15. Самоиндукция и взаимоиндукция. Индуктивность контура.
Вокруг всякого проводника с током существует магнитное поле. Если по замкнутому контуру течет ток, то контур с током окажется в собственном магнитном поле (рис. 4.41). Собственное магнитное поле тока в контуре создает магнитный поток сквозь площадь поверхности, ограниченной контуром. Этот магнитный поток Ф пропорционален силе тока I (Ф ~ В ~ Г) в контуре:
где коэффициент пропорциональности L называется индуктивностью
контура.
Единица индуктивности: генри (Гн).
Индуктивность зависит от геометрической формы и размеров контура, а также магнитной проницаемости той среды, где он находится.
При изменении тока в контуре меняется и собственный магнитный поток сквозь поверхность, ограниченную этим контуром. Возникает явление электромагнитной индукции, которое в данном случае приводит к возбуждению ЭДС индукции в контуре, называемой ЭДС самоиндукции.
Энергия магнитного поля.
Магнитное поле в веществе.
Чем создается магнитное поле
Парамагнетики и диамагнетики
Ферромагнетики
Магнитная проницаемость
Чем создается магнитное поле постоянного магнита. Намагничивание
Чем создается постоянное магнитное поле
Исходя из исследований, выявлено, что любое вещество может обладать основными магнитными свойствами поля. При размещении двух витков с токами в определенную среду можно проследить за изменением между этими токами. Опыт говорит о том, что индукция магнитного поля, создаваемая ими же в веществе, отличается от магнитного поля, созданного в вакууме.
Чем создается магнитное поле
Определение 1
Физическая величина, которая показывает, во сколько раз индукция магнитного поля →BB→ однородной массы отличается от индукции магнитного поля в вакууме −→B0B0→, называют магнитной проницаемостью μ=BB0μ=BB0.
О наличии магнитных свойств веществ можно судить по магнитным свойствам атомов или элементарных частиц. У нейтронов и протонов они в 10001000 раз слабее, поэтому свойства определяют электронами. Важное свойство электрона – наличие электрического и собственного магнитного полей.
Определение 2
Собственное магнитное поле электрона получило название спинового (spin – вращение).
Создание магнитного поля электрона проходит за счет движения частиц по орбите вокруг ядра. Это явления сравнивается с круговым микротоком. Благодаря этому спиновые и магнитные поля отличаются большим количеством магнитных свойств.
Парамагнетики и диамагнетики
Каждое из веществ имеет ряд слабовыраженных и сильновыраженных отличительных характеристик.
Определение 3
Слабо-магнитные делят на парамагнетиков и диамагнетиков. Их отличие состоит в том, что при намагничивании магнитное поле первых направляется к внешнему полю, а поле вторых – против.
Отсюда следует, что парамагнетики μ>1μ>1, а диамагнетики μ<1μ<1.
Пример 1
При
рассматривании алюминия имеем, что
μ–1≈2,1ċ10–5μ–1≈2,1ċ10–5,
хлористого железа (FeCl3) μ–1≈2,5
10–3(FeCl3)
μ–1≈2,5·10–3. К данному типу относят
платину и другие вещества. Из диамагнетиков
– медь (μ−1≈–3
10–6)(μ-1≈–3·10–6),
воду (μ–1≈–9
10–6)(μ–1≈–9·10–
6), висмут (μ–1≈–1,7
10–3)(μ–1≈–1,7·10–3).
При размещении веществ обоих типов в
неоднородном магнитном поле между
полюсами электромагнита получаем, что
парамагнетики втягиваются в область
сильного поля, а диамагнетики выталкиваются.
Подробно это изображено на рисунке
1.19.1.1.19.1.
Рисунок 1.19.1.1.19.1. Парамагнетик (1)(1) и диамагнетик (2)(2) в неоднородном магнитном поле. Наличие пара- или диамагнетизма обусловлено поведением орбит на внешнем магнитом поле. Диамагнитные вещества при отсутствии внешнего поля имеются собственные магнитные и создаваемые орбитальным движением электронов поля. Они считаются скомпенсированными.
Диамагнетизм связан с действием силы Лоренца на электронные орбиты. При ее воздействии происходит изменение характера орбитального движения электронов и нарушение компенсации магнитных полей. При этом возникает собственное магнитное поле и направляется против индукции внешнего.
Атомы парамагнитных веществ отличаются тем, что имеется неполная скомпенсированность электронов. Тогда атом находится в небольшом круговом токе. Если внешнее поле отсутствует, тогда микротоки произвольны, а суммарная индукция равняется нулю. При его ориентирующем действии миктротоки действуют таким образом, что поля имеют то же направление, что и индукция внешнего поля.
Так как существует тепловое движение атомов, ориентация микротоков не может быть полной. При усилении внешнего поля возрастает ориентационный эффект, тогда индукция собственного магнитного поля растет прямо пропорционально индукции внешнего. Полная индукция состоит из индукции внешнего и собственного магнитных полей, возникающих при намагничивании.
Намагничивание парамагнетиков сравнивают с поляризацией полярных диэлектриков. Аналога для диамагнетизма среди электрических свойств вещества не существует. Диамагнитные свойства присущи атомам любых веществ. Но они могут быть замаскированы с помощью парамагнитного эффекта. Еще в 18451845 г. М. Фарадеем было открыто явление диамагнетизма.
Ферромагнетики
Определение 4
Вещества, которые способны сильно намагничиваться в магнитном поле, называют ферромагнетиками.
Их магнитная проницаемость располагается в пределе 102–105102–105.
Пример 2
Если имеется сталь с μ≈8000μ≈8000, тогда сплав железа с никелем получит значение μ≈250000μ≈250000.
Данная группа рассматривает такие элементы, как железо, никель, кобальт, галодоний. Самая большая магнитная проницаемость имеется у железа, отсюда и название группы ферромагнетиками. Они могут относится к разным сплавам с ферромагнитными элементами. В технике применяют такие известные ферромагнитные материалы, как ферриты.
Для ферромагнетиков существует определенная температура (точка Кюри), превысив которую, вещества теряют свойства магнитного поля и становятся парамагнетиками. Для железа такая точка равняется 770770 градусам Цельсия, для кобальта 11301130 градусов, никеля 360360.
Определение 5
Ферромагнитные материалы делят на магнитно-мягкие и магнитно-жесткие.
Первые могут полностью размагничиваться при наличии нулевого внешнего магнитного поля. К таким веществам относят железо, электротехническую сталь и некоторые сплавы. Они применимы для приборов переменного тока с непрерывным перемагничиванием.
Вторые сохраняют намагниченность при удалении из магнитного поля. К таким металлам относят углеродистую сталь и специальные сплавы. Данные материалы актуальны для изготовления постоянных магнитов.
Магнитная проницаемость
Магнитная проницаемость μμ – величина непостоянная, причем зависит от индукции внешнего поля B0B0. Данная зависимость наглядно изображена на рисунке 1.19.2.1.19.2. Таблицы используются для приведения максимальных значений магнитной проницаемости.
Рисунок 1.19.2.1.19.2. Типичная зависимость магнитной проницаемости ферромагнетика от физики индукции внешнего магнитного поля в веществе.
Непостоянство магнитной проницаемости указывает на нелинейную зависимость индукции магнитного поля BB в ферромагнетике от B0B0 внешнего магнитного поля.
Определение 6
Характерная особенность намагничивания ферромагнетиков – гистерезис, то есть ее зависимость от предыстории образца.
На рисунке 1.19.31.19.3 наглядно представлена зависимость BB (B0)(B0) в виде кривой намагничивания с петлей сложной формы, называемой петлей гистерезиса.
Рисунок 1.19.3.1.19.3. Петля гистерезиса ферромагнетика. Стрелками указано направление процессов намагничивания и размагничивания ферромагнитного образца при изменении индукции B0B0 внешнего магнитного поля.
Чем создается магнитное поле постоянного магнита. Намагничивание
На вышеуказанном рисунке видно, что |B0|>B0sB0>B0s говорит о магнитном насыщении, то есть достижение максимальной намагниченности образца.
При уменьшении магнитной индукции B0B0 внешнего поля и доведения до нулевого значения ферромагнетик сохраняет остаточную намагниченность, тогда поле внутри образца будет равняться BrBr. Благодаря остаточной намагниченности создаются постоянные магниты.
Определение 7
Для полного размагничивания следует изменить знак внешнего поля и довести магнитную индукцию B0B0 до значения –B0cB0c, называемого коэрцитивной силой.
Продолжение процесса перемагничивания указывается с помощью стрелок, как обозначено на рисунке 1.19.3.1.19.3.
Определение 8
Значение коэрцитивной силы B0cB0c у мягко-магнитных материалов невелико, поэтому петля гистерезиса достаточно узкая. Если ее значение превышено, тогда имеется широкая петля. Эти материалы считаются магнитно-жесткими.
Ферромагнетизм можно понять только при использовании основ квантовых представлений. Его качество определяется наличием спиновых полей электронов.
Определение 9
В кристаллах могут создаваться такие условия, при которых взаимодействие спиновых магнитных полей становится энергетически выгодным по причине параллельного размещения. Тогда внутри кристалла возникают намагниченные области размерами 10–2–10–4 см10–2–10–4 см. Они получили название доменов, каждый из которых существует как отдельный магнит.
Чем создается постоянное магнитное поле
Определение 10
Если внешнее магнитное поле направления векторов индукции магнитных полей отсутствуют, тогда домены располагаются в хаотичном порядке. Данный кристалл получил название ненамагниченного.
При наложении внешнего магнитного поля −→B0B0→ образуется смещение границ доменов с их увеличением по внешнему полю. Увеличение индукции говорит о том, что произойдет возрастание индукции намагниченного вещества.
Определение 11
Когда внешнее поле достаточно сильное, то располагаемые в нем домены с совпадающим магнитным полем по направлению с внешним, поглощают остальные домены. Это называется магнитным насыщением.
Рисунок 1.19.41.19.4 явно показывает процесс намагничивания ферромагнитного образца.
Рисунок 1.19.4.1.19.4. Намагничивание ферромагнитного образца. (1) B0=0; (2) B0=B01; (3) B0=B02>B01(1) B0=0; (2) B0=B01; (3) B0=B02>B01.