2. Электрический ток в электролитах и газах. Закон электролиза Фарадея.

Электролиты – это вещества, расплавы или растворы, которые проводят электрический ток вследствие диссоциации на ионы, однако сами вещества не проводят электрический ток.

Пример: .Валентность – заряд иона. Положительный заряд иона - , отрицательный заряд иона - .

Плотность тока . Если возьмем электролиты, то получим:

Направленная скорость электрона имеет порядок несколько миллиметров в секунду.На электрон действует сила Кулона: (1).А также вспомним закон Стокса: (2).

Из (1) и (2) следует, что . Это скорость в поле единичной напряженности.

Теперь получим закон Ома для электролитов: , где – удельная электропроводность электролитов. Тогда

Закон Фарадея (закон электролиза)

Заряд: , а масса переносимого вещества: Тогда

Получим закон Фарадея:

Ток в газах

Газы не могут проводить электрический ток, но он становится проводим, если газ ионизировать.

Ток в газах – это направленное движение положительных ионов и отрицательных электронов.

При определенной концентрации ионов и электронов вещество переходит в состояние плазмы (например, шаровая молния).

Различают низкотемпературную плазму (~1000⁰) и высокотемпературную плазму (>6000⁰).

Раздел 4. Магнитное поле.

1. Свойства магнитного поля. Вектор магнитной индукции. Закон Ампера. Сила Лоренца. Закон Био-Савара-Лапласа.

Поле, как и некоторые другие физические величины, не поддается определению через более простые понятия. Поэтому единственное, что можно сделать, - это описать его свойства:

1. Это особое состояние материи, способное полностью заполнять пространство и проникать в другие поля и вещества.

2. Магнитное поле действует ориентирующе на магнитную стрелку.

3. Магнитное поле действует с некоторой силой на линейный ток.

4. Магнитное поле действует ориентирующе на замкнутый ток (рамка, виток).

5. Магнитное поле действует на движущийся заряд.

6. Изменяющееся во времени магнитное поле создает электрическое поле.

Параметр магнитного поля должен носить векторный характер (в силу ориентирующих свойств поля). Назовем этот параметр вектором магнитной индукции - . За направление принимается направление магнитной стрелки в данной точке поля от южного конца к северному.

Чтобы определить численное, значение , воспользуемся третьим свойством.

На изображенный виток в магнитном поле действует некоторый механический момент Замкнутый ток принято характеризовать магнитным моментом: : . Экспериментально установлено, что отношение механического момента к магнитному

характеристику (модуль) индукции = Полученное определение модуля вектора индукции не лишено недостатков. Прежде всего оно не точно определяет индукцию в точке поля, а некоторое его среднее значение по площади витка. Более точное определение можно получить из действия поля на линейный ток. Как установил Ампер, магнитное поле действует на элемент тока длины с силой . Здесь α угол между вектором индукции и направлением течения тока. В качестве коэффициента пропорциональности можно взять модуль вектора индукции. . Для более точного определения индукции магнитного поля , возьмём малый элемент тока расположив его перпендикулярно к вектору индукции:

Закон Ампера в векторной форме имеет вид:

-индукция магнитного поля численно равна силе, действующей на элемент тока, помещённого в поле, перпендикулярно вектору индукции.

Сила Ампера перпендикулярна плоскости В,l

Если

Если взять рамку с током, то силы Ампера создадут момент сил и рамка начинает поворачиваться в магнитном поле. Если установить по кругу несколько витков, то они поочерёдно будут поворачиваться. На этом принципе устроены электродвигатели.

Сила Лоренца

Подставим – сила Лоренца.

Сила Лоренца перпендикулярна скорости и вектору индукции (из свойств векторного произведения).

Тогда: . Сила Лоренца не может совершить работу над зарядом, она может лишь изменить направление вектора его скорости.

Пусть в постоянное поле с индукцией влетает частица с массой и зарядом

Тогда: Отсюда

1. 

   

   – на основе этого соотношения работают масс-спектрометры (в них поток частиц «сортируется» в зависимости от их массы, радиус их движения зависит от соотношения )

2. - период обращения заряда по окружности не зависит от скорости влета.

3. Из закона Лоренца можно получить самое точное определение модуля вектора индукции магнитного поля – численно равна силе, действующей на единичный заряд, влетающий с единичной скоростью перпендикулярно вектору индукции.

Закон Био-Савара-Лапласа: Устанавливает связь магнитного поля с источником-током.

Индукции магнитного поля, создаваемого элементом тока, определяется по формуле: .

радиус-вектор проведённый из точки

к элементу тока, . - магнитная постоянная.

1. Бесконечный прямой ток

Теперь проинтегрируем

2. Конечный проводной ток

Проинтегрируем

Если заряд конечный, то -магнитное поле

движущегося заряда.

Магнитное поле в веществе. Магнитный момент атома. Магнитная проницаемость вещества. Современное объяснение диа-, пара- и ферромагнетизма.

Магнитные свойства вещества зависят от магнитных свойств его атомов и молекул.

Атом это система заряженных частиц, находящихся в движении и ,следовательно, способных создавать собственное магнитное поле. Так орбитальное вращение электронов можно рассматривать как замкнутый ток, характеризуемый магнитным моментом.

О рбитальный магнитный момент – это физическая величина, равная

Момент атома складывается из векторной суммы орбитальных и

спиновых магнитных моментов:

Что же произойдет, если атом вещества поместить в магнитное поле?

Первое, что стоит отметить, так это то, что внешними силами изменить взаимное расположение орбит нельзя! Но магнитное поле, тем не менее, будет действовать на движущиеся заряды атомов. Возможны варианты;

1. возможна ориентация атома как целого, так что его магнитный момент повернётся по полю.

2. изменяется период (частота) обращения на орбитах. Возникающий дополнительный магнитный момент будет направлен против индукции поля, его порождающего.

3. Выразим магнитный момент атома:

оборотов по орбите

за 1с. i=e ; Тогда . A спиновый магнитный момент .

4). Магнитные свойства вещества удобно характеризовать вектором намагничения: , --магнитный момент единицы объёма вещества. Размерность -

5).По принципу суперпозиции:

6).Введём величину – напряженность магнитного поля Н: - магнитная постоянная.

Размерность . Здесь . Поле , таким образом, зависит и от и от

Запишем эту зависимость в одной размерности: + = (1+ ) .Тогда:

где магнитная проницаемость вещества, она показывает во сколько раз магнитное поле в присутствии вещества больше, чем магнитное поле в вакууме:

Типы веществ: (формальная классификация):

1. В результате эксперимента может быть получена

Такие вещества – диамагнетики. Например, золото, серебро, сера, фосфор.

2. В результате эксперимента может быть получена

Такие вещества – парамагнетики. Например, щелочные металлы и кислород.

3. В результате эксперимента может быть получена

Такие вещества – ферромагнетики. Например, железо, кобальт, никель.

Вспомним: , .

Принцип Пауля

«В одной квантовой системе не может быть даже двух электронов с одним набором квантовых чисел». Если обозначить главное квантовое число -n, то на этой орбите могут быть только два электрона с разными спинами: .

Внешними силами нельзя изменить взаимную ориентацию орбит,

к оторая определяется магнитным квантовым числом m= включая 0.

Но ориентацию атома изменить можно.

Современное объяснение магнитных свойств веществ.