Закон Ампера
Как было отмечено ранее магнитное поле действует на проводник с током с некоторой силой.
Эту силу называют силой Ампера.
Закон Ампера: На прямолинейный отрезок проводника с током I длиной L, помещенный в однородное магнитное поле с индукцией В, действует сила Ампера, модуль которой равен
Fa = B I L Sin() (3.7)
где - угол между направлением В и направлением силы тока.
Учитывая, что В sin() = B получаем
Fa = B I L (3.8)
Из данной формулы следует, что на проводник с током действует только перпендикулярная составляющая вектора магнитной индукции.
Направление силы Ампера находят по правилу левой руки: Если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная составляющая вектора магнитной индукции входила в ладонь и четыре пальца располагались по направлению тока, то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление силы Ампера. Таким образом, все три перечисленных вектора перпендикулярны друг другу.
Замечание: формулы для силы Ампера в случае неоднородного магнитного поля можно применять к участкам проводника достаточно малой длины.
Сила Лоренца
На движущийся в магнитном поле электрический заряд, действует сила которая называется силой Лоренца.
Fл = q V B Sin() (3.9)
где - угол между направлением вектора магнитной индукции и направлением скорости.
Сила Лоренца всегда действует на движущийся заряд в направлении, перпендикулярном V и B.
Направление силы Лоренца находится по правилу левой руки в предположении, что движение одного положительного заряда эквивалентно некоторому элементарному току. Если движется отрицательная частица, тогда для применения правила необходимо умозрительно изменить направление скорости на противоположное или применить правило правой руки.
Замечание: Силу Ампера можно считать равнодействующей силы Лоренца на малом участке проводника, поэтому как формулу силы Лоренца можно вывести из формулы силы Ампера, так и наоборот.
Задание: Получите формулу (3.9) из формулы для силы Ампера.
Если частица влетает в магнитное поле под некоторым углом, то она будет двигаться по винтовой линии.
Магнитное поле в веществе
Различные вещества по разному влияют на внешнее магнитное поле. Степень этого влияния определяется посредством физической величины - магнитной проницаемости.
= (3.10)
где В - магнитное поле в данном веществе
Во - магнитное поле в отсутствии данного вещества (в вакууме)
Различное поведение веществ в магнитном поле возможно благодаря двум обстоятельствам
1) В атоме любого вещества вокруг ядра вращаются электроны, которые можно считать элементарными токами, создающими свое собственное магнитное поле.
2) Каждый электрон обладает так называемым спиновым магнитным полем. В очень грубом приближении можно представить, что электрон вращается и поэтому создается магнитное поле вследствие этого вращения.
Замечание: На самом деле говорить о вращении электрона бессмысленно. Это квантовый объект с очень необычными свойствами, которые представить с позиций классической механики невозможно. Поэтому лучше просто помнить, что у отдельного электрона существует свое собственное магнитное поле.
ферромагнетики - вещества значительно увеличивающие магнитное поле. = 10 - 1000
(железо, никель, электро техническая сталь)
Природа: Внутри ферромагнетиков существуют намагниченные области протяженностью порядка 0.001 см. Эти области называют доменами. В различных доменах магнитное поле имеет различное направление так, что суммарное поле ферромагнетика равно нулю.
При внесении во внешнее магнитное поле доменов меняет направление таким образом, что суммарное поле увеличивается. Ясно, что при увеличении внешнего поля растет и суммарное, но это справедливо лишь до определенного значения внешнего поля. При этом значении все домены располагаются в направлении внешнего поля, поэтому дальнейшее увеличение внешнего поля не приведет к увеличению поля внутри - наступает магнитное насыщение.
Магнитная проницаемость ферромагнетика не является постоянной величиной, что следует из анализа кривой намагниченности (петля гистерезиса).
При увеличении внешнего поля Во поле В внутри вещества начинает увеличиваться (не линейно).
При определенном значении внешнего поля Воs наступает магнитное насыщение (при дальнейшем увеличении Во магнитное поле внутри будет оставаться величиной неизменной).
Если поменять направление внешнего поля, то материал начнет размагничиваться, но и при отсутствии внешнего поля размагничивания поле внутри не исчезает - остаточная намагниченность.
Полностью размагнитить материал возможно лишь при определенной величине внешнего поля. Далее процесс будет повторяться поменяется лишь направление магнитного поля внутри ферромагнетика.
парамагнетики - это вещества слабо намагничивающиеся в направлении внешнего поля. = 1,00036 - для платины.
Природа: магнитные поля электронов в атомах скомпенсированы не полностью и атом в целом оказывается подобным постоянному магниту. При внесении во внешнее магнитное поле они изменяют ориентацию, при этом очень слабо увеличивая его.
диамагнетики - вещества слабо намагничивающиеся во внешнем магнитном поле в направлении противоположном индукции внешнего поля, т.е. ослабляют его.
У самого сильного диамагнетика (висмут) = 0,999824
Природа: магнитные поля электронов в атоме полностью скомпенсированы (в отсутствии внешнего поля своего собственного диамагнетик не имеет). Под действием внешнего магнитного поля компенсация орбитальных магнитных полей нарушается. При этом индукция орбитального магнитного поля оказывается направленной против индукции внешнего поля. Происходит его ослабление. По этой причине диамагнетики выталкиваются из магнитного поля.