Вопросы с 35-45

35. явление электромагнитной индукции- это явление возникновения индукционного тока(эдс) индукции в замкнутом контуре при всяком изменении магнитного потока пронизывающего контур проводника.  

Закон Фарадея

ЭДС элек-ой индукции возникающая в контуре при изменении магнитного поля пропорциональна быстроте изменения магнитного потока через площадь ограниченную контуром.

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея (в СИ):

где

 — электродвижущая сила, действующая вдоль произвольно выбранного контура,

 — магнитный поток через поверхность, натянутую на этот контур.

Знак «минус» в формуле отражает правило Ленца, названное так по имени русского физика Э. Х. Ленца:

Индукционный ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре, имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток.

Для катушки, находящейся в переменном магнитном поле, закон Фарадея можно записать следующим образом:

где

 — электродвижущая сила,

 — число витков,

 — магнитный поток через один виток,

 — потокосцепление катушки.

Явление самоиндукции- это явление возникновения ЭДС самоиндукции при изменении силы тока в проводнике.

Индуктивность- это характеристика проводника определяющая его инерционные св-ва при пропускании тока.

Электродвижущая сила (ЭДС) — скалярная физическая величина, характеризующая работу сторонних (непотенциальных) сил в источниках постоянного или переменного тока. В замкнутом проводящем контуре ЭДС равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль контура.

ЭДС можно выразить через напряжённость электрического поля сторонних сил ( ). В замкнутом контуре ( ) тогда ЭДС будет равна:

, где  — элемент длины контура.

ЭДС так же, как и напряжение, измеряется в вольтах. Можно говорить об электродвижущей силе на любом участке цепи. Это удельная работа сторонних сил не во всем контуре, а только на данном участке. ЭДС гальванического элемента есть работа сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда внутри элемента от одного полюса к другому. Работа сторонних сил не может быть выражена через разность потенциалов, так как сторонние силы непотенциальны и их работа зависит от формы траектории. Так, например, работа сторонних сил при перемещении заряда между клеммами тока вне самого источника равна нулю.

§ 46. Взаимоиндукция

Е сли две катушки находятся на некото­ром расстоянии друг от друга и по одной из них К₁ проходит изменяющийся ток, то часть магнитного потока, возбуждаемого этим током, пронизывает (пересекает) вит­ки второй катушки К₂ и в ней возникает э. д. с, называемая э. д. с. взаимоиндукции (рис. 44).

Под действием э. д. с. взаимоиндукции в замкнутой цепи второй катушки возникает электрический ток взаимоиндукции. Он вы­зывает появление магнитного поля, которое пронизывает витки первой катушки, в ре­зультате чего в ней также возникает э. д. с. взаимоиндукции. Такое явление называется взаимоиндукцией.

Величина э. д. с. взаимоиндукции, возни­кающей во второй катушке, зависит от размеров, расположения катушек, магнитной проницаемости их сердечника, а также от скорости изменения силы тока     в первой ка­тушке. Эту зависимость можно выразить формулой.

где ∆I — изменение силы тока (а) за время ∆t, сек;

М — величина, зависящая от размеров катушек, их расположения и магнитной проницаемости среды между катушками. Она, называется взаимной индуктивностью и измеряется  в генри (гн).

Знак минус в этой формуле показывает, что э. д. с. взаимоиндукции противодействует причине, вызывающей ее.

Взаимной  индуктивностью  в   1   гн обладают  две  цепи  в  том  случае, если в одной из них возникает э. д. с. взаимоиндукции в 1 в при равномерном изменении тока в другой цепи со скоростью 1 а в 1 сек.

На использовании явления взаимоиндукции основано действий трансформаторов.

Индуктивность взаимная Индуктивность взаимная, величина, характеризующая магнитную связь двух или более электрических цепей (контуров). Если имеется два проводящих контура (1 и 2, см. рис.), то часть линий магнитной индукции, создаваемых током в первом контуре, будет пронизывать площадь, ограниченную вторым контуром (т. е. будет сцеплена с контуром 2)

36.

Экспериментальные исследования показали, что все вещества в большей или меньшей степени обладают магнитными свойствами. Если два витка с токами поместить в какую-либо среду, то сила магнитного взаимодействия между токами изменяется. Этот опыт показывает, что индукция магнитного поля, создаваемого электрическими токами в веществе, отличается от индукции магнитного поля, создаваемого теми же токами в вакууме. Физическая величина, показывающая, во сколько раз индукция   магнитного поля в однородной среде отличается по модулю от индукции магнитного поля в вакууме, называется магнитной проницаемостью:

МОМЕНТЫ АТОМОВ И ЯДЕР

Термин "момент" применительно к атомам и атомным ядрам может означать следующее: 1) спиновый момент, или спин, 2) магнитный дипольный момент, 3) электрический квадрупольный момент, 4) прочие электрические и магнитные моменты. Различные типы моментов по отдельности рассматриваются ниже. Существование у атома момента импульса и магнитного момента следовало из теории Н. Бора (1913) и подтверждалось обнаруженным еще в 1896 П.Зееманом влиянием магнитных полей на спектральные линии атома. Прямое измерение относительного магнитного момента атома было выполнено впервые в 1922 О.Штерном и В.Герлахом, которые наблюдали расщепление пучка атомов серебра в неоднородном магнитном поле. Первым предположение о существовании спина и магнитного момента у атомного ядра высказал в 1924 В.Паули при попытке объяснить сверхтонкую структуру спектральных линий. В 1925 Д.Уленбек и С.Гаудсмит на основе данных о тонкой структуре спектральных линий сделали вывод о том, что у электрона должны существовать спин и магнитный момент. Первое доказательство существования у ядра электрического квадрупольного момента было получено Х.Шюлером и Т.Шмидтом в 1935. Многочисленные измерения ядерных моментов были выполнены О.Штерном и И.Раби с сотрудниками, исследовавшими спектральные линии методом молекулярных пучков. Затем в 1937 и 1946 эти измерения продолжили И.Раби, Н.Рамзей, Э.Парселл, Ф.Блох и другие исследователи с помощью разработанных ими методов радиочастотного резонанса, потом - парамагнитного резонанса, а еще позднее - методами микроволновой и лазерной спектроскопии.

Намагниченность — векторная физическая величина, характеризующая магнитное состояние макроскопического физического тела. Обозначается обычно М или J. Определяется как магнитный момент единицы объёма вещества:

 

Все существующие в природе вещества по своим магнитным свойствам подразделяются на пять видов магнетиков: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики (ферриты). В связи с тем что магнитную активность проявляют все вещества без исключения, можно утверждать, что магнитные свойства веществ определяются элементарными частицами, входящими в состав каждого атома. Такими одинаковыми для всех веществ частицами являются электроны, протоны и нейтроны. Исследования показали, что магнитные моменты протона и нейтрона почти на три порядка ниже наименьшего магнитного момента электрона, поэтому в первом приближении можно пренебречь магнитным моментом ядра, состоящего из протонов и нейтронов, и полагать, что магнитные свойства атома в целом определяются электронами. Это положение является фундаментальным в электронной теории магнетизма, которая общепринята в учении о магнетизме.

24.1. Диамагнетизм. Парамагнетизм

В зависимости от  численного  значения все вещества можно поделить на три

группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Как уже отмечалось,

вещества, для которых

1

, называются диамагнетиками. К ним относятся вис-

мут, медь, ртуть, серебро, золото, хлор, инертные газы и др.

Стержень из твердого диамагнетика или ампула с жидким (газообразным)

диамагнетиком, помещеные в однородное магнитное поле, устанавливаются пер-

пендикулярно линиям индукции поля. В неоднородном магнитном поле на

диамагнетик действует сила, которая стремится вытолкнуть его за пределы поля.

Относительная магнитная проницаемость диамагнетика является величиной

постоянной и не зависит ни от индукции внешнего магнитного поля

0

B , ни от ус-

ловий внешней среды (например, температуры, давления и др.). Поэтому зависимость индукции магнитного поля в диамагнетике от внешнего магнитного  поля  является линейной (рис. 24.1).

Диамагнетизм свойственен всем без исключения веществам, но проявляется он только в тех веществах, суммарный магнитный момент атомов которых равен нулю. Если такое вещество внести во внешнее магнитное поле, то на собственное движение электронов в атомах накладывается дополнительное движение, вызванное полем. В результате этого в каждом из атомов диамагнетика индуцируется дополнительный ток, магнитное поле которого в соответствии с правилом Ленца направлено против внешнего поля. Поэтому индукция результирующего магнитного поля в диамагнетике B равна разности индукции внешнего поля

0

B и внутреннего поля

B :

0

B

B

B

.

При выключении внешнего магнитного поля индукционные атомные токи

исчезают, т. е. диамагнетик размагничивается.

Вещества, относительная магнитная проницаемость которых

1

, называются парамагнетиками. К ним, в частности, отно-

сятся натрий, калий, магний, кальций, марганец, платина,

растворы некоторых солей и др.

Образец парамагнетика в однородном внешнем магнитном

поле устанавливается вдоль линий индукции этого поля. В не-

однородном магнитном поле на парамагнетик действует сила,

Рис. 24.которая стремится втянуть его в область более сильного поля. От-

носительная

магнитная

проницаемость

парамагнетиков,

как

и диамагнетиков, не зависит от внешнего магнитного поля. По-

этому зависимость индукции магнитного поля парамагнетика от

внешнего магнитного поля также является линейной (рис. 24.2).

Парамагнетиками являются вещества, орбитальные магнитные

моменты атомов которых отличаются от нуля, а спиновые маг-

нитные моменты атомов равны нулю. Под действием внешнего

магнитного поля орбитальные магнитные моменты атомов парамагнетика ориен-

тируются в направлении этого поля. Поэтому внутреннее магнитное поле

парамагнетика, обусловленное атомными токами, направлены в ту же сторону,

что и внешнее намагниченное поле. По этой причине индукция магнитного поля

в парамагнетике

0

B

B

B

. Поскольку тепловое движение атомов мешает ори-

ентации их магнитных моментов в направлении внешнего поля, то относительная

магнитная проницаемость парамагнетиков уменьшается с увеличением темпера-

туры. Французкий физик П. Кюри (1859-1906) устанавил, что зависимость

относительной магнитной проницаемости парамагнетиков от температуры T под-

чиняются закону

1

T

,

(24.1)

где C - постоянная Кюри.

24.2. Ферромагнетики

Ферромагнетики - это вещества с большим значением относительной магнит-

ной проницаемости:

1

. К ним относится небольшая группа кристаллических

твердых тел таких, как железо, кобальт, никель, некоторые редкоземельные эле-

менты, а также ряд сплавов. Специально озданные сплавы, для которых

составляет десятки тысяч единиц, называют ферритами. Свойства ферромагне-

тиков определяются наличием в них при отсутствии внешнего поля областей

самопроизвольной (спонтанной) намагниченности - доменов.

Если в пара- и диамагнетиках намагниченность изменя-

ется с увеличением напряженности поля линейно, то в фер-

ромагнетиках эта зависимость более сложная (рис. 24.3).

Уже при напряженности поля порядка 100 А/м намагни-

чивание достигает насыщения.

Для ферромагнетиков характерно явление гистерезиса.

Если ненамагниченный ферромагнетик поместить во внеш-

нее магнитное поле, которое последовательно будем увели-

чивать от нуля до

H , то зависимость

B

f H

выразкривой ОА (рис. 24.4), которая называется первоначальной

или основной кривой намагничивания.

Если намагничивание довести до насыщения (точка А,

рис. 24.4), а после этого уменьшать напряженность магнит-

ного поля, то изменение магнитной индукции B будет

происходить по кривой АD, которая не совпадает с АО. При

0

H

магнитная индукция имеет значение ОD, которое на-

зывается остаточной индукцией

B

. Для того чтобы

индукция B стала равна нулю, необходимо приложить поле

противоположного направления напряженностью

H . Это

значение напряженности называется коэрцитивным полем.

При дальнейшем увеличении напряженности поля до

H

ферромагнетик на-

магнитится в противоположном направлении до насыщения (

B

). Если

напряженность поля снова уменьшить до нуля, будем наблюдать остаточную ин-

дукцию (

B

). При дальнейшем увеличении H индукция снова достигнет

значения

B . Замкнутая кривая

B

f H

называется петлей гистерезиса. Если

ферромагнетик поместить в переменное магнитное поле, то изменение магнитной

индукции будет происходить в соответствии с петлей гистерезиса. Размеры петли

гистерезиса зависят от того, в каких пределах изменяется H. Если значения H та-

кие, что возникает насыщение, площадь петли гистерезиса будет максимальной.

При меньших значениях амплитуды колебаний H насыщения не происходит. Пет-

ля гистерезиса, которая при этом возникнет, называется частным циклом.

Вершины частных циклов располагаются на основной кривой намагничивания

(кривая ОА, рис. 24.4). Магнитная проницаемость ферромагнитика выражается

формулой

0

B

H

.

(24.2)

Однако по причине того, что между B и H связь неоднозначная, понятие маг-

нитной проницаемости применяют только для основной кривой намагничивания.

Поскольку

основная

кривая

намагничивания

ОА

(рис. 24.4) не является прямой линией, то магнитная прони-

цаемость зависит от напряженности поля H

f H

(рис. 24.5).

Для каждого ферромагнетика существует определенная

температура - точка Кюри (

T ), выше которой вещество

теряет ферромагнитные свойства и переходит в парамаг-

нитное состояние. Зависимость относительной магнитной

Рис. 24.4

проницаемости ферромагнетика от температуры в окрестности точки Кюри

описывается законом Кюри-Вейсса:

T

T

,

(24.3)

где С - постоянная Кюри-Вейсса. П. Вейсс (1865-1940) - французский физик,

разработчик феноменологической теории ферромагнетизма.

Основы

теории

ферромагнитизма

разработаны

русским

физиком

Я.И. Френкелем (1894-1952) и немецким физиком В. Гейзенбергом (1901-1976).

Они показали, что магнитные свойства ферромагнетиков обусловлены спиновыми

магнитными моментами электронов, что приводит к возникновению в кристаллах

микроскопических областей - доменов. Магнитные поля всех доменов в кри-

сталле ориентированы хаотично, поэтому в отсутствие внешнего магнитного поля

кристалл в целом не намагничен.

Если образец ферромагнетика поместить во внешнее магнитное поле, то

размеры доменов, магнитные моменты которых ориентированы вдоль поля,

увеличиваются из-за смещения их границ. В результате этого в ферромагнетике

возникает сильное внутренне поле индукция которого

B

совпадает по

направлению с индукцией внешнего поля

0

B

. Так как

0

B

B

, то образец остает-

ся намагниченным после снятия внешнего поля. Остаточная намагниченность

различных ферромагнетиков неодинакова. Магнитомягкие ферромагнетики, оста-

точная намагниченность которых невелика, используют в качестве сердечников

трансформаторов и электромагнитов, а также носителей для записи и хранения

информации (аудио, видео, ЭВМ). Магнитожесткие ферромагнетики с большой

остаточной намагниченностью используют в качестве постоянных магнитов

Гистере́зис (греч. ὑστέρησις — отстающий) — свойство систем (физических, биологических и т. д.), мгновенный отклик которых на приложенные к ним воздействия зависит в том числе и от их текущего состояния, а поведение системы на интервале времени во многом определяется её предысторией. Для гистерезиса характерно явление "насыщения", а также неодинаковость траекторий между крайними состояниями (отсюда наличие остроугольной петли на графиках). Не следует путать это понятие с инерционностью поведения систем, которое обозначает монотонное сопротивление системы изменению её состояния.

Точка Кюри, или температура Кюри, — температура фазового перехода II рода, связанного со скачкообразным изменением свойств симметрии вещества (например, магнитной — в ферромагнетиках, электрической — в сегнетоэлектриках, кристаллохимической — в упорядоченных сплавах). Названа по имени П. Кюри. При температуре ниже точки Кюри ферромагнетики обладают самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью и определённой магнитно-кристаллической симметрией. В точке Кюри ( ) интенсивность теплового движения атомов ферромагнетика оказывается достаточной для разрушения его самопроизвольной намагниченности («магнитного порядка») и изменения симметрии, в результате ферромагнетик становится парамагнетиком. Аналогично у антиферромагнетиков при (в так называемой антиферромагнитной точке Кюри или точке Нееля) происходит разрушение характерной для них магнитной структуры (магнитных подрешёток), и антиферромагнетики становятся парамагнетиками. В сегнетоэлектриках и антисегнетоэлектриках при тепловое движение атомов сводит к нулю самопроизвольную упорядоченную ориентацию электрических диполей элементарных ячеек кристаллической решётки. В упорядоченных сплавах в точке Кюри (её называют в случае сплавов также точкой Курнакова) степень дальнего порядка в расположении атомов (ионов) компонентов сплава становится равной нулю.

Таким образом, во всех случаях фазовых переходов II рода (типа точки Кюри) при в веществе происходит исчезновение того или иного вида атомного «порядка» (упорядоченной ориентации магнитных или электрических моментов, дальнего порядка в распределении атомов по узлам кристаллической решётки в сплавах и т. п.). Вблизи точки Кюри в веществе происходят специфические изменения многих физических свойств (например, теплоёмкости, магнитной восприимчивости и др.), достигающие максимума при , что обычно и используется для точного определения температуры фазового перехода.

Численные значения температуры Кюри приводятся в специальных справочниках.

37.