behovyh_electromagnetism

Интегральная термопара состоит из ____________ спая, а ее ветви непосредственно подключаются к клеммам ______________________.

Дифференциальная термопара состоит из ________ спаев и соеди-

няющих их ветвей. Измерительный прибор в такой термопаре включается в __________ одной из ветвей.

Термоэлектродвижущая сила дифференциальной термопары

(термо-ЭДС термопары) – это электродвижущая сила ( ), возникающая в электрической цепи, состоящей из разнородных проводников, контакты между которыми имеют __________________ температуру. Явление возникновения термо-ЭДС называется термоэлектрическим эффектом. Впервые этот эффект в термопарах обнаружил в 1821 году Т. Зеебек, поэтому это явление получило еще название эффекта Зеебека. Единица измерения термо-ЭДС, как и единица измерения ЭДС, – ___________, но из-за малости значений возникающих в термопарах электродвижущих сил их обычно измеряют в милли- и

микро____________.

Рассмотрим процесс возникновения термоэлектродвижущей силы в термопаре. Это явление тесно связано с другим явлением – кон-

тактной разностью потенциалов, которое заключается в следую-

щем: при соприкосновении двух разнородных металлических проводников некоторые электроны могут переходить из одного металла в другой вследствие _______________ движения. Металл, в котором образуется избыток электронов, заряжается _________________, а другой – ________________. Возникающая контактная разность по-

тенциалов ϕ1 −ϕ2 называется внутренней.

Итальянский физик А. Вольта экспериментально установил два закона, которым подчиняется это явление:

1)контактная разность потенциалов двух разнородных проводников зависит лишь от химического состава и ______________

__________________ соприкасающихся металлов;

2)контактная разность потенциалов __________________ соединенных различных проводников, находящихся при одинаковой температуре, не зависит от химического состава ______________

__________________ проводников и равна контактной разности потенциалов, возникающей при непосредственном соединении

_____________ проводников.

Объяснение законов Вольта можно дать на основе классической электронной теории металлов.

51

Если привести в соприкосновение два различных металла (рис. 1) 1 и 2 с работами выхода А1 и А2, причем А2 > А1, электроны, оказавшиеся у поверхности раздела металлов, совершая тепловое движение, легче переходят из металла, для которого работа выхода ___________, в металл, для которого работа выхода ______________, т.к. работа выхода – это _______________ необходимая электрону для того, чтобы покинуть металл.

ности потенциалов не станет равной разности ____________________:

e(ϕ1' −ϕ'2) = A2 − A1

или

Различие в работах выхода – не единственная причина появления контактной разности потенциалов. Выражение (1) получено при условии, что концентрация свободных электронов в металлах одинакова,

что на практике невозможно. Предположим, что n1 и n2 соответст-

венно концентрации электронов в металлах 1 и 2, причем n1 > n2 .

При этих условиях начнется диффузионный перенос электронов из

_____________ металла во __________, в результате чего первый ме-

талл зарядится ______________, а второй – ________________.

Обе причины возникновения контактной разности потенциалов (различие в работах выхода и концентраций свободных электронов) могут действовать как в одном и том же направлении, так и в проти-

воположных. В рассмотренных выше случаях ϕ1" −ϕ"2 имеет тот же

52

53

Контрольные вопросы

Вопросы на «удовлетворительно»

1.Температура тела в термодинамике – это...

2.Единицей измерения термодинамической температуры в СИ является...

3.Термометрическими параметрами называются...

4.К термометрическим параметрам предъявляются следующие требования: ...

5.Термопарой называется...

6.Термоэлектродвижущая сила дифференциальной термопары (термо-ЭДС термопары) – это...

7.Единицей измерения термоэлектродвижущей силы (термо-ЭДС)

вСИ является...

8.Причиной возникновения контактной разности потенциалов при соединении двух разнородных проводников или полупроводников является...

9.Работа выхода металла – это...

10.Единицей измерения работы выхода металла является...

11.Единицей измерения работы выхода металла в СИ является...

12.Если работа выхода одного металла в спае термопары больше, чем работа выхода другого металла, то...

13.Если концентрация свободных электронов в одном металле спая термопары больше, чем концентрация свободных электронов в другом металле, то...

14.Контактная разность потенциалов двух разнородных проводников зависит от...

15.Зависимость термоэлектродвижущей силы (термо-ЭДС) дифференциальной термопары от температуры спаев выражается формулой…

16.График зависимости термоэлектродвижущей силы (тер- мо-ЭДС) дифференциальной термопары от разности температур ее спаев имеет вид… Удельная термо-ЭДС дифференциальной термопары показывает...

17.Термоэлектродвижущей силой (термо-ЭДС) дифференциальной термопары называется...

18.Термоэлектродвижущую силу (термо-ЭДС) дифференциальной термопары можно измерить прибором, который называется ...

54

19.Градуировкой дифференциальной термопары называется...

20.Единицей измерения удельной термо-ЭДС дифференциальной термопары в СИ является...

21.Единицей измерения контактной разности потенциалов в СИ является...

22.Почему температуру можно определить только косвенным

путем?

Вопросы на «хорошо»

1.Укажите известные вам методы определения температуры и их физические основы (не менее трех).

2.Что называют термопарой? Назовите виды термопар и их раз-

личия.

3.Объясните механизм возникновения термо-ЭДС.

4.Поясните принцип измерения температуры при помощи дифференциальной термопары.

5.Почему погрешности косвенно определяемой величины – удельной термо-ЭДС – можно определять методом среднего значения, применяемого для расчета погрешностей при прямых измерениях?

Вопросы на «отлично»

1.В чем заключается эффект Пельтье? Поясните возможности практического использования данного эффекта.

2.Поясните устройство и принцип работы термоэлектрического холодильника.

3.Разработайте схему термоэлектрической батареи и предложите эффективный и экономичный способ использования ее в качестве генератора электрической энергии.

55

Лабораторная работа № 7 ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ЗЕМНОГО МАГНЕТИЗМА

Цель работы: ознакомиться с параметрами магнитного поля Земли; определить горизонтальную составляющую индукции магнитного поля Земли.

Основные теоретические сведения

Магнитное поле представляет собой особую форму материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между

_____________________ электрически заряженными частицами. Основными свойствами магнитного поля являются:

1.Магнитное поле порождается ______________________ или

__________________ электрическими зарядами. Вокруг покоящихся зарядов магнитное поле ________________.

2.Магнитное поле обнаруживается по действию на ___________

______ ток или ________________ электрические заряды.

Французский ученый А. Ампер предположил, что даже существование в природе постоянных магнитов обусловлено наличием в веществе элементарных круговых __________, которые и определяют магнитные свойства вещества в целом. Эта гипотеза полностью подтвердилась после открытий, связанных со строением атома.

Ученые XIX века пытались создать теорию магнитного поля по аналогии с электростатикой, вводя в рассмотрение так называемые магнитные заряды двух знаков (северный (N) и южный (S) полюсы), исходя из того факта, что одноименные полюсы магнита, как и одноименные заряды, __________________, а разноименные –

________________. Однако опыт показывает, что изолированных магнитных зарядов не существует. Основной характеристикой магнитно-

го поля в веществе является магнитная индукция (В) .

Магнитная индукция (В) – это силовая характеристика маг-

нитного поля, определяющая величины и направление _________, действующих на токи или _________________ заряды в магнитном поле.

За направление вектора магнитной индукции ( В ) принимается направление от южного полюса (S) к северному полюсу (N) магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле. Исследуя

56

магнитное поле, создаваемое током или постоянным магнитом, при помощи магнитной стрелки можно в каждой точке пространства оп-

ределить направление вектора В и представить пространственную структуру магнитного поля. Единица измерения индукции магнитного поля в СИ __________.

Магнитное поле удобно графически изображать при помощи линий магнитной индукции – линий, в каждой точке которых вектор магнитной индукции направлен ______________________. Линии магнитной индукции всегда ____________ в отличие от силовых линий электрического поля, которые начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных. Замкнутость линий индукции магнитного поля отражает факт _____________ магнитных зарядов. Поэтому нельзя говорить, что линии магнитной индукции начинаются на северном магнитном полюсе и заканчиваются на южном. Употребляют следующее выражение: линии индукции магнитного поля _____________ из северного магнитного полюса и ____________

в южный.

Для магнитного поля справедлив принцип суперпозиции: индук-

ция поля Вr, порождаемого несколькими движущимися зарядами или

токами, равна _________________ сумме индукций полей Вi , порождаемых каждым движущимся зарядом или током в отдельности:

i=1

Со времен древних мореплавателей было известно, что горизонтально расположенная магнитная стрелка определенным образом

__________________ в земном пространстве. Это наблюдение привело к изобретению компаса – прибора, указывающего направление сторон света при помощи магнитной стрелки. Сам факт ______________ магнитной стрелки в земном пространстве указывает на существование у планеты Земля определенным образом упорядоченного ____________

____________________. Английский ученый У. Гильберт в 1600 году впервые показал, что Земля является магнитом, ось которого не совпадает с осью вращения Земли. Следовательно, вокруг Земли, как и около любого магнита, существует магнитное поле. Разработанной количественной теории магнитного поля Земли в настоящее время не существует. Предполагается, что главным источником этого поля являются вихревые ________________________ в жидком металлическом ядре Земли, обусловленные вращением планеты вокруг своей

57

78° северной широты и 69° западной долготы. Магнитная ось наклонена относительно географической на 11° и смещена на 1140 км в сторону Тихого океана. Магнитные полюсы и ось со временем изменяют свое положение. Линии индукции магнитного поля выходят приблизительно из центра Земли через ____________ полушарие и, обогнув Землю, возвращаются к ее центру через ______________ полушарие.

Вдействительности поле Земли имеет более сложную конфигурацию, чем поле однородно намагниченного шара, так как добавляются магнитные поля неоднородных материковых плит, магнитных аномалий (отклонений) верхней части земной коры, внеземные магнитные поля.

Незначительная часть магнитного поля (около 1%) имеет внеземное происхождение. Ее возникновение приписывают электрическим токам, текущим в проводящих слоях ионосферы (одного из верхних слоев атмосферы) и поверхности Земли. Эта часть магнитного поля Земли подвержена слабому изменению со временем, которое называется вековой вариацией.

Видеальном и гипотетическом предположении, если бы Земля была одинока в космическом пространстве, силовые линии индукции магнитного поля планеты располагались таким же образом, как и силовые линии обычного двухполюсного магнита, т.е. в виде симметричных дуг, протянувшихся от северного магнитного полюса к южному. Плотность линий ________________ бы с удалением от планеты. На самом деле магнитное поле Земли находится во взаимодействии с магнитными полями Солнца, планет и потоков заряженных час-

58

тиц, испускаемых в изобилии Солнцем. Если воздействием Солнца и планет из-за их удаленности можно пренебречь, то влияние потока мчащихся со скоростью около 500 км/с заряженных частиц, испускаемых солнечной атмосферой, –

солнечного ветра, очевидно. В

моменты солнечных вспышек, а также в периоды образования на Солнце группы больших пятен, резко возрастает число свободных электронов, которые бомбардируют атмосферу Земли. Это приводит к возмущению токов, текущих в ионосфере Земли, и благодаря этому происходит изменение магнитного поля Земли (рис. 2). Возникают ________

_______ бури. Самым ярким проявлением _______________ бурь являются ______________________ – ионизация и свечение газов в верхних слоях атмосферы Земли под воздействием солнечного ветра. Потоки заряженных частиц порождают сильное магнитное поле, которое и взаимодействует с полем Земли, сильно деформируя его.

Благодаря своему магнитному полю Земля удерживает в так называемых радиационных поясах частицы солнечного ветра, не позволяя им проходить в атмосферу Земли и тем более к поверхности. Частицы солнечного ветра были бы очень вредны для всего живого. При взаимодействии упоминавшихся полей образуется граница, по одну сторону которой находится возмущенное (подвергшееся изменениям из-за внешних влияний) магнитное поле частиц солнечного ветра, по другую – возмущенное поле Земли. Эту границу стоит рассматривать как предел околоземного пространства, границу магнитосферы и атмосферы. Вне этой границы преобладает влияние _______________

магнитных полей. В направлении к Солнцу магнитосфера Земли сплюснута под натиском солнечного ветра и простирается всего до 10 радиусов планеты, в противоположном направлении она вытянута до 1000 радиусов Земли.

Основная часть магнитного поля Земли обнаруживает аномалии в различных районах земной поверхности. Эти аномалии, повидимому, следует приписать присутствию в земной коре_______

____________________ масс или различию магнитных свойств гор-

59

ных пород. Поэтому изучение магнитных аномалий имеет практическое значение при исследовании полезных ископаемых.

Вектор индукции магнитного поля Земли (В0 ) можно разложить

на две составляющие: горизонтальную (Вг ) и вертикальную (Вв )

(рис. 1).

Магнитная стрелка, подвешенная на вертикальной нити в центре тяжести, устанавливается по____________________ к силовой линии магнитного поля Земли. При этом вертикальная составляющая направлена ____________ Земли, а горизонтальная составляющая – по касательной к земному горизонту в данной местности. В северном полушарии северный конец стрелки наклонен к __________.

Угол между магнитной осью стрелки и горизонтом называется

углом магнитного наклонения (Q). На экваторе этот угол равен

_______. Вертикальная плоскость, проходящая через магнитную ось стрелки, называется плоскостью магнитного меридиана. Угол α ме-

жду плоскостями магнитного и географического меридианов называется магнитным склонением. Из изложенного следует, что свободно вращающаяся магнитная стрелка в магнитном поле Земли устанавливается в плоскости ________________________ в направлении го-

ризонтальной составляющей магнитного поля Земли (Вг ).

Магнитное поле (В0), горизонтальная составляющая (Вг ), маг-

нитное наклонение (Q) и магнитное склонение (α) являются основными параметрами магнитного поля Земли.

Численные значения компонентов магнитного поля Земли на поверхности планеты меняются в следующих пределах: полный вектор индукции магнитного поля (Во) – от +62 до -73 мкТл, горизонтальная составляющая (Вг) – от 0 до +41 мкТл.

Магнитное поле Земли претерпевает вековые вариации. В настоящее время поле уменьшается примерно на 1% за каждые 10 лет.

60