Архив ZIP - WinRAR_1 / Fizika

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 = I´lS/l = I´V/l, где V – объем магнетика. Если P – магнитный момент магнетика объемом V, то намагниченность магнетика J

J = P/V = I´/l.

(5.10)

Сопоставляя (5.9) и (5.10), получим

B´= 0J

или в векторной форме

B´= 0J.

(5.11)

Подставив выражение для B0 и B в (5.11), получим

B = 0H + 0J = 0 (H + J).

(5.12)

Как показывает опыт, в несильных полях намагниченность прямо пропорциональна напряженности поля, вызывающего намагничивание, т. е.

J = H,

Подставив (5.15) в (5.14) придем к соотношению

B = 0H.

(5.16)

Основными характеристиками магнитных свойств веществ являются магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость . Вещества с отрицательными значениями магнитной восприимчивости: < 0 ( <

1)называют диамагнетиками. Вещества с небольшими, но

положительными значениями магнитной восприимчивости: > 0 ( >

1)называют парамагнетиками.

Кферромагнетикам относятся вещества, магнитная восприимчивость которых достигает очень больших значений

порядка 104–106 и сильно зависит от напряженности внешнего поля и от температуры.

37 Микроскопические плотности токов в намагниченном веществе чрезвычайно сложны и сильно изменяются даже в пределах одного атома. Но во многих практических задачах столь детальное описание является излишним, и нас интересуют средние магнитные поля, созданные большим числом атомов.

Как мы уже говорили, магнетики можно разделить на три основные группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Диамагнетизм (от греч. dia – расхождение и магнетизм) - свойство веществ намагничиваться навстречу приложенному магнитному полю.

Диамагнетиками называются вещества, магнитные моменты атомов которых в отсутствии внешнего поля равны нулю, т.к. магнитные моменты всех электронов атома взаимно скомпенсированы (например инертные газы, водород, азот, NaCl и др.).

При внесении диамагнитного вещества в магнитное поле его атомы приобретают

У диамагнетиков

Парамагнетизм (от греч. para – возле, рядом и магнетизм) - свойство веществ во внешнем магнитном поле намагничиваться в направлении этого поля, поэтому внутри парамагнетика к действию внешнего поля прибавляется действие наведенного внутреннего поля.

Парамагнетиками называются вещества, атомы которых имеют, в отсутствие внешнего магнитного поля, отличный от нуля магнитный момент .

Эти вещества намагничиваются в направлении вектора .

К парамагнетикам относятся многие щелочные металлы, кислород , оксид азота

NO, хлорное железо и др.

В отсутствие внешнего магнитного поля намагниченность парамагнетика , так как векторы разных атомов ориентированы беспорядочно.

МАГНИТНЫЙ ГИСТЕРЕЗИС Явление запаздывания изменения магнитной индукции в ферромагнетике относительно изменения

напряженности внешнего магнитного поля, приводящее к неоднозначной зависимости В от Н, называют магнитным гистерезисом.

Вследствие гистерезиса при убывании Н до нуля образец полностью не размагничивается. Значение Вос называют остаточной индукцией.

Чтобы полностью размагнитить образец, изменяют направление внешнего магнитного поля на противоположное. Тогда при определенной напряженности (точка - Нк) индукция В становится равной нулю.

Значение напряженности Нк внешнего магнитного поля, которое необходимо приложить к образцу для полного его размагничивания, называют коэрцитивной силой.

При дальнейшем увеличении Н образец вновь начинает намагничиваться (в противоположном направлении) до насыщения (точка С2).

При уменьшении внешнего магнитного поля до нуля опять обнаруживается существование в образце остаточной индукции (точка - Вос), а при последующем изменении направления внешнего поля на противоположное и увеличении его напряженности можно вновь полностью размагнитить образец (точка Нк).

39

40Электромагнитная индукция - Это ЯВЛЕНИЕ возникновения индукционного тока в замкнутом проводнике под действием изменяющегося магнитного поля

Возникающее при изменении магнитного поля электрическое поле имеет совсем другую структуру, чем электростатическое. Оно не связано непосредственно с электрическими зарядами, и его силовые линии не могутна них начинаться и кончаться. Они вообще ни где не начинаются и нигде не кончаются, представляя собой замкнутые линии, подобные силовым линиям магнитного поля. Это так называемое вихревое поле.

При изменении поля сильного электромагнита появляются мощные вихри электрического поля, которые можно использовать для ускорения электронов до скоростей, близких к скорости света. На этом принципе основано устройство ускорителя электронов — бетатрона. Электрический ток в бетатроне не возникает непосредственно в вакуумной камере без каких-либо металлических проводников.

Может возникнуть вопрос: а почему, собственно, это поле называется электрическим? Ведь оно имеет другое происхождение и другую конфигурацию, чем статическое электрическое поле. Ответ прост: вихревое поле действует на заряд точно так же, как и электростатическое, а это мы считали и считаем главным свойством поля.

Еще один естественный вопрос. Ведь все сказанное в конце концов не более чем предположение, достоверность которого совсем не самоочевидна. Может быть, в действительности дело обстоит и не так? Само-то электрическое поле мы не воспринимаем и судим о его присутствии только по силам, действующим на заряженные частицы!

Но это уже по существу старое сомнение в реальности полей вообще, высказывавшееся сторонниками действия на расстоянии. Решительное его опровержение — существование электромагнитных волн, в самом процессе возникновения которых порождение электрического поля переменным магнитным полем играет фундаментальную роль.

41До сих пор мы рассматривали индукционные токи в линейных проводниках. Но индукционные токи будут возникать и в толще сплошных проводников при изменении в них потока вектора магнитной индукции . Они будут циркулировать в веществе проводника (напомним, что линии – замкнуты). Так как электрическое поле вихревое, то и токи называются вихревыми токами, или токами Фуко.

Если медную пластину отклонить от положения равновесия и отпустить так, чтобы она вошла со скоростью υ в пространство между полосами магнита, то пластина практически остановится в момент ее вхождения в магнитное поле (рис. 3.8).

Замедление движения связано с возбуждением в пластине вихревых токов, препятствующих изменению потока вектора магнитной индукции. Поскольку пластина обладает конечным сопротивлением, токи индукции постепенно затухают и пластина медленно двигается в магнитном поле. Если электромагнит отключить, то медная пластина будет совершать обычные колебания, характерные для маятника.

Сила и расположение вихревых токов очень чувствительны к форме пластины. Если заменить сплошную медную пластину «гребенкой» – медной пластиной с пропилами, то вихревые токи в каждой части пластины возбуждаются меньшими потоками. Индукционные токи уменьшаются, уменьшается и торможение (рис. 3.9). Маятник в виде гребенки колеблется в магнитном поле почти без сопротивления. Этим опытом объясняется, почему сердечники электромагнитов, трансформаторов делают не из сплошного куска железа, а набранными из тонких пластин, изолированных друг от друга. В результате уменьшаются токи Фуко и выделяемое ими тепло.

Если взять медный диск диаметром » 5 см и толщиной » 5 мм и уронить его между полюсами электромагнита, то при выключенном магните диск падает с обычным ускорением. При включении магнитного поля » 1 Тл падение диска резко замедляется и его движение напоминает падение тела в очень вязкой среде.

Тормозящее действие тока Фуко используется для создания магнитных успокоителей – демпферов. Если под качающейся в горизонтальной плоскости магнитной стрелкой расположить массивную медную пластину, то возбуждаемые в медной пластине токи Фуко будут тормозить колебание стрелки. Магнитные успокоители такого рода используются в сейсмографах, гальванометрах и других приборах.

Токи Фуко применяются в электрометаллургии для плавки металлов. Металл помещают в переменное магнитное поле, создаваемое током частотой 500 – 2000 Гц. В результате индуктивного разогрева металл плавится, а тигль, в котором он находится, при этом остается холодным. Например, при подведенной мощности 600 кВт тонна металла плавится за 40–50 минут.

При изменении тока в контуре пропорционально меняется[2] и магнитный

поток через поверхность, ограниченную этим контуром[3]. Изменение этого магнитного потока, в силу закона электромагнитной индукции, приводит к возбуждению в этом контуре

индуктивной ЭДС.

Это явление и называется самоиндукцией. (Понятие родственно понятию взаимоиндукции, являясь как бы его частным случаем).

Направление ЭДС самоиндукции всегда оказывается таким, что при возрастании тока в цепи ЭДС самоиндукции препятствует этому возрастанию (направлена против тока), а при убывании тока — убыванию (сонаправлена с током). Этим свойством ЭДС самоиндукции сходна с силой инерции.

Величина ЭДС самоиндукции пропорциональна скорости изменения силы тока :

.

43Магнитное поле обладает энергией. Подобно тому, как в заряженном конденсаторе имеется запас электрической энергии, в катушке, по виткам которой протекает ток, имеется запас магнитной энергии.

Если включить электрическую лампу параллельно катушке с большой индуктивностью в электрическую цепь постоянного тока, то при размыкании ключа наблюдается кратковременная вспышка лампы. Ток в цепи возникает под действием ЭДС самоиндукции. Источником энергии, выделяющейся при этом в электрической цепи, является магнитное поле катушки.

Энергия Wм магнитного поля катушки с индуктивностью L, создаваемого

током I, равна

Wм = LI2/ 2

Формула очень похожа на формулу для кинетической энергии, роль

массы m выполняет индуктивность L, а скорости vсоответствует сила тока I.

44Если замкнуть ключ (рис. 6.1), то лампа при постоянном токе гореть не будет: емкость C

–разрывает цепь постоянного тока. Но вот в моменты включения лампа будет вспыхивать.

Рис. 7.1

(7.2.3)

,

т.е. ток смещения пропорционален скорости изменения вектора электрического смещения . Поэтому он и получил такое название – ток смещения.

Плотность тока смещения

(7.2.4)

,

Вихревое магнитное поле ( ) образующееся при протекании тока смещении,

связано с направлением вектора правилом правого винта (рис. 7.2).

Из чего складывается ток смещения?

Из раздела «Электростатика и постоянный ток» (п. 4.3), известно, что относительная

диэлектрическая проницаемость среды где χ – диэлектрическая восприимчивость среды. Тогда

или

Отсюда видно, что – вектор поляризации. Следовательно

(7.2.5)

,

В этой формуле – плотность тока смещения в вакууме; – плотность тока поляризации, т.е. плотность тока, обусловленная перемещением зарядов в диэлектрике.

полная система уравнений Максвелла в дифференциальной и интегральной формах имеет вид:

;

– обобщенный закон Био–Савара–Лапласа;

45

Рассмотрим частный случай, когда нет электрического поля, но имеется магнитное поле. Предположим, что частица, обладающая начальной скоростью u0, попадает в магнитное поле с индукцией B. Это поле мы будем считать однородным и направленным перпендикулярно к скорости u0.

Основные особенности движения в этом случае можно выяснить, не прибегал к полному решению уравнений движения. Прежде всего, отметим, что действующая на частицу сила Лоренца всегда перпендикулярна к скорости движения частицы. Это значит, что работа силы Лоренца всегда равна нулю; следовательно, абсолютное значение скорости движения частицы, а значит, и энергия частицы остаются постоянными при движении. Так как скорость частицы u не изменяется, то величина силы Лоренца

остается постоянной. Эта сила, будучи перпендикулярной, к направлению движения, является центростремительной силой. Но движение под действием постоянной по величине центростремительной силы есть движение по окружности. Радиус r этой окружности определяется условием

откуда

Если энергия электрона выражена в эВ и равна U, то

(3.6)

и поэтому

Кругообразное движение заряженных частиц в магнитном поле обладает важной особенностью: время полного обращения частицы по окружности (период движения) не зависит от энергии частицы. Действительно, период обращения равен

Подставляя сюда вместо r его выражение по формуле (3.6), имеем:

(3.7)

Частота же оказывается равной

Для данного типа частиц и период, и частота зависят только от индукции магнитного поля.