Магнитное поле. Индукция магнитного поля. Магнитное поле токов - davaiknam.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
страница 1
Похожие работы
Название работы Кол-во страниц Размер
Магнитное поле, условия его существования. Действие магнитного поля... 1 26.64kb.
Лекции по физике электричество магнетизм москва 2007 7 1421.34kb.
Магнитное поле. Электромагнитная индукция. Магнитное поле 1 155.57kb.
Индукция магнитного поля 1 95.51kb.
Урок по физике на тему: "Магнитное поле" 1 53.75kb.
Магнитное поле геологического прошлого Земли 1 144.05kb.
Тесты: магнитное поле, электромагнетизм Магнитное поле 8 381.55kb.
Занятие №4 «Магнетизм» Магнитное поле. Действие магнитного поля на... 1 92.92kb.
Тема,тип урока. Основные понятие формируемые на уроках 1 213.02kb.
Магнитное поле в веществе 1 71.18kb.
Магнитное поле. Линии магнитного поля 1 119.05kb.
В. Ю. Скосарь, г. Днепропетровск 1 106.02kb.
Направления изучения представлений о справедливости 1 202.17kb.

Магнитное поле. Индукция магнитного поля. Магнитное поле токов - страница №1/1

В этом разделе рассматриваются основные характеристики магнитного поля, магнитные поля нескольких разных источников. Также анализируются магнитные силы, действующие на проводник с током или движущийся в магнитном поле заряд.

Разбирается явление электромагнитной индукции, включая самоиндукцию, а также некоторые магнитные свойства вещества.



Магнитное поле. Индукция магнитного поля. Магнитное поле токов.

1. Магнитное поле –составляющая электромагнитного поля. Магнитное поле оказывает воздействие на движущиеся заряды, электрические токи и магнитную стрелку. В частности на магнитную стрелку и виток с током магнитное поле оказывает ориентирующее действие. Магнитная стрелка ориентируется так, что северный конец магнитной стрелки указывает направление магнитного поля. Виток с током ориентируется так, что его магнитный момент сонаправлен с направлением внешнего магнитного поля.











Магнитный момент витка:



Источниками магнитного поля могут быть:

-любой направленно движущийся заряд (ток)

- природный магнит (его свойства обусловлены микротоками, протекающими внутри вещества)

-переменное во времени электрическое поле



Главное свойство магнитного поля – действие с силой на движущийся заряд (ток)

Силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции.



Модуль вектора магнитной индукции- физическая величина, равная отношению максимальной силы, действующей со стороны магнитного поля на отрезок проводника с током, к произведению силы тока и длины проводника:

Илиотношению максимального вращающего механического момента, действующего на виток с током, к магнитному моменту витка



[B]=Тл


Способ определения направления вектора магнитной индукции:

Для прямолинейного тока вектор магнитной индукции определяется по правилу буравчика относительно тока.




I




Линии магнитной индукции- линия, касательные к которым в любой точке пространства совпадают с направлением вектора магнитной индукции. Чем гуще линии магнитной индукции, тем сильнее поле. Направление вектора магнитной индукции определяется правилом буравчика. Магнитное поле – вихревое: силовые линии магнитного поля замкнуты.

линии магнитной индукции полосового магнита.

линии магнитной индукции соленоида.

линии магнитной индукции кругового тока

линии магнитной индукции Земли

Вектор напряженности магнитного поля (А/м) связанcвектором индукции магнитного поля соотношением ,где  - магнитная проницаемость среды, 0=410-7Гн/м, это еще одна силовая характеристика магнитного поля.

Напряженность, в отличие от индукции магнитного поля, не зависит от среды(определяется только током)



  1. Магнитное поле бесконечного прямолинейного проводника с током

Линии магнитной индукции представляют собой концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной проводнику. Центр окружностей совпадает с осью проводника.

Модуль вектора магнитной индукции на расстоянии R от оси проводника:



mag_f1.gif

4. Магнитное поле кругового тока:

Линии представляют собой окружности, опоясывающие круговой ток.

Вектор магнитной индукции в центре виткаопределяется по правилу буравчика относительно тока.

Величина магнитной индукции в центре витка, радиус которого R:





5 . Магнитное поле соленоида.

Линии магнитной индукции являются замкнутыми, причем внутри соленоида они располагаются параллельно друг другу. Магнитное поле внутри идеального соленоида однородно.





l>>d(витки намотаны вплотную)

Модуль вектора магнитной индукции внутри соленоида:



( N=l/d-число витков, l-длина соленоида, d-диаметр проволоки.)



6. Принцип суперпозиции полей.

Если существуют насколько источников магнитных полей, то результирующий вектор магнитной индукции находят, как геометрическую сумму векторов магнитной индукции, создаваемых каждым в отдельности источником:





d:\users\гугсик\desktop\51.jpg

Магнитный поток. Произведение модуля вектора индукции на площадь S участка поверхности, перпендикулярной вектору индукции, называется потоком вектора магнитной индукции или магнитным потоком Ф.

В случае расположения вектора индукции под углом α к поверхности в однородном магнитном поле, магнитный поток через плоскую площадку равен:

Ф=ВScosα

[Ф]=Вб




Сила Ампера

Сила, с которой магнитное поле действует на помещенный в него отрезок проводника с током, называется силой Ампера.

Величина этой силы, действующей на элемент  Δl проводника с током I в магнитном поле с индукцией latex: ~\vec b, определяется законом Ампера:

latex: ~\delta f = b \cdot i \cdot \delta l \cdot \sin \alpha,(1)

где α – угол между направлениями тока и вектора магнитной индукции .

Направление силы Ампера можно найти с помощью правила левой руки:

Если кисть левой руки расположить так, что четыре вытянутых пальца указывают направление тока в проводнике, а вектор магнитной индукции входит в ладонь, то отогнутый (в плоскости руки) на 90о большой палец покажет направление силы, действующей на отрезок проводника.e:\ксения\desktop\ris236.jpg



Из (1) следует, что сила Ампера равна нулю, если проводник с током расположен вдоль линий магнитной индукции, и максимальна, если проводник перпендикулярен этим линиям.

Закон Ампера выполняется для любого магнитного поля.
Предположим, что это поле создается длинным линейным проводником с током  I2, параллельным первому проводнику c током  Iи находящимся на расстоянии r от него.

Используя правило буравчика (для определения магнитной индукции проводника с током) и правило левой руки (для определения силы, действующей на проводник с током), можно убедиться в том, что если токи в проводниках текут в одинаковых направлениях, то эти проводники притягиваются (рис. 1 а, б), а если в разных – отталкиваются (рис. 2, а, б), что и подтверждается опытом.

http://www.physbook.ru/images/0/01/img_famper_ref_004.jpg
(а) рис.1 (б)http://www.physbook.ru/images/9/99/img_famper_ref_003.jpg

http://www.physbook.ru/images/0/04/img_famper_ref_005.jpg http://www.physbook.ru/images/7/75/img_famper_ref_006.jpg

(а) рис. 2 (б)



Если по двум параллельным, бесконечно длинным линейным проводникам, расположенным на расстоянии 1 м друг от друга, текут одинаковые токи в 1 А, то эти токи взаимодействуют с силой 2∙10-7 Н на каждый метр длины проводников.

Момент сил, действующий на прямоугольную рамку с током.

Поместим в однородном магнитном поле с индукцией latex: ~\vec b прямоугольную рамку с током ABCD (рис. 3 а – вид сбоку; рис. 3 б – вид сверху), где обозначим AB = a, AD = b, β – угол между перпендикуляром к рамке и вектором магнитной индукции.

http://www.physbook.ru/images/thumb/d/d6/img_famper_ref_007.jpg/238px-img_famper_ref_007.jpg http://www.physbook.ru/images/thumb/8/88/img_famper_ref_008.jpg/238px-img_famper_ref_008.jpg

 




 

 

(а) рис.3 (б)

На участки AD и BC магнитное поле действуют с силами, которые меняются от нуля до максимального значения (в зависимости от угла поворота рамки β) и стремятся растянуть рамку (на рис. 3 эти силы не указаны). На участки AB и CD магнитное поле действуют с постоянными силами latex: ~\vec f_1 и latex: ~\vec f_2, которые направлены в противоположные стороны (на рис. 3 а силы направлены перпендикулярно плоскости рисунка) и стремятся повернуть рамку вокруг оси OO´. Таким образом, эти силы latex: ~\vec f_1 и latex: ~\vec f_2 создают вращающий момент:

latex: ~m = f_1 \cdot l_1 + f_2 \cdot l_2,

где latex: ~f_1 = f_2 = i \cdot b \cdot l(угол α = 90°), latex: ~l_1 = l_2 = \frac{ad}{2} \sin \beta = \frac{b}{2} \sin \beta , latex: ~l = ab = cd = a . Тогда

 где latex: ~s = a \cdot b – площадь рамки. Момент сил будет максимальным при β = 90° (рамка расположена вдоль линий индукции).



latex: ~m_{max} = i \cdot b \cdot s . (3)

Отметим, что формула (3) справедлива не только для квадратной рамки, но и для плоской рамки другой формы.

Сила Лоренца. Движение заряженных частиц в магнитных полях.

Сила Лоренца.

Сила Ампера, действующая на отрезок проводника длиной Δl с силой тока I, находящийся в магнитном поле B,

может быть выражена через силы, действующие на отдельные носители заряда.

Пусть концентрация носителей свободного заряда в проводнике равна n, а q – заряд носителя. Тогда произведение , где v – модуль скорости упорядоченного движения носителей по проводнику, а S – площадь поперечного сечения проводника, равно току, текущему по проводнику:.

Выражение для силы Ампера можно записать в виде:

Так как полное число N носителей свободного заряда в проводнике длиной Δl и сечением S равно , то сила, действующая на одну заряженную частицу, равна



Эту силу называют силой Лоренца. Угол α в этом выражении равен углу между скоростью и вектором магнитной индукции Направление силы Лоренца, действующей на положительно заряженную частицу, так же, как и направление силы Ампера, может быть найдено по правилу левой руки или по правилу буравчика.

Сила Лоренца направлена перпендикулярно вектора магнитной индукции и скорости частицы и при движении заряженной частицы в магнитном поле сила Лоренца работы не совершает, так как сила центростремительная. Поэтому модуль вектора скорости при движении частицы не изменяется.

Если заряженная частица движется в однородном магнитном поле под действием силы Лоренца, а ее скорость лежит в плоскости, перпендикулярной вектору то частица будет двигаться по окружности.

.



(по второму закону Ньютона)



- радиус окружности, по которой будет двигаться частица, влетевшая в поле под углом .

Период обращения равен , подставив в эту формулу полученный радиус, получим



Это выражение показывает, что для заряженных частиц заданной массы m период обращения не зависит от скорости υ и радиуса траектории R. Угловая скорость движения заряженной частицы по круговой траектории



называется циклотронной частотой. Циклотронная частота не зависит от скорости (следовательно, и от кинетической энергии) частицы. Это обстоятельство используется в циклотронах – ускорителях тяжелых частиц (протонов, ионов). Принципиальная схема циклотрона приведена на рисунке:



Между полюсами сильного электромагнита помещается вакуумная камера, в которой находятся два электрода в виде полых металлических полуцилиндров (дуантов). К дуантам приложено переменное электрическое напряжение, частота которого равна циклотронной частоте. Заряженные частицы инжектируются в центре вакуумной камеры. Частицы ускоряются электрическим полем в промежутке между дуантами. Внутри дуантов частицы движутся под действием силы Лоренца по полуокружностям, радиус которых растет по мере увеличения энергии частиц.

Каждый раз, когда частица пролетает через зазор между дуантами, она ускоряется электрическим полем. Таким образом, в циклотроне, как и во всех других ускорителях, заряженная частица ускоряется электрическим полем, а удерживается на траектории магнитным полем. Циклотроны позволяют ускорять протоны до энергии порядка 20 МэВ. Однородные магнитные поля используются во многих приборах и, в частности, в масс-спектрометрах – устройствах, с помощью которых можно измерять массы заряженных частиц – ионов или ядер различных атомов.

Если скорость частицыимеет составляющуювдоль направления магнитного поля, то такая частица будет двигаться в однородном магнитном поле по спирали. При этом радиус спирали R зависит от модуля перпендикулярной магнитному полю составляющей вектора скорости а шаг спирали h – от модуля продольной составляющей



Таким образом, траектория заряженной частицы как бы навивается на линии магнитной индукции.







Это явление используется в технике для магнитной термоизоляции высокотемпературной плазмы, то есть полностью ионизированного газа при температуре порядка 106 K. Вещество в таком состоянии получают в установках типа «Токамак» при изучении управляемых термоядерных реакций. Плазма не должна соприкасаться со стенками камеры. Термоизоляция достигается путем создания магнитного поля специальной конфигурации. В качестве примера на рис. изображена траектория движения заряженной частицы в магнитной «бутылке» (или ловушке).



Эффект Холла.

Эффект Холла — это возникновение в металле (или полупроводнике) с током плотностью j, который помещен в магнитное поле В, электрического поля в направлении, перпендикулярном В и j.



Металлическую пластинку с током плотностью j поместим в магнитное поле В, перпендикулярное j. При заданном направлении j скорость носителей тока в металле (в данном случае - электронов) направлена справа налево. На электроны действует сила Лоренца, направленная в данном случае вверх. Значит, у верхнего края пластинки создается повышенная концентрация электронов (отрицательно зарядится), а у нижнего — их недостаток (положительно зарядится). В результате этого между краями пластинки появится дополнительное поперечное электрическое поле, которое направленно снизу вверх. Когда напряженность Е данного поперечного поля достигнет величины, при которой его действие на заряды будет уравновешивать силу Лоренца, то установится стационарное распределение зарядов в поперечном направлении. Тогда





Где— поперечная (холловская) разность потенциалов , а — ширина пластинки. Учитывая, что сила тока (n — концентрация электронов, S — площадь поперечного сечения пластинки толщиной d, v — средняя скорость упорядоченного движения электронов), найдем (1) т. е. холловская поперечная разность потенциалов прямо пропорциональна магнитной индукции В, силе тока I и обратно пропорциональна толщине пластинки d. В формуле (1)— постоянная Холла, которая зависит от вещества.

Измеряя значение постоянной Холла можно: 1) найти концентрацию носителей тока в проводнике (при известных зарядах носителей и характере проводимости); 2) делать выводы о природе проводимости полупроводников, поскольку знаки постоянной Холла и знаки заряда е носителей тока совпадают. По этой причине эффект Холла наиболее эффективный метод изучения энергетического спектра носителей тока в металлах и полупроводниках. Он используется и для умножения постоянных токов в аналоговых вычислительных машинах, в измерительной технике (датчики Холла) и т. д.

Явление электромагнитной индукции.

В 1831 году Майкл Фарадей установил, что при любом изменении магнитного поля, пронизывающего катушку, замкнутую на гальванометр, в катушке возникает ток, который был назван индукционным током. Фарадей ввел в учение об электромагнитных явлениях понятие магнитного потока или потока вектора электромагнитной индукции.



магнитный поток.png

магнитный поток. единицы измерения.png

магнитный поток. угол между нормалью и вектором магнитного потока.png

магнитный поток. рисунок.png

Теорема Гаусса для магнитного поля.

Поток вектора вектор магнитной индукции.png сквозь произвольную замкнутую поверхность равен нулю.

магнитный поток без дельта.png

Опыт Фарадея.

Проделаем опыты, подобные тем, которые выполнил Фарадей. Возьмем две катушки из медной проволоки и первую подключим к источнику постоянного тока, а вторую расположим над первой таким образом, чтобы магнитный поток, создаваемый электрическим током в первой катушке, пронизывал нитки второй катушки. Подключив выводы второй катушки к чувствительному гальванометру, убедимся, что магнитный поток, пронизывающий вторую катушку, не создает в ней электрического тока.



опыты фарадея.jpg Рис. 1 Рис.2

опыты фарадея 2.jpg

Рис.3


Если подносить постоянный магнит к катушке или наоборот (рис.1), то в катушке возникнет электрический ток. То же самое происходит с двумя близко расположенными катушками: если к одной из катушек подключить источник переменного тока, то в другой также возникнет переменный ток (рис.2), но лучше всего этот эффект проявляется, если две катушки соединить сердечником (рис.3).

По определению Фарадея общим для этих опытов является следующее: если поток вектора индукции, пронизывающий замкнутый, проводящий контур, меняется, то в контуре возникает электрический ток.

Это явление называют явлением электромагнитной индукции, а ток – индукционным. При этом явление совершенно не зависит от способа изменения потока вектора магнитной индукции.

Итак, получается, что движущиеся заряды (ток) создают магнитное поле, а движущееся магнитное поле создает (вихревое) электрическое поле и собственно индукционный ток.



Закон электромагнитной индукции.

ЭДС индукции в контуре зависит только от скорости изменения магнитного потока сквозь него (и не зависит от причин его изменения).

g:\для конспекта\формула закона электромагнитной индукции.jpg

g:\для конспекта\сила тока в законе элмаг.инд.jpg

Сила тока зависит от свойства проводников, ЭДС зависит от изменения магнитного потока.



Правило Ленца.

Индукционный ток всегда направлен так, чтобы препятствовать причине его вызывающей.

Пример 1. Южный полюс постоянного магнита удаляется от проводящего кольца.

img_kvant-1988-05-001.jpg

Определите направление индукционного тока в кольце. Куда направлена сила, действующая на кольцо?

Для ответа на первый вопрос удобно за причину, вызывающую ЭДС индукции в кольце, взять уменьшение магнитного потока через кольцо. Согласно правилу Ленца, собственное магнитное поле, созданное индукционным током, должно препятствовать этому уменьшению. Поэтому магнитные линии собственного поля идут через кольцо в том же направлении, что и магнитные линии поля постоянного магнита, т. е. влево. По правилу буравчика индукционный ток в кольце направлен по часовой стрелке, если смотреть на кольцо справа.

Для ответа на второй вопрос причиной, вызывающей ЭДС индукции, удобно считать увеличение расстояния между магнитом и кольцом. Тогда, в соответствии с правилом Ленца, появится противодействие этой причине, т. е. между кольцом и магнитом возникнет сила притяжения, действующая на кольцо влево.



Пример 2. Южный полюс магнита удаляется от проводящего кольца с разрезом. Что можно сказать об индукционном токе в кольце и силе, действующей на кольцо, в этом случае?

Прежде чем ответить на эти вопросы, заметим, что в приведенной выше формулировке правила Ленца говорится о том, что индукционный ток всегда направлен так, чтобы пытаться препятствовать причине своего появления, и не говорится о том, что это препятствие обязательно проявится. Противодействие причине, вызывающей ЭДС индукции, проявляется и может быть обнаружено только в том случае, когда есть возможность для протекания индукционного тока. Эта возможность реализуется, например, если цепь, в которой возникает ЭДС индукции, замкнута. И чем меньше сопротивление этой цепи, тем больший ток пойдет по ней и тем сильнее проявится противодействие причине, его вызывающей.

Ясно, что в кольце с разрезом ЭДС индукции тока создать не может и никакая сила на кольцо действовать не будет.

ЭДС в движущемся проводнике.

рисунок для выводаэдс в движущемся проводнике.png

вывод эдс в движ.проводн..bmp

Токи Фуко.

Рассмотрим опыт, эффектно демонстрирующий правило Ленца. Подвесим между полюсами электромагнита маятник, нижняя часть которого представляет толстую медную пластинку, и выведем его из положения равновесия. Что будет происходить с маятником дальше?



img_kvant-1988-05-002.jpg

При движении такого маятника в медной пластинке появятся замкнутые индукционные токи (красные линии на рисунке), направление которых будет меняться. Согласно правилу Ленца, взаимодействие этих токов с внешним магнитным полем должно препятствовать причине, вызывающей токи, т. е. движению маятника. Таким образом, колебания маятника будут затухать, подобно колебаниям в очень вязкой жидкости.

Замкнутые индукционные токи, возникающие в сплошных проводящих телах, движущихся в магнитных полях или помещенных в изменяющиеся магнитные поля, называются вихревыми токами, или токами Фуко — по имени открывшего их французского ученого. В зависимости от условий вихревые токи могут быть как вредными, так и полезными.

Токи Фуко в сердечниках трансформаторов и вращающихся частях электрических генераторов и двигателей вызывают бесполезное нагревание и приводят к потерям энергии. Для ослабления вихревых токов такие детали изготовляют из тонких листов стали, разделенных тончайшими слоями диэлектрика так, чтобы изолирующие прослойки пересекали возможные линии протекания вихревых токов.

Примером полезного использования токов Фуко служит индукционная печь для плавки металла или быстрого приготовления пищи. Принцип действия индукционной печи состоит в том, что проводящее тело (металл или пища) помещается внутрь катушки, по которой пропускается переменный ток высокой частоты. Возникающее внутри катушки переменное магнитное поле вызывает появление токов Фуко в проводящем теле и его разогрев.

Самоиндукция, индуктивность. Энергия магнитного поля

Самоиндукция.

Самоиндукция является важным частным случаем электромагнитной индукции, когда изменяющийся магнитный поток, вызывающий ЭДС индукции, создается током в самом контуре. Если ток в рассматриваемом контуре по каким-то причинам изменяется, то изменяется и магнитное поле этого тока, а, следовательно, и собственный магнитный поток, пронизывающий контур. В контуре возникает ЭДС самоиндукции, которая согласно правилу Ленца препятствует изменению тока в контуре.



Явление самоиндукции состоит в том, что при изменении силы тока в контуре возникает ЭДС индукции в том же самом контуре.

При возрастании силы тока вихревое электрическое поле совершает отрицательную работу, тормозя свободные заряды. Стало быть, ЭДС индукции в этом случае отрицательна.

При убывании силы тока вихревое электрическое поле совершает положительную работу, «подталкивая» свободные заряды и препятствуя убыванию тока. ЭДС индукции в этом случае так же положительна.

ЭДС самоиндукции.

При изменении силы тока в контуре в соответствии с законом электромагнитной индукции (закон Фарадея)возникает ЭДС самоиндукции:



Знак минус показывает, чтовсегда стремится воспрепятствовать изменению силы тока (правило Ленца). ЭДС противодействует току, когда он увеличивается и поддерживает ток, когда он уменьшается. В явлениях самоиндукции ток обладает «инерцией», Это напоминает механическую инерцию, которая точно также стремится сохранить скорость тела неизменной.

В целях постоянного тока самоиндукции возникает только при замыкании цепи (момент t1 на рисунке) и её размыкании (момент t2 на рисунке)

Индуктивность

Магнитная индукция пропорциональна силе тока, вызвавшего поле. Электрический ток в контуре создаёт пронизывающий этот контур магнитный ток.

Следовательно, ток в контуре и создаваемый им полный магнитный поток через контур пропорциональны друг другу:

Коэффициент пропорциональности между силой тока и полным магнитным полем называется индуктивностью контура.

Зависит от: геометрических свойств контура и среды, в которой он находится.

Единица индуктивности - генри (Гн).





Пример расчета индуктивности. Вычислим индуктивность длинного соленоида. При протекании по нему тока внутри соленоида возбуждается однородное магнитное поле с индукцией



Произведение называется числом ампервитков соленоида и относится к его характеристикам. Магнитный поток через каждый из витков равен, а полный магнитный поток, сцепленный с соленоидом, определяется выражением



где- длина соленоида (очень большая), - площадь поперечного сечения, - число витков на единицу длины (- полное число витков соленоида).

Если сопоставить полученную формулу с записанным выше соотношением, устанавливающим связь между током в контуре и создаваемым этим током полным магнитным потоком через контур, можно получить выражение для индуктивности очень длинного соленоида в виде



Если соленоид заполнен веществом с магнитной проницаемостью





Энергия магнитного поля.

Магнитное поле обладает энергией. Подобно тому, как в заряженном конденсаторе имеется запас электрической энергии, в катушке, по виткам которой протекает ток, имеется запас магнитной энергии. Если включить электрическую лампу параллельно катушке с большой индуктивностью в электрическую цепь постоянного тока, то при размыкании ключа наблюдается кратковременная вспышка лампы. Ток в цепи возникает под действием ЭДС самоиндукции. Источником энергии, выделяющейся при этом в электрической цепи, является магнитное поле катушки.



Чтобы разогнать тело массы из состояния покоя до скорости , внешняя сила должна совершать работу . Тело приобретает кинетическую энергию, которая равна затраченной работе: .

Чтобы после замыкания цепи ток в катушке индуктивности достиг величины , источник тока должен совершить работу по преодолению вихревого электрического поля, направленного против тока. Работа источника идет на создание тока и превращается в энергию магнитного поля созданного тока. Эта энергия запасается в катушке; именно эта энергия и выделяется потом в лампочке после размыкания ключа.

Индуктивность служит аналогом массы ; сила тока является очевидным аналогом скорости . Поэтому естественно предположить, что для энергии магнитного поля катушки может иметь место формула, аналогичная выражению для кинетической энергии:



Эту же формулу можно получить, используя график зависимости. Если , то зависимость можно заменить на линейную.Площадь треугольника - заряд, энергия = работе ЭДС по перемещению заряда , аЭДС








Магнитные свойства вещества

Различные среды при рассмотрении их магнитных свойств называют магнетиками


Магнитные свойства различных веществ весьма разнообразны. Все магнетики принято делить на три класса:

1) парамагнетики – вещества, которые слабо намагничиваются в магнитном поле, причем результирующее поле в парамагнетиках сильнее, чем в вакууме, магнитная проницаемость парамагнетиков > 1(μ 1)и зависит от температуры, При выключении внешнего поля намагниченность пропадает.

2) диамагнетики – вещества, которые слабо намагничиваются против поля, то есть поле в диамагнетиках слабее, чем в вакууме, магнитная проницаемость < 1(μ 1), не зависит от температуры. При выключении внешнего поля намагниченность пропадает.

3) ферромагнетики – вещества, способные сильно намагничиваться в магнитном поле, , их магнитная проницаемость зависит от внешнего магнитного поля (μ>> 1).. При выключении внешнего поля намагниченность остается.


Магнетики состоят из атомов, которые в свою очередь состоят из положительных ядер и, условно говоря, вращающихся вокруг них электронов.

     Согласно предположению французского физика А. Ампера, в любом теле существуют микроскопические (молекулярные) токи, обусловленные движением электронов в атомах и молекулах. Эти токи создают свое магнитное поле и могут поворачиваться в магнитных полях макроскопических токов (токов, текущих в проводниках).

Если источников магнитного поля несколько, то поля накладываются друг на друга и выполняется принцип суперпозиции полей: вектор магнитной индукции результирующего поля равен сумме векторов магнитной индукции накладывающихся друг на друга полей

Так, если вблизи какого-то тела (среды) поместить проводник с током, т.е. макроток, то под действием его магнитного поля микротоки в атомах тела определенным образом ориентируются, создавая тем самым дополнительное магнитное поле. Поэтому вектор магнитной индукции http://www.mivlgu.ru/kafedra/phisica/xml/books/188644873e/image1272.gif характеризует результирующее магнитное поле, создаваемое всеми макро- и  микротоками, т.е. при одном и том же токе I и прочих равных условиях вектор http://www.mivlgu.ru/kafedra/phisica/xml/books/188644873e/image1272.gif в различных средах будет иметь разные значения.


c:\users\наташа\desktop\paramagnetiki.gif

Диамагнетики

Диамагнетикивещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле в направлении, противоположном направлению вектора магнитной индукции поля. Следует отметить, что магнитная проницаемость диамагнетиков меньше единицы.

Орбита, по которой движется электрон, является налогом замкнутого контура, который не обладает активным сопротивлением(I=e*V)где e-заряд электрона,v-частота вращения электрона по орбите. Этот ток образует магнитное поле, которое характеризуется магнитным моментом, модуль его определяется формулой( Pm=IS=eVS, где S-площадь орбиты). В диамагнетиках магнитные моменты атомов, молекул или ионов в отсутствие внешнего магнитного поля равны нулю, так как магнитные моменты электронов компенсируют друг друга. Диамагнетики обладают малой и отрицательной магнитной восприимчивостью, которая не зависит от напряженности внешнего магнитного поля и температуры. Магнитный момент электрона, обусловленный движением вокруг ядра, называют орбитальным магнитным моментом(рис1). Орбитальный магнитный момент — это векторная величина, и направление определяется по правилу правого винта. Если электрон движется по ходу часовой стрелки (рис. 2), то токи направлены против хода часовой стрелки по направлению движения



(рис1) (рис 2)

Диамагнетизм объясняется небольшим изменением угловой скорости вращения электронов вокруг ядра при помещении атома в магнитное поле и является проявлением закона электромагнитной индукции на атомном уровне. Под действием внешнего поля изменяется сила тока и возникает дополнительный магнитный момент. Согласно правилу Ленца, он направлен навстречу внешнему полю.

Диамагнетизм присущ абсолютно всем веществам, но иногда диамагнитные свойства перекрываются ферро- и парамагнетизмом. В чистом виде диамагнетизм наблюдается в веществах, обладающих нулевым магнитным моментом в отсутствии магнитного поля.К диамагнетикам относятся: инертные газы, водород и азот, цинк, медь, золото, парафин.
Парамагнетики
Парамагнетики- это вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле по направлению поля. С увеличением напряженности поля намагниченность парамагнетика возрастает практически линейно, однако при больших значениях напряжённости и при низких температурах она достигает насыщения (например редкоземельные металлы, платина,алюминий и др).

У парамагнетиков при отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты электронов не компенсируют друг друга, и молекулы парамагнетиков всегда обладают магнитным моментом (такие молекулы называются полярными).

Вследствие теплового движения молекул их магнитные моменты ориентированы беспорядочно, поэтому в отсутствие магнитного поля, парамагнетики магнитными свойствами не обладают. При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле устанавливается преимущественная ориентация магнитных моментов атомов (молекул) по полю (полной ориентации препятствует тепловое движение атомов).

В отсутствии магнитного поля магнитные моменты атомов и молекул вследствие теплового движения ориентированы хаотически, поэтому их средняя намагниченность равна нулю (рис. 1). При наложении внешнего магнитного поля на атомы и молекулы начинает действовать момент сил, стремящийся повернуть их так, чтобы магнитный момент был ориентирован параллельно полю (рис.2). Поведение контура с током в магнитном поле мы рассматривали ранее, при определении вектора индукции поля. Ориентация молекул парамагнетика приводит к тому, что вещество намагничивается, то есть приобретает магнитный момент.

Таким образом, магнитное поле, создаваемое индуцированным магнитным моментом, направлено так же, как и внешнее поле. То есть, парамагнетики усиливают внешнее поле.

Во всех веществах помимо ориентации молекул в магнитном поле, индуцируется магнитный момент, направленный противоположно внешнему полю, то есть присутствует диамагнитный эффект. Однако, намагниченность, возникающая благодаря ориентации, значительно превышает диамагнитный эффект.

Строго говоря, поведение молекул, обладающих собственным магнитным моментом, в магнитном поле значительно сложнее, описанного выше. Дело в том, что такие атомы и молекулы в свободном состоянии обладают и собственным моментом импульса (механическим моментом) . Поэтому их поведение подобно поведению вращающегося волчка. Если на волчок действует момент внешних сил, то его ось начинает описывать конус, то есть действует вокруг вектора индукции поля (рис. 3). Поэтому оси прецессии всех молекул совпадают. Именно такое движение молекул приводит к возникновению намагничивания вещества. Заметим, что прецессия молекул в магнитном поле называется прецессией Лармора, в честь французского ученого, впервые описавшего это явление.

c:\users\наташа\desktop\img_slob-10-13-075.jpgc:\users\наташа\desktop\img_slob-10-13-076.jpg

(рис. 1) (рис 2) (рис. 3)


Ферромагнетики
Ферромагнетики - это вещества, обладающие спонтанной намагниченностью, то есть они сохраняют намагниченность при отсутствии внешнего магнитного поля.

Ферромагнетики это вещества, в которых есть область самопроизвольного намагничивания, они называются – доменами. Внутри домена электроны всех атомов расположены так, что их магнитные поля имеют одинаковое направление, таким образом, каждый домен направлен самопроизвольно до насыщения. Однако, совокупность всех доменов ориентирована беспорядочно, таким образом вокруг бруска железа нет никакого магнитного поля. Для появления магнитного поля вокруг ферромагнетика, достаточно упорядочить его домены, т.е. намагнитить его. Если все домены ориентированы одинаково, объект является постоянным магнитом.

домены и их разворот в процессе намагничивания

Название ферромагнетики произошло от латинского наименования важнейшего представителя этого класса вещества: железа (ferrum). Ферромагнитные свойства вещества существенно зависят от температуры. С повышением температуры остаточная намагниченность ферромагнетика уменьшается. При достаточно высокой температуре, называемой точкой Кюри, она исчезает полностью. При нагревании выше точки Кюри ферромагнетик превращается в обычный парамагнетик.

К ферромагнетикам относятся, например, кристаллы железа, никеля, кобольта.
Основные отличия магнитных свойств ферромагнетиков.

1)Нелинейная зависимость намагниченности от напряженности магнитного поля Н (рис 1).Как видно из при Н > HS наблюдается магнитное насыщение.2)При Н <HS зависимость магнитной индукции В от Н нелинейная, а при Н >HS – линейна (рис.2) 3)Зависимость относительно магнитной проницаемости от Нимеет сложный характер (рис 3), причем максимальные значения μ очень велики (103 ÷ 106).



4рис1)5рис2)6рис3)

4)У каждого ферромагнетика имеется такая температура называемая точкой Кюри, выше которой это вещество теряет свои особые магнитные свойства. 5)Существование магнитного гистерезиса. На (рис 4) показана петля гистерезиса – график зависимости намагниченности вещества от напряженности магнитного поля Н.Намагниченность Jsпри Н = Нs называется намагниченность насыщения. Намагниченность Jr при Н=0 называется остаточной намагниченностью (что служит для создания постоянных магнитов) Напряженность Н магнитного поля, полностью размагниченного ферромагнетика, называется коэрцитивной силой. Она характеризует способность ферромагнетика сохранять намагниченное состояние.



7рис 4)

Железные стружки притягиваются к этому подковообразному магниту. Железо ферромагнетик, следовательно, сами стружки превращаются в мини-магниты. Ферромагнитные материалы играют огромную роль в самых различных областях современной техники. Магнитомягкие материалы используются в электротехнике при изготовлении трансформаторов, электромоторов, генераторов, в слаботочной технике связи и радиотехнике; магнитожесткие материалы применяют при изготовлении постоянных магнитов. Магнитные материалы широко используются в традиционной технологии записи информации в винчестере.



image1250




Вдвойне дает тот, кто дает быстро. Публилий Сир
ещё >>