The growth influence on optical properties of GaAsSb/GaAs …piosit/my/my_2019_wyklad_11.pdf ·...
Transcript of The growth influence on optical properties of GaAsSb/GaAs …piosit/my/my_2019_wyklad_11.pdf ·...
Podstawy fizykiWykład 11
Dr Piotr Sitarek
Katedra Fizyki Doświadczalnej
Wydział Podstawowych Problemów Techniki Politechniki Wrocławskiej
Magnetyzm
Pole magnetyczne
• Siła Lorentza
• Efekt Halla
• Akceleratory
• Siła magnetyczna
Indukcja elektromagnetyczna
• Prawo Faraday’a
• indukcyjność
Magnetyzm materii
D. Halliday, R. Resnick, J.Walker: Podstawy Fizyki, tom 3, Wydawnictwa Naukowe PWN, Warszawa 2003.K.Sierański, K.Jezierski, B.Kołodka, Wzory i prawa z objaśnieniami, cz. 2, Oficyna
Wydawnicza Scripta, 2006.
Pole magnetyczne
Pole magnetyczne. Własności magnetyczne rudy żelaza - magnetytu, znane były w dalekiej
starożytności i wykorzystywano je np. do budowy kompasu magnetycznego. Znacznie
później zauważono, że poruszający się ładunek elektryczny także wywołuje wokół siebie pole
magnetyczne. Tak więc pole magnetyczne jest wytwarzane zarówno przez namagnesowane
ciała stałe jak i przez prądy elektryczne - strumienie poruszających się ładunków. Tak jak
oddziaływania elektryczne zachodzą za pośrednictwem pola elektrycznego tak oddziaływania
magnetyczne zachodzą za pośrednictwem pola magnetycznego.
Pole magnetyczne, w odróżnieniu od pola elektrycznego nie działa na ładunek znajdujący się
w spoczynku. Siła pojawia się wtedy, gdy ładunek porusza się.
Pole magnetyczne
Pole magnetyczne
Pole magnetyczne
Przykład
Pole magnetyczne
Pole magnetyczne
B
Pole magnetyczne
B
Pole magnetyczne
Pole magnetyczne
B
B
Pole magnetyczne
Pole magnetyczne
B
Pole magnetyczne
Elektrony krążące w komorze wypełnionej gazem pod niskim ciśnieniem (ich torem jest świecący okrąg).
Pole magnetyczne
B
Pole magnetyczne
Pola skrzyżowane: odkrycie elektronuZarówno pole elektryczne E, jak i pole magnetyczne B mogą działać siłą na naładowaną cząstkę. Kiedy wektory tych dwóch pól są wzajemnie prostopadłe, mówimy, że są to poła skrzyżowane. Powyższe doświadczenie doprowadziło w 1897 r. do odkrycia elektronu przez J. J. Thomsona z Uniwersytetu w Cambridge.
do pompy
ekran
element żarzenia
ekran
plamkaświetlna
bańkaszklana
Pole magnetyczne
Pola skrzyżowane: separacja prędkości
źródło cząstek
Pole magnetyczne
Pola skrzyżowane: spektrometr masy
separatorprędkości
detektorcząstek
Pole magnetyczne
Głośnik
Pole magnetyczne
Pola skrzyżowane: zorza polarnaElektrony i protony są wychwytywane przez ziemskie pole magnetyczne; uwięzione cząstki tworzą wysoko ponad atmosferą pasy radiacyjne Van Allena, w kształcie pętli, między północnym a południowym biegunem geomagnetycznym.Te cząstki odbijają się tam i z powrotem, przebywając w ciągu kilku sekund drogę od jednego do drugiego końca butelki magnetycznej.
Gdy silne rozbłyski na Słońcu wysyłają w kierunku pasów radiacyjnych dodatkoweelektrony i protony o dużej energii, w obszarach, w których elektrony zwykle są odbijane, pojawia się pole elektryczne. Pole to przeciwdziała odbiciu i kieruje elektrony w dół do atmosfery, gdzie zderzają się one z atomami i cząsteczkami gazów powietrza, powodując ich świecenie – powstaje zorza polarna — kurtyna świetlna, która rozpościera się w dół, do wysokości około 100 km. Światło zielone jest emitowane przez atomy tlenu, a światło różowe przez cząsteczki azotu, ale często świecenie jest na tyle słabe, że widzimy je jako światło białe.
Pole magnetyczne
Pola skrzyżowane: zorza polarna
Pole magnetyczne
Cyklotron, synchrotron
duantduant B = 1.5 T
Pole magnetyczne
Cyklotron, synchrotronPrzy energii protonów przekraczającej 50 MeV tradycyjne cyklotrony zaczynajązawodzić, ponieważ jedno z założeń, przyjętych przy projektowaniu — to, że częstość ruchu naładowanej cząstki w polu magnetycznym nie zależy od jej prędkości — jest spełnione tylko dla prędkości znacznie mniejszych od prędkości światła.Dla dużych prędkości protonu (powyżej ok. 10% prędkości światła) musimytraktować problem relatywistycznie.Przykład - http://www.esrf.eu/AboutUs
Pole magnetyczne
Wielki Zderzacz HadronówNajwiększy na świecie akcelerator cząstek (hadronów), znajdujący się w Europejskim Ośrodku Badań Jądrowych CERN w pobliżu Genewy. LHC jest położony na terenie Francji oraz Szwajcarii.Jego zasadnicze elementy są umieszczone w tunelu w kształcie torusa o długości około 27 km, położonym na głębokości od 50 do 175 m pod ziemią. Urządzenie od 2008 r. miało zderzać dwie przeciwbieżne wiązki protonów. Energia zderzeń miała wynosić 14 TeV[4]. Obecnie akcelerator pracuje z połową pełnej mocy i pozostanie tak co najmniej do III kwartału 2011 r. Trwają prace nad zwiększeniem częstotliwości zderzeń przy tej energii. (Wiki)
Pole magnetyczne
Siła magnetyczna działająca na przewodnik z prądemOmawiając zjawisko Halla, pokazaliśmy, że pole magnetyczne wytwarza siłę poprzeczną, która działa na elektrony poruszające się w przewodniku. Ta siła musiteż działać na cały przewodnik, ponieważ elektrony przewodnictwa nie mogą sięz niego wydostać.
Pole magnetyczne
Siła magnetyczna działająca na przewodnik z prądem
Pole magnetyczne
Siła magnetyczna działająca na przewodnik z prądem – siła Ampere’a
Pole magnetyczne
Pole magnetyczne
Silnik elektryczny
komutatorszczotka
Pole magnetyczne
Prawo Biota-Savarta
Pole magnetyczne
Pole magnetyczne wytworzone przez prąd płynący w długim przewodzie prostoliniowym
Pole magnetyczne
Pole magnetyczne wytworzone przez prąd płynący w długim przewodzie prostoliniowym
Pole magnetyczne
Pole magnetyczne wytworzone przez prąd płynący w przewodzie o kształcie łuku okręgu
łuk okrąg
Pole magnetyczne
Pole magnetyczne wytworzone przez prąd płynący w przewodzie o kształcie łuku okręgu - przykład
Pole magnetyczne
Pole magnetyczne wytworzone przez prąd płynący w przewodzie -przykład
Pole magnetyczne
Pole magnetyczne
Pole magnetyczne
Pole magnetyczne na zewnątrz długiego prostoliniowego przewodu z prądem
Pole magnetyczne
Pole magnetyczne wewnątrz długiego prostoliniowego przewodu z prądem
Pole magnetyczne
Pole magnetyczne solenoidu
0 0 0Bh
Pole magnetyczne
Pole magnetyczne
B
B
Pole magnetyczne
B B
B
Indukcja elektromagnetyczna
1. Prąd pojawia tylko wtedy, gdy występuje względny ruch pętli i magnesu (tzn. jeden z tych
elementów porusza się względem drugiego). Prąd znika, gdy pętla i magnes przestają się
poruszać względem siebie.
2. Szybszy ruch wytwarza prąd o większym natężeniu.
3. Jeśli przybliżanie północnego bieguna magnesu do pętli wytwarza prąd płynący np. w
kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara, to oddalanie tego bieguna powoduje
przepływ prądu w kierunku przeciwnym.
Indukcja elektromagnetyczna
Indukcja elektromagnetyczna
- prąd wytwarzany w pętli nazywamy prądem indukowanym,
- pracę przypadającą na jednostkę ładunku, wykonaną w celu wytworzenia
prądu (czyli ruchu elektronów przewodnictwa, które tworzą ten prąd)
nazywamy indukowaną siłą elektromotoryczną (SEM),
- zjawisko wytwarzania prądu i SEM nazywamy zjawiskiem indukcji
elektromagnetycznej.
Indukowana SEM i indukowany prąd w tych doświadczeniach powstają
wtedy, gdy następuje zmiana jakiejś wielkości.
Faraday odkrył co się zmienia.
Indukcja elektromagnetyczna
Prawo indukcji Faradaya
Faraday zauważył, że zmienia się „ilość" pola magnetycznego przechodzącego
przez pętlę.
„Ilość„ pola magnetycznego może być zilustrowana za pomocą linii pola
magnetycznego przechodzących przez pętlę.
SEM jest indukowana w pętli gdy zmienia się liczba linii pola
magnetycznego, przechodzących przez pętlę.
Indukcja elektromagnetyczna
Prawo indukcji Faradaya
Wartość SEM ℰ indukowanej w przewodzącej pętli jest równa szybkości,
z jaką strumień magnetyczny, przechodzący przez tę pętlę zmienia się w
czasie.
Strumień magnetyczny przechodzący przez cewkę możemy zmienić w
następujący sposób:
1. Przez zmianę wartości indukcji magnetycznej B pola w cewce.
2. Przez zmianę powierzchni cewki (np. powiększanie rozmiarów cewki lub
przesuwanie jej względem obszaru, gdzie istnieje pole).
3. Przez zmianę kąta między kierunkiem wektora indukcji magnetycznej B a
powierzchnią cewki (np. obracanie cewki).
Indukcja elektromagnetyczna
Prawo indukcji Faradaya - przykład
Na wykresie przedstawiono wartości B(t) dla jednorodnego pola magnetycznego,
przechodzącego przez przewodzącą pętlę i prostopadłego do płaszczyzny pętli.
Uszereguj pięć przedziałów czasu na wykresie pod względem wartości SEM
indukowanej w pętli, zaczynając od największej wartości.
1 2 23 3
Indukcja elektromagnetyczna
Reguła Lenza
Jest regułą umożliwiającą wyznaczenie kierunku prądu indukowanego w
obwodzie:
Prąd indukowany płynie w takim kierunku, że pole magnetyczne
wytworzone przez ten prąd przeciwdziała zmianie strumienia pola
magnetycznego, która ten prąd indukuje.
Indukcja elektromagnetyczna
Gitara elektryczna
struna gitary
cewka
magnes
do wzmacniacza
Pobudzenie do drgań metalowej struny (która zachowujesię jak magnes), powoduje zmianę strumienia magnetycznego, która indukuje prąd w cewce.
Indukcja elektromagnetyczna
Przykład
Jaka jest wartość i kierunek SEM ℰ𝑖𝑛𝑑,
indukowanej w pętli przez pole B w chwili t = 10 s?
Ile wynosi natężenie prądu, płynącego w pętli w chwili t = 10 s?
Indukcja elektromagnetyczna
Prądy wirowe
Indukcja elektromagnetyczna
Indukcyjność
Jeżeli przepuścimy prąd o natężeniu I przez uzwojenie cewki (solenoidu),
to prąd wytworzy strumień magnetyczny w środkowej części cewki.
Indukcyjność cewki definiujemy jako:
gdzie N jest liczbą zwojów.
Jak wiemy kondensator może służyć do wytworzenia pola elektrycznego o
zadanej z góry wartości natężenia.
Podobnie cewka, może być zastosowana do wytworzenia pola
magnetycznego o zadanej wartości indukcji.
Indukcja elektromagnetyczna
Indukcyjność solenoidu
Przeanalizujmy długi solenoid o polu przekroju równym S. Ile wynosi
indukcyjność na jednostkę długości w pobliżu środka tego solenoidu?
Rozważmy odcinek solenoidu o długości l, znajdujący się w pobliżu jego
środka. Strumień sprzężony w tej części solenoidu jest równy:
gdzie n jest liczbą zwojów na jednostkę długości solenoidu, a B jest
wartością indukcji magnetycznej we wnętrzu solenoidu.
Wartość indukcji B jest dana równaniem
Zatem indukcyjność na jednostkę długości dla długiego solenoidu w
pobliżu jego środka wynosi:
Indukcja elektromagnetyczna
Samoindukcja
Indukowana SEM występuje w każdej cewce, w której natężenie prądu
się zmienia.
Tak więc w dowolnej cewce, solenoidzie lub toroidzie pojawia się SEM
samoindukcji, jeżeli tylko natężenie prądu zmienia się w czasie.
Wartość natężenia prądu nie wpływa na wartość indukowanej SEM, istotna
jest natomiast szybkość zmian natężenia prądu.
Indukcja elektromagnetyczna
Obwody RL
Początkowo cewka przeciwdziała zmianom natężenia płynącego przez nią
prądu. Po dłuższym czasie cewka działa jak zwykły przewód, łączący
elementy obwodu.
Tak więc z drugiego prawa Kirchhoffa wynika, że:
indukcyjna stała czasowa
Indukcja elektromagnetyczna
Obwody RL
Indukcja elektromagnetyczna
Obwody RL
Indukcja elektromagnetyczna
Energia zmagazynowana w polu magnetycznym
szybkość gromadzenia energii w polu magnetycznym
Magnetyzm materii
Magnesy
Najprostszą strukturą magnetyczną, która może istnieć, jest dipol
magnetyczny. Nie stwierdzono istnienia monopoli magnetycznych.
biegungeomagnetyczny
biegungeograficzny
Magnetyzm materii
Magnetyzm ziemski
Ziemia jest ogromnym magnesem.
Ziemskie pole magnetyczne jest polem, pochodzącym od dipola
magnetycznego. Dla idealnego pola, jak na rysunku, wartość
magnetycznego momentu dipolowego wynosi 8 • 1022 J/T, a jego kierunek
tworzy kąt 11,5° z osią obrotu (RR) Ziemi.
Magnetyzm materii
Własności magnetyczne ciał – magnetyków
Ciała składają się z atomów (cząsteczek), w których każdy elektron ma orbitalny i
spinowy moment magnetyczny. Wypadkowa tych dwu wielkości dla wszystkich
elektronów a atomie czy cząsteczce daje całkowity moment magnetyczny atomu
lub cząsteczki.
Magnetyzm materii
Wektor magnetyzacji (namagnesowania)
Magnetyzm materii
Pole magnetyczne w magnetyku
Magnetyzm materii
Magnetyzm materii
Magnetyzm materii
Magnetyzm materii
Paramagnetyki
W roku 1895 Piotr Curie wykazał doświadczalnie, że namagnesowanie próbki paramagnetycznej jest wprost proporcjonalne do indukcji magnetycznej i odwrotnie proporcjonalne do temperatury T, mierzonej w kelwinach, czyli:
teoria kwantowa
prawoCurie
Magnetyzm materii
Jeżeli temperatura materiału ferromagnetycznego przekracza pewną krytyczną wartość, zwaną temperaturą Curie, to ferromagnetyzm substancji zanika.Większość takich materiałów staje się wtedy po prostu paramagnetykami.
Magnetyzm materii
Ferromagnetyki – histereza
Krzywe magnesowania dla materiałów ferromagnetycznych nie wracają do punktupoczątkowego, gdy zwiększamy, a następnie zmniejszamy indukcję zewnętrznegopola magnetycznego.
Jest to znane zjawisko trwałego namagnesowania.
Równania Maxwella