- •Тема 1. Електричне поле 7
- •1.1. Фізика і її зв’язок з іншими науками і технікою.
- •Тема 2. Постійний струм 27
- •Тема 3. Магнітне поле. Електромагнітна індукція 53
- •3.4. Електромагнітна індукція. Закон електромагнітної
- •Тема 4. Електромагнітні коливання і хвилі 72
- •4.4. Коло змінного струму з опором, індуктивністю і
- •4.5. Передача і перетворенняя змінного струму.
- •1.1. Фізика і її зв’язок з іншими
- •Основні поняття теорії фізики
- •1.1.3. Фізичні величини та їх вимірювання
- •1.1.4. Фізичні поняття, закони і теорії
- •1.1.5. Зв'язок фізики з іншими науками і технікою
- •1.2.2. Заряд і поле. Поле як вид матерії
- •1.2.3. Взаємодія заряджених тіл. Закон кулона
- •1.2.4. Напруженість електричного поля
- •1.2.5. Графічне відображення електричного поля
- •1.3.2. Теорема остроградського - гаусса
- •1.3.3. Застосування теореми остроградського - гаусса
- •2. Напруженість електричного поля рівномірно зарядженої сферичної поверхні.
- •1.4.2. Потенціал електричного поля. Різниця потенціалів (напруга). Еквіпотенціальні поверхні
- •1.4.3. Різниця потенціалів (напруга). Еквіпотенціальні поверхні
- •1.5.2. Діелектрики в електричному полі. Поляризація діелектриків
- •1.5.3. Особливості деяких діелектриків
- •1.6. Електроємнсь. Конденсатори. З'єднання конденсаторів
- •1.6.1. Електроємність провідника
- •1.6.2. Конденсатори та їх застосування
- •1.6.3. З’єднання конденсаторів
- •Тема 2. Постійний струм
- •2.1. Постійний струм. Опір. Закон ома
- •2.1.1. Електричний струм. Основні характеристики електричного струму
- •2.1.2. Закон ома для ділянки кола. Опір
- •2.1.3. Сторонні сили. Джерело електричного струму
- •2.1.4. Закон ом а для будь-якої ділянки і для повного кола
- •2.2. Правила кірхгофа
- •2.2.1. Розгалуження струму. Правила кірхгофа
- •2.2.2. Вимірювання сили струму. Розширення меж вимірювання амперметра.
- •2.2.3. Вимірювання напруги. Розширення меж вимірювання вольтметра.
- •2.3. Робота і потужність струму. Закон джоуля-ленца
- •2.3.1. Робота постійного електричного струму
- •2.3.2. Потужність постійного електричного струму
- •2.3.3. Теплова дія електричного струму. Закон джоуля - ленца
- •2.4. Електропровідність твердих тіл
- •2.4.1. Електричний струм в металах
- •2.4.2. Залежність опору металів від температури. Надпровдність
- •2.4.3. Поняття про квантову теорію провідності твердих тіл
- •2.5. Електричний струм в напівпровідниках
- •2.5.1. Будова й електричні властивості напівпровідників
- •2.5.2. Власна й домішкова провідність напівпровідників
- •2.5.3. Електронно-дірковий перехід
- •2.6. Термоелектричні і контактні явища
- •2.6.1. Робота виходу
- •2.6.2. Контактна різниця потенціалів. Закони вольта
- •2.6.3. Термоелектричні явища
- •2.7. Електричний струм в рідинах і газах
- •2.7.1. Електричний струм в рідинах
- •2.7.2. Електричний струм в газах
- •2.7.3. Поняття про плазму
- •2.7.4. Термоелектронна емісія
- •Тема 3. Магнітне поле. Електромагнітна індукція
- •3.1. Магнітне поле і його характеристики. Закон ампера
- •3.1.1. Магнітне поле і його характеристики
- •3.1.2. Дія магнітного поля на електричний струм. Сила ампера
- •3.1.3. Магнітне поле постійного електричного струму. Закон біо - савара - лапласа
- •3.1.4. Взаємодія двох прямих струмів
- •3.2. Дія електричного і магнітного полів на рухомий заряд
- •3.2.1. Дія магнітного поля на рухому заряджену частинку. Сила лоренца
- •3.2.2. Рух електрона в однорідному магнітному полі
- •3.2.3. Еффект холла
- •4.3. Магнітні властивості речовин
- •3.3.1. Магнетики 1 їх намагнічування
- •3.3.2. Магнітне поле в магнетиках. Діамагнетики і парамагнетики
- •3.3.3. Феромагнетики та їх властивості
- •3.3.4. Магнітні матеріали I їх застосування
- •3.4. Електромагнітна індукція. Закон електромагнітної індукції
- •3.4.1. Потік магнітної індукції (магнітний потік)
- •3.4.2. Електромагнітна індукція. Досліди фарадея
- •3.4.3. Закон ленца
- •3.4.4. Основний закон електромагнітної індукції
- •3.5. Самоіндукція. Взаємна індукція. Енергія магнітного поля струму
- •3.5.1. Явище самоіндукції. Індуктивність контуру
- •3.5.2. Явище взаємної індукції
- •3.5.3. Енергія магнітного поля струму.
- •Тема 4. Електромагнітні коливання і хвилі
- •4.1. Вільні електромагнітні коливання
- •4.1.1. Коливальний контур. Власні електричні коливання
- •4.1.2. Затухаючі електричні коливання
- •4.2. Вимушені електромагніні коливання.
- •4.2.1. Вимушені електромагніні коливання
- •4.2.2. Автоколивання
- •4.2.3. Енератор незатухаючих коливань
- •4.3. Змінний струм, його характеристики і добування
- •4.3.1. Змінний електричний струм. Добування змінного струму
- •4.3.2. Діючі значення сили змінного струму і напруги
- •4.3.3. Зсув фаз між струмом 1 напругою
- •4.4. Коло змінного струму з опором, індуктивністю і ємністю. Резонанс
- •4.4.1. Коло змінного струму з опором, індуктивністю і ємністю. Резонанс
- •4.4.2. Електричний резонанс
- •4.4.3. Робота і потужність змінного струму
- •4.5. Передача і перетворенняя змінного струму. Трансформатор. Електричні станції
- •4.5.1. Передача змінного струму
- •4.5.2. Перетворення змінного струму. Трансформатор
- •4.5.3. Електричні станції
- •4.6. Електромагнітні хвилі (частина 1)
- •4.6.1. Досліди г. Герца
- •4.6.2. Винайдення радіо
- •4.6.3. Принципи радіозвязку
- •4.7. Електромагнітні хвилі (частина 2)
- •4.7.1. Інфрачервоне та ультрафіолетове випромінювання
- •4.7.2. Рентгенівське випромінювання
- •4.7.3. Шкала електромагнітних хвиль
- •Про автора
- •18000, М. Черкаси, вул. Смілянська, 2
3.3.2. Магнітне поле в магнетиках. Діамагнетики і парамагнетики
При розгляді магнітного поля струму в будь-якому середовищі потрібно враховувати, що до зовнішнього намагнічуючого поля додається внутрішнє поле поляризованого магнетика. Ці поля дають результуюче поле, яке визначається вектором магнітної індукції:
(3.22)
За змістом величину (3.22) треба було б назвати не магнітною індукцією, а напруженістю магнітного поля в магнетику, бо це - силова характеристика магнітного поля в середовищі.
У діамагнетиках виявляється чистий діамагнітний ефект: вони намагнічуються в напрямі, протилежному до зовнішнього магнітного поля. Тому в неоднорідному магнітному полі діамагнетики виштовхуються в ті області, в яких зовнішнє магнітне поле слабше. Цим пояснюється те, що підвішений на нитці діамагнітний стержень намагається повернутись і встановитися в напрямі, перпендикулярному до , а діамагнітні гази в полум'ї свічки виштовхуються з міжполюсного проміжку.
До діамагнетиків належать: Zn, Си, Ві, Sb, Aq, Аи, Рb, І, С, Нq, Sі, Н2О (слабо), СO2, смоли, скло, мармур, віск, благородні гази і більшість органічних сполук. Для них . Отже електромагнітні сили взаємодій у діамагнітному середовищі менші, ніж у вакуумі. З цих причин діамагнетик непридатний для побудови електромагнітів.
Парамагнетиками називають речовини, атомам або молекулам яких властиві певні магнітні моменти.
До парамагнетиків належать: Сг, Мn, Sn, А1, Рt, Nа, К, О, N, оксид азоту, рідкісноземельні елементи, луги і лужноземельні елементи. Для них .
Коли немає магнітного поля, магнітні моменти окремих атомів розташовані безладно і парамагнетик ненамагнічений. Якщо ж парамагнетик внести в магнітне поле, то на кожний атом діятиме механічний обертальний момент. Тому магнітні моменти атомів намагатимуться встановитися в напрямі зовнішнього магнітного поля, виконуючи деякий час коливання відносно положень рівноваги.
Тепловий рух дезорієнтує упорядковані атомні магнітні моменти. Орієнтація тим гірша, чим вища температура і чим слабше магнітне поле. При досить сильному магнітному полі може настати насичення, і магнітні моменти всіх атомів повністю зорієнтуються в напрямі зовнішнього магнітного поля.
Отже, парамагнетики намагнічуються в напрямі навідного зовнішнього магнітного поля. Намагнічені парамагнетики підсилюють зовнішнє магнітне поле. Тому парамагнетик втягується в міжполюсний проміжок.
3.3.3. Феромагнетики та їх властивості
Феромагнетиками називаються речовини, в яких власне магнітне поле може бути в багато разів (у сотні й тисячі) сильніше, ніж зовнішнє поле, яке зумовило намагнічення. До феромагнетиків належать (у кристалічному стані): залізо, нікель, кобальт, гадоліній, їх оксид й сполуки із сіркою. При дуже низьких температурах феромагнітні властивості виявляють також диспрозій і ербій. До феромагнетиків належать сплави з не феромагнітних компонентів на основі марганцю і хрому: МnВі, МnSn, СгРt, СгS та ін.
Феромагнетики, як і парамагнетики, намагнічуються в напрямі зовнішнього магнітного поля, але феромагнетики мають свої особливості відмінні від властивостей парамагнетиків.
Рис. 3.7. Залежність від для феромагнетика
1. Намагніченість і індукція й нелінійно залежать від напруженості зовнішнього магнітного поля. На рис. 4.3.1 дано графічну залежність вектора намагніченості від . У слабких полях круто наростає із збільшенням , а потім сповільнюється і при досягає максимального значення, яке практично залишається незмінним. У цьому стані, який Столєтов назвав насиченням, усі магнітні моменти атомів упорядковуються в напрямі зовнішнього магнітного поля. Дальше збільшення не зумовлює зростання .
Рис. 3.8. Петля гістерезису
2. Відносна магнітна проникність — не стала величина, вона залежить від . У слабкому магнітному полі швидко зростає, досягаючи максимуму, а потім спадає, наближаючись до одиниці, як для вакууму.
Максимальні значення дуже великі: для заліза - 5000, кремнистого заліза (3,3 % Sі) - 10 000, пермалою - 100 000.
3. Феромагнетики зберігають своє намагнічення після того, як перестає діяти зовнішнє магнітне поле.
Для дослідження цього явища помістимо ненамагнічений феромагнітний стержень у котушку і збільшуватимемо в ній струм, починаючи від нуля. Тоді залежність вектора намагніченості від напруженості магнітного поля виразиться кривою (рис. 4.3.2). При = настає насичення. Якщо тепер зменшувати напруженість магнітного поля від до нуля, то графік вже не піде зворотним шляхом, а зобразиться кривою, яка лежить вище від первинної кривої. Отже, зменшення не супроводиться відповідним зменшенням , спостерігається відставання розмагнічення.
Явище відставання (запізнення) змін намагнічення тіла від змін напруженості магнітного поля називається магнітним гістерезисом, а те намагнічення, яке зберігається після зникнення зовнішнього магнітного поля, називається залишковим намагніченням. При цьому частина магнітних моментів атомів залишається зорієнтованою в початковому напрямі. Залишкове намагнічення вимірюється відрізком . Щоб знищити , збільшуватимемо у протилежному напрямі. При залишкове намагнічення зникає. Напруженість поля , при якій знищується залишкове намагнічення , є мірою стійкості феромагнетика і називається затримуючою, або коерцитивною силою.
Якщо ще збільшувати у протилежному напрямі, то знову настане насичення: стержень намагнітиться в протилежному до початкового напрямі. Якщо тепер зменшувати до нуля, то залишкове намагнічення стане - . Щоб його знищити, треба збільшувати .
ёКоли змінюється циклічно, крива намагнічення феромагнетика має вигляд замкнутої кривої, яка називається петлею гістерезису.
Намагнічення феромагнетиків залежить від температури. З підвищенням температури залишкове намагнічення зменшується і при певній температурі, яка називається точкою Кюрі, зникає зовсім. Це пояснюється досить інтенсивним тепловим рухом молекул феромагнетика і дезорієнтацією спінових магнітних моментів. Точка Кюрі для різних феромагнетиків неоднакова: для заліза 1053 К, нікелю 631 К, кобальту 1423 К, пермалою 823 К тощо. З переходом через точку Кюрі феромагнетик поводить себе в зовнішньому магнітному полі як парамагнетик.
При температурах нижчих від точки Кюрі феромагнетик природно розділяється на велику кількість досить малих областей самодовільного (спонтанного) намагнічення. Такі ділянки спонтанного намагнічення всередині феромагнетика називаються доменами. У межах окремих доменів магнітні моменти упорядковані й спрямовані в якомусь одному напрямі. Але домени всередині тіла зорієнтовані безладно, тому, коли зовнішнього магнітного поля немає, векторна сума магнітних моментів доменів дорівнює нулю і тіло в цілому ненамагнічене.
У випадку технічного намагнічування феромагнетика зовнішнє магнітне поле зорієнтовує магнітні моменти не окремих атомів (молекул), як у парамагнетиках, а доменів
Існують речовини, в яких, на відміну від феромагнетиків, магнітні моменти зорієнтовані попарно антипарапельно. Можна сказати, що магнітні моменти утворюють ніби дві просторові підрешітки, вставлені одна в одну і намагнічені в протилежних напрямах. Такі речовини, в яких намагнічення обох підрешіток однакове за величиною, називаються антиферомагнетиками. До них належать деякі сполуки марганцю (МnО, МnS), хрому (NiСr, Сr2О3), ванадію (VО2) тощо. Антиферомагнітний стан спостерігається нижче від певної температури, яка називається антиферомагнітною точкою Кюрі.