру
і тому може бути характеристикою дослі-
джуваного магнітного поля. Його називають
магнітною індукцією:
В ^ ^ ш - . (16.1)
Формула (16.1) визначає тільки модуль магнітної індукції. Магнітне
поле можна повною мірою описати, якщо в кожній його точці знайти мо-
дуль і напрям магнітної індукції
Б.
Вектор магнітної індукції за напрямом
збігається з напрямом зовнішнього магнітного поля.
Магнітна індукція - це силова характеристика
магнітного по-
ли в даній точці простору.
У загальному випадку залежність обертального
моменту М від орієнтації контуру визначається
формулою
М = Вр
с
зіп а, (16.2)
де а - кут між векторами
р
с
і
В
(рис. 16.6). Макси-
мального значення М
п а к
обергальний момеїгг дося-
гне. 16.6
гає при
а =
/ 2 '
363
Рівновага контуру в магнітному полі можлива тоді, коли вектори
р
с
і
В
напрямлені по одній прямій.
За одиницю магнітної індукції в СІ, яку називають
тесла
(Тл)*,
беруть
таку індукцію, при якій на контур з площею
1 м
2
і силою струму
1 А
діє
обертальний момент, що дорівнює
1 Іі • м.
Згідно з (16.2), маємо 1 Тл = 1 Н/(А • м).
Лінії магнітної індукції
Подібно до того як електричні поля графічно зображують за
допомогою електричних силових ліній, магнітні поля зображують за до-
помогою ліній магнітної індукції (або магнітних силових ліній).
Лінії магнітної індукції - це лінії, дотичні до яких у даній точці збіга-
ються за напрямом з вектором
В
у цій точці.
Лінії магнітної індукції
можна зробити "видимими" за допомогою залізних ошурок. Якщо на
скляну пластинку, крізь яку пропущено прямий провідник із струмом,
насипати залізних ошурок і злегка постукати по пластинці, то залізні
ошурки розмістяться вздовж силових ліній (рис. 16.7,
а).
З дослідів випливає, що лінії магнітної індукції прямого провідника із
струмом є концентричними колами, які лежать у площині, перпендикуляр-
ній до струму. Центри цих кіл розташовані на осі провідника. За допомо-
гою залізних ошурок можна дістати зображення ліній магнітної індукції
провідників із струмом будь-якої форми (рис. 16.7,
а-в).
Лінії магнітної індукції завади замкнені та охоплюють провідники
із струмами.
Це відрізняє їх від ліній напруженості електростатичного поля. Такі
поля називають
вихровими
на відміну від
потенціальних
, прикладом яких
є електростатичне поле.
Напрям ліній магнітної індукції пов'язаний з напрямом струму в про-
віднику. Напрям силових ліній магнітного поля, яке створюється провід-
ником із струмом, визначають за
правилом гвинта.
Якщо гвинт з правою різзю вкручувати в напрямі струму, то напрям
обертання ручки гвинта збіжиться з напрямом ліній магнітної індукції.
Магнітне поле називають
однорідним
, якщо вектори магнітної індукції
в усіх його точках однакові (В = соп8і). Прикладом однорідного магніт-
ного поля може бути поле всередині
соленоїда -
котушки, довжина якої
значно більша за її діаметр (рис. 16.7,
в).
Лінії магнітної індукції однорід-
ного поля паралельні, і їх густина скрізь однакова.
Густиною ліній магнітної індукції
можна характеризувати значення
магнітної індукції
В.
Умовились
через
одиничну площадку, розміщену
* Одиницю магнітної індукції назвали на честь сербського електротехніка Н. Тесли.
364