Диамагнетики и парамагнетики

Вещества, которые имеют отрицательную магнитную восприимчивость, не зависящую от напряженности магнитного поля, называются диамагнетики. Давайте разберемся, какие магнитные свойства вещества, называются отрицательной магнитной восприимчивостью. Это когда к телу подносится магнит, и оно при этом отталкивается, а не притягивается. К диамагнетикам относятся например, инертные газы, водород, фосфор, цинк, золото, азот, кремний, висмут, медь, серебро. То есть это вещества, которые находятся в сверхпроводящем состоянии или имеющие ковалентные связи.

Парамагнетики. У этих веществ магнитная восприимчивость тоже не зависит от того, какая напряженность поля существует. Она при этом положительная. То есть при сближении парамагнетика с постоянно действующим магнитом, возникает сила притягивания. К ним можно отнести алюминий, платину, кислород, марганец, железо.

Ферромагнетики. Вещества, у которых высокая положительная магнитная восприимчивость, называются ферромагнетиками. У этих веществ, в отличие от диамагнетиков и парамагнетиков, магнитная восприимчивость зависит от температуры и напряженности магнитного поля, причем в значительной мере. К ним относятся кристаллы никеля и кобальта.

Антиферромагнетики и ферримагнетики. Вещества, у которых во время нагревания совершается фазовый переход данного вещества, сопровождающегося появлением парамагнитных свойств, называются антиферромагнетиками. Если температура становится, ниже какой-то определенной, эти свойства у вещества наблюдаться не будут. Примерами этих веществ будут марганец и хром. Ферримагнетики характеризуются присутствием в них некомпенсированного антиферромагнетизма. Их магнитная восприимчивость тоже зависит от температур и напряженности магнитного поля. Но отличия у них все же, есть. К этим веществам можно отнести различные оксиды.

Все вышеперечисленные магнетики можно еще разделить на 2 категории:

Магнитотвердые материалы. Это материалы с высоким значением коэрцитивной силы. Для их перемагничивания необходимо создать мощное магнитное поле. Эти материалы применяются в изготовлении постоянных магнитов.

Магнитомягкие материалы, напротив, имеют маленькую коэрцитивную силу. При слабых магнитных полях они способны войти в насыщение. На перемагничивание у них малые потери. Из-за этого эти материалы применяются для изготовления сердечников для электрических машин, которые работают на переменном токе. Это, например, трансформатор тока и напряжения, или генератор, или асинхронный двигатель.

3. Динамика колебательного процесса.

Колебания - это физический процесс, который возникает в системе тел, если она удовлетворяет следующим требованиям:

система тел должна обладать состоянием устойчивого равновесия;

процесс должен быть периодическим.

Колебания являются одним из важнейших физических процессов, наблюдаются во многих явлениях природы, техники, могут носить глобальный характер (например, землетрясения, звучание музыкальных инструментов, при движении железнодорожного состава и т.д.).

Колебания можно классифицировать по следующим признакам:

Вид колебаний зависит от физической природы процесса:

А). Механические (как периодическое движение тел);

Б). Электромагнитные (как периодический процесс движения зарядов и электрических и магнитных полей).

2. Вид колебаний зависит от системы тел (колебательной системы):

А). Колебания математического маятника;

Б). Колебания физического маятника;

В). Колебания оборотного маятника;

Г). Колебания пружинного маятника;

Д). Колебания молекул и т.д.

Вид колебаний зависит от результатов взаимодействия колебательной системы с окружающей средой:

А). Свободные незатухающие колебания (такие колебания возникают после первоначального толчка и полного отсутствия взаимодействия колебательной системы с окружающей средой), например, отсутствие сил трения, в вакууме.

Б). Свободные затухающие колебания возникают в системе, если в ней существует процесс трения и сопротивления, возникающий с окружающей средой.

В). Вынужденные колебания - это колебания, возникающие в системе в результате периодического воздействия внешней среды на систему.

Г). Автоколебания возникают в колебательной системе, которая способна регулировать действие внешней среды на себя.

Д). Модулированные колебания - это колебания, которые возникают в системе, в которой внешняя среда периодически меняет какой-либо параметр колебаний. (амплитудная модуляция, частотная, фазовая и т.д.)

Для того чтобы описать количественно колебания тела под действием силы упругости пружины или колебания шарика, подвешенного на нити, воспользуемся законами механики Ньютона.

Уравнение движения тела, колеблющегося под действием силы упругости. Согласно второму закону Ньютона произведение массы тела m на ускорение его равно равнодействующей F всех сил, приложенных к телу:

m = . (3.1)

Это — уравнение движения. Запишем уравнение движения для шарика, движущегося прямолинейно вдоль горизонтали под действием силы упругости пружины (см. рис. 3.3). Направим ось ОХ вправо. Пусть начало отсчета координат соответствует положению равновесия шарика (см. рис. 3.3, а).

В проекции на ось ОХ уравнение движения (3.1) можно записать так: mах = Fx упр, где ах и Fx упр соответственно проекции ускорения и силы упругости пружины на эту ось.

Согласно закону Гука проекция Fx ynp прямо пропорциональна смещению шарика из положения равновесия. Смещение же равно координате х шарика, причем проекция силы и координата имеют противоположные знаки (см. рис. 3.3, б, в). Следовательно,

Fx yпp = -kх, (3.2)

Разделив левую и правую части уравнения (3.3) на m, получим

Так как масса т и жесткость k — постоянные величины, то их отношение также постоянная величина.

Мы получили уравнение, описывающее колебания тела под действием силы упругости. Оно очень простое: проекция ах ускорения тела прямо пропорциональна его координате х, взятой с противоположным знаком.

Уравнение движения математического маятника. При колебаниях шарика на нерастяжимой нити он все время движется по дуге окружности, радиус которой равен длине нити l.

Поэтому положение шарика в любой момент времени определяется одной величиной — углом α отклонения нити от вертикали. Будем считать угол α положительным, если маятник отклонен вправо от положения равновесия, и отрицательным, если он отклонен влево (см. рис. 3.5). Касательную к траектории будем считать направленной в сторону положительного отсчета углов.

Обозначим проекцию силы тяжести на касательную к траектории маятника через F τ. Эта проекция в момент, когда нить маятника отклонена от положения равновесия на угол α, равна:

Fτ = -mg sin α. (3.5)

Знак «-» здесь стоит потому, что величины Fτ и а имеют противоположные знаки. При отклонении маятника вправо (α > 0) составляющая силы тяжести τ направлена влево и ее проекция отрицательна: Fτ < 0. При отклонении маятника влево (α < 0) эта проекция положительна: F τ > 0.

Обозначим проекцию ускорения маятника на касательную к его траектории через аτ. Эта проекция характеризует быстроту изменения модуля скорости маятника.

Согласно второму закону Ньютона

mаτ = Fτ, или mаτ = -mg sin α. (3.6)

Разделив левую и правую части этого уравнения на m, получим

аτ = -g sin α. (3.7)

Ранее предполагалось, что углы отклонения нити маятника от вертикали могут быть любыми. В дальнейшем будем считать их малыми. При малых углах, если угол измерен в радианах,

sin α ≈ α.

Следовательно, можно принять

аτ = -gα. (3.8)

Если угол α мал, то проекция ускорения примерно равна проекции ускорения на ось ОХ: аτ ≈ аx (см. рис. 3.5). Из треугольника AВО для малого угла а имеем:

Подставив это выражение в равенство (3.8) вместо угла α, получим

Это уравнение имеет такой же вид, что и уравнение (3.4) для ускорения шарика, прикрепленного к пружине. Следовательно, и решение этого уравнения будет иметь тот же вид, что и решение уравнения (3.4). Это означает, что движение шарика и колебания маятника происходят одинаковым образом.

Смещения шарика на пружине и тела маятника от положений равновесия изменяются со временем по одному и тому же закону, несмотря на то, что силы, вызывающие колебания, имеют различную физическую природу.

Умножив уравнения (3.4) и (3.10) на m и вспомнив второй закон Ньютона mах = Fx peз, можно сделать вывод, что колебания в этих двух случаях совершаются под действием сил, равнодействующая которых прямо пропорциональна смещению колеблющегося тела от положения равновесия и направлена в сторону, противоположную этому смещению.

Уравнение (3.4), как и (3.10), на вид очень простое: ускорение прямо пропорционально координате (смещению от положения равновесия).

Билет 22.