Индуктивность – физическая величина, характеризующая связь между изменением тока в электрической цепи и возникающей при этом эдс (электродвижущей силы) самоиндукции.
Величина магнитного потока, проходящего через контур, связана с силой тока следующим образом: Φ = LI. Коэффициент пропорциональности L называется коэффициентом самоиндукции контура или просто индуктивностью. Значение индуктивности зависит от размеров и формы контура, а также от магнитной проницаемости среды. Единицей измерения индуктивности является Генри (Гн).
Зная индуктивность, изменение силы тока и время этого изменения, можно найти ЭДС самоиндукции, которая возникает в контуре:
Через индуктивность выражают также энергию магнитного поля тока:
Соответственно чем больше индукция, тем больше магнитная энергия, накапливаемая в пространстве вокруг контура с током. Индуктивность является своеобразным аналогом кинетической энергии в электричестве.
Индуктивность соленоида
Единица индуктивности в СИ называется генри (Гн).
При изменении силы тока в контуре будет изменяться магнитный поток, пронизывающий этот контур, что приводит к возникновению Э.Д.С. индукции в этом контуре. Это явление называется самоиндукцией.
П
ри
изменении тока в контуре возникает ЭДС
самоиндукции, равная:
Знак минус в этой формуле обусловлен правилом Ленца.
Измеряется в вольтах (В).
Энергия Wм магнитного поля катушки с индуктивностью L, создаваемого током I, равна
|
Применим полученное выражение для энергии катушки к длинному соленоиду с магнитным сердечником. Используя приведенные выше формулы для коэффициента самоиндукции Lμ соленоида и для магнитного поля B, создаваемого током I, можно получить:
|
где V – объем соленоида. Это выражение показывает, что магнитная энергия локализована не в витках катушки, по которым протекает ток, а рассредоточена по всему объему, в котором создано магнитное поле.
Вопрос 20.
При помещении тела в магнитное поле сами тела становятся источника магнитного поля - это явление называется намагничивание. В молекулах вещества циркулируют круговые токи, они и создают магнитное поле. Каждый поток имеет свой заряд и может сам создавать магнитное поле.
Намагниченность — векторная физическая величина, характеризующая магнитное состояние макроскопического физического тела. Обозначается обычно М или J. Определяется как магнитный момент единицы объёма вещества:
Здесь, M — вектор намагниченности; m вектор магнитного момента; V — объём.
Вектор намагниченности - Вектор, равный отношению суммы магнитных моментов микрочастиц, содержащихся в некотором объёме вещества, к величине этого объёма.
Классификация магнетиков -
По классификации В.Л.Гинзбурга (Нобелевская премия по физике, 2004г.) можно выделить шесть типов магнетиков. Они перечислены в приводимой ниже таблице.
Таблица. Современная классификация магнетиков.
Тип магнетика |
Магнитная восприимчивость, χ |
Диамагнетик |
- (10-9 – 10-4), μ<1 |
Парамагнетик |
10-6 – 10-3, μ>1 |
Ферромагнетик |
103 – 105 , μ(Н)>>1 |
Ферримагнетик |
101 – 103 , μ(Н)>>1 |
Антиферромагнетик |
10-4 – 10-6, μ>1 |
Сверхдиамагнетик |
- 1 , μ=0 |
Дадим краткую характеристику каждого типа магнетика.
Диамагнетики – вещества, характеризуемые отрицательным значением магнитной восприимчивости χ. Вследствие этого вектор намагничивания clip_image005[19] в этих веществах направлен противоположно внешнему намагничивающему полю clip_image035[32]. Диамагнетиками являются, например, вода (χ = - 9∙10-6), серебро (χ = - 2,6∙10-5), висмут (χ = - 1,7∙10-4).
Парамагнетики – характеризуются положительным значение χ , ведут они себя подобно диэлектрикам с диэлектрической проницаемостью ε>1, то есть вектор clip_image005[20] в этих веществах параллелен намагничивающему полю clip_image035[33]. К парамагнетикам относятся алюминий (χ = 2,1∙10-6), платина (χ = 3∙10-4), хлористое железо (χ = 2,5∙10-3).
Ферромагнетики – особый вид магнетиков, отличающийся от других магнетиков следующими характерными признаками: 1) высоким значением магнитной восприимчивости (см. таблицу); 2) зависимостью магнитной проницаемости μ от напряженности магнитного поля, вследствие чего зависимость clip_image015[63] от clip_image035[34] для этих веществ является нелинейной; 3) наличием петли гистерезиса на кривой намагничивания; 4) существованием температуры, называемой точкой Кюри, выше которой ферромагнетик ведет себя как обычный парамагнетик. Из чистых металлов ферромагнетиками являются железо, никель, кобальт, а также некоторые редкоземельные металлы (например, гадолиний). К числу ферромагнетиков относятся сплавы и соединения этих металлов, а также сплавы и соединения марганца и хрома с неферромагнитными элементами (например, MnAlCu, CrTe и другие).
Ферримагнетики (ферриты) – вещества, в которых магнитные моменты атомов кристаллической решетки образуют несколько магнитных подрешеток с магнитными моментами, направленными навстречу друг другу. Имея меньшую величину магнитной восприимчивости по сравнению с ферромагнетиками, в остальном ферримагнетики характеризуются теми же признаками, что и ферромагнетики. Типичными ферритами являются соединения оксидов железа с оксидами других металлов - шпинели (MnFe2O4), гранаты Gd3Fe5O12), гексаферриты (PbFe12O19). Другую группу ферритов образуют двойные фториды типа RbNiF3, а также соединения типа RFe2 (R – редкоземельный металл).
Антиферромагнетики – частный случай ферримагнетиков, в которых магнитные моменты подрешеток с противоположно направленными магнитными моментами полностью компенсируют друг друга (скомпенсированный ферримагнетик). Существование антиферромагнетиков было предсказано Л.Д.Ландау в 1933г. В настоящее время известен широкий спектр веществ, обладающих антиферромагнитными свойствами: редкоземельные элементы (Er, Dy, Ho), оксиды и дифториды некоторых металлов (FeO, MnO, CoF2, NiF2), соли угольной и серной кислот (MnCO3, NiSO4) и другие.
Сверхдиамагнетики - (идеальные диамагнетики) – вещества, магнитная прони-цаемость μ которых равна нулю. Благодаря этой особенности для сверхдиамагнетиков имеет место эффект Мейсснера-Оксенфельда (Meissner W., 1882-1974; Ocksenfeld C.) – полное выталкивание магнитного поля из объема сверхдиамагнетика (магнитная индукцияclip_image015[64]=0). Сверхдиамагнетиками являются все вещества, находящиеся в сверхпроводящем состоянии - низкотемпературные сверхпроводники (металлы) и высокотемпературные сверхпроводники (керамики). Из несверхпроводящих материалов, обладающих сверхдиамагнитными свойствами, известен пока только один пример – хлорид меди (CuCl), открытый в 1986г. (Русаков А.П., МИСиС).