Файл: Fizika - V. F. Dmitriyeva.pdf

прискорюючої різниці потенціалів електричного поля. Справді, робота 

електричних сил  0 ( ф | - ф

2

) дорівнює кінетичній енергії частинки: 

ту

2

 /2 = 0(ч>і - ф

2

), 

звідки 

Радіус траєкторії і? визначають- експериментально. За відомими 5 і 

(Фі — Ф2) з(16.19) питомий заряд 

(2  2 (

ф і

- ф

2

) 

ш ~~ і?

2

і?

2 

Так було визначено питомі заряди електрона е/ш

е

 = 1,7588 10

 1

 Кл/кг 

і протона  е / т

р

 -9,5488*10

7

 Кл/кг. 

Прилади, за допомогою яких можна поділяти заряджені частинки за їх 

питомими зарядами, називают

ь мас-спектрографами. 

Прискорювачі заряджених частинок 

Структуру атомних ядер досліджують, бомбардуючи їх час-

тинками, що мають велику енергію, тобто такими, що летять з великою 

швидкістю. Для добування таких частинок у лабораторних умовах вико-
ристовують прискорювачі частинок різних видів, одним з яких

 с цикліч-

ний прискорювач (циклотрон). 

У циклотроні (рис, 16,17) заряджена частинка рухається між полюса-

ми електромагніта, багаторазово проходячи через електричне поле. При 
цьому щоразу її енергія зростає на 10

2

 -10

3

 еВ. Рухом, частинки керують 

за допомогою поперечного магнітного поля. 

На заряджену частинку, яка рухається в постійному магнітному полі, діє 

сила Лоренца

 Р

П

 =

 ООВ,

 внаслідок чого частинка рухається

 по

 колу стало-

го радіуса

 К,

 якщо її маса

 т

 і швидкість

 V

 не змінюються (рис.. 16.17,

 а). 

Сила Лоренца дорівнює силі, яка спричинює доцентрове прискорення 

Г - ту

2

 /

 Я,

 тобто 

ту

 2

 І К = ОиВ

9 

де () - заряд частинки;

 В

 - індукція магнітного поля (вектори V і В взаєм-

но перпендикулярні, тобто ші а = 1). З цієї формули легко дістати вирази 

для кутової швидкості частинки: 

375 

Якщо (9,

 т

 і В сталі, то кутова швидкість, а отже, і кількість обертів 

частинки за секунду також сталі величини, які не залежать від енергії час-
тинки. Проте радіус траєкторії залежить від швидкості руху частинки 

[див. (16.19)]. Тому зі збільшенням швидкості руху частинки із зростан-
ням її енергії радіус траєкторії збільшується, через це і частинка в цикло-

троні рухається по спіралі, яка розкручується. 

Схему циклотрона зображено на рис. 16.17, б (вигляд збоку) і рис, 16.17,

 в 

(вигляд зверху). Між полюсами електромагніта, який складається з 
магніту

 2

 і обмоток /, встановлюють два металевих електроди

 4

 і

 б

, на 

які подається висока напруга від високочастотного генератора 7. Елек-
троди називаються дуантами через схожість їх форми з латинською 

буквою X). Поблизу від центра магніту в проміжку між дуантами роз-
міщують джерело

 5

 заряджених частинок (іонів). Всю систему з елект-

родів та іонного джерела встановлено у вакуумній камері 3, розрід-
ження в якій досягає ІО"

5

 мм рт. ст. Частоту зміни електричного поля 

добирають так, щоб до моменту підлітання іона, який вилетів з джере-
ла 5, до зазору між дуантами там існувала прискорююча різниця потен-
ціалів. Всередині дуантів електричного поля немає, і там іон рухається 

по дузі сталого радіуса, який відповідає енергії іона, У проміжках між 
дуантами енергія іона збільшується, збільшується і радіус наступного 
піввитка в дуанті, Іони рухаються по спіралі, наближаючись до краю 
полюса магніту. Пучок прискорених позитивних іонів виводять з цик-
лотрона за допомогою відхиляючого електрода 8, на який подається 
високий негативний потенціал,, Проходячи повз нього, пучок іонів змі-
нює свою траєкторію і. крізь віконце, затулене тонкою фольгою, вихо-
дить з камери. 

Циклотрон використовують як прискорювач важких частинок - протонів 

і багатозарядних позитивних іонів. 

Для прискорення електронів використовують

 бетатрони

, в яких 

додаткову енергію електронам надає вихрове електричне поле. 

376 

§ 148. Магнітосфера Землі 

та її взаємодія

 з

 сонячним вітром 

Магнітосфера ~

 це область навколоземного простору, власти-

пості, розміри і форма якої визначаються магнітним полем Землі та його вза-

І

 модією з потоками заряджених частинок від Сонця, тобто сонячним вітром. 

Сонячний вітер -

 це постійний радіальний потік плазми сонячної ко-

рони в міжпланетний простір. Сонячний вітер містить в основному про-

юни, небагато ядер гелію, іонів кисню, кремнію, сірки, заліза. Ці частинки 

досяг ають орбіти Землі, маючи велику швидкість, наприклад, швидкість 
прогонів досягає 300-750 км/с. Поблизу Землі зіткнення частинок сонячного 

ні і

 ру з геомагнітним полем породжує стаціонарну ударну хвилю перед 

іемною магнітосферою. Сонячний вітер ніби обтікає магнітосферу, обме-

жуючи її протяжність у просторі. 

Наближено можна вважати, що межа магнітосфери непрозора для со-

нячного вітру. На денному боці межа магнітосфери -

 магнітопауза -

проходить на відстані порядку десяти земних радіусів. Частинки, які про-
рвалися в магнітосферу, спричинюють полярні сяйва. У внутрішніх 

областях магнітосфери магнітне поле вдержує, як у магнітній пастці, потоки 

швидких частинок. Ці частинки утворюють радіаційні смуги Землі. 

Зміни інтенсивності сонячного вітру, пов'язані зі спалахами на Сонці, 

призводять до магнітосферних бур. ГІри цьому полярні сяйва підсилю-
ються, потік частинок у радіаційних смугах зростає, магнітне поле Землі 

спотворюється. 

Дослідження за допомогою космічних апаратів показали, що магніто-

сферу мають і деякі інші планети: Меркурій, Юпітер, Сатурн, Венера. 

§ 149. Магнітні властивості речовини 

Магнітні властивості мають усі речовини, тому термін "маг-

нетики" застосовний до всіх без винятку матеріалів. Щоб пояснити магнітні 
властивості різних речовин, розглянемо, як магнітне поле діє на рухомі 

1.1 ряди (електрони) в молекулах і атомах речовини. 

Електрон, який обертається навколо ядра атома по 

іамкненій орбіті, - це струм, напрям якого протилеж-

ний руху електрона. Умовно вважатимемо, що електрон 
і» атомі рухається із швидкістю у по коловій орбіті. Ос-
кільки цей рух аналогічний коловому струму, виникає 
магнітне поле і рух електрона можна охарактеризувати 

орбітальним магнітним моментом (рис. 16.18) 

Рті

 = (16.21) р

еСя

 16.18 

377 

Вектор орбітального магнітного момент}/ атома 

Р

т

 дорівнює векторній сумі орбітальних моментів 

р

ті

 окремих електронів, які входять до складу атома: 

(16.22) 

/=і 

де

 2

 - порядковий номер елемента в таблиці Мен-

делєєва, Якщо речовина мас

 молекулярну будову

, то 

орбітальний магнітний момент молекули дорівнює векторній сумі орбі-
тальних магнітних моментів атомів, що входять до складу молекули. 

Незалежно від орбітального руху електрони є джерелами магнітного по-

ля, оскільки вони мають власний момент імпульсу, який називається

 спіном. 

Отже, магнетизм атомів зумовлений двома причинами: рухом електронів 

по орбітах навколо ядра і, власним моментом імпульсу - спіном (рис, 16.19). 
Крім того, ядро атома мас власний магнітний момент. 

При накладанні зовнішнього магнітного поля напрями векторів магніт-

них моментів

 Р

Т

 окремих атомів або молекул магнетика упорядковують-

ся, внаслідок чого макроскопічний об'єм, набуває певного сумарного маг-
нітного моменту. Магнітні властивості магнетика характеризуються

 век-

тором намагнічення 1 - величиною, яка дорівнює відношенню магнітного 

моменту тіла до його об 'ему: 

І =

~ 2 Х >

 (16.23) 

¥

 1-1 

де

 п

 — кількість атомів або молекул, що входять в об'єм. 

Якщо діелектрична проникність у всіх речовин більша від одиниці, 

то їж магнітна проникність може бути як: більшою* так і меншою від 
одиниці. 

За значенням розрізняють

 діамагнетики

 (|і

 <

 1),

 парамагнетики

 (ц

 >

 і) 

і

 феромагнетики

 (|і

 і»

  і )

. 

§ 150. Природа

 діа«,

 пара- і феромагнетизму 

Діамагнетики 

У більшості атомів діамагнетиків немає власного магнітного 

моменту, його магнітний момент індукований зовнішнім полем подібно 

до того, як виникає електричний момент у неполярних діелектриках. Вра-

хувавши, що наведений магнітний момент пропорційний зовнішньому 
полю В

0

, можна записати (за аналогією з діелектриком) 

379 

В = цВ

0

, (16.24) 

де в цьому випадку р < 1. 

Діамагнітний

 ефект не

 залежить від температури, оскільки тепловий 

рух атомів

 не

 порушує орієнтації індукованих струмів усередині атомів. 

Діамагнітний

 ефект

 властивий практично будь-якій речовині. 

Діамагнетиками є вода, мармур, деякі метали, наприклад золото, ртуть, 

мідь, інертні гази. 

Парамагнетики 

Молекули парамагнетиків мають відмінні від нуля власні маг-

нітні моменти. Якщо магнітного поля немає, то ці моменти розміщені 
хаотично, тому вектор намагнічення дорівнює нулю. 

Якщо в магнітне поле внести парамагнетик, то магнітні моменти 

окремих атомів або молекул орієнтуються за полем, так що власне поле 

парамагнетика підсилює зовнішнє магнітне поле, тобто зовнішнє магніт-
не поле підсилюється. Якщо такий ефект існує, то він має велике значен-
ня і перевагу над діамагнетизмом (р > 1). 

Тепловий рух атомів і молекул руйнує взаємну орієнтацію магніт-

них моментів молекул, тому намагніченість парамагнетика залежить 
від температури і відносна магнітна проникність парамагнетиків 

спадає із збільшенням температури. Відносна магнітна проникність 

парамагнетиків, як і діамагнетиків, не залежить від індукції зовніш-
нього магнітного поля. 

Парамагнетиками є лужні метали, кисень, алюміній, платина. 

Феромагнетики 

Граничним випадком парамагнетизму є феромагнетизм. Його 

пояснюють у квантовій теорії, де показано, що в системі, яка складається 

І багатьох атомів (молекул), магнітні моменти яких зумовлені спінами 

електронів, діють обмінні сили, що прагнуть однаково орієнтувати спіни 
двох сусідніх атомів (молекул). Тому в деяких речовинах виникають об-
ласті, що мають внаслідок додавання спінів 
електронів значні магнітні моменти. Ці області 

назвали

 доменами

 (рис. 16.20). Якщо поля не-

має, розподіл напрямів магнітних моментів до-
менів має випадковий характер. 

У дослідах Ейнштейна і де Гааза було пока-

зано, що намагнічення феромагнетиків зумовле-

не орієнтацією спінів електронів. На рис. 16.21

 Рис. 16.20 

Рис. 16.20 

379