
- •Курс физики электричество и магнетизм
- •Оренбург 2006
- •Содержание
- •Глава 1 Электрическое поле в вакууме
- •§ 1.1 Закон сохранения электрического заряда
- •§ 1.2 Закон Кулона
- •§ 1.3 Электростатическое поле. Напряженность электростатического поля
- •§ 1.4 Потенциал. Связь между потенциалом и напряженностью электрического поля
- •§ 1.5 Электрический диполь
- •§ 1.6 Теорема Остроградского Гаусса
- •Глава 2 Электрическое поле в диэлектриках
- •§ 2.7 Поляризация диэлектриков
- •§ 2.8 Поляризованность. Напряженность поля в диэлектрике
- •§ 2.9 Электрическое смещение. Теорема Остроградского – Гаусса для электростатического поля в диэлектрике
- •§ 2.10 Условия на границе раздела двух диэлектрических сред
- •§ 2.11 Сегнетоэлектрики
- •Верные ответы в заданиях отмечены красным цветом.
- •Глава 3 Энергия электрического поля
- •§ 3.12 Электроемкость
- •§ 3.13 Конденсаторы
- •§ 3.14 Соединение конденсаторов
- •§ 3.15 Энергия электрического поля
- •Верные ответы в заданиях отмечены красным цветом.
- •Глава 4 Постоянный электрический ток
- •§ 4.16 Электрический ток
- •§ 4.17 Сторонние силы. Электродвижущая сила и напряжение
- •§ 4.18 Закон Ома. Сопротивление проводников
- •§ 4.19 Разветвленные цепи. Правила Кирхгофа
- •§ 4.20 Работа и мощность тока. Закон Джоуля – Ленца
- •Глава 5 Магнитное поле
- •§ 5.21 Магнитное поле и его характеристики
- •§ 5.22 Закон Био-Савара-Лапласа
- •§ 5.23 Магнитное поле движущегося заряда
- •§ 5.24 Закон Ампера. Сила Лоренца
- •§ 5.25 Работа при перемещении контура с током в постоянном магнитном поле
- •Глава 6 Электромагнитная индукция
- •§ 6.26 Явление электромагнитной индукции
- •§ 6.27 Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея)
- •§ 6.28 Генератор переменного тока
- •§ 6.29 Вихревые токи (токи Фуко)
- •§ 6.30 Явление самоиндукции. Индуктивность
- •§ 6.31 Взаимная индукция
- •§ 6.32 Энергия магнитного поля
- •Верные ответы в заданиях отмечены красным цветом.
- •Глава 7 Магнитные свойства вещества
- •§ 7.33 Магнитные моменты электронов и атомов
- •§ 7.34 Диа- и парамагнетизм
- •§ 7.35 Намагничивание магнетика
- •§ 7.36 Циркуляция вектора магнитной индукции
- •§ 7.37 Условия на границе раздела двух магнетиков
- •§ 7.38 Ферромагнетизм
- •§ 7.39 О теории ферромагнетизма
- •Глава 8 Уравнения Максвелла
- •§ 8.40 Вихревое электрическое поле
- •§ 8.41 Ток смещения
- •§ 8.42 Уравнения Максвелла для электромагнитного поля
- •§ 43 Относительность электрического и магнитного полей
- •Глава 9 Электрические колебания
- •§ 9.44 Квазистационарные токи
- •§ 9.45 Колебательный контур
- •§ 9.46 Свободные затухающие колебания
- •§ 9.47 Вынужденные электрические колебания
- •§ 9.48 Мощность, выделяемая в цепи переменного тока
- •Верные ответы в заданиях отмечены красным цветом.
- •Глава 10 Контрольная работа § 10.1 Общие методические указания к решению задач и выполнению контрольных работ
- •§ 10.2 Контрольные задачи
- •Глава 11 Экзамены
- •§ 11. 1 Общие положения
- •§ 11. 2 Экзаменационные тестовые задания
- •Глава 12 Примеры решения задач
- •Литература, рекомендуемая для изучения физики
- •Список использованных источников
- •Приложение а (справочное) Основные физические константы
- •Приложение в (справочное)
§ 7.35 Намагничивание магнетика
Если проводники с током находятся в
какой-либо среде, то магнитное поле
изменяется. Это означает, что вещество
в магнитном поле намагничивается, т.е.
само становится источником магнитного
поля. Результирующее магнитное поле
в среде равно сумме полей, создаваемых
проводниками с током
и намагниченной средой
:
= + . (35.1)
Здесь под и имеются в виду поля, усредненные по бесконечно малому объему, поэтому также усредненное (макроскопическое) поле, причем = 0 .
Молекулы вещества обладают собственным магнитным моментом (см. (33.8)), обусловленным внутренним движением зарядов. Каждому магнитному моменту соответствует элементарный круговой ток, создающий в окружающем пространстве магнитное поле. При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты молекул ориентированы беспорядочно, поэтому обусловленное ими результирующее магнитное поле равно нулю. Равен нулю и результирующий магнитный момент вещества.
Если вещество поместить во внешнее магнитное поле, то под действием этого поля магнитные моменты молекул приобретают преимущественную ориентацию в одном направлении, и вещество намагничивается – его суммарный магнитный момент становится отличным от нуля. При этом магнитные поля отдельных молекул не компенсируют друг друга, в результате возникает поле .
Иначе происходит намагничивание веществ, молекулы которых при отсутствии внешнего поля не имеют магнитного момента. Внесение таких веществ во внешнее поле индуцирует элементарные круговые токи в молекулах, и молекулы, а вместе с ними и все вещество приобретают магнитный момент, что также приводит к возникновению поля . Большинство веществ при внесении в магнитное поле намагничивается слабо (см. § 7.34).
Для количественного описания намагничивания магнетиков вводят векторную величину намагниченность, равную магнитному моменту молекул единицы объема магнетика:
=
,
(35.2)
где V – элементарный объем в окрестности данной точки, магнитный момент отдельной молекулы.
Суммирование проводится по всем молекулам в объеме V. Если во всех точках вещества вектор одинаков, говорят, что вещество намагничено однородно.
Вектор намагниченности является основной величиной, характеризующей магнитное состояние вещества. Зная его в каждой точке какого-либо тела, можно определить и магнитное поле, создаваемое рассматриваемым намагниченным телом.
Д
ля
описания поля, создаваемого молекулярными
токами, рассмотрим магнетик в виде
кругового цилиндра сечения S и длины l,
внесенного в однородное внешнее магнитное
поле с индукцией
.
Возникающее в магнетике магнитное поле
молекулярных токов будет направлено
противоположно внешнему полю для
диамагнетиков и совпадать с ним по
направлению для парамагнетиков. Плоскости
всех молекулярных токов расположатся
перпендикулярно вектору
,
так как векторы их магнитных моментов
антипараллельны вектору
(для диамагнетиков) и параллельны
(для парамагнетиков). Если рассмотреть
любое сечение цилиндра, перпендикулярное
его оси, то во внутренних участках
сечения магнетика молекулярные токи
соседних атомов направлены навстречу
друг другу и взаимно компенсируются
(рисунок 44). Некомпенсированными будут
лишь молекулярные токи, выходящие на
боковую поверхность цилиндра.
Ток, текущий по боковой поверхности цилиндра, подобен току в соленоиде и создает внутри него поле, магнитную индукцию В которого можно вычислить, учитывая формулу (30.10) для N = 1 (соленоид из одного витка):
В
= 0
.
(35.3)
где I сила молекулярного тока, l длина рассматриваемого цилиндра, а магнитная проницаемость принята равной единице.
С другой стороны, I/l ток, приходящийся на единицу длины цилиндра, или его линейная плотность, поэтому магнитный момент этого тока p = IlS/l = = IV/l, где V – объем магнетика. Если Р – магнитный момент магнетика объемом V, то намагниченность магнетика
J
=
=
.
(35.4)
Сопоставляя (35.3) и (35.4), получим, что В = 0J, или в векторной форме
= 0 . (35.5)
Подставив выражения для и в (35.1), получим
= 0 + 0 = 0( + ). (35.6)
или
=
+
. (35.7)
Намагниченность зависит от магнитной индукции в данной точке вещества. Однако, принято связывать не с , а с вектором напряженности магнитного поля .
Для многих веществ направления и всегда совпадают. Намагниченность таких веществ зависит только от величины намагничивающего поля и не зависит от его направления. Такие вещества получили название изотропных магнетиков. В них направления и также всегда совпадают.
Как показывает опыт, в изотропных магнетиках намагниченность прямо пропорциональна напряженности поля, вызывающего намагничивание, т. е.
= χ , (35.8)
где χ безразмерная скалярная величина, называемая магнитной восприимчивостью вещества.
Она зависит от рода магнетика и его состояния (температуры и т.д.). Для диамагнетиков χ 0 (поле молекулярных токов противоположно внешнему полю), для парамагнетиков χ 0 (собственный нескомпенсированный магнитный момент молекулярных токов совпадает с внешним полем).
Используя формулу (35.8), выражение (35.6) можно записать в виде
= 0 (1 + χ) = 0 , (35.9)
где безразмерная величина
= 1 + χ (35.10)
представляет собой магнитную проницаемость вещества. Выражение (35.9) представляет собой соотношение (30.9), записанное нами ранее.
Так как абсолютное значение магнитной восприимчивости для диа- и парамагнетиков очень мало (порядка 104 106), то для них незначительно отличается от единицы. Таким образом, для диамагнетиков χ < 0 и < 1, для парамагнетиков χ > 0 и > 1.
Кроме этих магнетиков существуют ферромагнетики, у которых зависимость ( ) имеет весьма сложный характер: она не линейная и, помимо того, наблюдается гистерезис, т.е. зависимость от предыстории магнетика (см. § 7.38).
Направления напряженности поля и намагниченности могут не совпадать друг с другом. Это наблюдается для ряда магнитных кристаллов. В таких кристаллах величина намагниченности зависит еще и от направления поля относительно осей кристалла. Подобные вещества называют анизотропными магнетиками. Для них направления индукции и напряженности , могут быть различными.