Эрик Роджерс - Физика для любознательных. Том 3. Электричество и магнетизм. Атомы и ядра

3) α -частицами, несущими заряд +2 е , обстреливают атомы золота. Изредка какая-нибудь α -частица отлетает строго назад. В этом случае мы представляем себе, что α -частица движется к атому золота, преодолевая силу отталкивания со стороны большого положительного заряда ядра атома, пока не потеряет всю свою кинетическую энергию, которая переходит в потенциальную энергию частицы в электростатическом поле. После этого α -частица летит назад. Ив приведенных ниже данных (все они взяты из опытов) оцените, на какое самое близкое расстояние α -частица приближается к ядру атома золота. Сравните свой ответ с традиционным «размером» атома (радиус порядка 0,5∙10 -10м).

ОПЫТНЫЕ ДАННЫЕ, α -частица, вылетающая из ядра атома радия, имеет:

— скорость v ~= 1,6∙10 7м/сек,

— массу m ~= 6,6∙10- 27кг,

— заряд 2 e = + 2∙1,6∙10 -19 кулон.

Ядро атома золота значительно более массивное, а заряд его равен 79 е = 79∙1,6∙10 -19 кулон.

Электрические поля ускоряют и отклоняют пучки электронов, но их оказывается недостаточно, чтобы узнать заряд, массу и скорость движущихся электронов или заряженных атомов. Для этого необходимы еще и магнитные поля . Так что прежде, чем начать изучение атомов, мы должны вкратце познакомиться с магнетизмом. Цель настоящей главы показать, что представляют собой магнитные поля и как они используются для изучения атомов. В ней дается также простая теория магнетизма, которая может служить примером очень хорошей теории.

Магниты

Магнит — это металлический брусок, который может притягивать небольшие кусочки железа, например железные опилки. К концу нашего повествования мы, возможно, захотим видоизменить это грубое определение, но на том более высоком уровне понимания оно нам уже не потребуется [63]. Вначале перечислим четыре основных свойства магнитов:

1) Магниты притягивают и захватывают небольшие кусочки железа.

Фиг. 127. Магнит притягивает железные опилки.

2) Длинный магнит, подвешенный на нити, поворачивается до тех пор, пока не устанавливается приблизительно в направлении север-юг (N-S). Подвешенные магниты другой формы также самостоятельно ориентируются, показывая, что у них имеется определенная «магнитная ось», которая стремится принять направление N-S.

Фиг. 128. Подвешенный магнит ориентируется в направлении север-юг. Его конец, указывающий на север, называется северным магнитным полюсом.

3) Стрелки компаса (как и всякий свободно вращающийся магнит), помещенные вблизи другого большого магнита, стремятся повернуться к «полюсам» этого магнита.

Фиг. 129. Определение полюсов магнита с помощью компасной стрелки.

Компасная стрелка, которая сама является небольшим, свободно вращающимся магнитом, поворачивается так, что ее северный полюс указывает на южный полюс магнита (или ее южный полюс на северный полюс магнита). В действительности, компасная стрелка показывает направление магнитного поля, создаваемого большим магнитом. Силовые линии этого поля исходят из областей вблизи полюсов, но выходят из магнита не под прямым углом, так как в отличие от электрических свойств металла магнитные материалы не являются хорошими магнитными «проводниками».

4) Если стержни, сделанные из подходящего материала, потереть магнитом, то они намагнитятся. Этот способ — трение магнитного железняка, естественного магнитного материала, о стальной стержень — и был древнейшим способом получения магнитов. Сейчас гораздо проще и лучше намагничивать стержень, помещая его внутрь проволочной катушки, через которую пропущен электрический ток.

Фиг. 130. Намагничивание стального бруска.

а— по бруску проводят магнитом; б— брусок на короткое время помещается внутрь катушки с током.

Полюсы [64]

Те места магнита, которые сильнее всего притягивают железные опилки, называются полюсами . У длинных намагниченных брусков полюсы обычно находятся на концах, хотя, если постараться, можно изготовить магнит и с полюсами в других местах. Пробная компасная стрелка, поднесенная к полюсу магнита, будет точно указывать на этот полюс. Вообще говоря, полюсами следует считать те области магнита, откуда исходит его магнитное действие. Простой намагниченный брусок, свободно подвешенный за середину, будет крутиться до тех пор, пока его полюсы не совпадут с линией, идущей приблизительно в направлении север-юг. Таким образом, за ось магнита можно принять прямую, соединяющую его полюсы. Полюс магнита, который поворачивается к северу, мы сокращенно называем северным полюсом и обозначаем буквой N, вкладывая в это название тот смысл, что этот полюс указывает на север [65].

(Посмотрите демонстрации этих опытов или проделайте их сами.)

Опыт 1. Изготовление магнитов.

Поместите стержни из различных материалов внутрь полой проволочной катушки, через которую пропущен электрический ток. Исследуйте магнитные свойства стержней с помощью железных опилок или мелких гвоздей при включенном и выключенном токе. Попробуйте также, как действует переменный ток. Эти эксперименты покажут вам, что

1) большинство веществ, как, например, медь, стекло, дерево, не поддаются намагничиванию;

2) железо, сталь и некоторые сплавы (эти материалы называются магнитными) можно намагнитить. Они частично сохраняют свою намагниченность и после выключения тока, или если их вынуть из катушки с током;

3) с помощью катушки, через которую пропущен переменный ток, удается размагнитить намагниченный стержень;

4) тем не менее, используя ту же катушку с переменным током, можно сохранить стержень намагниченным;

5) из некоторых сортов закаленной стали выходят отличные постоянные магниты. Мягкое железо намагничивается лишь на то время, когда через катушку течет электрический ток, а после выключения тока оно почти полностью теряет свои магнитные свойства;

6) электрический ток в полой катушке без всякого железного сердечника сам по себе обладает магнитным действием.

Опыт 2. Подвешенные магнита.