Почему всё вокруг такое, какое оно есть?

Почему всё вокруг такое, какое оно есть?

Беллур Сиварамия Чандрасекар

Продолжение. См. № 2, 4, 6/05

 3. Электрические и магнитные поля (продолжение)

Представим теперь некоторый объём пространства, в котором нет вещества, но в каждой точке заданы электрическое и магнитное поля. Для начала предположим, что эти поля не зависят от времени, хотя могут принимать разные значения в разных точках пространства внутри выделенного объёма. Эти поля порождены некоторым распределением зарядов, токов и постоянных магнитов, которые находятся вне выделенного объёма. Нам не нужно ничего знать об этих распределениях, важно только, что они существуют.

Рассмотрим поля внутри объёма. Предположим, что с зарядами, создающими электрическое поле, что-то случилось и они начали двигаться, так что электрическое поле начало изменяться со временем.

Мы обнаруживаем новое явление: изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле, не имеющее никакого отношения к полю, созданному постоянными магнитами или проводами с током вне объёма. Возникшее магнитное поле связано только с изменяющимся электрическим полем. Аналогичную картину мы видим и в том случае, если поля меняются ролями: изменяющееся (например, за счёт изменения со временем тока в проводах) магнитное поле порождает электрическое поле. Мы видим определённую симметрию между электрическим и магнитным полями. Изменение со временем одного из них порождает другое. Точные законы, управляющие поведением полей, были записаны в математической форме Джеймсом Клерком Максвеллом. Альберт Эйнштейн доказал, что симметрия между двумя полями вытекает из теории относительности.

Простой способ породить переменное во времени магнитное поле – это заставить ток в проводе непрерывно менять свое направление, меняться с частотой  f  раз в секунду. Это означает, что ток достигает максимума, уменьшается до нуля, меняет направление, вновь достигает максимума и уменьшается до нуля, и так

f раз за секунду. Ток совершает так называемые гармонические колебания. Следовательно, магнитное поле в каждой точке будет также совершать гармонические голебания. Согласно Максвеллу, осциллирующее магнитное поле будет порождать осциллирующее электрическое поле и т.д. Колебания каждого поля вызывают колебания другого. Эти колебания распространяются наружу от провода со скоростью, которая определяется соотношением между двумя колеблющимися полями в пустом пространстве (и являющейся, таким образом, свойством пустого пространства). Эта скорость равна скорости света. Только что описанный эксперимент является, по существу, способом генерации радиоволн. Мы понимаем теперь, почему эти волны называются электромагнитными: колеблющимися объектами являются электрическое и магнитное поля. Показанный на рис. 9-1 спектр образован электромагнитными волнами, распространяющимися в пустом пространстве со скоростью 3^.10⁸ м/с и отличающимися друг от друга только частотой или соответствующей длиной волны.

На рис. 9-5 показан мгновенный снимок участка электромагнитной волны. С этой волной связаны три важных направления: направление распространения волны (показанное вектором

k) и два направления, вдоль которых направлены в пространстве электрическое и магнитное поля Е и В. Эти три направления взаимно перпендикулярны. Такая волна отличается от волн, которые мы можем наблюдать в окружающем нас мире, например, от волн на воде. Поэтому опишем подробнее смысл рисунка. Конкретно, предположим, что рисунок описывает распространение волны синего света, длина волны которой равна 4^. 10^–5 cм.

Рис. 9-5. Электромагнитная волна синего света, распространяющаяся в направлении волнового вектора k. Во врезке показаны взаимно перпендикулярные направления трёх векторов – k, E, B

С течением времени волна распространяется в направлении вектора k со скоростью света. Рассмотрим точку Р, мимо которой она проходит. Эта волна состоит из колеблющихся электрического и магнитного полей, и, чтобы почувствовать их, нужно поместить в точку Р подходящее пробное тело. Чтобы увидеть, что происходит с электрическим полем, представим, что в точку Р помещён электрон. Он чувствует колеблющееся электрическое поле пролетающей мимо волны. На него действует сила, которая достигает максимума в тот момент, когда точку Р проходит горб волны (точка С на рисунке).

Затем сила уменьшается до нуля и достигает максимума в противоположном направлении, когда точку Р проходит точка D волны, и т.д. Таким образом, электрон испытывает воздействие осциллирующей силы, которая колеблется с частотой  f  волны. У электрона имеется магнитный момент, поэтому он взаимодействует также и с магнитным полем волны. Следовательно, на электрон действует сила, стремящаяся развернуть его вдоль магнитного поля и колеблющаяся с той же частотой  f.

Из рис. 9-5 видно, что осциллирующее электрическое поле всё время находится в фиксированной плоскости. Это же верно и для магнитного поля с той разницей, что плоскость, в которой колеблется магнитное поле, перпендикулярна плоскости, в которой колеблется электрическое поле. Это верно для всех электромагнитных волн. Если посмотреть на пучок волн, образующих световой луч от Солнца или от лампы, то обнаруживается, что эти две взаимно перпендикулярные плоскости ориентированы в разных волнах по-разному.

Совокупность направлений, например, электрического поля в пучке волн напоминает направленные во все стороны иголки ежа. Такой свет называется неполяризованным. Если пропустить свет через определённые вещества, называемые поляризаторами, то можно отфильтровать все волны за исключением тех, у которых электрическое поле (и соответственно магнитное поле) расположено в одной-единственной плоскости. Получившийся свет называют поляризованным. То вещество, которое часто используют в солнечных очках, состоит из слоёв параллельно расположенных длинных молекул. Электронная структура этих молекул такова, что они поглощают волны, электрическое поле которых параллельно направлению вытянутости молекул, и пропускают волны, у которых электрическое поле перпендикулярно этому направлению. Солнечный свет, доходящий до нас, подвергается по пути рассеянию на молекулах атмосферы, в результате чего он частично поляризуется. Вы можете проверить это, посмотрев на небо сквозь поляризующие солнечные очки и заметив изменение яркости при повороте очков.

Представив электромагнитные волны как совокупность взаимосвязанных колеблющихся электрического и магнитного полей, мы достигли значительного упрощения. Конечно, чтобы волна возникла, нужен определённый источник – лампочка для видимого света, радиоактивное ядро для гамма-излучения и т.п. Нам теперь не нужно думать о сложных процессах, происходящих в источнике и приводящих к образованию волн, чтобы понять, что происходит при падении волны на твёрдое тело. Тем не менее мы коротко коснёмся в следующем разделе двух способов генерации электромагнитных волн веществом, т.е. обсудим, как волна покидает источник.

4. Генерация света

Все неоднократно видели неоновые трубки, испускающие красный свет и использующиеся в рекламных щитах. В такой трубке содержится газ неон, и она устроена так, что при приложении напряжения между её концами через трубку начинает идти ток электронов. Эти электроны сталкиваются с атомами неона и передают им часть своей кинетической энергии. В результате атомы неона переходят в более высокое квантовое энергетическое состояние. Затем атомы сбрасывают лишнюю энергию, испуская фотон и возвращаясь в исходное невозбуждённое состояние, после чего процесс повторяется. Таким образом, фотоны могут иметь только те энергии (и соответствующие частоты), которые являются разностями энергий возбуждённых энергетических состояний атома и основного состояния. В случае неона большинство фотонов излучаются в результате перехода из состояния, энергия которого отличается от энергии основного состояния неона на величину, соответствующую энергии фотонов красного света. В других газах доминируют фотоны других цветов.

Характерным свойством подобного света является то, что он состоит из волн определённых частот, фиксированных квантовыми уровнями атомов.

Но свет излучается и сильно нагретым телом. Примерами могут служить лампа накаливания, в которой тонкая вольфрамовая нить раскаляется в результате прохождения по ней тока, или поверхность Солнца, температура которой поддерживается происходящими внутри термоядерными процессами. Если пропустить такой свет через стеклянную призму, по-разному отклоняющую свет разных частот, получится непрерывное распределение цветов от фиолетового до красного. С помощью соответствующих приборов можно установить, что свет содержит также компоненты с частотами, невидимыми человеческим глазом, – инфракрасные (частоты ниже, чем у красного света) и ультрафиолетовые (частоты выше, чем у фиолетового света). На самом деле в свете лампочки или Солнца содержится полный спектр электромагнитных волн, хотя большинство фотонов солнечного света принадлежат интервалу видимого света, а чем дальше от этого интервала, тем число фотонов соответствующих частот становится меньше.

Откуда же возникает такой непрерывный спектр частот? Мы знаем, что тепловая энергия тела – это энергия движения составляющих тело частиц (атомов, ядер и т.п.). Энергии отдельных частиц меняются от нуля до очень больших значений, а распределение частиц по разным интервалам энергии зависит от температуры тела. Всё это обсуждалось в гл. 6. Именно это очень сложное тепловое движение электрических зарядов, конкретно электронов и ядер, порождает непрерывный спектр электромагнитного излучения, которое называется поэтому тепловым излучением. Мы знаем, что если температура тела равна Т  кельвинов, то средняя энергия теплового движения, приходящаяся на одну частицу, составляет около kT, где k – постоянная Больцмана. Будем называть эту величину тепловой энергией, приходящейся на одну частицу. Если выразить энергию фотонов в долях тепловой энергии, приходящейся на одну частицу, и построить распределение фотонов теплового излучения в разных диапазонах энергии, то получится картина, показанная на рис. 9-6. Форма этого распределения обусловлена тем, что фотоны являются бозонами, и остаётся неизменной при любой температуре тела, будь то 3000 К у лампочки накаливания, 6000 К у поверхности Солнца и т.д. Как видно, наибольшее число фотонов имеют энергии, примерно в три раза большие тепловой энергии. Так как частота фотонов пропорциональна их энергии, это означает, например, что наибольшее число фотонов солнечного света приходится на частоту, вдвое большую, чем частота света от электрической лампочки. Если подставить реальные цифры, то получится, что большинство фотонов от Солнца относятся к красной части спектра (длина волны примерно равна 8^.10^–5 см), а большинство фотонов света электрической лампочки относятся к инфракрасной части спектра (1,6^.10^–4 см).

Рис. 9-6. Распределение энергии теплового излучения, показывающее относительное число фотонов в разных интервалах энергии при любой температуре Т. На горизонтальной оси отложено отношение энергии фотона к тепловой энергии kT. Несмотря на то, что при любой температуре нагретого тела тепловое излучение содержит фотоны всех частот, большинство из них попадает в интервал энергий в окрестности значения 3kT. Для Солнца, температура поверхности которого равна 6000 К, этот интервал соответствует красной и инфракрасной частям видимого света

Вопрос. Читая этот текст, вы, как и окружающие вас тела, также испускаете непрерывный спектр электромагнитного излучения. Чему равна частота большинства фотонов этого света по сравнению с частотой большинства фотонов света электрической лампочки?

Ответ. Температура окружающей вас среды равна примерно 20 °С, т. е. 297 К, что составляет примерно одну десятую часть температуры нити накаливания в лампочке. Поэтому большинство фотонов теплового излучения окружающей среды имеют энергию, равную одной десятой энергии фотонов от лампочки. Излучение с такой энергией принадлежит далёкой части спектра инфракрасного излучения. Именно это излучение фиксируется приборами ночного видения.

Как видно из рис. 9-6, чем ниже температура, тем меньше интервал энергий фотонов, в котором обнаруживается большая часть всех фотонов. Вселенная заполнена электромагнитным излучением, соответствующим температуре примерно 3 К. Это означает, что большая часть фотонов этого излучения имеет длину волны порядка 1 мм. Это излучение есть остаток Большого взрыва, породившего 10 млрд лет тому назад нашу Вселенную.

5. Поглощение света

Все твёрдые тела состоят из частиц – электронов и ядер, – обладающих двумя свойствами, которые позволяют им испытывать влияние электрических и магнитных полей в электромагнитной волне: эти частицы заряжены и являются постоянными магнитами. Кроме того, согласно законам квантовой механики, энергии электронов описываются с помощью понятия энергетических зон, а энергия электромагнитных волн квантована и равна сумме энергий фотонов. Используя эту информацию, попробуем ответить на некоторые вопросы, например, почему стекло прозрачно для света, а алюминивая фольга непрозрачна, или почему медь красная, а сапфир синий.

В этом разделе сосредоточимся на рассмотрении тех эффектов, которые возникают при воздействии электрического поля световой волны на образующие кусок вещества атомы. Электрическое поле действует на электрические заряды, а именно, на электроны и ядра, входящие в состав атомов. Поле, действующее на отдельный атом, сдвигает ядро (положительный заряд) в одном направлении, а окружающие ядро электроны (отрицательный заряд) – в противоположном направлении. Это относительное смещение двух зарядов прекращается в тот момент, когда сила, действующая со стороны электрического поля, уравновешивается силами притяжения между ядрами и электронными облаками в атомах. Мы ещё вернёмся к этому эффекту.

Свет, помимо прочего, является потоком фотонов, квантов энергии. Фотон может быть поглощён электроном. В результате энергия электрона увеличивается на величину, равную энергии поглощённого фотона. Чтобы такое поглощение стало возможным, должно существовать незанятое состояние с большей энергией, куда электрон мог бы перейти. Если такого состояния нет, фотон не может поглотиться и будет продолжать своё движение. Вот мы и подошли к объяснению того, почему отдельные тела прозрачны для света, а другие – нет.

Как пример прозрачного вещества рассмотрим стекло. Оно является диэлектриком, и мы качественно представляем себе, как выглядит электронная структура стекла, если использовать понятие энергетических зон. На рис. 9-7 показаны две энергетические зоны, достаточные для объяснения явления. Нижняя зона заполнена: каждое квантовое состояние занято электроном. Над этой зоной находится отделённая энергетической щелью (зоной запрещённых энергий) пустая зона, в которой нет электронов. Расстояния по вертикали на рисунке соответствуют значениям энергий. Начальный фотон с энергией, соответствующей длине отрезка АВ, которая меньше, чем величина энергетической щели, не может быть поглощён ни одним из электронов в заполненной зоне, т.к. конечное состояние электрона должно находиться либо в заполненной зоне, где все места заняты, либо попадает в щель, где вообще не может быть никаких квантовых состояний электронов. Поэтому такой фотон будет проходить сквозь вещество. Пусть теперь фотоны имеют энергию большую, чем ширина энергетической щели, например, CD. Тогда электрон в нижней зоне может поглотить фотон и перейти в незанятое состояние в верхней зоне.

Рис. 9-7. Энергетические зоны электронов в прозрачном веществе типа стекла. Фотоны с энергиями АВ (величине энергии соответствует длина отрезка АВ), меньшими ширины щели между занятой и незаполненной зонами, не могут поглотиться электронами, т.к. нет таких конечных состояний, в которое те могли бы перейти. Такие фотоны проходят сквозь вещество. Если же энергии фотонов превышают ширину щели (CD на рисунке), то такие фотоны поглощаются веществом

Теперь можно понять, почему стекло прозрачно для видимого света. Зонная структура стекла такова, что у фотонов видимого света не хватает энергии, чтобы перебросить электроны из нижней зоны в верхнюю, преодолев щель. Поэтому фотоны видимого света проходят сквозь стекло без поглощения. Но фотоны ультрафиолетового света имеют более высокую частоту, следовательно, большую энергию, которой оказывается достаточно, чтобы вырвать электроны из заполненной зоны и перебросить их в незанятую зону. Поэтому такой свет будет поглощаться стеклом. На рис. 9-7 отрезку АВ соответствует фотон видимого света, а отрезку CD – ультрафиолетового. В кварце энергетическая щель шире, чем у обычного стекла, поэтому фотоны не только видимого, но и ультрафиолетового света не обладают достаточной энергией, чтобы электроны в заполненной зоне могли их поглотить и перейти в верхнюю пустую зону. В этом причина того, что ультрафиолетовые лампы делаются не из обычного стекла, а из кварца.

Суммируя, можно утверждать, что свет может поглотиться электронами в веществе, если они способны перейти в состояния, энергия которых больше начальной энергии на величину, равную энергии фотона. Если в зонной структуре данного вещества таких состояний нет, фотоны беспрепятственно проходят сквозь вещество, оно прозрачно для света данного цвета. Подобная картина объясняет также, почему вещество может быть прозрачным для волн одной части электромагнитного спектра и непрозрачным для другой части.

Рассмотрим теперь случай света, падающего на поверхность металла. Мы знаем, что металл хорошо проводит электрический ток, т.к. внешние электроны каждого атома свободно путешествуют по всему металлу. На рис. 9-8 показан пучок света, отражающийся от поверхности металла. Ближайшие к поверхности электроны испытывают действие силы со стороны колеблющегося электрического поля световой волны и начинают сами колебаться с той же частотой, что и свет. Один из этих электронов, помеченный цифрой 1, показан на рисунке. Такой колеблющийся слой электронов отбирает энергию у световой волны, поэтому она ослабляется и заставляет колебаться следующий слой электронов (помеченный цифрой 2) с меньшей частотой и т.д., до тех пор, пока на определённой глубине от поверхности колебания поля в световой волне и соответствующие колебания электронов не затухнут. В большинстве металлов эта глубина очень мала и составляет величину порядка 10^–6см. Теперь понятно, почему даже очень тонкий слой металла не пропускает свет.

Рис. 9-8. Поглощение и отражение света от металла. Осциллирующее электрическое поле световой волны заставляет колебаться электроны проводимости (показаны четыре электрона, причём два первых пронумерованы). Амплитуды колебаний электронов показаны стрелками. Эти стрелки уменьшаются при продвижении в глубь металла, что соответствует затуханию колебаний. Таким образом, электрон частично поглощает энергию падающего фотона, а частично переизлучает её в окружающее пространство

Вы можете задать вопрос: откуда же берётся свет, отражённый от поверхности металла, т. к. создаётся впечатление, что вся энергия падающего фотона переходит в энергию колебаний электронов? Однако вспомним, что электромагнитные волны порождаются колеблющимися зарядами. Электроны на поверхности металла колеблются с той же частотой, что и падающий свет. Именно эти осцилляции и порождают электромагнитные волны той же частоты, что и падающая волна, вот они-то и образуют отражённый свет.

Сокр. пер. с англ. А.В.Беркова

Продолжение в № 10

2.9 Движение частиц вещества в свободном пространстве под действием электростатических и магнитостатических полей

2.9.1 На какие частицы вещества действует электрическое поле?

☻ Электрическое поле производит силовое действие на частицы вещества, обладающие электрическим зарядом. Это могут быть не только микрочастицы — электроны, протоны, ионы и т.п., но и макрочастицы — частицы пыли, дыма, тумана и т. д. Кроме того, электрическое поле также действует и на электронейтральные частицы с общим нулевым зарядом, но обладающие электрической полярностью или способные приобрести полярность в электрическом поле. Это тоже могут быть и микро — и макро частицы.

2.9.2 Движение свободной заряженной частицы в электростатическом поле

☻ Движение частицы зависит от ее массы и действующей на нее силы и происходит по закону . Действуя на заряд частицы силой, электростатическое поле возбуждает ее движение в свободном пространстве по закону, что соответствует с уравнению.

,

где — радиус – вектор частицы.

Уравнение содержит информацию о скорости и траектории движения частицы и, в зависимости от конкретных особенностей поля и от начальных условийи

при t=0. Особенности электростатических полей практически безграничны. Это могут быть однородные и разнообразные неоднородные поля. В таких полях траектории частиц могут быть и прямыми, и параболами и другими более сложными кривыми. Однако на любой из возможных траекторий ускорение частицы

.

Таким образом ускорение частицы под действием поля определяется в значительной мере отношением заряда частицы к ее массе, или иначе ее удельным зарядом. Микрочастицы обладают весьма большим удельным зарядом, например для электронатогда как у макрочастицγ весьма мало, обычно .

2.9.3 На какие частицы вещества действует магнитное поле

☻ Магнитное поле действует на макро- и микрочастицы, обладающие электрическим зарядом, но только в состоянии их движения. Силовому воздействию со стороны магнитного поля подвергаются также электронейтральные частицы, обладающие магнитным моментом. Своим действием на атом магнитное поле может влиять на внутреннее состояние атома.

2.9.4 Движение свободной заряженной частицы в однородном магнитостатическом поле

Рис. 2.9.4

Движение под действием силы Лоренца в однородном магнитном поле

☻ Все особенности силового действия магнитного поля на заряженную частицу выражаются силой Лоренца и определяются уравнением:

в котором взаимная ориентация векторов исоставляет правый винт. Поскольку сила Лоренца, то вызванное ею ускорение частицытоже перпендикулярно к скоростиОтсюда следует, что движение частицы в магнитном поле должно происходить либо по окружности, либо по спирали, как это показано на рис.2.9.4. для случая однородного поля.

Поперечное к скорости магнитное поле захватывает частицу и вовлекает ее в движение по круговой орбите с периодическим повторением движения на данной орбите, при этом

Если скорость частицы не перпендикулярна к направлению поля, то ее движение будет происходить по спирали, параметры которой будут определяться поперечной и продольной составляющими скорости:

Радиус витков спирали и шаг между витками определяются при этом выражениями

В случае неоднородного магнитного поля движение заряженной частицы существенно усложняется. Спиральная траектория частицы устремляется в область сильного поля с уменьшением радиуса витка на каждом обороте. По достижении в сильном поле такой точки, где продольная составляющая скорости обращается в нуль и меняет знак на противоположный, частица начинает двигаться в обратную сторону уже по расширяющейся спирали. Происходит своеобразное отражение заряженной частицы сильным неоднородным магнитным полем. Если такие отражательные поля образовать с двух сторон, то частица окажется в магнитной ловушке, которую она не сможет покинуть.

2.9.5 Движение свободной заряженной частицы в постоянном электромагнитном поле

☻ Поле считается электромагнитным и постоянным, если в каждой точке его пространства одновременно есть два поля – электрическое и магнитное, причем каждое из них постоянно. Частица вещества, обладающая электрическим зарядомq, будет испытывать в таких условиях силовое действие как со стороны электрического, так и со стороны магнитного поля. Результирующее действие на частицу определяется при этом обобщенной силой Лоренца:

где и- это электрическая и магнитная составляющие этой силы.

Движение частицы будет происходить по закону , из которого следует

или что тоже

Из решения данного уравнения при заданных начальных условиях находятся скорость, ускорение и траектория движения частицы Поляив стационарных условиях могут быть независимыми и управляемыми как по модулю, так и по взаимной ориентации. При таких условиях можно управлять траекторией частицы

Движение заряженной частицы в электрическом и магнитном полях.

 

Если частица, обладающая зарядом е, движется в пространстве, где имеется электрическое поле с напряжённостью E то на неё действует сила eE. Если, кроме электрического, имеется магнитное поле, то на частицу действует ещё сила Лоренца, равная e[uB] , где u — скорость движения частицы относительно поля, B — магнитная индукция. Поэтому согласно второму закону Ньютона уравнение движения частиц имеет вид:

Написанное векторное уравнение распадается на три скалярных уравнения, каждое из которых описывает движение вдоль соответствующей координатной оси.

Предположим, что заряженные частицы, двигавшиеся первоначально вдоль оси Х со скоростью попадают в электрическое поле плоского конденсатора.

Если зазор между пластинами мал по сравнению с их длиной, то краевыми эффектами можно пренебречь и считать электрическое поле между пластинами однородным. Направляя ось Y параллельно полю, мы имеем: . Так как магнитного поля нет, то . В рассматриваемом случае на заряженные частицы действует только сила со стороны электрического поля, которая при выбранном направлении координатных осей целиком направлена по оси Y. Поэтому траектория движения частиц лежит в плоскости XY и уравнения движения принимают вид:

Движение частиц в этом случае происходит под действием постоянной силы и подобно движению горизонтально брошенного тела в поле тяжести. Поэтому ясно без дальнейших расчетов, что частицы будут двигаться по параболам.

Вычислим угол , на который отклонится пучок частиц после прохождения через конденсатор. Интегрируя первое из уравнений, находим:

Интеграция второго уравнения даёт:

Так как при t=0 (момент вступления частицы в конденсатор) u(y)=0, то c=0, и поэтому

Отсюда получаем для угла отклонения:

Эффект Холла — явление возникновения поперечной разности потенциалов (называемой также Холловским напряжением) при помещении проводника с постоянным током в магнитное поле.

В простейшем рассмотрении эффект Холла выглядит следующим образом. Пусть через металлический брус в слабом магнитном поле B течёт электрический ток под действием напряжённости E. Магнитное поле будет отклонятьносители заряда (для определённости электроны) от их движения вдоль или против электрического поля к одной из граней бруса. При этом критерием малости будет служить условие, что при этом электрон не начнёт двигаться по спирали.

Таким образом, сила Лоренца приведёт к накоплению отрицательного заряда возле одной грани бруска и положительного возле противоположной. Накопление заряда будет продолжаться до тех пор, пока возникшее электрическое поле зарядов E1 не скомпенсирует магнитную составляющую силы Лоренца:

Скорость электронов v можно выразить через плотность тока:

где n — концентрация носителей заряда. Тогда

Коэффициент пропорциональности между E1 и jB называется коэффициентом (константой) Холла. В таком приближении знак постоянной Холла зависит от знака носителей заряда, что позволяет определять их тип для большого числа металлов. Для некоторых металлов (в сильных полях), таких как алюминий, цинк, железо, кобальт, наблюдается положительный знак RH, что объясняется в полуклассической и квантовой теориях твёрдого тела.

Масс-спектрометрия (масс-спектроскопия, масс-спектрография, масс-спектральный анализ, масс-спектрометрический анализ) — метод исследования вещества путём определения отношения массы к заряду (качества) и количествазаряженных частиц, образующихся при том или ином процессе воздействия на вещество (см. методы ионизации). Масс-спектрометр — это вакуумный прибор, использующий физические законы движения заряженных частиц в магнитных и электрических полях, и необходимый для получения масс-спектра.

Ускоритель заряженных частиц — класс устройств для получения заряженных частиц (элементарных частиц, ионов) высоких энергий.

В основе работы ускорителя заложено взаимодействие заряженных частиц с электрическим и магнитным полями. Электрическое поле способно напрямую совершать работу над частицей, то есть увеличивать её энергию. Магнитное же поле, создавая силу Лоренца, лишь отклоняет частицу, не изменяя её энергии, и задаёт орбиту, по которой движутся частицы.

Ускорители можно принципиально разделить на две большие группы. Это линейные ускорители, где пучок частиц однократно проходит ускоряющие промежутки, и циклические ускорители, в которых пучки движутся по замкнутым кривым типа окружностей, проходя ускоряющие промежутки по многу раз. Можно также классифицировать ускорители по назначению: коллайдеры, источники нейтронов, бустеры, источники синхротронного излучения, установки для терапии рака, промышленные ускорители.

 

 

Влияет ли на движущиеся заряды магнитное поле, которое они создают при движении, создавая ток? Если нет, то как возможна самоиндукция?

Спросил 6 лет, 9 месяцев назад

Изменено 6 лет, 8 месяцев назад

Просмотрено 5к раз

$\begingroup$

Пусть сгусток зарядов движется с постоянной скоростью $\mathbf v\;. $ Поскольку заряды движутся, они будут создавать магнитное поле $\bf B$, так как именно ток создает магнитное поле. 92} \;;$$, так как $d\mathbf l$ и $\hat{\mathbf r}$ направлены в одном направлении, числитель равен нулю, а в знаменателе $r$ равен нулю, что снова делает силу бесконечной . Это невозможно.

Однако, когда ток непостоянен, движущиеся заряды создают зависящее от времени магнитное поле, что приводит к самоиндукции.

ЭДС самоиндукции, вызванная изменением потока магнитного поля, создаваемого зарядами, действует на заряды; каждый заряд испытывает силу $\mathbf F= q\; \mathbf v\times \mathbf B $, где $\mathbf B$ создается ими самими.

Итак, это означает, что заряды движутся и создают магнитное поле, которое снова воздействует на заряды, создавшие поле.

В стационарном состоянии заряды не подвержены влиянию собственного магнитного поля, тогда как, с другой стороны, в нестационарном состоянии магнитное поле, создаваемое этими движущимися зарядами, придает силу каждому заряду, что приводит к возникновению само- э. д.с.

Но почему так?

Поля являются независимыми объектами; они могут делиться импульсом и энергией с зарядами, как сказал Тимей.

На заряды действительно влияет их поле, когда они читаются. Но, насколько я читал, я не обнаружил, что при нестационарном состоянии тока излучаются заряды. Тем не менее на них влияет изменяющийся поток создаваемого ими магнитного поля. Это создает собственную ЭДС; что означает, что магнитное поле воздействует на те движущиеся заряды, которые создают поле.

Однако, почему на движущиеся заряды не действует их собственное магнитное поле, когда ток находится в установившемся состоянии, но в нестационарном состоянии на заряды действует сила магнитного поля, которое они создают?

Если на заряды действительно влияет магнитное поле, которое они создают, есть ли способ математически доказать, что во время самоиндукции движущиеся заряды принуждаются создаваемым ими магнитным полем?

Я совсем запутался; я что-то пропустил здесь? Пожалуйста помоги.

• магнитные поля
• электромагнитные индукционные

$\endgroup$

12

$\begingroup$

Ни уравнения Кулона, ни уравнения Био-Савара не являются правильными уравнениями для электромагнитного поля, за исключением статики. Существуют зависящие от времени обобщения, такие как 93\vec r’$$ где $t_r$ на самом деле является функцией $\vec r’$, а именно $t_r=t-\frac{|\vec r-\vec r’|}{c}.$

Они сводятся к Кулону и Био- Савара только тогда, когда эти производные по времени точно равны нулю, что является статикой. Таким образом, Ефименко является примером собственных временных законов для электромагнитного поля. Обратите внимание, что и электрическая, и магнитная части электромагнитного поля имеют части, которые зависят от изменения тока во времени. Закон Фарадея связывает их вместе.

И следующий факт также является ключевым: ЭДС вокруг неподвижного провода составляет 100% из-за электрического поля. И если у вас есть вселенная с нейтральными объектами повсюду, то Ефименко предсказывает, что электрическое поле исключительно и на 100% вызвано временными вариациями тока. И я действительно имею в виду причину, как в причине и следствии. Уравнения являются причинно-следственными, поскольку заряд (и изменение заряда) и ток (и изменение тока) относятся к прошлому ($t_r\leq t$), которые влияют на настоящее.

Итак, давайте посмотрим. Кулон и Био-Савар неверны, если не в статике. Самоиндукция неподвижного провода вызывается электрическими полями, создающими ненулевую ЭДС. Эти электрические поля вызваны изменяющимися во времени токами . И да, эти изменяющиеся во времени токи и вызывают (и да, я имею в виду причину) магнитные поля.

И когда люди говорят, что переменные электрические поля вызывают магнитные поля и наоборот, это не такая причинность, где одно вызывает другое, это просто равенство , так как они связывают две вещи, происходящие одновременно. Причинность связывает настоящее (следствия) с прошлым (причины). Цитировать Ефименко:

ни уравнения Максвелла, ни их решения не указывают на наличие причинной связи между электрическими и магнитными полями. Следовательно, мы должны заключить, что электромагнитное поле есть двойственная сущность, всегда имеющая электрическую и магнитную составляющие одновременно , создаваемые их общими источниками: переменными во времени электрическими зарядами и токами (выделено мной).

Теперь перейдем к полям self. Легко представить, что каждый заряд реагирует только на поля других зарядов. Но не следует слишком упрощать при рассмотрении лучевой реакции и других подобных осложнений.

На самом деле у вас есть заряды и поля. И вы должны указать оба. У каждого есть энергия, у каждого есть импульс, и они обмениваются друг с другом энергией и импульсом. Поля — это не просто математические выдумки для вычисления сил между частицами, это реальные вещи со своими степенями свободы, собственной энергией, импульсом и даже напряжением.

Тогда можно узнать энергию и импульс полей и зарядов и потом узнать, как они взаимно обмениваются энергией и импульсом между собой.

Но, как все говорили, самосила может быть, только если заряды излучают.

Не все так говорят. Собственная сила имеет гораздо более общее значение, чем силы радиационной реакции. В наиболее распространенном случае гармонического движения частица получает столько же энергии, сколько теряет от индуктивных полей (поля Шотта, которые ослабевают быстрее, чем поля излучения, но сохраняют энергию) и только в среднем теряет энергию радиационным полям.

Многие люди изучают это. Стивен Лайл написал целую книгу только о равномерно ускоряющейся заряженной частице и целую книгу о внутренних силах. Герберт Шпон написал целую книгу о взаимно связанной динамике электромагнитных полей и зарядов. А Фриц Рорлих написал классическую книгу о классических заряженных частицах. И это всего лишь книги, по этой теме ежегодно публикуется, наверное, не менее десятка статей, по крайней мере, за последние сто лет.

Итак. Есть много собственных сил. Дебаты продолжаются и по сей день о том, вызывают ли собственные силы изменение сил, рывок (изменение ускорения) или само ускорение. Или это что-то совсем другое.

Имейте в виду, что в учебнике о проводе классического размера обычно обсуждаются макроскопические поля, где вы усредняете достаточно большое количество атомов, чтобы поля, заряд и ток стали более гладкими полями, которые не прыгают из-за тепловых эффектов. или в зависимости от того, где вы находитесь в решетке твердого тела. И когда кого-то волнуют эти эффекты, они используют статистическую физику и/или квантовую физику. Не только чистый Максвелл.

$\endgroup$

28

$\begingroup$

Задумывались ли вы когда-нибудь сами, что магнитные дипольные моменты являются причиной любого магнитного поля? если они выровнены, они образуют внешнее поле. Выравнивание происходит за счет ускорения, потому что магнитный дипольный момент связан с собственным спином (на самом деле это вращение согласно реально проведенному эксперименту Эйнштейна и де Хааса). И что утверждение о движущихся зарядах является неправильным толкованием, заряды должны быть ускорены (как в катушке). Эксперимент с магнитным полем между двумя проводами проводился сначала при включении токов (разгон зарядов).

$\endgroup$

4

$\begingroup$

Пусть сгусток зарядов движется с постоянной скоростью $\mathbf v\;.$ Поскольку заряды движутся, они будут создавать магнитное поле $\bf B$, так как именно ток создает магнитное поле.

Мы все знакомы с током в проводе, как показано на рисунке ниже, но движущиеся заряды на самом деле не «создают» магнитное поле. См. немного об этом у Ефименко: «. ..ни уравнения Максвелла, ни их решения не указывают на наличие причинно-следственной связи между электрическим и магнитным полями. Следовательно, мы должны заключить, что электромагнитное поле является двойственной сущностью, всегда имеющей электрическую и магнитную составляющие одновременно…»

Вы можете понять это, представив, что вы позитрон, и я сажаю вас перед прибитым к земле электроном. Этот электрон имеет электромагнитное поле. У него нет электрического поля или магнитного поля, у него есть электромагнитное поле . Как и позитрон. Из-за этого, когда я отпускаю тебя, ты прямолинейно движешься к электрону. Затем, поскольку вы видите только линейное движение, вы думаете о радиальном электрическом поле согласно курсу Эндрю Даффи по физике 106:

Но что произойдет, если я брошу вас мимо электрона? Вы по-прежнему движетесь к нему, но вы также испытываете вращательное движение, которое вы приписываете магнитному полю электрона. Но заметьте, что вы создали магнитное поле электрона не только потому, что вы переехали. 2} \;;$$, так как $d\mathbf l$ & $\hat{\ mathbf r}$ направлены в одном направлении, числитель равен нулю, а знаменатель $r$ равен нулю, что снова делает силу бесконечной. Это невозможно.

Согласен. Точечные частицы упрощают математику, но это всего лишь приближение, а упрощение математики не должно скрывать от людей твердые научные доказательства таких вещей, как дифракция электронов и эффект Эйнштейна-де-Гааза. Но это так.

Вывод: На заряды не может влиять их собственное электрическое поле и магнитное поле.

Согласен.

Но тогда как может быть самоиндукция , если на движущиеся заряды не действуют их собственные магнитные поля?

Самоиндукция — это «индукция напряжения в проводе с током при изменении тока в самом проводе» . И этот ток меняется, потому что происходит какое-то взаимодействие с другими заряженными частицами. Как целая куча заряженных частиц в облике моей руки, щелкающей выключателем.

ЭДС самоиндукции, вызванная изменением потока магнитного поля, создаваемого зарядами, действует на заряды; каждый заряд испытывает силу $\mathbf F= q\; mathbf v\times \mathbf B $, где $\mathbf B$ создается ими самими. Итак, это означает, что заряды движутся и создают магнитное поле, которое снова действует на заряды, создавшие это поле.

Просто упростите этот ток до одного электрона, затем представьте, что он не движется, а вместо этого двигаетесь вы. Никто не создавал магнитное поле для электрона только потому, что они двигались. Потому что у него электромагнитное поле . А взаимодействия электромагнитного поля приводят к линейному и/или вращательному движению. Когда мы видим только первое, мы называем его электрическим полем, когда мы видим только второе, мы называем его магнитным полем, но рассматриваемые поля — это электромагнитные поля. И самый простой пример взаимодействия электромагнитного поля связан с позитронием. Есть линейное движение, когда электрон и позитрон движутся навстречу друг другу и аннигилируют, а также есть вращательное движение:

_{Изображение CCASA от Manticorp/Rubber Duck, см. Wikipedia}

Но как же так? Это дало бы бесконечную силу (даже если бы она не была бесконечной, она должна была бы быть равна нулю, поскольку $d\mathbf l$ и $\hat{\mathbf r}$ параллельны).

Бесконечных сил не существует, электрон имеет свою комптоновскую длину волны и имеет «спинорную» природу.

Итак, вопрос на миллион долларов: влияет ли на движущиеся заряды магнитное поле, которое они создают при движении, создавая ток? Как может быть, если формула говорит об обратном?

Нет, потому что ваше движение относительно заряженной частицы не создает для нее магнитного поля. Это просто приводит к вращательной силе в дополнение к линейной силе из-за «спинорной» природы заряженных частиц.

$\endgroup$

0

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

Магнитное поле состоит из фотонов | Физика Фургон

Категория Выберите категориюО фургоне физикиЭлектричество и магнитыВсе остальноеСвет и звукДвижение вещейНовая и захватывающая физикаСостояния вещества и энергииКосмосПод водой и в воздухе

Подкатегория

Поиск

Задайте вопрос

Последний ответ: 22. 10.2007

Q:

Мой вопрос: из чего состоит магнитное поле? Я много читал о магнитах и ​​полях, которые они создают, и даже о том, что вокруг самих электронов есть магнитные поля, но я пока не встречал ничего, что говорило бы о том, из чего состоит само поле. Это материя, поэтому она должна быть сделана из чего-то. Есть ли название для этих «частиц»? Или они сами просто электроны?
— Дуглас (35 лет)
Луизиана США

A:

Привет, Дуглас!

Электромагнитное взаимодействие опосредовано константой обмен фотонами от одного заряженного объекта к другому. Магнитный поле на самом деле просто классическое приближение к фотонному обмену картина. В движущейся системе отсчета вместо нее появляется магнитное поле как комбинация магнитного поля и электрического поля, поэтому электрическое а магнитные поля состоят из одного и того же «вещества» (фотонов).

В некоторых электромагнитных взаимодействиях участвуют «настоящие» фотоны с определенные частоты, энергии и импульсы. Электростатические и магнитные вместо этого поля включают обмен «виртуальными» фотонами. Очень близко к электрон представляет собой плотное облако виртуальных фотонов, которые постоянно испускается и вновь поглощается электроном. Некоторые из этих фотонов расщепляются на электрон-позитронные пары (или пары еще более тяжелых веществ), которые рекомбинируют в фотоны, которые повторно поглощаются исходным электрон. Эти виртуальные петли частиц экранируют заряд электрон так, что вдали от электрона кажется, что он имеет меньше зарядить чем рядом. 92 (в системе отсчета, в которой электрон не имеет импульс).

Том

(опубликовано 22.10.2007)

Дополнение №1: представление о магнетизме

Вопрос:

Можно ли четко ответить на вопрос, используя более элементарные термины для элементарных частиц? Или, может быть, схема частиц как каскада в различных энергетических состояниях, производящих взаимные силы или действия на другую материю?
— Дж. С. БЭРД (67 лет)
Davao City,Philippines

A:

Похоже, вы просите диаграмму Фейнмана для представления электромагнитных взаимодействий. Вы можете получить это в обсуждении в Википедии: https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_electrodynamics.

А пока я воспользуюсь случаем, чтобы немного изменить презентацию Тома. Мы обычно говорим что-то вроде «виртуальные фотоны… постоянно испускаются и повторно поглощаются электроном», но на самом деле мы имеем в виду не это. Две частицы, взаимодействующие электромагнитным образом, действительно окружены виртуальным фотонным облаком. Однако в известных случаях (например, атом водорода) это облако совершенно неизменно во времени. Вообще ничего не происходит. Слова о колеблющихся вокруг вещах — грубый способ передать одно из специфических свойств квантовых полей. Электрические и магнитные поля имеют не только средние значения, но и диапазоны возможных значений вокруг среднего. Вот что так отличается от классических полей. (Это похоже на положения квантовых частиц, которые имеют диапазон около среднего положения, в отличие от классических частиц. ) Вы можете передать образ этого диапазона, притворившись, что поля прыгают между различными возможными значениями, точно так же, как вы можете представить что частица прыгает между различными положениями в своем облаке. Однако поля (включая их разброс значений) должны прыгать не больше, чем частицы в пространстве. Например, в хорошем стабильном атомном состоянии ничего не меняется во времени. Статический диапазон возможностей превращается в действительный диапазон результатов только тогда, когда система определенным образом взаимодействует с большим внешним миром.

Майк В.

(опубликовано 27.04.2011)

Дополнение №2: вернемся к механическим полям Максвелла

Вопрос:

Я действительно хочу знать, из чего состоит магнитное поле ? Пожалуйста, не используйте фотоны в своем ответе, поскольку все мы знаем, что магнитные поля не состоят из фотонов. На вопрос Дугласа так и не ответили. Дуглас не спрашивал об электромагнитном поле, которое наиболее тесно связано с фотоном. Предоставленные ответы были неполными и не относились к вопросу Дугласа. Из чего состоит магнитное поле? Вот что современная наука знает о магнитных полях. Честный ответ: мы не знаем, что такое магнитное поле. Что мы знаем, так это то, что поле Магнита генерируется движением электростатических зарядов внутри самого магнита. Электрические заряды — это электроны. Электроны движутся когерентно и синхронно, что вызывает выброс сильного магнитного поля из магнита. Чего мы не знаем, так это того, из чего состоит это поле. Некоторые люди говорили, что он состоит из магнитных монополей. Магнитные монополи никогда не открывались, так что есть большая вероятность, очень большая вероятность того, что теория неверна. Я считаю, что магнитное поле вообще не состоит из поля какой-либо частицы. Дуглас, думайте о магнитном поле как о прямой деформации физического пространства. Так должны работать все чистые поля. Это должны быть механические деформации пространства. Вы можете думать о пространстве как о твердой упругой ткани с низкой плотностью и высоким натяжением. Магнитное поле есть механическая деформация самого пространства. Я бы хотел, чтобы вы напечатали этот вопрос и ответили, но мы оба знаем, что вы этого не сделаете.
— Марк (58 лет)
Флорида

A:

Когда Максвелл впервые придумал свои знаменитые уравнения электромагнетизма, он попытался сделать механическую модель с маленькими шестернями, колесами и прочим. От него быстро отказались, поскольку он не добавлял ничего, кроме усложнения уравнений поля.

У вас есть различные словесные утверждения о том, что такое поле «на самом деле». Вы говорите, что он сделан не из монополей, но я никогда не слышал, чтобы кто-то предполагал, что это так. Вы говорите, что это не имеет ничего общего с фотонами, то есть с квантовой механикой. Ваша картина звучит так, будто не соответствует специальной теории относительности.

Сочетание специальной теории относительности и квантовой механики позволяет проводить расчеты вещей, которые можно измерить. Например, он дает предсказание гиромагнитного отношения электронов. Экспериментально значение равно 2,00231930462 с небольшой погрешностью в последнем десятичном разряде. «Предсказание КЭД согласуется с экспериментально измеренным значением более чем на 10 значащих цифр…»   

Какое значение дает ваша модель?

Майк В.

шт. Я не могу удержаться от того, чтобы не привести первые две строчки из примерно 100-страничного интервью, которое Фонд химического наследия провел с ученым (мой отец), который работал с магнитами в течение ~ 9 лет.0 лет. «Ребенком я обнаружил, что могу заставить булавки в коробке стоять, и, перемещая магнит, я могу заставить их двигаться. Я понятия не имел, что такое магнитное поле, и подозреваю, что до сих пор понятия не имею, что такое магнитное поле. магнитное поле есть, за исключением некоторых вещей, которые оно делает».

(опубликовано 04.09.2013)

Дополнение №3: электрические поля как виртуальные фотонные облака

Вопрос:

Кажется, что виртуальное фотонное облако существует только очень близко к статическому заряду. Как мы примирим это с (а) тем фактом, что силовые линии электрического поля тянутся вечно и (б) тем фактом, что виртуальные фотоны обмениваются на расстояниях, превышающих расстояние виртуального фотонного облака? Я представляю себе виртуальное фотонное облако, окружающее изолированный электрон. сдача. Внезапно протон оказывается рядом с электроном. Прежде чем протон прибудет на сцену, виртуальное фотонное облако плотно упаковывается вокруг электрона. (Виртуальное фотонное облако представляет собой статическое квантовое состояние, но это не означает, что виртуальные фотоны не движутся — подобно электронному облаку вокруг атома водорода). виртуальное фотонное облако меняет форму? Например, «растягивается ли» виртуальное фотонное облако, чтобы достичь протона, представляя повышенное присутствие виртуальных фотонов на пути, где они обмениваются между двумя заряженными частицами?
— JD (29 лет)
Луисвилл, Кентукки, США

A:

Классическое выражение поля говорит вам, как распространяется виртуальное фотонное облако. Таким образом, эти виртуальные фотоны не более и не менее сконцентрированы на заряде, чем классические поля. Изменения формы, когда присутствуют два заряда, определяются суммированием классических векторных полей. Так что да, между зарядами существует особенно сильное поле, но далеко от них поля имеют тенденцию гаситься.

Майк В.

(опубликовано 11.04.2015)

Дополнение №4: фотоны и магнитные поля

Вопрос:

Магнитные поля нельзя объяснить, просто сказав, что они состоят из «фотонов». Какая дата их физического макияжа?
— Роберт Понсе (69 лет)
Port Hueneme

A:

В одном смысле вы правы, что не должны думать, что магнитные поля состоят из фотонов. Если у вас есть определенное количество фотонов каждого типа, ожидаемое магнитное поле равно нулю. Чтобы получить что-то вроде классического четко определенного магнитного поля, вам нужен большой разброс возможных чисел фотонов.* Это сильно отличается от предположения, что каждый фотон вносит какое-то поле.

С другой стороны, возможно, вы думаете, что помимо фотонов есть еще какой-то ингредиент. Нет.

Майк В.

*Если вы посмотрите, например, на уравнение 21 в этой статье (https://www.phys.ksu.edu/personal/wysin/notes/quantumEM.pdf), вы найдете выражение для магнитное поле в терминах операторов рождения и уничтожения фотонов.

(опубликовано 13.12.2015)

Дополнение № 5: фотоны и магнетизм поле равно нулю. Чтобы получить что-то вроде классического четко определенного магнитного поля, вам нужен большой разброс возможных чисел фотонов». механика. Эта тема сбивает меня с толку, потому что я думаю, что у меня есть базовое понимание «обычных» фотонов (например, видимого света), но такие фотоны имеют определенные энергии и длины волн, и они не движутся по замкнутому контуру, как магнитное поле. к. «Магнитный» фотон кажется другим, чем «обычный» фотон, и я хотел бы понять, почему, если это возможно без понимания математики. Спасибо!

— Джеймс (30 лет)

A:

Я не смогу это объяснить, но могу прояснить некоторые моменты.

Фотоны, вносящие вклад в магнитные поля , ничем не отличаются от фотонов, вносящих вклад в электрические поля. Конкретный образец того, какие фазы присутствуют для разного количества фотонов, определяет, какие классические поля присутствуют.

Что касается отношения количества фотонов к классическим полям, я могу предложить аналогию, которую вы могли бы изучить, и которую было бы легче изобразить. Посмотрите на волновые функции, которые представляют состояния простого гармонического осциллятора (масса на пружине). (https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_harmonic_oscillator) Те, у кого определенная энергия, подобны состояниям фотонов с определенными числами и, следовательно, определенными энергиями. Одноэнергетические состояния SHO всегда равномерно распределены вокруг средней точки без среднего смещения и средней скорости. По точной аналогии, фотонные состояния с определенным числом не имеют среднего магнитного поля или электрического поля. Чтобы заставить SHO вращаться классически, вам нужно создать состояния, в которых интерференция между частями с разными энергиями вызывает отмену в одних частях и усиление в других. По мере того, как волна изменяется во времени, положения этих точек с низкой и высокой плотностью колеблются взад и вперед, что означает изменение положения и скорости. Аналогом для фотонов является изменение полей.

Майк В.

(опубликовано 16.01.2017)

Дополнение №6: ингредиенты магнетизма?

Q:

Майк В. сказал: «С другой стороны, может быть, вы думаете, что кроме фотонов есть какой-то другой ингредиент. Нет, мальчик! Это смелое заявление. Конечно, вы имеете в виду «мы не знаем ни о каком другом ингредиенте» — как мы ничего не знаем о темной энергии и очень мало о темной материи. Интересно, что бы он сказал до постулирования фотонов. Прочитав всю дискуссию, мне кажется, что единственный верный ответ: «Мы не знаем». Сколько атомов/см в межгалактическом пространстве? Не так уж и много, гарантирую, поэтому можно было бы ожидать, что будет меньше этих жизненно важных фотонов, входящих и выходящих из электронов в среде, где меньше электронов, в которые можно входить и выходить, — но каково будет притяжение между двумя магниты в этой среде? Это было бы то же самое, не так ли? Конечно, удивительно, что если два сильных магнита поместить в самую разреженную область пространства, они все равно будут оказывать мощное воздействие друг на друга (притягивающее или отталкивающее), даже если они могут быть неподвижны относительно друг друга. Между ними явно что-то есть. Кто-то выше сказал, что магнитное поле не может существовать само по себе — это составляющая электромагнитного поля, и меня это интересует, потому что я считаю, что это поле должно присутствовать, когда магниты нет. Я думаю, вполне вероятно, что то, что составляет это поле, также составляет то, в чем свет создает волну, а свет, как нам говорят, является электромагнитной волной, такой же, как высокочастотная радиоволна. Мне (полному дилетанту) кажется бессмысленным утверждение, что свет — это волна, проходящая сквозь ничто. Другие волны — это все волны в чем-то — в воздухе, в воде, в веревке и т. д. Свет распространяется в пространстве с очень точно определенной скоростью. Несомненно, если бы структура пространства была немного другой, свет двигался бы немного медленнее или немного быстрее, так что это поле должно быть удивительно постоянным во всем пространстве и не зависеть от плотности атомов. Это, безусловно, должна быть очень эффективная транспортная среда, потому что свет может путешествовать миллиарды лет и все же достигать нас, не рассеиваясь больше, чем на квадрат расстояния. Так через что он путешествует? Есть ли какая-нибудь подсказка в том, что электрические и магнитные компоненты радиопередачи находятся под прямым углом? (Я имею в виду угол поляризации). Я видел объяснения того, как свет проходит через стекло или воду (где его скорость отличается от скорости в космосе), но это зависит от того, что атомы возбуждаются светом и испускают в ответ протон — удивительно, всегда в одном и том же направлении. Это объяснение объясняет дифракцию, однако тот же механизм нельзя применить к пустому пространству. Есть ли какой-либо ответ, за который может ухватиться неспециалист, или это одна из тех вещей, как sqrt(-1), которые могут быть только понимаете в области математики? Даже там есть твердое понимание того, что это такое, а не каковы его свойства?
— Майк Коллинз (71 год)
Гуинет, Уэльс

A:

Вы правы, что в целом мы не знаем всех ингредиентов мира. Мы, вероятно, даже не знаем основной формы теории, того, как пространство-время возникает из некоторых более глубоких форм и т. д. Тем не менее, в контексте того, что мы знаем, в магнетизме нет особой тайны. На самом деле магнетизм является частью электрослабой теории, которая является самой известной из имеющихся у нас теорий. Он предсказывает, например, магнетизм электрона с точностью более одной стомиллиардной.

Волны, которые вы упомянули, можно описать как тип поведения нижележащих сред — воды, воздуха и т. д. Однако на более глубоком уровне ингредиенты Вселенной (фотоны, кварки, нейтрино, глюоны…) в настоящее время могут быть описаны только как чистые квантовые волны сами по себе. Фотоны такие же основные, как и любые другие ингредиенты, которые у нас есть.

Возможно, когда-нибудь будут найдены какие-то более глубокие ингредиенты, и все наши нынешние фундаментальные поля частиц будут рассматриваться как возникающие из поведения этой более глубокой теории. Не окажется ли тогда, что более глубокая теория возникнет из еще более глубокой? Будет ли этот паттерн продолжаться вечно или достигнет самого глубокого уровня? Мы не знаем. Пока есть оборванные концы (несоответствие между общей теорией относительности и квантовой теорией поля, темной энергией и темной материей…), мы знаем, что мы не в самом низу стека. Если какая-то точка будет достигнута без основных оборванных концов, то, возможно, мы окажемся на самом глубоком уровне.

Майк В.

(опубликовано 15.06.2017)

Дополнение № 7: необходимы ли магнитные поля?

Q:

Я хотел бы задать, казалось бы, глупый вопрос. Каковы экспериментальные доказательства традиционной идеи магнитных полей? Мы должны помнить, что идея вращающегося перпендикулярного потока была основана на игнорировании магнетизма — орбитальные и вращающиеся электроны были неизвестны 150 лет назад. Я тщетно просил доказательства этого потока. Кажется, это всего лишь догадка, которая превратилась в веру. Предположим, что магниты были неизвестны в то время. Тогда эксперименты с электричеством привели бы к простому закону: одинаковые токи притягиваются, а противоположные токи отталкиваются. Затем этот основной закон объясняет магнетизм, например, выравнивание железных опилок вокруг магнита. Используя принцип Оккама, усложнение циркулирующего перпендикулярного потока кажется неоправданным. (Таким образом, вместо того, чтобы использовать закон Био и Савара для предсказания плотности перпендикулярного потока, можно включить скалярное произведение векторов тока для предсказания силы). Следовательно, магнитные силы просто действуют вдоль прямых линий между движущимися зарядами. Это тот же простой принцип, который работает для электростатических сил между стационарными зарядами. Нам не нужно предполагать, что Вселенная использует два совершенно разных силовых механизма. Движение просто изменяет электростатические силы. Магнитные поля определяются как непрерывные. Таким образом, поле, исходящее от северного конца стержневого магнита, огибает внешнюю сторону магнита к южному полюсу и возвращается через тело магнита обратно к северному полюсу. Теперь представьте себе магнит, сделанный из очень вязкого материала, который позволяет свободно движущемуся северному полюсу дрейфовать внутри него. Этот внутренний северный полюс отталкивается южным полюсом магнита (?) и снова уходит через его северный полюс. Нас всех этому учат, но для меня это не имеет смысла. Мы не должны рассматривать магниты как вечные двигатели. Силы начинаются и заканчиваются в точках: они не вращаются по кругу. Линии потока показывают, как отклоняются магнитные компасы, но ничто не циркулирует, кроме зарядов. Представление о круговых полях, возможно, возникло, когда вокруг проводящего провода были замечены кольца из железных опилок, но это была очень странная идея. Круговое магнитное поле в любой точке определяется как вектор, перпендикулярный создаваемой им магнитной силе. Однако, если вектор представляет что-то, что явно существует, например. физической силы или скорости ветра, ее перпендикулярные составляющие равны нулю, т. е. она не действует в перпендикулярном направлении. Таким образом, мы можем сказать, что циркулирующего магнитного поля, оказывающего наибольшее влияние в перпендикулярном направлении, не существует. Магнитное поле не более загадочно, чем электрическое.
— Эндрю (67 лет)
Шропшир, Англия

A:

Вы правы в том, что силы между классическими течениями с достаточно статичным расположением могут быть выражены непосредственно через течения и смещения между ними. Это не так просто, как электростатика, потому что направление смещения и направления токов входят в несколько сложнее. путь. Но все же в этом случае использование описаний магнитного поля является лишь дополнительным математическим удобством. Как только вы начнете говорить о ускоряет классических зарядов, однако в дело вступают полные уравнения электромагнитного поля. Было бы крайне неудобно описывать электромагнитные волны (например, радиоволны и свет) в обозначениях, основанных на зарядах и токах, потому что эти волны свободно распространяются вдали от любых зарядов и токов.

Как только вы захотите включить квантовые спины, описания, которые не учитывают магнитные поля или даже более абстрактные сущности (векторные потенциалы,. ..), становятся бесполезными. Все практические магнитные материалы включают такие спины.

Майк В.

(опубликовано 26.07.2017)

Дополнение №8: квантовые флуктуации фотоны … постоянно испускаются и повторно поглощаются электроном», но на самом деле мы имеем в виду не это. Две электромагнитно взаимодействующие частицы действительно окружены виртуальным фотонным облаком. атом) это облако совершенно неизменно во времени. Вообще ничего не происходит. Слова о вещах, флуктуирующих вокруг, — грубый способ передать одно из специфических свойств квантовых полей». Как взаимодействие между двумя частицами может привести к состоянию, в котором «вообще ничего не происходит»? Разве физическое взаимодействие не обязательно приводит к каким-то изменениям? Даже в чистом вакууме многое происходит, то есть существуют флуктуации нулевой энергии. Не могли бы вы подробнее рассказать о том, что вы имеете в виду относительно взаимодействий между атомными частицами и виртуальными фотонами в этом смысле? Кроме того, почему используется язык, указывающий на интерактивное движение между частицами («флуктуация вокруг»), если в субатомных облаках, таких как виртуальные фотоны, нет движения, и не могли бы вы более четко объяснить, как физика движения нарушается на субатомном уровне? -атомных масштабах, если это действительно то, что происходит?

— Родри Орденс (33 года)
Дуглас, остров Мэн, Британские острова

A:

Физическое взаимодействие не обязательно означает, что что-то происходит, по крайней мере, в обычном смысле этого слова. Например, представьте себе коробку, стоящую на полу. Коробка и пол, безусловно, взаимодействуют. Но мало что происходит. Ничего не меняется.

«Даже в чистом вакууме многое происходит, т. е. существуют флуктуации нулевой энергии». Это верно в следующем смысле: значения различных полей не фиксируются точно на нуле, а имеют распространяется вокруг этого, точно так же, как распространяется положение волны. Тем не менее, разброс поля не меняется во времени.

Я думаю, что небрежный язык используется, потому что мы инстинктивно пытаемся втиснуть квантовую реальность в классические картинки.

Mike W.

(опубликовано 30.09.2017)

Дополнение №9: предположения об электромагнитном поле

Q:

Прежде всего, существует большая разница между статическими полями и электромагнитной индукцией . Согласно официальной науке, магнетизм является «побочным эффектом» электрического тока, и обе силы (магнитная и электрическая) являются лишь двумя сторонами одной медали (электромагнетизм). Электростатическое и магнитостатическое поля — это два разных аспекта физической материи. Электростатическое поле не влияет на стрелку компаса, но оно влияет на металлы, такие как алюминий, на которые магнитостатическое поле не оказывает видимого действия, но явно влияет на другие магнитные поля. Электростатическое поле создается напряжением между противоположными электрическими зарядами. Электрическая сила «питается» разностью величин, которые стремятся обнулиться, достигнув нейтрального значения, подобно противоположным системам давления воздуха или уровня воды в соединенных емкостях. Вам нужен какой-то дисбаланс нейтральной материи, чтобы сделать ее электрически заряженной, что часто связано с дополнительной работой. Магнитное поле управляется противоположными ориентациями и может создаваться электрически нейтральной материей. Пернаментные магниты не требуют дополнительной работы для создания магнитных полей. Противоположные полярности притягиваются друг к другу, но они не нейтрализуют друг друга — если вы соедините 2 магнита, они будут работать как один магнит, и магнитное поле будет сильнее. Источником электрического поля является электрический заряд субатомной частицы, а источником магнитного поля — ее квантовый спин. это два разных внутренних свойства частицы, и оба одинаково важны … Согласно официальной науке, атомы могут генерировать магнитные поля из-за электронов, которые движутся вокруг ядра, создавая магнитное поле за счет индукции. Проблема в том, что концепция электрона, движущегося по орбите, как планета вокруг звезды, совершенно неверна. Электроны создают облака, в которых их положение, скорость и ориентация квантового спина остаются в постоянной суперпозиции и не определяются до тех пор, пока не будут измерены, поэтому у электронного облака нет абсолютно никакой возможности индуцировать определенное и однородное магнитное поле. И, наконец… Нет. на самом деле известно, что может быть физическим носителем для «виртуальных» силовых линий в пространстве — а статические поля могут взаимодействовать друг с другом на ОГРОМНОМ расстоянии (тысячи световых лет) — так что виртуальные фотоны работать не будут. Однако на «обычные» фотоны никаким видимым образом не влияют электростатические и магнитные поля — поэтому по логике они не могут нести их как отдельные силы. НО все электромагнитные волны включают в себя магнитные и электрические компоненты. Это не более, чем предположение, но МОЖЕТ быть, статические поля действительно могут изменить эти значения и поляризовать свет, что бы превратить его в носитель силовых линий???
— Астрал (возраст 33 года)
Польша

A:

Здесь есть изъян в ваших рассуждениях: «»нормальные» фотоны никаким видимым образом не подвержены влиянию электростатических и магнитных полей — поэтому по логике они не могут их нести , как отдельные силы». Пока уравнения для поля линейны, как и классические электромагнитные уравнения, ни один компонент поля не влияет на поведение любого другого компонента. Таким образом, отсутствие взаимодействия между статическими полями и распространяющимися просто говорит о том, что уравнения линейны, а не о том, могут ли одни и те же фундаментальные типы полей демонстрировать такое различное поведение.

Ваш аргумент о том, что виртуальные фотоны не могут вызывать дальнодействующих (1/квадрат расстояния) статических взаимодействий, неверен. Именно такое поведение ожидается для виртуальной фотонной картины.

Mike W.

(опубликовано 01.11.2017)

Дополнение №10: поляризованный свет и компасы для птиц

Q:

магнитные или электростатические поля. На самом деле, есть недавнее исследование, которое показывает, что «внутренний компас» птиц сходит с ума, когда они подвергаются воздействию поляризованного света: http://physicsworld.com/cws/article/news/2016/feb/03/polarized -свет-сбрасывает-птиц-магнитный-компас-с курсаГоворят, что поляризованный свет позволяет птицам «воспринимать» местное магнитное поле. Это, вероятно, доказывает, что информация о поле «записывается» в поляризации световой волны…
— Астрал (возраст 33 года)
Польша

A:

Это очень классный результат, убедительно подтверждающий теорию моего покойного коллеги Клауса Шультена об одном способе восприятия птицами магнитных полей. Механизм включает некоторые неравновесные скорости химических реакций, которые в необычайной степени зависят от магнитных полей. Поляризация света служит только для того, чтобы вызвать правильную химию в глазах птиц. Информация о поле вообще отсутствует в световой волне.

Майк В.

(опубликовано 10.11.2017)

Дополнение №11: магнитооптика

Вопрос:

А как насчет магнитооптических датчиков, способных реально визуализировать магнитные поля с помощью поляризованных легкий: https://www.rdmag.com/content/new-sensors-optically-visualize-magnet-fields На линейно поляризованный свет воздействуют магнитные поля, и этот эффект можно наблюдать в режиме реального времени. Так что же является в данном случае наиболее очевидным носителем информации о магнитных полях? Фотоны — а точнее магнитная составляющая ЭМ волн. Свойства фотонов определяются источником излучения, как суперпозицией 3-х составляющих (ЭМ и распространения). Линейная поляризация света определяет его распространение — при этом воздействие внешнего поля влияет на электромагнитные составляющие — и этот эффект можно измерить.
— Астрал (возраст 33 года)
Польша

A:

Многие материалы демонстрируют эффекты Фарадея и эффекты Керра — способы, в которых распространение или отражение поляризованного света зависит от магнитного поля на материале. Утверждение, что магнитное поле изменяет оптические свойства материалов, сильно отличается от утверждения, что сами световые волны уже несут информацию об этих статических полях даже в вакууме.

Майк В.

(опубликовано 16.11.2017)

Follow-up on this answer

Related Questions

• re-magnetizing magnets

• magnets with signatures

• heated ferromagnet re-magnetized

• magnet questions

• magnetic poles attract

• Влияют ли тепло и холод на магнит?0047

  магниты и гравитация

• Земной магнетизм и гравитация

Все еще любопытно?

Вопросы и ответы по Expore в связанных категориях

• Магниты

Частицы в магнитных полях: типы

Знаете ли вы, что магнетизм обеспечивает работу магнетрона, а значит, и микроволновой печи? Однако до изобретения микроволновой печи магнетроны фактически использовались в радиолокационных системах во время Второй мировой войны! Микроволны — это электромагнитные волны с длиной волны от миллиметра до метра. Их можно искусственно сгенерировать с помощью устройства под названием 9.0059 магнетрон , который заставляет быстро движущиеся электроны двигаться по круговым траекториям. Нелегко заставить что-то столь маленькое, как электроны, двигаться по кругу, но это возможно, если мы приложим к ним магнитное поле. Когда заряженные частицы движутся через магнитное поле, взаимодействие создает магнитную силу на частице, которая заставляет ее отклоняться. В этой статье мы исследуем физику в работе, чтобы создать силу на заряженную частицу, проанализируем, как это влияет на движение частиц в магнитном поле, и, наконец, рассмотрим поведение некоторых различных типов частиц.

Как мы знаем, электричество и магнетизм — это разделы физики, которые кажутся разными, но связаны через поле электромагнетизма . Это раздел физики, изучающий электромагнитную силу , которая является одной из четырех фундаментальных сил природы и влияет на взаимодействие между электрически заряженными частицами.

Уравнения Максвелла описывают, как электрические и магнитные поля генерируются вместе и постоянно взаимодействуют и влияют друг на друга. Однако это выходит за рамки того, что вам нужно понимать для экзаменов GCSE!

Определения магнитной силы и магнитного поля

Экспериментально было обнаружено, что когда электрические заряды движутся (т. е. имеют ненулевую скорость), в дополнение к электрической силе измеряется еще один вклад в силу, с которой сталкиваются заряженные частицы. , что было уже известно. Эта загадочная сила была электромагнитной силой (также называемой магнитной силой), вызванной движением носителей заряда через какое-то приложенное извне магнитное поле.

Простой эксперимент, который вы можете провести дома, чтобы наблюдать за действием магнитной силы, использует полоску алюминиевой фольги, батарею и подковообразный магнит. Изначально магнит не должен воздействовать на полоску фольги, так как она сделана из алюминия. Однако, если мы создадим цепь, прикрепив каждый конец полоски фольги к клеммам батареи, теперь через фольгу будут течь электроны (заряженные частицы). Если мы теперь приблизим полоску к магнитному полю, она отклонится! Это демонстрирует, что магнитная сила создается движением заряженных частиц через магнитное поле, поскольку сила исчезает, когда мы разъединяем цепь из фольги и частицы перестают двигаться.

A магнитная сила — это сила, которую испытывает заряженная частица (электрон, протон, ион и т. д.), когда она движется через магнитное поле.

Магнитная сила измеряется в ньютонах, как и любая другая сила. Также важно отметить, что заряженная частица должна двигаться на относительно магнитного поля на , чтобы испытать на себе магнитную силу.

Теперь мы должны выяснить, как магниты создают эту силу, и для этого нам нужно обсудить магнитное поле. Определение магнитное поле выглядит следующим образом.

Магнитное поле представляет собой область в пространстве, где движущийся заряд или постоянный магнит ощущают силу .

Магнитное поле присутствует в любой точке пространства, где на движущуюся заряженную частицу действует сила. Сила магнитного поля обычно называется плотностью магнитного потока или напряженностью магнитного поля и обозначается символом Единицей измерения магнитного поля является Тесла , что эквивалентно ньютонам на ампер-метр ,.

Магнитное поле не всегда имеет постоянную силу или плотность потока . Поля обычно представляются линиями магнитного поля, которые проходят от северного к южному полюсу магнита, причем напряженность поля максимальна там, где линии ближе всего друг к другу. Как правило, это приводит к тому, что поля становятся сильнее ближе к полюсам магнита и ослабевают с увеличением расстояния.

Заряженные частицы в магнитном поле

Как мы узнали из темы об электричестве, поток положительных электрических зарядов представляет собой обычный электрический ток. Следовательно, электрические токи будут испытывать силу в магнитном поле. Если мы подумаем об электронах, движущихся по кругу в магнетроне, как мы упоминали в начале статьи, как мы можем быть уверены, что электроны будут двигаться именно таким образом, поскольку они не содержатся внутри провода? Оказывается, существует связь между направлениями магнитное поле , магнитная сила и ток . Если мы знаем направление любых двух из этих величин, мы можем найти направление третьей.

Правило левой руки

Чтобы определить направление силы, которую будет ощущать движущийся заряд, когда он входит в магнитное поле, используется правило левой руки Флеминга . Правило левой руки гласит, что вы должны расставить большой, указательный и средний пальцы так, чтобы они находились под прямым углом друг к другу (как показано на диаграмме ниже).

1. Направьте указательный палец в направлении магнитного поля, то есть с северного полюса на южный полюс.
2. Ваш средний палец дает направление условного тока(движение положительного заряда).
3. Ваш большой палец укажет направление силы, действующей на частицу.

Правило левой руки используется для определения направления силы, действующей на заряженную частицу, когда она движется через магнитное поле под прямым углом к ​​нему. Викисклад CC BY-SA 4.0

Сила, действующая на заряженные частицы в магнитном поле

Общий закон, определяющий поведение электрического заряда в присутствии электромагнитного поля, известен как сила Лоренца . Общее выражение также включает влияние внешнего электрического поля, но здесь мы ограничимся ситуациями, когда присутствует только магнитное поле.

Выражение для силы, действующей на заряженную частицу, движущуюся перпендикулярно магнитному полю, имеет вид:

где — заряд частицы, — величина ее скорости (скорости), а — напряженность магнитного поля.

Это уравнение ясно указывает на то, что частица должна двигаться, чтобы магнитная сила вообще ощущалась. У нас есть отношение, в котором направление движения, силы и поля находятся под прямым углом друг к другу и могут быть определены с помощью правила левой руки.

Если заряженная частица движется через магнитное поле неперпендикулярно, на нее все равно действует сила, однако она будет меньше максимальной силы, действующей, когда два вектора находятся под прямым углом. При добавлении члена к уравнению, где угол между магнитным полем и вектором скорости частицы, уравнение магнитной силы принимает вид:

Круговое движение заряженных частиц в магнитном поле

Мы видели, что на заряженную частицу действует сила, перпендикулярная направлению ее движения, когда она входит в магнитное поле под прямым углом к ​​полю. Это означает, что направление движения частицы будет меняться по мере того, как магнитная сила отклоняет частицу. Поскольку заряженная частица теперь изменила направление, это представляет собой изменение направления тока. Если поле остается постоянным, а ток меняет направление, то создаваемая магнитная сила также должна постоянно менять направление! Это приводит к запутанному сценарию, но объясняет, как заряженная частица в магнитном поле может двигаться по круговой путь .

Не будем слишком запутываться и попытаемся понять, что происходит, на примере рисунка ниже.

1. Представьте себе электрон, движущийся с постоянной скоростью в однородном магнитном поле и указывающий на страницу (обозначается этим символом ⊗) .
2. Когда электрон движется в поле, на него действует сила, действующая под прямым углом к ​​скорости. Траектория электрона слегка искривляется, и теперь его скорость имеет другое направление. Однако скорость по-прежнему находится под прямым углом к ​​направлению магнитного поля.
3. Сила и скорость по-прежнему находятся под прямым углом друг к другу и остаются в одной плоскости. На самом деле магнитная сила направлена ​​к центру кругового пути, по которому движется электрон.
4. Это продолжается, сила и скорость всегда перпендикулярны. Если мы помним из движения по кругу, у нас есть круговых движений , если эти две величины перпендикулярны с постоянными величинами.

На этом изображении показана отрицательно заряженная частица, такая как электрон, движущаяся в магнитном поле. Сила, действующая на частицу, постоянно меняет направление, но постоянна по величине, как и скорость. Поскольку две величины всегда перпендикулярны, электрон движется по окружности, Wikimedia Commons CC 4.0

Определяем направление силы по правилу левой руки. Электроны заряжены отрицательно, а это означает, что ток противоположен направлению движения электрона.

Рассмотрение положения электрона в магнитном поле, подобного изображенному на диаграмме ниже, не позволяет частицам двигаться по круговой траектории. Это происходит по двум причинам:

1. Частица сначала начинает двигаться по круговой траектории, но покидает нижнюю часть плоскости, потому что магнитное поле заканчивается. Это можно решить, расширив магнитное поле в этом направлении.
2. Если магнитное поле растянуто в направлении, указанном в пункте 1, частица выйдет из области влево, завершив один полукруг. Это произошло бы в любом случае, когда частица попадает в область магнитного поля: частица вырвется, пройдя половину окружности.
3. Чтобы заставить частицу двигаться по кругу, магнитное поле должно быть приложено извне, как только частица уже находится в его области. Площадь магнитного поля также должна быть достаточно большой, чтобы охватывать весь круговой путь, по которому будет двигаться заряженная частица.

Электрон будет двигаться по окружности, если он входит в однородное магнитное поле с постоянной скоростью. Он прекратит свое круговое движение, если выйдет из области, содержащей магнитное поле, что происходит в нижней части этой диаграммы. Изучайте умные оригиналы.

Типы частиц в магнитных полях

Мы видели, как электроны отклоняются магнитными полями, но мы можем наблюдать подобные отклонения и для других частиц. Здесь мы рассмотрим три из этих частиц; альфа-частица, бета-частица и гамма-частица .

Альфа-, бета- и гамма-частицы в магнитном поле

Из атомов и излучения мы знаем, что альфа-частицы представляют собой ядра гелия (они содержат два нейтрона и два протона, что делает их положительно заряженными). Они также довольно тяжелые, по крайней мере, по сравнению с электроном, а это означает, что требуется большая магнитная сила, чтобы отклонить их на ту же величину.

Бета-частицы — это быстро движущиеся электроны, поэтому они демонстрируют то же поведение отклонения, которое мы наблюдали ранее. На рисунке ниже показана разница между тем, как альфа- и бета-частицы отклоняются одним и тем же однородным магнитным полем при движении через него.

Гамма-частицы представляют собой фотоны высокой энергии, испускаемые при радиоактивном распаде. Они часто испускаются вместе с альфа- и бета-частицами. Однако большая разница в том, что это фотоны и, следовательно, незаряженных . Они не будут отклоняться магнитным полем. На приведенной ниже диаграмме показаны пути альфа-, бета- и гамма-частиц, когда они движутся первоначально по прямой линии в область, содержащую магнитное поле.

Альфа- и бета-частицы будут отклоняться, если попадут в область с магнитным полем. Частицы отклоняются в противоположных направлениях, так как они заряжены противоположно. Альфа-частица отклоняется меньше, потому что она намного тяжелее бета-частицы. Гамма-частица не отклоняется в магнитном поле, так как она не заряжена. StudySmarter Originals

Альфа-частица отклоняется в меньшей степени, даже если она имеет больший заряд, чем бета-частица. Это потому, что он тяжелее (имеет большую массу) и силе труднее его отклонить. Две частицы отклоняются в противоположных направлениях из-за того, что их заряды имеют противоположные знаки (альфа-частицы положительные, а бета-частицы отрицательные), создавая магнитные силы в противоположных направлениях. Гамма-частица не взаимодействует с магнитным полем и проходит через область без отклонения.

Частицы в магнитных полях — основные выводы

• Магнитная сила — это сила, которую испытывает заряженная частица (электрон, протон, ион и т. д.), когда она движется через магнитное поле.

• Магнитное поле — это область в пространстве, в которой движущийся заряд или постоянный магнит испытывает силу.

• И заряд, и движение частицы необходимы для проявления силы полем.

• Сила, действующая магнитным полем силы на заряженную частицу, движущуюся со скоростью, определяется по приведенной ниже формуле. Направление силы перпендикулярно направлению движения частицы и магнитного поля и определяется выражением:

• Движущаяся заряженная частица в области с однородным магнитным полем движется по круговой траектории.