Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Выберите тип работыЧасть дипломаДипломная работаКурсовая работаКонтрольная работаРешение задачРефератНаучно - исследовательская работаОтчет по практикеОтветы на билетыТест/экзамен onlineМонографияЭссеДокладКомпьютерный набор текстаКомпьютерный чертежРецензияПереводРепетиторБизнес-планКонспектыПроверка качестваЭкзамен на сайтеАспирантский рефератМагистерская работаНаучная статьяНаучный трудТехническая редакция текстаЧертеж от рукиДиаграммы, таблицыПрезентация к защитеТезисный планРечь к дипломуДоработка заказа клиентаОтзыв на дипломПубликация статьи в ВАКПубликация статьи в ScopusДипломная работа MBAПовышение оригинальностиКопирайтингДругое

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

Магнитное поле - особая форма материи, существующая вокруг движущихся заряженных тел или частиц.

Опыт Эрстеда (1820 г.). Эрстед поместил над магнитной стрелкой прямо­линейный провод, параллельный стрелке. Стрелка могла свободно вращаться вокруг вертикальной оси. При пропускании по проводу электрического тока стрелка от­клонялась в сторону и устанавливалась пер­пендикулярно к проводу.

Таким образом, была установлена связь между электрическими и магнитными явлениями.

Источником магнитного поля является движущаяся заряженная частица.

Магнитное поле создается проводниками с током, движущимися электри­чески заряженными частицами и телами, частицами и телами, обладающими магнитными моментами, а также изменяющимся во времени электрическим полем.

Магнитное поле действует только на движущиеся элект­рически заряженные частицы и тела, на проводники с током и на частицы и тела, обладающие магнитными моментами.

Магнитная индукция - силовая характеристика магнитного поля, векторная величина, обозначается .

Вектор магнитной индукции можно ввести одним из трех эквивалентных способов:

- основываясь на силовом действии магнитного поля на малый элемент проводника с током (через действие силы Ампера);

- исходя из силового действия магнитного поля на движущуюся в нем заряженную частицу - точечный электрический заряд (через действие силы Лоренца);

- исходя из силового действия магнитного поля на небольшую рамку с то­ком (поведение рамки с током в магнитном поле).

Единица магнитной индукции [Тл] (тесла).

Линиями магнит­ной индукции (силовыми линиями магнитного поля) называ­ются линии, проведенные в магнитном поле так, что в каждой точке поля каса­тельная к линии магнитной индукции совпадает с направлением вектора маг­нитной индукции в этой точке поля.

Линии магнитной индукции нигде не обры­ваются, т. е. не начинаются и не кончаются. Они либо замкнуты, либо идут из бесконечности в бесконечность.

Магнитное поле называется однородным, если во всех его точках вектор магнитной индукции имеет одно и то же значение.

 

 

 

Сила Ампера

– сила, действующая на проводники с электрическим током, находящиеся во внешнем магнитном поле , , если поле однородно, а проводник прямолиней­ный, то модуль силы Ампера равен

– сила тока, [А];

 - магнитная индукция, [Тл];

 - длина проводника, [м];

 - угол между направлением тока (вектором плотности тока) в провод­нике и вектором магнитной индукции внешнего магнитного поля.

Следовательно, зная значения силы тока, длины проводника и силы Ампера можно экспериментально установить величину магнитной индукции внешнего поля:

.

Но магнитная индукция не зависит, ни от силы тока, ни от длины проводника – это силовая характеристика внешнего магнитного поля.

Направление максимальной силы Ампера определяется правилом левой руки:

1.Линии магнитного поля входят в ладонь.

2.Четыре пальца направлены по току.

3.Большой палец указывает направление силы Ампера.

Поясняющий рисунок

Сила Лоренца – сила, действующая на электрически заряженную частицу зарядом , движущуюся во внешнем магнитном поле индукции  со скоростью .

Модуль силы Лоренца равен ,

q – заряд, [Кл];

- скорость, [м/с];

 - магнитная индукция, [Тл].

 - угол между векторами   и .

 

Следовательно, зная значения скорости заряженной частицы, величины заряда частицы и силы Лоренца можно экспериментально установить величину магнитной индукции внешнего поля:

.

Но магнитная индукция не зависит, ни от заряда и скорости частицы – это силовая характеристика внешнего магнитного поля.

Направление силы Лоренца определяется также правилом левой руки:

1.Линии магнитного поля входят в ладонь.

2.Четыре пальца направлены по скорости движения положительно заряженной частицы.

3.Большой палец указывает направление силы Лоренца.

Поясняющий рисунок

 

 

Максимальная сила Лоренца направлена всегда перпендикулярно к скорости заряженной частицы и сообщает ей нормальное ускорение (частица движется по окружности), следовательно, сила Лоренца не совершает работы. Поэтому кинетическая энергия заряженной частицы при движении ча­стицы в магнитном поле не изменяется.

Контур с током в магнитном поле

 Произвольный плоский контур с током, находится в однородном магнитном поле.

Силы Ампера, приложенные к противоположным элементам контура, образуют пару.

Магнитным моментом контура с то­ком называется величина равная произведению:

= .

Вращающий момент максимален, если контур так ориентирован в поле, что его магнитный момент перпендикулярен .

Следовательно, магнитная индукция внешнего поля может быть определена экспериментально

.

Но магнитная индукция не зависит, ни от размеров рамки, ни от силы тока, текущего в ней.

Магнитное взаимодействие токов. Если в поле какого-либо проводника с током находится дру­гой проводник с током, то между ними появляется сила взаимо­действия посредством окружающих их магнитных полей. Они будут либо притягиваться друг к другу, либо от­талкиваться, так как каждый проводник с током находится в. магнитном поле другого проводника.

Закон  Био - Савара - Лапласа: магнитная индукция dB поля, создаваемого в вакууме малым элементом проводника длиной dl , по которому течет постоянный электрический ток силой I , удовлетворяет выражению:

,            

μ - относительная магнитная проницаемость среды,

μ₀ = 4π∙10^-7 Гн/м - магнитная постоянная,

     -радиус-вектор, проведенный от элемента тока I ∙ d  в точку.                        

Применения теоремы позволяют определить индукцию магнитного поля в центре кругового тока, соленоида, отрезка прямого тока.

                                                           Индукция магнитного поля:

в центре кругового витка	в центре соленоида	прямолинейного отрезка проводника	бесконечно длинного прямолинейного проводника

 

Закон полного тока для магнитного поля в вакууме (теорема о циркуляции):  циркуляция вектора магнитной индукции поля в вакууме вдоль замкнутого контура L пропорцио­нальна алгебраической сумме токов, охватываемых этим контуром (т. е. резуль­тирующему току через поверхность, натянутую на контур L ).

= ; =

где = - магнитная постоянная,

 - алгебраи­ческая сумма токов в проводниках, пронизывающих произвольную поверхность S, натянутую на рассматриваемый контур L.

 Если учесть, что ,

где - плотность тока в пределах малого участка площадью dS поверхности S, ,

 - единичный вектор нормали к площадке dS, из конца которого обход контура L виден происходящим против часовой стрелки (правило правого винта).

При подсчете  ток, пересе­кающий поверхность S, считается положительным, если из конца вектора плот­ности этого тока обход контура L виден происходящим против ча­совой стрелки.

Тогда интегральный вид закона полного тока для магнитного поля в вакууме =  .

Покажем применение закона полного тока (теоремы о циркуляции) для расчета магнитного поля прямого тока:

Силовыми линиями магнитного поля являются окружности, центры которых лежат на оси провода с то­ком, а вектор любой из этих окружностей всюду
имеет один и тот же модуль.

= . Вынесем В за знак интеграла. После интегрирования будем иметь:

Так как контур L охватывает всего один провод с током, то, согласно закону = . Следовательно, .

Раздел 4. Постоянное магнитное поле в веществе

Электрон, движущийся по окружности, подобен круговому контуру с током и, следовательно, характеризуется магнитным моментом:

 = .

Магнитным моментом обладают элементарные частицы, атомные ядра, электронные оболочки атомов и молекул. В атомах и молекул их электроны, движущиеся по одной орбите, образуют пары. Собственные магнитные моменты электронов в этих парах всегда направлены в противоположные стороны так, что их сумма равна нулю.

Магнитное поле, создаваемое токами, которые не входят в состав рассматриваемой системы, называется внешним по отношению к этой системе.

Диамагнитная молекула – это молекула, маг­нитный момент которой в отсутствие внешнего поля равен ну­лю. Под действием внешнего магнитного поля диа­магнитная молекула приобретает магнитный момент. Это явление называется намагничиванием.

Парамагнитная молекула – это молеку­ла, магнитный момент которой не равен нулю, даже когда внешнего поля нет. Любой атом и молекула с нечетным числом электронов всегда па­рамагнитны. Такая молекула ведет себя в магнитном поле как рам­ка с током.

Силы Ампера, с которыми магнитное по­ле действует на парамагнитную молекулу, стремятся развернуть молекулу так, чтобы ее магнитный момент был направлен по полю, т.е. в ту же сторону, что и вектор магнитный индукции. Этому препятствует тепловое движение молекул.

Под действием внешнего магнитного поля пара­магнитные молекулы ориентируются преимуществен­но по полю, несмотря на то, что тепловое движение стремится разупорядочить их ориентацию. Диамаг­нитные молекулы во внешнем поле намагничивают­ся.

Таким образом, какие бы молекулы не входили в состав вещества, если его поместить в магнитное по­ле, сумма магнитных моментов всех молекул в любом физически бесконечно малом объеме  уже не будет равна нулю. Вещество в таком состоянии называется намагниченным.

Намагниченность – векторная величина, являющаяся мерой намагничеснности  вещества. Показывает магнитный момент единицы объема намагниченного вещества.

= [ ]

Намагниченность вещества называется однородной, если вектор  во всех его точках один и тот же. Намагни­ченность физически бесконечно малого объема веще­ства всегда можно считать однородной.

Напряженность магнитного поля. Связанными (молекулярными) или микротоками называются токи ( ), обусловленные движением электронов в ато­мах и молекулах.

Свободными токами или макротоками ( ) называются токи проводимости и конвекцион­ные токи.

 Воспользуемся законом полного тока =

В сум­му, стоящую в правой части уравнения, входят все токи, охватываемые контуром L: и микро-, и макро- токи:

= )

 Будем упрощенно рассматривать каждую молеку­лу как круговой контур с током , площадь которого обозначим . Все молекулы будем считать одинаковыми и в среднем одинаково ориентированными. Тогда намагниченность

где , п - концентрация моле­кул, S – площадь цилиндра, образованного нанизанных на контур токов, - высота этого цилиндра.

Так как , то  

Сумму молекулярных токов, "нанизанных" на весь кон­тур L, можно представить как цир­куляцию вектора  по это­му контуру:

= .

Тогда закон полного тока для магнитного поля будет иметь вид:

= ).

Преобразуем выражение = ) к виду

= .

Напряженность магнитного поля - векторная физическая величина, являющаяся количественной характеристикой магнитного поля. Напряженность магнитного поля не зависит от магнитных свойств среды.

 

 

- напряженность магнитного поля, [А/м];

- магнитная индукция, [Тл];

 - намагниченность, [А/м];

       μ₀ = 4π∙10^-7 Гн/м – магнитная постоянная.

 

В вакууме напряженность магнитного поля совпадает с магнитной индукцией. В среде напряженность магнитного поля определяет тот вклад в магнитную индукцию, который дают внешние источники поля, [А/м].

Закон полного тока для магнитного поля (теорема о циркуляции) в среде:

 или .

Намагниченность связана с химическим составом вещества:

,

- напряженность магнитного поля, [А/м];

- магнитная восприимчивость -

физическая величина, характеризующая связь между магнитным моментом (намагниченностью) вещества и магнитным полем в этом веществе.

Магнетик называется однородным, если магнитная восприимчивость во всех его точках одинакова.

Из  можно выразить , тогда

,

где  - магнитная проницаемость - физическая величина, характеризующая связь между магнитной индукцией и напряженностью магнитного поля в веществе.

Величины  служат характеристиками магнитных свойств вещества, а уравнения  и  описывают влияние магнитного поля на намагниченность магнетика.

Диамагнетики ( <1) - вещества, способные создавать внутри себя поле, ослабляющее внешнее магнитное поле. У диамагнетиков атомы или молекулы в отсутствие внешнего магнитного поля не имеют магнитных моментов, так как магнитные моменты всех электронов в отсутствии внешнего магнитного поля взаимно скомпенсированы. К диамагнетикам относятся инертные газы, водород, азот и др.

Парамагнетики ( >1) - вещества, намагничивающееся во внешнем магнитном поле по направлению поля.

В отсутствие внешнего магнитного поля парамагнетики имеют отличный от нуля магнитный момент. Примерами парамагнетиков являются щелочные и щелочно-земельные металлы.

Ферромагнетики ( >>1) – вещества, у которых ниже определенной температуры Кюри магнитные моменты электронов выстраиваются па­раллельно друг другу.

В результате возникают области самопроиз­вольного намагничивания, называемые доменами. Они имеют размеры порядка 1-10 мкм. Среди химических элементов ферромагнитными свойствами обладают Fe, Со и Ni (3 d-металлы) и редкоземельные металлы. При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты отдельных доменов ориентированы хаотически, поэтому результи­рующий магнитный момент ферромагнетика равен нулю, и он не на­магничен. Внешнее поле ориентирует по полю магнитные моменты не отдельных атомов, как это имеет место в случае парамагнети­ков, а целых областей, т.е. доменов. Поэтому с ростом напряженности магнитного поля  намаг­ниченность  и магнитная индукция  даже в сравнительно слабых по­лях растет очень быстро. При температуре Кюри все домены в ферромагнетике разрушатся, и он переходит в состояние парамагнетика. Температура Кюри для железа 753 °С, для никеля 365 °С, а для кобальта 1000°С.