Дії магнітного поля на провідники зі струмом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рівненський кооперативний економіко-правовий коледж

Індивідуальна робота з фізики на тему

«Дія магнітного поля на провідники зі струмом»

Студента групи ТКМ-12

Хоміка М.В.

Рівне - 2011

1. Електрична і магнітна взаємодія. Взаємодія провідників зі струмом

Магнітне поле

Магнітне поле - складова електромагнітного поля, за допомогою якої здійснюється взаємодія між рухомими електрично зарядженими частинками.

Магнітне поле - складових електромагнітного поля, Яка створюється зміннім у часі електричного полем, рухомий електричних зарядами або спінами зарядженості частинок. Магнітне поле спричиняє силову дію на рухомі електричні заряди. Нерухомі електричні заряди з магнітнім полем не взаємодіють. Елементарні частинки з ненульовім спіном, які мають власний магнітній момент, є джерелом магнітного поля и магнітне поле спричиняє на них силову дію, навіть якщо смороду перебувають у стані спокою.

Магнітне поле утворюється, наприклад, у просторі довкола провідника, по якому тече струм або довкола постійного магніту.

Якщо взяти провідник зі струмом і помістити біля нього магнітну стрілку, то вона відхиляється і намагається розміститись так, щоб її вісь була перпендикулярна до провідника (рис. 5.1 ). Зі зміною напряму струму змінюється і напрям відхилення магнітної стрілки. Ці досліди підтверджують той факт, що в просторі, який оточує провідник з струмом, існує силове поле, назване магнітним завдяки його дії на магнітну стрілку. Оскільки при вимиканні струму магнітне поле зникає, то це дає підставу зробити висновок, що причиною магнітного поля є електричний струм. Магнітне поле існує навколо будь-якого провідника зі струмом незалежно від матеріалу провідника і характеру його провідності та навколо будь якого, рухомого заряду.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Магнітне поле на відміну від електричного не чинить дії на нерухомі електричні заряди. Сила виникає лише тоді коли заряд рухається. Цю дію можна побачити за відхиленням електронного пучка, що протікає між полюсами постійного магніту. Магнітне поле також діє на провідник зі струмом, оскільки - це впорядкований рух заряджених частинок. Електричний струм в одному з провідників створює навколо себе магнітне поле, яке діє на струм у другому провіднику. А поле, створене другим струмом діє на перший. Таким чином можна дійти до висновку, що магнітне поле - це форма матерії, через яку здійснюється взаємодія між рухомими електрично зарядженими частинками.

Для дослідження магнітного поля використовується пробний струм, що циркулює в плоскому замкненому контурі дуже малих розмірів. На такий контур, вміщений в ту, чи іншу точку, магнітне поле діє з деяким обертальним моментом, намагаючись привести його до рівноважної просторової орієнтації. Просторова орієнтація контуру задається позитивним напрямом нормалі до його площини. Цей напрям пов'язаний з напрямом протікання струму в контурі за правилом правого гвинта. Силовою характеристикою магнітного поля є вектор магнітної індукції . Магнітна індукція - це векторна величина, модуль якої визначається відношенням максимального обертального моменту, що діє на контур, до сили струму, що протікає в контурі і до площі контуру.

(5.1)

Добуток сили струму І, що протікає в контурі на його площу S, називається магнітним моментом цього контуру

.

Напрям вектора магнітної індукції в даній точці співпадає з рівноважним напрямом позитивної нормалі до контуру в цій точці.

Одиницею вимірювання магнітної індукції є Тесла ( Тл ). Тесла - індукція такого однорідного магнітного поля, у якому на плоский контур зі струмом, що має магнітний момент діє максимальний обертальний момент, рівний .

Подібно до електричних полів, магнітним полям властивий принцип суперпозиції. При наявності декількох струмів індукція магнітного поля дорівнює геометричній сумі тих її значень, які визначаються кожним окремим струмом:

(5.2)

Для наочного зображення магнітного поля зручно користуватись лініями магнітної індукції.

Лініями магнітної індукції називають криві, дотичні до яких у кожній точці збігаються з напрямом вектора у цих точках поля. Лінії магнітної індукції завжди замкнуті й охоплюють провідник зі струмом. Для визначення напряму ліній магнітної індукції можна скористатись правилом свердлика: якщо свердлик повертати так, щоб його поступальний рух збігався з напрямом струму І, то обертальний рух ручки покаже напрям ліній магнітної індукції (рис. 5.2).

Дія магнітного поля на електричний струм. Закон Ампера

Рис. 5.3

Коли в магнітне поле внести провідник зі струмом, то на нього діє сила (сила Ампера). Візьмемо дві рейки M1N1 і M2N2 і помістимо на них тонкий металевий стержень QР. До рейок приєднаємо джерело з електрорушійною силою е (рис.5.3).

Нехай лінії індукції магнітного поля напрямлені зверху вниз. Якщо замкнути електричне коло, то виникає сила Ампера , напрямлена вправо, яка зміщує стержень вздовж рейок. Зі зміною напрямку струму змінюється і напрям сили Ампера.

Французький вчений Андре Марі Ампер в 1820 р. експериментально встановив, що сила , яка діє на прямолінійний провідник із струмом в однорідному магнітному полі, прямо пропорційна добутку сили струму І на довжину провідникана магнітну індукцію і синус кута між напрямом струму I і вектором ,

,

де . У випадку неоднорідного поля сила , що діє на елемент провідника довжиною , по якому протікає струм І, визначається за формулою

( 5.3)

Напрям сили визначається правилом лівої руки. Якщо долоню лівої руки розмістити так, щоб лінії індукції входили в долоню, а витягнені пальці показували напрям струму І, то відхилений великий палець покаже напрям сили Ампера .

Магнітне поле постійного електричного струму. Закон Біо-Савара-Лапласа

Нехай постійний електричний струм І протікає по провіднику довільної форми. Треба визначити величину і напрям вектора індукції у деякій точці А магнітного поля, створеного цим струмом (рис. 5.4).

рис. 5.4

Французькі вчені Біо і Савар на основі експериментальних даних прийшли до висновку, що немає можливості визначити вектор індукції від усього провідника із струмом, а можна говорити лише про елемент провідника із струмом. Вони також встановили, що величина вектора індукції пропорційна до сили струму. Для індукції магнітного поля, що створюється струмом, що пртікає по елементу првідника дожиною Французький вчений Лаплас отримав формулу

,(5.4)

де - вектор, що співпадає з елементарною ділянкою провідника і направлений у нпрямку протікання струму.

Розкривши векторний добуток у формулі (5.4), отримаємо вираз для модуля вектора

,

де r- модуль радіуса-вектора, проведеного від елементу провідника до точки А; - кут між вектором (у напрямі струму і вектором ; К - коефіцієнт пропорційності. У системі СІ ; - магнітна стала; - магнітна проникність середовища. Для немагнітних речовин м - величина стала, близька до одиниці. Для парамагнетиків , для діамагнетиків . У випадку феромагнетиків м є функцією напруженості магнітного поля.

Крім магнітної індукції для характеристики магнітного поля вводиться також інша величина яка називається напруженістю магнітного поля.

Напруженістю магнітного поля називається фізична векторна величина, яка не залежить від магнітних властивостей середовища, у якому це поле існує. Вона характеризує магнітне поле, що його створює макрострум, зумовлений потоком вільних носіїв електричного заряду. Взаємозв'язок між напруженістю магнітного поля і індукцією записується так: . Для немагнітних речовин вектори і мають однаковий напрям. Закон Біо-Савара-Лапласа для напруженості магнітного поля у системі СІ має вигляд:

(5.5)

де б - кут між векторами і .

На основі цього закону напруженість магнітного поля безмежно довгого прямолінійного провідника з струмом І ( >>r) дорівнює:

. (5.6)

Напруженість магнітного поля в центрі колового струму радіусом R:

.(5.7)

Потік магнітної індукції

Нехай лінії магнітної індукції пронизують якусь невелику площину ds (рис. 5.5).

рис. 5.5

Будемо вважати, що в межах площини ds магнітне поле однорідне. Потоком вектора магнітної індукції або магнітним потоком називається скалярна фізична величина , де б - кут між зовнішньою нормаллю до площини ds і вектором (рис. 5.5). Bn - проекція вектора на напрям нормалі. Повний потік через поверхню s буде: . Якщо магнітне поле однорідне, а поверхня плоска, тоді

(5.8)

Робота струму в магнітному полі

магнітний поле струм індукція

Нехай прямий провідник довжиною зі струмом І перебуває в однорідному магнітному полі, індукція якого . При цьому на провідник діє сила Ампера

,

де б - кут між векторами і . Якщо провідник незакріплений, то під дією сили Ампера, він буде переміщатися.

Нехай елементарне переміщення провідника в напрямі діючої сили буде dx ( Рис.5.6 ). Тоді механічна робота буде

.

Оскільки - елементарний магнітний потік через площину ds, тому . Інтегруючи цей вираз (при S = const ), дістанемо:

,(5.9)

де - величина магнітного потоку, що пронизує провідник за час його руху.

рис. 5.6

Ця формула залишається правильною також і для замкненого контуру довільної конфігурації. Отже, згідно з (5.9), робота, яка виконується при переміщенні в магнітному полі замкнутого провідного контуру з постійним струмом, дорівнює добутку величини струму на зміну магнітного потоку скрізь поверхню, обмежену контуром.

Явище електромагнітної індукції

Англійський вчений Фарадей відкрив електричну дію магнітного поля. Він експериментально довів, що в електропровідному контурі під впливом змінного магнітного поля виникає електрорушійна сила, яка зумовлює в ньому появу електричного струму. Це явище Фарадей назвав електромагнітною індукцією, а струм, що при цьому виникає - індукційним. Величина електрорушійної сили індукції пропорційна швидкості зміни магнітного потоку, тобто

(5.34)

Величина е.р.с. індукції залежить не просто від зміни магнітного потоку через поверхню, обмежену контуром, а від швидкості зміни магнітного потоку через цю поверхню. Знак мінус є математичним виразом закону Ленца, згідно з яким індукційний струм, що виникає в замкнутому провідному контурі, має такий напрям, при якому він своїм власним магнітним полем намагається протидіяти зміні магнітного потоку, який породжує цей струм.

Явище самоіндукції. Індуктивність контуру

При будь якій зміні сили струму в контурі змінюється і магнітний потік, який пронизує контур. Зміна магнітного потоку викликає появу індукційного електричного поля, в якому перебуває контур. Це індукційне електричне поле буде діяти на електрони в контурі, перешкоджаючи, згідно із законом Ленца, зміні струму в ньому. Якщо сила струму збільшується, індукційне електричне поле буде гальмувати його зростання; при зменшенні сили струму воно буде підтримувати струм. Можна сказати, що при зміні сили струму в контурі в ньому виникає електрорушійна сила індукції, яка перешкоджає цій зміні. Це явище дістало назву самоіндукції. Магнітний потік через контур пропорційний величині магнітної індукції: ФВ. За законом Біо-Савара-Лапласа ВІ. Отже, магнітний потік через поверхню, обмежену контуром, пропорційний величині струму в контурі, тобто

,

де L - коефіцієнт пропорційності, який називається індуктивнісю даного контуру.

Індуктивність контуру - це фізична величина, яка вимірюється магнітним потоком через поверхню, обмежену контуром, якщо в цьому контурі проходить одиничний струм.

За одиницю індуктивності, що називається генрі (Гн), приймають індуктивність контуру, в якому сила струму в 1А створює магнітний потік в 1 Вб.

Якщо форма контуру незмінна і середовища не змінюється, то L=const, тоді згідно з законом Фарадея величина е.р.с. самоіндукції дорівнює:

(5.35)

З цього співвідношення можна визначити індуктивність як коефіцієнт пропорційності між швидкістю зміни струму в контурі і е.р.с. самоіндукції, яка виникає внаслідок зміни струму. Відповідно до (5.35) зміна струму із швидкістю 1 А/с в контурі з індукцією 1 Гн приводить до виникнення е.р.с. самоіндукції с=1 В. Знак “-“ у формулі (5.35) вказує на те, що е.р.с. самоіндукції завжди викликає сповільнення будь-якої зміни струму в колі. Отже, контур з індуктивністю набуває своєрідної інертності, яка проявляється в тому, що будь-яка зміна струму в контурі гальмується і тим більше, чим більша його індуктивність.

Індуктивність контуру залежить від його форми, розмірів і магнітної проникності середовища. Велику індуктивність мають котушки з великою кількістю витків і осердям із феромагнітного матеріалу - соленоїди. Індуктивність довгого соленоїда визначається за формулою:

(5.36)

де 0 - магнітна стала; - відносна магнітна проникність речовини осердя, в якій зосереджене магнітне поле; n - кількість витків на одиницю довжини соленоїда; ; s - площа, обмежена одним витком; V- об'єм соленоїда.

Діа-, пара-і феромагнетики

Діамагнетизм. Парамагнетизм

Залежно від чисельного значення всі речовини можна поділити на три групи: Діамагнетик, парамагнетики і феромагнетики. Як уже зазначалося, речовини, для яких 1, називаються діамагнетиках. До них відносяться вісмут, мідь, ртуть, срібло, золото, хлор, інертні гази та ін. Стержень з твердого діамагнетиках або ампула з рідким (газоподібним) діамагнетиків, поміщені в однорідне магнітне поле, встановлюються перпендикулярно лініям індукції поля. У неоднорідному магнітному полі на Діамагнетик діє сила, яка прагне виштовхнути його за межі поля. Відносна магнітна проникність діамагнетиках є величиною постійною і не залежить ні від індукції зовнішнього магнітного поля ні ,від умов зовнішнього середовища (наприклад, температури, тиску та ін.) Тому залежність індукції магнітного поля в Діамагнетик від зовнішнього магнітного поля є лінійною. Діамагнетизм властивий всім без винятку речовин, але виявляється він лише в тих речовинах, сумарний магнітний момент атомів яких дорівнює нулю. Якщо така речовина внести в зовнішнє магнітне поле, то на власний рух електронів в атомах накладається додатковий рух, викликане полем. У результаті цього в кожному з атомів діамагнетиках индуцируется додатковий струм, магнітне поле якого відповідно до правила Ленца направлено проти зовнішнього поля. Тому індукція результуючого магнітного поля в Діамагнетик B дорівнює різниці індукції зовнішнього поля і внутрішнього поля B :

При виключенні зовнішнього магнітного поля індукційні «атомні струми» зникають, тобто Діамагнетик розмагнічується. Речовини, відносна магнітна проникність яких 1, називаються парамагнетиками. До них, зокрема, відносяться натрій, калій, магній, кальцій, марганець, платина, розчини деяких солей та ін. Зразок парамагнетика в однорідному зовнішньому магнітному полі встановлюється вздовж ліній індукції цього поля. У неоднорідному магнітному полі на парамагнетик діє сила, яка прагне втягнути його в область більш сильного поля. Відносна магнітна проникність парамагнетиків, як і діамагнетиків, не залежить від зовнішнього магнітного поля. Тому залежність індукції магнітного поля парамагнетика від зовнішнього магнітного поля також є лінійною. Парамагнетиками є речовини, орбітальні магнітні моменти атомів яких відрізняються від нуля, а спінові магнітні моменти атомів дорівнюють нулю. Під дією зовнішнього магнітного поля орбітальні магнітні моменти атомів парамагнетика ориен-тіруются в напрямку цього поля. Тому внутрішнє магнітне поле парамагнетика, обумовлене «атомними струмами», спрямовані в ту ж сторону, що і зовнішнє намагнічені поле. З цієї причини індукція магнітного поля в парамагнетик

Оскільки тепловий рух атомів заважає орієнтації їх магнітних моментів у напрямку зовнішнього поля, то відносна магнітна проникність парамагнетиків зменшується зі збільшенням температури тури. Французька фізик П. Кюрі (1859-1906) устанавіть, що залежність відносної магнітної проникності парамагнетиків від температури T підпорядковуються закону:

де C - постійна Кюрі.

Феромагнетики

Феромагнетики - це речовини з великим значенням відносної магнітної проникності: »1. До них відноситься невелика група кристалічних твердих тіл таких, як залізо, кобальт, нікель, деякі рідкоземельні елементи, а також ряд сплавів. Спеціально озданние сплави, для яких становить десятки тисяч одиниць, називають ферритами. Властивості феромагнетиків визначаються наявністю в них при відсутності зовнішнього поля областей мимовільної (спонтанної) намагніченості - доменів. Якщо в пара-і діамагнетиках намагніченість змінюється зі збільшенням напруженості поля лінійно, то в феромагнетиках ця залежність більш складна. Вже при напруженості поля близько 100 А / м намагнічування досягає насичення. Для феромагнетиків характерне явище гістерезису. Якщо ненамагніченого феромагнетик помістити в зовнішнє магнітне поле, яке послідовно будемо збільшувати від нуля до, то залежність B f H виразиться кривої ОА, яка називається первісною або основний кривою намагнічування.

Якщо намагнічування довести до насичення, а після цього зменшувати напруженість магнітного поля, то зміна магнітної індукції B відбуватиметься по кривій АD, яка не збігається з АТ. При H 0 магнітна індукція має значення ОD, яке називається залишковою індукцією

. Для того щоб індукція B стала дорівнювати нулю, необхідно докласти поле протилежного напрямку напруженістю до H. Це значення напруженості називається коерцитивною полем. При подальшому збільшенні напруженості поля до феромагнетик намагнітиться в протилежному напрямку до насичення ( ). Якщо напруженість поля знову зменшити до нуля, будемо спостерігати залишкову індукцію ( ). При подальшому збільшенні H індукція знову досягне значення м B. Замкнута крива B f H називається петлею гістерезису. Якщо феромагнетик помістити в змінне магнітне поле, то зміна магнітної індукції буде відбуватися відповідно до петлею гистерезиса. Розміри петлі гістерезису залежать від того, в яких межах змінюється H. Якщо значення H такі, що виникає насичення, площа петлі гістерезису буде максимальною. При менших значеннях амплітуди коливань H насичення не відбувається. Петля гістерезису, яка при цьому виникне, називається приватним циклом. Вершини приватних циклів розташовуються на основний кривою намагнічування. Магнітна проникність ферромагнітіка виражається формулою

Однак через те, що між B і H зв'язок неоднозначна, поняття магнітних проникності застосовують тільки для основної кривої намагнічування.

Оскільки основна крива намагнічування ОА не є прямою лінією, то магнітна проникливість залежить від напруженості поля H f H . Для кожного ферромагнетика існує певна температура - точка Кюрі (

), вище якої речовина втрачає феромагнітні властивості і переходить в Парамагнітних стан. Залежність відносної магнітної проникності феромагнетика від температури в околиці точки Кюрі описується законом Кюрі-Вейсса:

де С - постійна Кюрі-Вейсса. П. Вейсс (1865-1940) - французький фізик, розробник феноменологічної теорії феромагнетизму. Основи теорії ферромагнітізма розроблені російським фізиком Я.І. Френкелем (1894-1952) та німецьким фізиком В. Гейзенбергом (1901-1976). Вони показали, що магнітні властивості ферромагнетиків обумовлені спіновими магнітними моментами електронів, що призводить до виникнення в кристалах мікроскопічних областей - доменів. Магнітні поля всіх доменів в криcталл орієнтовані хаотично, тому за відсутності зовнішнього магнітного поля кристал в цілому не намагнічений. Якщо зразок феромагнетика помістити в зовнішнє магнітне поле, то розміри доменів, магнітні моменти яких орієнтовані вздовж поля, збільшуються через зсув їхніх границь. У результаті цього в ферромагнетике виникає сильне внутрішньо полі індукція якого B збігається за напрямку з індукцією зовнішнього поля Так як, то зразок залишається намагніченим після зняття зовнішнього поля. Залишкова намагніченість різних феромагнетиків неоднакова. Магнітом'які ферромагнетики, остаточна намагніченість яких невелика, використовують як осердя трансформаторів та електромагнітів, а також носіїв для запису і зберігання інформації (аудіо, відео, ЕОМ).

Магнитожорсткі ферромагнетики з великою залишкової намагніченістю використовують як постійних магнітів.

Размещено на Allbest.ru