Учебник по физике для поступающих в ВУЗ /Экзаменационные вопросы по физике (2006-2007)/

При выключении внешнего магнитного поля ферромагнетик остается намагниченным, т.е. создает магнитное поле в окружающем пространстве.

Упорядоченная ориентация элементарных токов не исчезает при выключении внешнего магнитного поля. Благодаря этому существуют постоянные магниты.

Постоянные магниты находят широкое применение в электроизмерительных приборах, громкоговорителях и телефонах, звукозаписывающих аппаратах, магнитных компасах и т.д.

Широкое применение нашли ферриты – ферромагнитные материалы, не проводящие электрический ток. Они представляют собой соединения оксидов железа с оксидами других веществ. Пример: магнитный железняк.

Из ферритов изготавливают сердечники катушек индуктивности, магнитные ленты, пленки и диски.

Они представляют собой химические соединения оксидов железа с оксидами других веществ.

Первый из известных людям ферромагнитных материалов—магнитный железняк — является ферритом.

В диамагнетике внешне магнитное поле незначительно ослабляется μ ≤ 1

В парамагнетике внешнее магнитное поле незначительно усиливается μ ≥ 1

В ферромагнетике внешнее магнитное поле значительно усиливается μ >> 1

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПРОВОДНИКОВ С ТОКОМ

См.ниже «Сила Ампера»

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Вокруг проводника с током существует магнитное поле, обнаруживаемое по его действию на железные опилки или на маленькие магнитные стрелки.

Взаимодействия между проводниками с током, т.е. взаимодействия между движущимися электрическими зарядами, называют магнитными. Силы, с которыми проводники с током действуют друг на друга, называют магнитными силами.

Согласно теории близкодействия ток в одном из проводников не может непосредственно действовать на ток в другом проводнике.

В пространстве, окружающем неподвижные электрические заряды, возникает электрическое поле,

в пространстве, окружающем подвижные электрические заряды (токи), возникает поле, называемое магнитным.

Электрический ток в одном из проводников создает вокруг себя магнитное поле, которое действует на ток во втором проводнике. А поле, созданное электрическим током второго проводника, действует на первый.

Магнитное поле – это особый вид материи, существующий вокруг движущихся заряженных тел или вокруг проводников с током и являющийся посредником в их взаимодействии.

Магнитное поле представляет собой особую форму материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами.

В отличие от электростатического поля магнитное поле действует только на движущиеся заряды.

Принято различать макро- и микротоки.

Макротоки - это токи, текущие по проводникам.

В любом веществе электроны движутся по круговым орбитам.

Движение электронов в атоме по круговым орбитам тоже приводит к созданию магнитного поля.

Токи, создаваемые в веществах движущимися электронами называют микротоками.

Подобно электрическому полю, магнитное поле существует реально, независимо от нас, от наших знаний о нем.

Свойства магнитного поля:

1. Магнитное поле порождается электрическим током (движущимися зарядами).

2. Магнитное поле обнаруживается по действию на электрический ток (движущиеся заряды).

Опыт Ханса Эрстеда (1820):

При пропускании тока через проводник магнитная стрелка, надетая на острие, испытывает силовое воздействие и устанавливается перпендикулярно проводнику с током. Изменение направления тока сопровождается аналогичным отклонением в противоположную сторону.

Таким образом было показано, что электрический ток воздействует на магнитную стрелку.

Опыт Эрстеда явился прямым доказательством взаимосвязи электричества и магнетизма: электрический ток оказывает магнитное действие. Покоящиеся заряды на магнитную стрелку не действуют. Следовательно магнитное поле порождается движущимися зарядами.

Исследование магнитного поля с помощью плоского контура с током.

Форма контура не играет роли.

Необходимо, чтобы размер контура был настолько мал, чтобы не искажал исследуемое поле.

Контуры с током, вносимые в магнитное поле испытывают ориентирующее действие со стороны этого поля.

Рамки принято характеризовать положительной нормалью.

Положительной называют нормаль, проведённую к центру проводника, удовлетворяющего правилу правого винта по направлению тока.

На основании действия сил на рамку делают вывод:

магнитное поле - силовое и его надо характеризовать определенным направлением.

За направление магнитного поля принимают направление положительной нормали в данном месте расположения контура с током.

Определение характеристик магнитного поля связано с определением поведения контура с током в поле. В однородное поле внесён контур тока таким образом, чтобы вдоль линий поля была направлена плоскость.

Пара сил создаёт вращающий момент M. Опыт показывает, что этот момент зависит от некоторой силовой характеристики поля и от силы тока в рамке (M~B; |M|~|I|).

Для всех рамок вводится характеристика, связанная с размерами рамок и силой тока, текущей в них.

Магнитный момент:

Pm = I·S

Единица измерения – А*м2

Магнитный момент является вектором:

Pm = n·I·S

n - орт положения нормали, т.е. Pm || n.

Опыт показывает, что механический вращающий момент равен векторному произведению магнитного момента рамки на вектор индукции магнитного поля:

M = Pm B sin(α) (α = Pm ┴ B).

Из этой формулы видно, что максимальный момент:

Mmax = Pm·B(1) при α =90° (положение I на рис.)

M = 0 при α =0 (положение II).

Положение II соответствует устойчивому равновесию рамки.

Силовое действие магнитного поля в любой его точке на пролетающую через него заряженную частицу характеризуют магнитной индукцией В (или индукцией магнитного поля).

Магнитная индукция – способность магнитного поля оказывать силовое действие на проводник с током (векторная величина).

Индукцией магнитного поля в данной точке пространства называется. физическая величина, численно равная максимальному вращающему моменту, действующему. в данной точке на рамку с током, имеющую единичный магнитны. момент.

В =

Единица измерения – Тл (Тесла) (В честь ученого Николы Тесла)

1 Тл = 1

Индукция магнитного поля представляет. собой характеристику результирующего поля, созданного макро- и микротоками.

Индукцию можно изобразить силовыми линиями (аналог напряжённости электростатического. поля)

Вектор магнитной индукции – векторная физическая величина, характеризующая магнитное поле в данной точке пространства.

За направление вектора магнитной индукции принимается направление от южного полюса S к северному N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле. Это направление совпадает с направлением положительной нормали к замкнутому контуру с током.

(положительная нормаль направлена в ту сторону, куда перемещается буравчик с правой нарезкой, если вращать его по направлению тока в рамке)

Направление вектора В связывают с направлением, в котором поворачивается в данном магнитном поле северный конец магнитной стрелки.

Направление вектора магнитной индукции В определяют правилом буравчика:

если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции.

Правило буравчика для витка с током (контурного тока):

Если вращать рукоятку буравчика по направлению тока в витке, то поступательное перемещение буравчика совпадет с направлением вектора магнитной индукции, созданной током в витке на своей оси.

Вектор магнитной индукции от элемента тока 1, протекающего к нам, направлен вверх. От элемента тока 2, протекающего от нас, вниз. Результирующее в произвольной точке А равно сумме этих векторов. Учитывая, что индукция магнитного поля убывает с увеличением расстояния от проводника с током:

Результирующий вектор магнитной индукции снаружи от кольцевого тока направлен противоположно вектору магнитной индукции внутри кольца

Правило правой руки для прямого тока:

Если охватить проводник правой рукой, направив отогнутый большой палец по направлению тока, то кончики остальных пальцев в данной точке покажут направление вектора магнитной индукции в этой точке.

Линии магнитной индукции – линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора магнитной индукции в этой точке.

Линии магнитной индукции для прямого проводника с током являются концентрическими окружностями с центром на оси проводника, лежащими в плоскостях, перпендикулярных проводнику.

Для витка с током линии магнитной индукции представляют собой окружности, охватывающие виток, с центрами по оси проводника.

Северный полюс магнитна – полюс, из которого выходят линии магнитной индукции.

Южный полюс магнита – полюс, в который входят линии магнитной индукции.

Однородное магнитное поле – поле, для которого в некоторой области пространства вектор магнитной индукции остается постоянным.

Однородное поле – параллельные линии, неоднородное поле – кривые линии.

Чем чаще линии, тем больше сила этого поля.

Линии индукции однородного магнитного о поля так же, как и линии напряженности однородного электростатического поля, - параллельные прямые, расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга.

Важная особенность линий магнитной индукции состоит в том, что они не имеют ни начала, ни конца. Они всегда замкнуты.

Поля с замкнутыми силовыми линиями называют вихревыми.

Магнитное поле - вихревое поле.

В отличие от электростатического поля, магнитное поле является вихревым: линии магнитного поля всегда замкнуты, представляют собой окружности (вихри), охватывающие проводники с током.

Замкнутость линий магнитной индукции представляет собой фундаментальное свойство магнитного поля - магнитное поле не имеет источников.

Магнитных зарядов, подобно электрическим, в природе нет.

Магнитное поле не является потенциальным.

Линии индукции магнитного поля B строят согласно правилу правого винта.

Для магнитного поля, как и для электрического, выполняется принцип суперпозиции

Принцип суперпозиции магнитных полей:

Если в пространстве имеется несколько проводников с токами, то в каждой точке пространства магнитное поле создаётся каждым из проводников в отдельности независимо от наличия остальных.

Результирующая магнитная индукция поля в каждой точке равна векторной сумме индукций, создаваемых каждым проводником с током в отдельности.

Результирующий вектор магнитной индукции в данной точке поля равен сумме векторов магнитной индукции, созданной различными токами в этой точке.

Пусть заряженная частица движется перпендикулярно линиям магнитного поля (или касательная к ним). Тогда модуль магнитной индукции выразится формулой, очень похожей на формулу силовой характеристики электрического роля – напряженности (Е = Fэл/qпроб):

В = Fмаг/qпроб

ДЕЙСТВИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЗАРЯДЫ

См.ниже «Индукция магнитного поля. Поток магнитной индукции»

ИНДУКЦИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ. ПОТОК МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

Наблюдаемые при этом концентрические окружности вокруг проводника можно назвать линиями магнитного поля.

Силовое действие магнитного поля в любой его точке на пролетающую через нее заряженную частицу характеризуют магнитной индукцией В (или индукцией магнитного поля).

Индукцией магнитного поля в данной точке пространства называется. физическая величина, численно равная максимальному. вращающему моменту, действующему. в данной точке на рамку с током, имеющую единичный магнитны. момент.

В =

Единица измерения – Тл (Тесла) (В честь югославского ученого Николы Тесла)

1 Тл = 1

Модуль вектора магнитной индукции можно определить и через воздействие магнитного поле на проводник с током.

Модулем вектора магнитной индукции называется отношение максимальной силы, действующей со стороны магнитного поля на участок проводника с током, к произведению силы тока на длину этого участка:

B =

Магнитное поле полностью характеризуется вектором магнитной индукции . В каждой точке магнитного поля могут быть определены направление вектора магнитной индукции и его модуль с помощью измерения силы, действующей на проводник с током.

За единицу магнитной индукции можно принять магнитную индукцию однородного поля, в котором на участок проводника длиной в 1 м при силе тока в нем 1А действует со стороны поля максимальная сила 1Н.

За направление вектора магнитной индукции принимается направление от южного полюса S к северному N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле.

Это направление совпадает с направлением положительной нормали к замкнутому контуру с током.

Индукцию можно изобразить силовыми линиями (аналог напряжённости электростатического. поля).

При рассмотрении индукции как вектора линии магнитного поля можно более строго назвать линиями вектора магнитной индукции. В тех участках поля, для которых эти линии – прямые (например, вблизи полюсов постоянного магнита), вектор В направлен вдоль них, а там, где они кривые, вектор В направлен вдоль касательных к ним.

Если во всех точках некоторого пространства вектор индукции имеет одинаковое значение по модулю и одинаковое направление, то поле в этой части называется однородным.

Направление вектора магнитной индукции В определяют правилом буравчика:

Использовать вектор магнитной индукции B не всегда удобно, поскольку он зависит от свойств среды (и соответственно терпит разрыв на границе двух сред с различной магнитной проницаемостью)

Вводится характеристика магнитного поля, не зависящая от свойств среды – вектор напряжённости магнитного поля (аналог D в электростатике).

m - относительная магнитная проницаемость среды. Для вакуума m = 1

m0 = 4π·107 Гн/м - магнитная постоянная.

Единица измерения напряженности магнитного поля - А/м.

За единицу напряженности магнитного поля принимают напряженность такого поля, у которого индукция B = 4π·107 Тл в вакууме

Для вакуума H = B/m0

Напряженность магнитного поля H определяется только макротоками и не зависит от микротоков. (См.выше «Магнитное поле»)

Поскольку - вектор, для него принято строить линии напряжённости.

Магнитный поток (поток магнитной индукции) через поверхность площадью ∆S – физическая величина, равная скалярному произведению вектора магнитной индукции на вектор площади:

Ф = () = В ∆S cos(a)

(Скалярное произведение двух векторов равно произведению их модулей на косинус угла между ними)

Потоком магнитной индукции Ф сквозь участок поверхности с малой площадью ∆S называется скалярная величина:

Ф = В ∆S cos(a) = Вn ∆S

где Вn = B cos(a) - проекция вектора В магнитной индукции на нормаль к площадке

Единица измерения – Вб(Вебер) = Тл*м2 = В*с

1 Вб — это магнитный поток через площадку в 1 м2, расположенную перпендикулярно к линиям магнитной индукции в однородном магнитном поле с индукцией 1 Тл.

Положительный (отрицательный) знак магнитного потока соответствует острому (тупому) углу a, или условию Вn> 0 (Вn< 0).

Магнитный поток Ф сквозь поверхность с площадью S находится алгебраическим суммированием потоков ∆Ф сквозь участки поверхности.

Однородным магнитным полем называется такое поле, в каждой точке которого индукция магнитного поля одинакова по модулю и направлению

Если магнитное поле однородно, то магнитный поток через плоскую поверхность площадью S равен:

Φ = BS cos(a)

СИЛА АМПЕРА

Если через проводники пропускают ток одного направления, то они притягиваются, а если равного – то отталкиваются. Следовательно, между проводниками есть некое взаимодействие, которое нельзя объяснить наличием электрического поля, т.к. в целом проводники электронейтральны.

Магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами и действует только на движущиеся заряды.

Магнитное поле является особым видом материи и непрерывно в пространстве.

Прохождение электрического ток по проводнику сопровождается порождением магнитного поля независимо от среды.

Магнитное взаимодействие проводников используется для определения величины силы тока:

1 ампер – сила тока, проходящего по двум параллельным проводникам ¥ длины, и малого поперечного сечения, расположенным на расстоянии 1 метра друг от друга, при которой магнитный поток вызывает в низ силу взаимодействия, равную 2*10-7Н на каждый метр длины.

Сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током, называется силой Ампера.

Закон, определяющий эту силу, был установлен Анри Ампером в 1820 году.

Закон Ампера:

Сила Ампера равна произведению вектора магнитной индукции на силу тока, длину участка проводника и на синус угла между магнитной индукцией и участком проводника.

FA = B |I| l sin(a)

Сила ампера пропорциональна вертикальной составляющей В^ = B sin(a).

Максимальная сила Ампера составляет: Fmax = B I l, ей соответствует угол a = π/2

Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки:

если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индукции В входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению тока, то отогнутый на 90˚ большой палец покажет направление силы, действующей на отрезок проводника с током .

В отличие от кулоновских сил, которые являются центральными, сила Ампера не является центральной.

Сила Ампера направлена перпендикулярно к линиям магнитной индукции.

Взаимодействие параллельных токов

Рассмотрим два параллельных проводника с током.

Проводник 1 создаёт магнитное поле, а проводник 2 находится в поле 1-го.

Тогда индукция магнитного поля B1 в точках нахождения проводника 2:

B1=mI1/2πd.

F2 = I2 B1 l2 sin(α) = m I1I2 l2 /2πd.

Аналогично сила F1, действующая на проводник 1 со стороны поля тока I2.

F1= F2, если l1= l2 = l.

Параллельные токи притягиваются, антипараллельные - отталкиваются.

При рассмотрении параллельных проводников вводят силу, действующую на единицу длины проводника:

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49

МЕНЮ

Учебник по физике для поступающих в ВУЗ /Экзаменационные вопросы по физике (2006-2007)/