Магнитное поле в вакууме

Классическая электронная теория электропроводимости металлов и ее трудности.

В 1916 г. Стюарт и Толмэн, обобщая результаты экспериментов по электропроводности металлов, установили, что в металлах носителями тока являются свободные электроны. Друде разработал классическую теорию электропроводности металлов, которая затем была усовершенствована Лоренцем. Друде предположил, что электроны проводимости в металле ведут себя подобно молекулам идеального газа. В промежутках между соударениями они движутся совершено свободно, пробегая в среднем некоторый путь. Правда в отличие от молекул газа, пробег которых определяется соударениями молекул друг с другом, электроны сталкиваются преимущественно не между собой, а с ионами, образующими кристаллическую решетку металла. Эти столкновения приводят к установлению теплового равновесия между электронным газом и кристаллической решеткой. Также предполагалось, что движение электронов подчиняется законам классической механики. Полагая, что на электронный газ могут быть распространены результаты кинетической теории газов, оценку средней скорости теплового движения электронов можно произвести . Для комнатной температуры () вычисление по этой формуле приводит к следующему значению: . При включении поля на хаотическое тепловое движение, происходящее, со скоростью , накладывается упорядоченное движение электронов с некоторой средней скоростью . Величину этой скорости легко оценить, исходя из формулы, связывающей плотность тока j с числом n носителей в единице объема, их зарядом е и средней скоростью :

Несмотря на достигнутые успехи, классическая электронная теория проводимости металлов Друде-Лоренца не получила дальнейшего развития. Связано это с двумя основными причинами: 1) трудностями, с которыми столкнулась эта теория при объяснении некоторых свойств металлов; 2) созданием более совершенной квантовой теории проводимости твердых тел, устранившей затруднения классической теории и предсказавшей ряд новых свойств металлов.

Выделим основные затруднения теории Друде-Лоренца:

1. Линейную зависимость сопротивления от температуры. Согласно классической теории, зависимость удельного сопротивления металлов от температуры в то время, как на опыте в широком интервале температур вблизи Т≈300К для большинства металлов наблюдается зависимость .

2. Постоянная Холла (Размерность постоянной Холла - это единицы объема (например, метры кубические), деленные на единицу электического заряда, то есть, типа на кулоны. По знаку постоянной Холла определяют тип проводимости полупроводника или проводника: при электронной проводимости q = -e (e - заряд электрона) и R < 0; при дырочной проводимости q = e и R > 0. По величине R можно определить концентрацию носителей тока.) для свинца, цинка, железа имела положительный знак.

3. Теория дает неправильное значение теплоемкости металлов. С учетом теплоемкости электронного газа С=9/2R, а на практике С=3R, что примерно соответствует теплоемкости диэлектриков.

4. Наконец, теория оказалась полностью неспособной объяснить открытое в 1911г. Камерлинг-Оннесом (Kamerligh-Onnes H., 1853-1926) явления сверхпроводимости (полного исчезновения сопротивления) металлов при низких температурах, а также существования остаточного сопротивления, в сильной степени зависящего от чистоты металла. Интересно отметить, что в отношении низкотемпературных сверхпроводников (металлов) действует правило: металлы с более высоким удельным сопротивлением ρ имеют и более высокую критическую температуру сверхпроводящего перехода Ткр

Магнитное поле – это силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды, проводники с током и на тела, обладающие магнитным моментом (независимо от состояния их движения). Эти же объекты являются источниками магнитных полей.

Силовой характеристикой магнитного поля является магнитная индукция . Значение определяет силу, действующую в данной точке поля на движущийся электрический заряд, проводник с током или на тело, обладающее маг моментом . В СИ единица магнитной индукции получила название тесла (Тл):

Магнитного аналога электрическому заряду в природе не существует. Пробным телом, пригодным для определения и измерения магнитного поля, может быть элементарный контур с током, магнитным полем которого можно пренебречь.

Количественной характеристикой контура с током I является его магнитный момент : , где S – площадь поверхности, ограниченной контуром L; – единичный вектор нормали к этой поверхности.

Для наглядного представления магнитного поля пользуются магнитными линиями (их называют также линиями магнитного поля). Напомним, что магнитные линии – это воображаемые линии, вдоль которых расположились бы маленькие магнитные стрелки, помещенные в магнитное поле. Магнитную линию можно провести через любую точку пространства, в котором существует магнитное поле. Магнитная линия (как прямолинейная, так и криволинейная) проводится так, чтобы в любой точке этой линии касательная к ней совпадала с осью магнитной стрелки, помещенной в эту точку. Магнитные линии являются замкнутыми.

В случае проводника с током магнитные линии образуют замкнутые концентрические окружности вокруг проводника. Если посмотреть на проводник с током и образованное им магнитное поле в разрезе, то мы увидим набор кругов различного диаметра. На рисунке слева изображен как раз проводник с током.

Действие магнитного поля будет тем сильнее, чем ближе к проводнику. По мере удаления от проводника действие и, соответственно, сила магнитного поля будут уменьшаться.

В случае постоянного магнита мы имеем линии, выходящие из южного полюса магнита, проходящие вдоль самого тела магнита и входящие в его северный полюс.

Дата добавления: 2015-04-24