Магнетизм

Магнит өрісі. Параллель тоқтар өзара әрекеттері.

Магнит өрісі деп – электр өрісінің маңындағы өрісті айтамыз. Магнит өрісі электр тоғын тудыратын өріс. Магнит өрісінің бағыты тоқтың бағытымен бағыттас. Электрөрісі магнит өрісінің тудыра алатын қасиеті бар. Осы қасиетті магнитті қозғаушы күш деп атайды. F = I × (А)

Халықаралық бірліктер жүйесінде магнитті қозғаушы күш тоқ күшіне тең F=I.

w–(омега) – өлшем бірлік болмайды. Катушкадағы оралған сымның саны. Магнит өрістері магниттік күш сызықтары арқылы білінеді. Магниттік күш сызықтардың өткізгіштің бірлік ұзындығынан өтетін магнит өрісінің кернеулігі деп аталады.

H = F/L (A/M) F- магнитті қозғаушы күш L- ұзындық (м)

Магнит өрісін сан жағынан сипатайтын шама магнит индукциясы деп аталады.

B =  µ _a ×H(1)

µ_а= µ×µ_о(2)

µ – ортанық магттік өтімділігі

µ_о –магниттік тұрақты.

µ_о=4

Магнит индукциясының беттік өріс ауданында көбеюуі магнит ағыны деп аталады. Ф – магнит ағыны.

Ф=B*S (Вб)(3)

B=Ф/S (Тл)(4)

Тоғы бар өткізгіш магнит өрісіне перпендикуляр орналаса онда оған әсер ететін күште перпендикуляр болады және тоқ күшіне, өткізгіш ұзындығына және магнит индукциясына тура пропорцинал болады.

F = I×B×L(5)

F –өткізгішке әсер ететін күш

B –магнит индукциясы

I - тоқ күші

Параллель өткізгіштердің өзара әсері. Тоқ өткен өткізгіштердің өзара әсері яғни, қозғалыстағы электр зарядтарының арасындағы өзара әсерлесуі магниттік өзара әсерлесуі деп аталады. Тоқ өткен өткізгіштердің бір – біріне әсер ету күші магниттік күштер деп аталады. Егер параллель өткізгіштер немесе параллель тоқтар таңбасы бірдей болатын болса бұл тоқтар бір – біріне тартылады.

Егер параллель өткізгіш немесе параллель полюстері әр түрлі болатын болса онда тоқтар бір – бірінен тебіледі. Осы зңды ампер заңы деп атайды.

Параллель тоқтарды өзара әсерлесуінің магниттік күші мына формуламен анықталады:

F = (6)

I₁ – бірінші өткізгіштік тоқ күші

I₂ – екінші өткізгіштік тоқ күші

r – өткізгіштің бір – бірімен арақашықтығы

L – өткізгіш ұзындығы

 

Бақылау сұрақтары

1.      Магнит өрісі деген не?

2.      Қандай шамалармен анықталады?

3.      Магнит ағыны деген не?

Лоренц күші. Ампер күші.

Ампер күші – доға тәріздес магниттің ортасына өткізгіш сымды орналастырамыз.

Ампер күші магнитке қарсы бағытталады.

Ампер күшінің бағыты сол қол ережесі бойынша анықталады.

Лоренц күші өткізгіштің бойымен ағып жатқан зарядқа магнит өрісі тарапынан әсер ететін күшті айтамыз. Лоренц күшінің формуласы мынандай:

F_л= B ××q*(7)

F_лмах= B ××q(8)

Манетиктер дегеніміз – магинт өрісінің әсерінен  магниттелетін заттарды айтамыз. Бұл заттар магнит өрісін күшейту мүмкін немесе бәсеңдету мүмкін. Магнетиктердің мынандай түрлері бар:

1.                  Парамагнетиктер

2.                  Диамагнетиктер

3.                  Ферромагнетиктер

Парамагнетиктер дегеніміз – магнит өтімділігі µо магнит тұрақтысынан шамалы түрде көптеу болатын заттарды айтамыз: µ ≥1 .

Мысалы: маргенец µ = 1,0038

Алюиний µ = 1,000023

Азот µ = 1, 0000 000 13

Диамагнетиктер дегеніміз магнит өтімділігі ммагниттік тұрақтыдан шамалы аз болатын заттарды айтамыз. Бұларға жататындар (µ≤ 1)

Мысалы: Висмут µ= 0,999824

Кремний µ = 0,999837

Су µ = 0,999991

Сутегі  µ = 0,9999 99937

Ферромагнетиктер дегеніміз – магнит өтімділігі  µо көптеген есе үлкен заттарды айтамыз. Оларға темір, болат, шойын, никель, кобальт және магнитті металлдардың ертінділері жатады. (µ≥1)

 

Бақылау сұрақтаы

1.            Лоренц күші деген не?

2.            Ампер күші деген не?

3.            Бұл екі күш қандай ереже бойынша анықталады?

Электромагниттік индукция. Ленц ережесі. Өзіндік индукция. Фуко тоқтары.

 Жоғарыдағы келтiрiлген Х.Эрстед тәжiрибесi электр тогы өзiнiң маңындағы кеңiстiкте магнит өрiсiн туғызатындығын дәлелдейдi. Бұл дерек, өз кезегiнде электр және магнит өрiстерiнiң арасында қандай да бiр байланыс бар екенiне нұсқағандай. Осымен байланысты мынадай заңды сауал туындылайды: «керiсiнше, магнит өрiсi электр тогын туғыза ала ма?». Бұл сауалдың жауабын 1831 жылы ағылшын ғалымы М.Фарадей бердi. Фарадей тәжiрибесi өткiзгiштiң тұйық контурын тесiп өтетiн магнит ағыны өзгерген кезде ол өткiзгiште электр тогы пайда болатынын көрсеттi. Физика мен техниканың одан арғы дамуында үлкен роль атқарған бұл құбылыс электромагниттiк индукция құбылысы деп, ал сәйкес контурда пайда болған ток индукциялық ток деп аталды. Электромагниттiк индукция құбылысы кезiнде тұйық контурда индукциялық токтың тууы бұл тiзбекте осы токты туғызатын индукция электр қозғаушы күшiнiң (ЭҚК) пайда болатындығының дәлелi. Электромагниттiк индукция заңы осы индукция ЭҚК-iнiң мәнiнiң неге байланысты болатындығын анықтайды. Бұл заңға сәйкес тұйық контурда пайда болатын индукция ЭҚК-i ε_i, сол тұйық контурмен қоршаған беттi тесiп өтетiн магнит ағынының өзгеру жылдамдығының терiс таңбамен алынған мәнiне тең, яғни

Бұл өрнектен контурды тесiп өтетiн магнит ағыны неғұрылым тез өзгерсе (артса немесе кемiсе) соғұрылым индукция ЭҚК-нiң модулi де үлкен болатындығы көрiнiп тұр.

Ал электромагниттiк индукция құбылысы кезiнде контурда пайда болатын индукциялық токтың бағыты жөнiнде не айтуға болады ? Бұл токтың бағытын анықтауға мүмкiндiк беретiн жалпы ереженi 1833 жылы Э.Ленц ашқан. Осы ғалымның құрметiне Ленц ережесi деп аталған бұл тұжырым мынадай :Кез келген ток тәрiздi тұйық контурда пайда болатын индукциялық ток та өзiнiң маңында магнит өрiсiн туғызады. Индукциялық ток, әрқашанда өзi тудырып тұрған магнит өрiсi, сол токты тудырып тұрған магнит ағынының кез келген өзгерiсiне кедергi жасайтындай болып бағытталады. Электромагниттiк индукция заңының (1.4) өрнегiндегi минус таңбасы осы Ленц ережесiмен байланысты.

Ленц ережесi электромагниттiк құбылыстардағы энергияның сақталу заңының салдары болып табылады. Мұны тұйық және тұйық емес (үзiгi бар) сақиналармен жасаған тәжiрибе айқын көрсетедi.

Индукциялық токтың энергиясы өз кезегiнде өткiзгiштердi қыздыруға жұмсалуы, қозғалатын әртүрлi механизмдердiң механикалық энергиясына айналуы және энергияның басқа түрлерiне ауысуы мүмкiн.

Өздiк индукция құбылысы. Индуктивтiлiк.

Катушка арқылы өтiп жатқан токтың шамасы өзгерсе, онда ол катушканың маңындағы магнит өрiсiнiң ағыны да өзгередi. Ал, өз кезегiнде бұл өзгерген магнит ағыны электромагниттiк индукция құбылысына сәйкес катушкада қайтадан индукциялық ЭҚК-iн туғызады. Осылай, тiзбектегi токтың өзгеруiнен осы тiзбектiң өзiнде қайтадан индукциялық ЭҚК-нiң пайда болуы өздiк индукция құбылысы деп аталады.

Өткiзгiш арқылы өтiп жатқан ток туғызып отырған магнит өрiсiнiң ағыны Ф_s сол өрiстiң магнит индукциясына пропорционал, ал магнит индукциясы өз кезегiнде тiзбектегi ток күшiнен тәуелдi, олай болса, өздiк индукция магнит ағыны сол өткiзгiштiң өзiндегi ток күшiне тура пропорционал, яғни Ф_s~I. Контурдың пiшiнiнен және ортаның магниттiк қасиеттерiнен тәуелдi болатын пропорционалдық коэффициентi L деп белгiлеп, индуктивтiлiк немесе өздiк индукция коэффициентi деп атайды. Онда

Ф_s = L·I                  (1)

 

Мұндағы L – дiң бiрлiгi ретiнде 1А ток өткенде 1 Вб магнит ағынын туғызатын контурдың индуктивтiлiгi алынады. Оны 1 Генри (Гн) деп атайды. Яғни, 1 Гн = 1 Вб/А.

Ленц ережесi бойынша индукциялық ЭҚК-i тiзбектегi токтың арту сәтiнде оның өсуiне, ал төмендеу сәтiнде оның кемуiне кедергi жасайды. Осы тұрғыдан алғанда өздiк индукция құбылысы механикадағы заттардың инерттiлiк қасиетiмен, ал индуктивтiлiк сәйкес инерттi массамен баламалы. Фарадейдiң электромагниттiк индукция заңы өздiк индукция құбылысы үшiн де орынды. Яғни, өздiк индукция ЭҚК-i өздiк индукция магнит ағынының өзгерiсi түрiнде мына өрнекпен анықталады

(2)

Өздiк индукция құбылысын индуктивтiлiгi үлкен катушкадан, резистордан және қыздыру лампаларынан тұратын тiзбекпен жасалған тәжiрибе айқын көрсетедi

Магниттiк өрiстiң энергиясы. Магнит өрiсi энергиясының тығыздығы

Электр тiзбегiн ток көзiне қосқан кезде контурдағы токтың мәнi нөлден бастап артып, өзiнiң қандай да бiр I – ге тең тұрақты мәнiне жеткенше, токтың осы өзгерiсiнен пайда болатын өздiк индукция ЭҚК-iн жеңуге қарсы жұмыс жасалынуы тиiс. Энергияның сақталу заңына сәйкес бұл жасалынған жұмыс энергияның басқа түрiне, яғни осы тұйық контурдың магнит өрiсiнiң энергиясына айналады. Бұл үрдiс механикада жұмыс iстей отырып массасы m – ға тең денеге v – ға тең жылдамдық бергенге ұқсас. Бұл жағдайда дене mυ²/2-ге тең кинетикалық энергияға ие болатыны белгiлi. Осы ұқсастықты пайдалана отырып бiздiң жағдайымыздағы энергияның өрнегiн мына түрде жазуға болады

                 (3)

Бұл өрнекте энергияның мәнi индуктивтiлiк және тiзбектегi ток арқылы анықталған. Бiрақ бұл магнит өрiсiнiң энергиясы болғандықтан оны тiкелей осы өрiстi сипаттайтын шамалар арқылы да жазуға болады. Ол үшiн өрiс туғызып тұрған контурды ұзындығы аса үлкен катушка деп есептесек, өрiстiң бүкiл энергиясы сол катушканың iшiне жинақталады Ал катушка индуктивiгiнiң L=μμ₀n²Sℓ және магнит өрiсi индукциясының B=μμ₀In екенiн.  Мұндағы μ-ортаның магниттiк өтiмдiлiгi, μ₀- магнит тұрақтысы, S- катушканың көлденең қимасының ауданы, ℓ-катушканың ұзындығы. Ал S·ℓ=V катушканың көлемi. Дербес жағдайда аса ұзын катушканың магнит өрiсi үшiн алынған осы өрнек өзін қандай токтардың туғызып тұрғанынан байланыссыз кез-келген магнит өрiсi үшiн де орынды болады.

Энергияның сақталу заңына сәйкес, тiзбектегi ток нөлге дейiн кемiген кезде өрiстегi жинақталған энергия қайта бөлiнiп шығады. Оны индуктивтi катушканы ток көзiнен ажыратқан кезде онымен параллель жалғанған шамның жылт етiп жанып өшкенiнен байқауға болады.

 

Бақылау сұрақтары

1.      Электромагниттік индукция деген не?

2.      Өзіндік индікция деген не?

3.      Ленц ережесінің айтылуы?