Введение в лабораторный практикум ''Электричество и магнетизм'': Учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Физический факультет Кафедра общей физики

Б. А. Князев, А. Г. Костюрина

Введение в лабораторный практикум «ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ» Учебное пособие

Новосибирск 2005

www.phys.nsu.ru ББК В 313я 73-1 УДК 537+538

Князев Б. А., Костюрина А. Г. Введение в лабораторный практикум «ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ»: Учеб. пособие / Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск, 2005. 20 с. Учебное пособие содержит информацию для студентов, приступающих к работе в «Практикуме по электричеству и магнетизму кафедры общей физики». Приводятся требования к выполнению и оформлению лабораторных работ. Приведены сведения о системе обозначений электрических величин, которая в последние годы претерпела некоторые изменения, что позволит студентам избежать недоразумений при использовании учебной и научной литературы, выпущенной в разное время. В связи с исключением из школьного курса гауссовой системы единиц, знание которой абсолютно необходимо в релятивистской электродинамике, в отдельном разделе обсуждается вопрос о системах единиц, а также об изменении вида уравнений и правилах перевода величин при переходе из одной системы в другую. В приложении приведены таблицы численных значений некоторых величин, знание которых необходимо при выполнении лабораторных работ.

www.phys.nsu.ru Рецензент проф. Г. В. Меледин

Печатается по решению методической комиссии физического факультета.

c °Новосибирский государственный университет, 2005

www.phys.nsu.ru

www.phys.nsu.ru Предисловие

Практикум по электричеству и магнетизму сопровождает на физическом факультете первый семестр курса электродинамики. Первое полностью завершенное собрание описаний работ практикума было издано под редакцией Р. И. Солоухина (1975) [1]. Следующая существенно измененная по стилю версия была издана под ред. Е. А. Кушниренко и И. Н. Мешкова (1988) [2]. За прошедшее время изложение теоретического курса электродинамики несколько изменилось, сохранилось общее построение и его лучшие черты, а в содержании почти всех лабораторных работ произошли произошли некоторые изменения. Наиболее характерной особенностью в преподавании физики на физическом факультете НГУ остается отсутствие стандартного разделения на курсы «общей» и «теоретической» физики. Благодаря интенсивному курсу математики уже на младших курсах физические курсы преподаются на высоком теоретическом уровне при сохранении связи с экспериментальной физикой. Это позволяет завершить в основном подготовку студентов по основам физики уже на 3-м курсе, когда они приступают в практике в научно-исследовательских институтах Сибирского отделения РАН. Оборотной стороной этой системы являются повышенные требования к уровню доуниверситетской подготовки студентов и более высокая, по сравнению с традиционным курсом, степень формализма лекций. В силу последней причины, значение лабораторного практикума как мостика, связывающего физический формализм с физической реальностью, для студентов НГУ особенно велико. Все эти обстоятельства требуют существенной переработки содержания, стиля и методов преподавания в лабораторном практикуме. В настоящее время ведется работа по модернизации лабораторных работ и использованию при регистрации и обработке результатов персональных компьютеров и современного прикладного программного обеспечения. Издание данного пособия является первым шагом по подготовке переиздания описаний лабораторных работ.

www.phys.nsu.ru

О практикуме Практикум «Электричество и магнетизм» состоит из четырех основных разделов: 1) электростатика, 2) электрический ток, 3) магнитное поле в вакууме и веществе, 4) квазистационарные процессы.

www.phys.nsu.ru 3

www.phys.nsu.ru

Практикум преследует следующие цели: 1) практически продемонстрировать основные законы электромагнетизма; 2) привить начальные навыки экспериментальной работы; 3) ознакомить с принципами работы измерительной аппаратуры; 4) дать практическое представление о системах единиц измерения и их практическом использовании; 5) дать качественное представление о некоторых явлениях электромагнетизма, выходящих за рамки теоретического курса, но являющихся существенными для воспитания физика-экспериментатора; 6) закрепить навыки статистической обработки данных реальных экспериментов, полученные в предыдущих практикумах кафедры. Для сдачи зачета по практикуму студент должен выполнить девять регулярных работ и курсовую работу. Студенты группы информатики освобождены от выполнения курсовой работы, но обязаны выполнить 10 работ. Если в течение семестра по причине праздников группой пропущено два или более занятий, число обязательных работ снижается на одну. Полностью оформленные курсовые работы должны быть сданы преподавателю до 15 декабря. Защита курсовых работ проводится в период с 16 по 22 декабря. Форма защиты курсовых работ определяется преподавателем.

www.phys.nsu.ru Правила выполнения и защиты работ

Для успешного выполнения работы студент обязан подготовиться к ее выполнению дома, используя описание работы. Вследствие относительной сложности работ в практикуме для каждой работающей группы каждая работа имеется в единственном экземпляре. Это означает, что студентам (особенно в первой половине семестра) часто приходится выполнять работы, теоретические основы которых еще не прочитаны в лекционном курсе. Для более глубокого понимания студенту рекомендуется изучить материал, представленный на соответствующих страницах цитируемых учебников. Каждый студент сдает работу в индивидуальной беседе с преподавателем, предъявляя ему письменный отчет, обязательно включающий в себя основы теории, схему эксперимента, таблицы и графики исходных данных, а при необходимости — результаты статистической обработки. Все параметры и данные измерений должны быть приведены с указанием их размерностей. Строгое правило в практикуме: студент не имеет права

www.phys.nsu.ru 4

www.phys.nsu.ru

приступать к следующей работе, если у него накопилось две не сданные работы. Принятая система обозначений электрических векторов В классических учебниках [3–6], следуя традиции, возникшей на ранних стадиях развития электродинамики, при описании явлений в вакууме в качестве основных векторов электрического и магнитного полей вводятся векторы E и H. Последний затем при описании явлений в среде заменяется вектором B. В учебниках нового поколения [7–13] принято использовать логически более обоснованный подход, при котором уже в вакууме в качестве «силовых» векторов электрического и магнитного полей вводятся E и B, благодаря чему сила Лоренца, которая является основной измеримой на практике величиной и на основе которой строится вся теория электромагнетизма, имеет одинаковый вид и в вакууме, и в среде: q [v × B] c F = qE + q [v × B] F = qE +

(в гауссовой системе единиц СГС) ,

(1)

www.phys.nsu.ru (в системе единиц СИ) .

Здесь c – скорость света, q – электрический заряд, а v – скорость движения заряда1 . В курсе электродинамики НГУ используется именно эта система обозначений электрических и магнитных векторов, и мы предостерегаем студентов, пользующихся разными учебниками, от возможных недоразумений. Разумность данной системы обозначений стала особенно очевидной после становления теории относительности, которая показала, что пара векторов E и B (равно как и D и H) не существует отдельно, а представляет собой антисимметричный тензор второго ранга. Иначе говоря, как физическая реальность, в общем случае существует электромагнитное поле. При этом наблюдатели, находящиеся в движущихся с разными скоростями системах отсчета, будут измерять разные значения величин этих полей. При некоторых значениях их относительных скоростей статическое поле E, регистрируемое в одной системе, может превращаться в чисто магнитное поле B, и наоборот. В гауссовой системе имеется три независимых размерности: см, г, с, из которых образуются размерности всех остальных величин, в том числе и электрических. Отсюда и происходит аббревиатура СГС. В системе СИ к тем же по смыслу механическим величинам (м, кг, с) добавляется чисто электрическая величина сила тока, А. 1

www.phys.nsu.ru 5

www.phys.nsu.ru

Исторически причиной противоречий в обозначениях является то, что физическая сущность явлений магнетизма стала понятной значительно позже, чем была создана их формальная теория. В противном случае вектор H был бы введен по аналогии с вектором D = εE как вектор H = const · B, где const = 1/µ. Системы единиц Международная система единиц СИ, согласно международным соглашениям и российским законам, является сегодня обязательной к применению. Поскольку в школьной физике изучается только эта система, то студенты испытывают значительные трудности в использовании других систем и переводе величин из одной системы единиц в другую. Система СИ, вполне приемлемая при описании явлений механики и термодинамики, является исключительно неудачной при описании явлений электродинамики. Мы настоятельно рекомендуем студентам внимательно прочитать § 85 в учебнике Сивухина [9, с. 370], где обстоятельно объясняется, что такое система единиц и почему «абсолютные системы единиц», одной из которых является гауссова система (для краткости она обозначена аббревиатурой СГС), более обоснованы при изучении электродинамики и единственно возможны в теории относительности. В описаниях лабораторных работ в качестве основной обычно используется система единиц СГС. В некоторых работах, относящихся к разделу электрических цепей, используется система СИ, истоки которой лежат как раз в области схемотехники и которая здесь более удобна для расчетов. В целях сохранения преемственности со школьным курсом и соблюдения законности везде, где формулы в двух системах различаются, студенты должны уметь записать их для обеих систем. При записи результатов экспериментов следует обязательно указать в явном виде единицу измерений и привести тот же результат в другой системе единиц. Чтобы понять, как образуются в гауссовой системе размерности электромагнитных величин и как можно можно вычислить эти размерности, найдем в качестве примера размерность электрического заряда. Предположим, что мы еще не знаем размерностей электрических величин. Используем в этом случае один из физических законов, куда кроме заряда входят только механические величины, размерность которых нам известна, хотя бы из сравнения с системой СИ. В нашем случае таким законом является фундаментальный закон Кулона (ср. с выражением (1)), описы-

www.phys.nsu.ru

www.phys.nsu.ru 6

www.phys.nsu.ru вающий силу взаимодействия между двумя зарядами:

q2 F = 2 (СГС) . (2) r Обозначая размерности единиц квадратными скобками, легко получим [q] = [F 1/2 · r] .

Поскольку из закона механики F = ma имеем [F ] = [г · см · с−2 ], то в результате находим размерность заряда: [q] = [г1/2 · см3/2 · с−1 ] .

(3)

Таблица 1. Преобразование выражений и формул из гауссовой системы в систему СИ и обратно Наименование

Гауссова система

Скорость света

c

Напряженность электрического поля, потенциал

E, ϕ

Электрическая индукция

D

Система СИ √ 1/ ε0 µ0 √ 4πε0 (E, ϕ) p

4π/ε0 D (q, ρ, I, j, P) √ 4πε0

www.phys.nsu.ru Заряд, плотность заряда, ток,

q, ρ, I, j, P

плотность тока, поляризация Магнитная индукция, магнитный поток

B, Φ

Напряженность магнитного поля

H

Магнитный момент намагниченность

m, M

p

4π/µ0 (B, Φ) √

p

4πµ0 H

µ0 /4π (m, M)

Относительные электрическая и магнитная проницаемости

ε, µ

ε, µ

Электрическая поляризуемость, магнитная восприимчивость

α, κ

(1/4π) (α, κ)

Удельная проводимость

σ

σ/(4π²0 )

Сопротивление

R

4π²0 R

Емкость

C

(1/4π²0 ) C

Индуктивность

L

(4π/µ0 ) L

Для определения размерностей других электрических величин можно уже будет использовать найденную размерность заряда. Проверьте сами, что с помощью выражения для работы A, совершаемой электрическим полем над зарядом, A = qϕ (СГС) (4)

www.phys.nsu.ru 7

www.phys.nsu.ru легко находится размерность потенциала:

[ϕ] = [г1/2 · см1/2 · с−1 ] .

(5)

Экспериментаторы на самом деле часто используют для вычислений смешанную систему единиц, т. е. используют численные значения, выраженные в единицах разных систем, следя за тем, чтобы в конце вычислений сохранились только размерности одной из систем. Если, например, плотность электронов n задана в см−3 , их скорость v – в см/с, сечение электронного пучка S – в см2 , а заряд e в кулонах (Кл), то их произведение I = envS после алгебраических операций с размерностями имеет размерность [I] = [Кл · см−3 · см/с · см2 ] = [Кл/с] , (6) что, по определению, является ампером [А]. Следовательно перевод механических величин из гауссовой системы в систему СИ в данном случае был бы пустой тратой времени. В уже упомянутом параграфе учебника [9] детально объясняется, как формулы, записанные в системе СГС, перевести в систему СИ. Для этого все электрические величины необходимо умножить на определенные размерные коэффициенты, приведенные в табл. 1. После алгебраических сокращений получается формула в системе СИ. Для обратного преобразования необходимо те же величины умножить на обратные значения тех же констант.

www.phys.nsu.ru Обработка экспериментальных данных

Все экспериментальные данные должны быть представлены в виде таблиц и графиков как с исходными результатами, так и с результатами их обработки. Студентам, имеющим доступ к компьютеру, для обработки результатов и построения графиков предлагается пользоваться программой MS EXCELL или более профессиональными программами Mathcad, Matlab, ORIGIN. Естественно, что использование программ не должно быть бездумным. Вы обязаны знать, какие операции совершает программа, какие формулы лежат в основе вычислений и какой физический смысл они имеют. Во всех измерениях, где возможен набор статистики, это необходимо делать. Основы статистической обработки данных в объеме, необходимом для обработки результатов и защиты работы перед преподавателем, изложены в пособии [14].

www.phys.nsu.ru 8

www.phys.nsu.ru

Графики должны быть построены в наиболее адекватной системе координат. Например, если нужно показать, что какая-либо величина экспоненциально спадает со временем, то график следует нарисовать в полулогарифмическом масштабе. Иначе говоря, временная шкала должна быть линейной, а по оси ординат откладывается логарифм измеряемой величины. Если ожидаемая зависимость — степенная y = xn , то lg y = n ln x, а значит, в этом случае лучше использовать логарифмическую шкалу по обеим координатам. Тогда точки должны ложиться на кривую, по наклону которой можно найти показатель степени n. При записи любых численных значений — как параметров установки, так и результатов измерений, обязательно указание размерностей этих величин. При вычислениях не забывайте, что не только численные значения величин, но и вид физических выражений в общем случае различен при записи в разных системах единиц. Например, если во вторую из Таблица 2. Перевод численных значений физических величин из системы СИ в гауссову систему

www.phys.nsu.ru Наименование

Обозначение

Система СИ

Гауссова система (СГС)

1

2

3

4

Длина

l

1 м (метр)

102 см

Масса

m

1 кг (килограмм)

103 г

Время

t F~

1 с (секунда)

1с

1 Н (ньютон)

105 дин

1 Дж (джоуль)

107 эрг

Сила Работа, энергия

A ,E

Мощность

P

1 Вт (ватт)

107 эрг/с

Давление

p

1 Па (паскаль)

10 дин/см2

Сила электрического тока

I

1 А (ампер)

3 · 109 статампер

Электрический заряд

q

1 Кл (кулон)

3 · 109 статкулон

Электрический потенциал

ϕ

1 В (вольт)

(1/300) статвольт

Напряженность электрического поля

~ E

1 В/м

(1/3) · 10−4 ед. СГС

www.phys.nsu.ru 9

www.phys.nsu.ru

Окончание табл. 2

1

2

Электрическая постоянная

ε0

8.854 · 10−12 Ф/м

1

Поляризация

P~

1 Кл/м2

3 · 105 ед. СГС

~ D

1 Кл/м2

12π · 105 ед. СГС

C

1 Ф (фарада)

9 · 1011 см

R

1 Ом (ом)

(1/9) · 10−11 с · см−1

Удельное электрическое сопротивление

ρ

1 Ом·м

(1/9) · 10−9 с

Электрическая проводимость

λ = 1/R

1 См (сименс)

9 · 1011 см · с−1

Удельная электрическая проводимость

σ

1 См/м

9 · 109 с−1

Магнитный поток

Φ

1 Вб (вебер)

108 Мкс (максвелл)

Магнитная постоянная

µ0

1.256 · 10−6 Гн/м

1

Магнитная ция

индук-

~ B

1 Тл (тесла)

104 Гс (гаусс)

Напряженность магнитного поля

~ H

1 А/м

4π · 10−3 Э (эрстед)

Намагниченность

I~

1 А/м

Индуктивность

L

1 Гн (генри)

Электрическая дукция

ин-

Электрическая кость

ем-

Электрическое противление

со-

3

4

www.phys.nsu.ru 1 · 104 Гс 4π 109 см

формул (1) подставить значения величин, записанные в системе СГС, то численное значение силы будет не правильным ни в системе СИ, ни в системе СГС. Для перевода численных значений из системы СГС в СИ и обратно рекомендуется пользоваться табл. 2. Информация о численных значениях физических постоянных, а также о переводе наиболее важных величин из одной системы в другую (не только единиц СИ и СГС, но и для многих других широко используемых единиц измерений) дана в приложении. После получения окончательных результатов крайне полезно сравнить найденные вами значения с табличными. Если вам точно известно, ка-

www.phys.nsu.ru 10

www.phys.nsu.ru

кую величину вы измеряете, то сравнение с таблицей позволит оценить точность ваших измерений, а может быть, и найти ошибку в расчетах. Если вы ищете какую-либо физическую величину для вещества, которое вам не указывается в описании работы, то, сверяясь с таблицами, можете попытаться определить, с каким объектом вы имели дело. Например, вы определяли потенциал ионизации некоторого газа. Можно предположить, что это мог быть водород, гелий, неон или аргон (использование других газов возможно, но маловероятно). Сравнивая результаты с таблицей, можно определить, каким газом наполнено исследуемое устройство. Таблицы величин, которые могут вам встретиться при выполнении работ, также приведены в приложении. Разделы теории, необходимые для выполнения лабораторных работ При подготовке к выполнению лабораторной работы и ее сдаче кроме описания работы необходимо использовать рекомендованные вам учебники по электродинамике. По разделам, не изучаемым в теоретическом курсе (например, движение частиц в газе и вакууме, газовый разряд, явления в твердом теле) можно использовать дополнительную литературу, указанную в описании соответствующей работы. Например, по указанным выше разделам полезный вспомогательный материал можно найти в книгах [15, 16].

www.phys.nsu.ru

www.phys.nsu.ru 11

www.phys.nsu.ru

ПРИЛОЖЕНИЕ

Справочные данные Постоянные Скорость света c = 2, 997 · 1010 см/с. Постоянная тонкой структуры α = e2 /~c = 1/137. Постоянная Планка h = 6, 63 · 10−27 эрг · с; ~ = h/2π. Число Авогадро N = 6, 02 · 1023 моль−1 . Атомная единица массы а.е.м.= 1, 66 · 10−24 г. Масса покоя электрона m = 9, 11 · 10−28 г. Заряд электрона e = 4, 80 · 10−10 СГС. Постоянная Ридберга Ry = me4 /4π~3 c = 1, 097 · 105 см−1 =13,61 эВ. Боровский радиус a0 = α/4πRy = 5, 29 · 10−9 см. Классический радиус электрона r0 = α3 /4πRy = 2, 82 · 10−13 см. Комптоновская длина волны электрона λC = h/me c = 2, 43 · 10−10 см. Газовая постоянная R0 = 8, 31 · 107 эрг/(моль · К). Постоянная Больцмана k = R0 /N = 1, 38 · 10−16 эрг/К. Постоянная Стефана–Больцмана σ = π 2 k 4 /60 ~3 c2 = = 5, 67 · 10−5 эрг/(с · см2 · К4 ).

www.phys.nsu.ru Соотношения между величинами Энергии E = 1 эВ = 1, 60 · 10−12 эрг соответствуют: температура T (К) = E/k = 11 610 К, частота ν = E/h = 2, 418 · 1014 с−1 , длина волны λ = hc/E = 1, 240 · 10−4 см = 1240 нм, −

волновое число ν = E/hc = 8 065см−1 . Энергии 1 эВ на молекулу соответствуют (µ – молекулярный вес): 23,05 ккал/моль, 9, 65 · 1011 /µ эрг/с, 96, 5/µ кДж/г. Единицы давления 1 атм = 760 Тор = 101 325 Па = 2, 687 · 1019 см−3 (при 0 ◦ C) [Число Лошмидта], 1 Тор=133,3 Па, 1 кПа = 7, 6 Тор = 3, 295 · 1016 см−3 (при 0 ◦ C).

www.phys.nsu.ru 12

www.phys.nsu.ru Электрические единицы (c – скорость света):

Заряд 1 Кл = 3 · 109 СГС = 6.25 · 1018 элементарных зарядов = 9 · 1011 В · см. Заряд электрона 1, 6 · 10−19 Кл = 1, 44 · 10−7 В · см (в формуле E = e/r2 ). Ток 1 А = 1 Кл · с = 3 · 109 СГС = 6, 25 · 1018 элементарных зарядов/с = 9 · 1011 В · см/ с. Напряжение 1 В = 1/300 СГС. Сопротивление 1 Ом = 1/(9 · 1011 ) СГС [с/см] = 1/(30 · c); (1/c) = 30 Ом. Емкость 1 Ф = 9 · 1011 см; 1 пФ = 0, 9 см. Индуктивность 1 Гн = 1 · 109 см; 1 мкГн = 1 000 см. E/p ( В/(см · Тор))= 3, 30 · 1016 E/N (В · см2 ) [при 0 ◦ C]=10−17 Тд. Единица для E/N – Таунсенд (Тд) = 10−17 В · см2 .

www.phys.nsu.ru

www.phys.nsu.ru 13

www.phys.nsu.ru

Таблица П1

Удельное сопротивление ρ и температурный коэффициент сопротивления α металлов при 20 0С Металл

Алюминий Медь Латунь Железо Титан

ρ, Ом · мм2 / м

α, град-1

0,028 0,0175 0,025 – 0,06 0,098 0,55

0,0049 0,0039 0,002 – 0,007 0,0062 0,0035

Примечания. 1. Указанные в таблице значения являются средними. Их величина зависит от степени чистоты, термообработки и т. д. 2. Температурным коэффициентом сопротивления называется отношение отно-сительного изменения сопротивления к изменению температуры α = ∆ρ / ρ∆Т. Таким образом, ρ = ρ0[1 + α(t - 20)], где t – температура в градусах Цельсия.

Таблица П2 Диэлектрическая проницаемость ε жидкостей при 20 0С ε

Вещество

ε

2,2 – 2,8 21,4 25,0

Глицерин Вода дистиллированная

56,2

Вещество Силиконовое масло Ацетон Этиловый спирт

80

Таблица П3 Свойства сегнетоэлектрических кристаллов (точка Кюри Тк, спонтанная поляризация Рs, диэлектрическая проницаемость ε)

www.phys.nsu.ru Кристалл

Тк К

Рs (СГС)

εмакс

Сегнетова соль Титанат бария

297 – 255 391

800 48 000

~ 9 000 ~ 104

Примечание. Для некоторых сегнетоэлектриков их свойства проявляются в определенной области температур. В этих случаях указываются верхнее и нижнее значения температуры Кюри.

Таблица П4 Свойства сегнетокерамики для варикондов (Тк – температура Кюри, εн – начальная диэлектрическая проницаемость в слабом переменном поле ~ 2 – 5 кВ / м, tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь) Материал

Тк, 0С

εн, при 20 0С

tgδ при 20 0С

ВК – 1 ВК – 2 ВК – 3 ВК – 4 ВК – 5 ВК – 6

75 75 25 105 25 200

2 300 – 2 500 2 000 – 2 500 10 000 – 20 000 1 800 – 2 000 2 000 – 3 000 400 – 500

0,02 0,01 0,03 0,015 0,01 0,03

www.phys.nsu.ru 14

www.phys.nsu.ru

Таблица П5

Подвижность положительных u+ и отрицательных u- ионов в газах (при 760 мм рт. ст. и 20 0С) Газ

u+ , см2 / (В · с)

u -, см2 / (В · с)

2,7 1,29 0,84 1,4 1,4

– 1,79 0,87 1,9 2,1

Азот Кислород Углекислый газ Воздух сухой Воздух, насыщенный парами воды

Примечания. 1. Подвижность ионов в сильной степени зависит от чистоты газа, поэтому приведенные в таблице значения следует рассматривать как ориентировочные. 2. Подвижность ионов изменяется обратно пропорционально плотности газа; при постоянной температуре подвижность изменяется обратно пропорционально давлению.

Таблица П6

Подвижность u ионов в водных растворах при 18 С 0

Катионы

u, см2 / (В · с)

Анионы

u, см2 / (В · с)

Н+ К+ Na+

0,003263 0,000669 0,000450

ОНNO3MnO4-

0,00180 0,00062 0,00053

Примечание. При повышении температуры на 1 0С подвижности ионов возрастают примерно на 2 %.

Таблица П7 Эмиссионные постоянные металлов в поликристаллическом состоянии

www.phys.nsu.ru Элемент

φ, эВ

А΄, А /(см · град)2

Элемент

φ, эВ

А΄, А /(см · град)2

Вольфрам Железо Медь Молибден

4,54 4,36 4,47 4,37

60 – 100 26 65 115

Никель Платина Торий Цезий

4,84 5,29 3,41 1,89

30 32 70 160

Примечание. Работа выхода сильно зависит от чистоты поверхностей и от примесей. Приведенные данные относятся к чистым образцам.

Таблица П8 Эмиссионные постоянные пленок на металлах Металл

Пленка

φ, эВ

А΄, А / (см · град)2

Вольфрам « «

Барий Ва Торий Th Двуокись тория ThO2

1,56 2,63 2,5

1,5 3,0

www.phys.nsu.ru 15

www.phys.nsu.ru

Таблица П9

Работа выхода φ тугоплавких соединений

переходных

металлов с неметаллами

φ, эВ, для соединений

Металл

φ, эВ

Вольфрам

4,54

бориды (WB2)

карбиды (W2C)

Силициды (WSi2)

2,62

2,6 – 4,6

4,04 – 4,62

Таблица П10 Потенциал ионизации φ атомов и молекул Газ

φ, В

Газ

φ, В

Газ

φ, В

H H2 N N2

13,5 15,4 14,5 15,8

О О2 CO CO2

13,5 12,2 14,1 13,7

He Ne Ar Kr Xe

24,5 21,5 15,7 13,9 12,8

Таблица П11 Резонансные φрез и метастабильные φмет потенциалы Газ

φрез, В

φмет, В

www.phys.nsu.ru He Ne Ar Kr Xe H H2 N N2

21,2 16,7 16,8 11,65; 11,8; 13,1 – 13,4 10,0 10,6 8,5 9,6 10,2 11,2 12,2 10,2 6,1

19,8 20,7 16,6 16,7 11,55; 11,7; 12,9 – 13,25 9,9 10,5 8,3 9,4 – – – 6,2

www.phys.nsu.ru 16

www.phys.nsu.ru

Таблица П12

Свойства

полупроводников (Еg − ширина запрещенной

зоны, m* − эффективные массы, uַ, u ÷ −

подвижности электронов и дырок, σI - электропроводность при Т = 300 К) *

*

u+ uַ σI 2 см / (В с) см / (В с) (Ом ⋅ см)-1

Кристалл

Еg(эВ)

mn m0

Кремний (Si) Германий (Ge) Антимонид индия (InSb)

1.14

0.26

0.49

1 300

500

5 · 10-6

0.67

0.12

0.3

3 900

1 900

2 · 10-2

0.18

0,013

0.5

77 000

750

2 · 102

mp

m0

2

Таблица П13 Магнитные свойства электротехнических сталей Марка стали

µнач, гс/э

µмакс, гс/э

Нс,, э

В (при 25 э) гс

Э 31 Э 41 Э 42 Э 45

250 300 400 600

5 500 6 000 7 500 10 000

0,55 0,45 0,4 0,25

14 600 14 600 14 500 14 600 Таблица П14

www.phys.nsu.ru Индукция В и потери на гистерезис в ферромагнетиках Материалы

Сталь мягкая (0,1 %С) Сталь листовая

Индукция В (Гс) для Н (Э)

0,1

0,5

2,0

10,0

500

30 40

300 400

6 000 9 000

14 000 14 500

21 000 21 000

Потери на гистерезис в 1 см3, эрг 5 000 2 500

www.phys.nsu.ru 17

www.phys.nsu.ru

Таблица П15 Молярная магнитная восприимчивость χА некоторых элементов при комнатной температуре Диамагнетики

Неон Кремний Медь Германий Индий Ксенон Ртуть Висмут

He Si Cu Ge In Xe Hg Bi

χА • 106 cм3 / моль

Парамагнетики

−2 −4 −6 −9 − 13 − 42 − 34 − 280

Алюминий Al Калий K Титан Ti Платина Pt Вольфрам W Марганец Mn Цирконий Zr Кислород O

χА • 106 cм3 / моль 16 22 150 156 41 490 120 1 700

Таблица П16 Критические значения показателей степени γ и β в законе Кюри–Вейсса и температура Кюри Тк, для некоторых ферромагнетиков Вещество

γ

β

Тк,, К

Fe Ni Gd CrO2 CrBr3 EuS

1,33 1,35 1,3 1,63 1,215 −

0,34 0,42 − − 0,368 0,33

1 043 627,2 292,5 386,5 32,56 16,50

www.phys.nsu.ru

Таблица П17

Длины волн видимой части спектра Цвет

Границы, нм

Цвет

Границы, нм

Фиолетовый Синий Голубой Зеленый

3 800 − 4 000 4 500 − 4 800 4 800 − 5 100 5 100 − 5 500

Желто-зеленый Желтый Оранжевый Красный

5 500 − 5 750 5 750 − 5 850 5 850 − 6 200 6 200 − 7 000

www.phys.nsu.ru 18

www.phys.nsu.ru Библиографический список

[1] Методы физических измерений: лаб. практикум по физике / Ред. Р. И. Солоухин. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1975. [2] Описание лабораторных работ / Ю. А. Брагин, А. Г. Костюрина, Я. А. Крафтмахер, Е. А. Кушниренко, Л. Н. Смирных; Под ред. Е. А. Кушниренко, И. Н. Мешкова. Новосибирск: НГУ, 1988. Ч. 3: Электричество и магнетизм. [3] Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. М.: Физматлит, 2001. Т. 2: Теория поля. [4] Они же. Теоретическая физика. М.: Физматлит, 2001. Т. 8: Электродинамика сплошных сред. [5] Тамм Е. И. Основы теории электричества. М.: Наука, 1989. [6] Мешков И. Н., Чириков Б. В. Электромагнитное поле. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1987. Т. 1. [7] Калашников С. Г. Электричество. М.: Наука, 1977. [8] Парселл Э. Берклеевский курс физики. М.: Наука, 1983. Т. 2 Электричество и магнетизм. [9] Сивухин Д. В. Общий курс физики. М.: Физматлит: Изд-во МФТИ, 2002. Т. 3: Электричество. [10] Савельев И. В. Основы теоретической физики. М.: Наука, 1991. Т. I: Механика. Электродинамика. [11] Терлецкий Я. П., Рыбаков Ю. П. Электродинамика. М.: Высш. шк., 1990. [12] Яковлев В. И. Классическая электродинамика. Новосибирск: НГУ, 2003. Ч. I. [13] Иродов И. Е. Электромагнетизм: Основные законы. М.: Физматлит: Лаборатория базовых знаний; СПб.: Нев. диалект, 2002. [14] Князев Б. А., Черкасский В. С. Начала обработки экспериментальных данных. Новосибирск: НГУ, 2005. [15] Шимони К. Физическая электроника. М.: Энергия, 1977. [16] Солимар Л., Уолш Д. Лекции по электрическим свойствам материалов. М.: Мир, 1991.

www.phys.nsu.ru

www.phys.nsu.ru 19