Магнитное поле

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Магнитное поле и его характеристики

Рис. 1

Опыт показывает, что подобно тому, как в пространстве, окружающем электрические заряды, возникает электрическое поле (являющееся средой взаимодействия между ними), так в пространстве, окружающем токи и постоянные магниты, возникает силовое поле, называемое магнитным. Наличие такого поля обнаруживается по силовому воздействию на внесенные в него проводники с током или постоянные магниты. Название «магнитное поле» связывают с ориентацией магнитной стрелки под действием силового поля, создаваемого током. Это явление впервые было обнаружено датским физиком Х. Эрстедом в 1820 г. При пропускании по прямолинейному горизонтальному проводнику постоянного тока силой I находящаяся под ним магнитная стрелка поворачивается вокруг своей вертикальной оси, стремясь расположиться перпендикулярно проводнику с током (рис.1).

Ось стрелки тем точнее совпадает с этим направлением, чем больше сила тока и чем слабее влияние магнитного поля Земли. Эрстед обнаружил, что направление поворота северного полюса (N) стрелки под действием электрического тока изменяется на противоположное при изменении направления тока в проводнике. В дальнейшем экспериментально исследовалось действие на магнитную стрелку электрического тока, протекающего по проводникам различной формы. Во всех случаях проводники с током оказывали ориентирующее действие на магнитную стрелку. Таким образом, при прохождении по проводнику электрического тока вокруг него возникает магнитное поле, действующее на помещенную в него магнитную стрелку. Опыты показывают, что вокруг всякого движущегося заряда помимо электрического поля существует также и магнитное поле. Электрическое поле действует как на неподвижные, так и на движущиеся заряды. Важнейшая особенность магнитного поля состоит в том, что оно действует только на движущиеся в этом поле электрические заряды. Характер воздействия магнитного поля на ток зависит от формы проводника, по которому течет ток, от расположения проводника в силовом поле и от направления тока. Следовательно, чтобы охарактеризовать магнитное поле, надо рассмотреть его действие на определенный электрический ток. Подобно тому, как при исследовании электростатического поля использовались точечные электрические заряды, для обнаружения и исследования магнитного поля используется замкнутый плоский контур с током - рамка с током, размеры которой малы по сравнению с расстоянием до токов, создающих магнитное поле. Ориентация контура в пространстве характеризуется направлением нормали  к плоскости рамки. В качестве положительного направления нормали принимается направление, связанное стоком правилом буравчика: за положительное направление нормали принимается направление поступательного движения винта, рукоятка (головка) которого вращается в направлении тока, текущего в рамке (рис. 2).



Рис. 2

Если поместить рамку с током в магнитное поле, то поле будет оказывать на рамку ориентирующее воздействие, поворачивая ее соответствующим образом. Это связано с определенным направлением магнитного поля. За направление магнитного поля принимается направление, вдоль которого располагается положительная нормаль к рамке. За направление магнитного поля может быть также принято направление, совпадающее с направлением силы, действующей на северный полюс магнитной стрелки, помещенной в данную точку. Так как оба полюса стрелки лежат в близких точках поля, то силы, действующие на оба полюса, равны друг другу. Следовательно, на магнитную стрелку действует пара сил, поворачивающая ее так, чтобы ось стрелки, соединяющая S-N, совпадала с направлением поля. Рамкой с током можно воспользоваться и для количественного описания магнитного поля. Так как рамка испытывает на себе ориентирующее действие поля, на нее в магнитном поле действует пара сил. Вращающий момент сил зависит от свойств магнитного поля в данной точке и от параметров самой рамки:

(1)

где вектор индукции магнитного поля, являющийся силовой характеристикой поля; вектор магнитного момента рамки с током. Для плоской рамки, по которой протекает ток силой I,

где S - площадь поверхности контура; единичный вектор нормали к поверхности рамки. Направление совпадает, таким образом, с направлением положительной нормали. Если в данную точку магнитного поля помещать рамки с различными магнитными моментами, то на них будут действовать различные по величине вращающие моменты, однако отношение  для всех контуров будет одним и тем же и поэтому может служить количественной характеристикой магнитного поля, называемой магнитной индукцией:

(2)

Таким образом, магнитная индукция в данной точке однородного поля определяется максимальным вращающим моментом, действующим на рамку с магнитным моментом, равным единице, когда нормаль к рамке перпендикулярна к направлению поля (аналог ). Так как магнитное поле является силовым, его, по аналогии с электрическим полем, изображают с помощью линий магнитной индукции - линий, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора . Их направление определяется правилом буравчика: рукоятка винта, ввинчиваемого по направлению тока, вращается в направлении линий магнитной индукции. Линии магнитной индукции всегда замкнуты и охватывают проводники с токами или постоянные магниты. Этим они отличаются от линий напряженности электростатического поля, которые являются разомкнутыми (начинаются на положительных зарядах, обрываются на отрицательных и вблизи поверхности заряженного тела направлены перпендикулярно к ней). Согласно предположению французского физика А. Ампера, в любом теле существуют микроскопические (молекулярные) токи, обусловленные движением электронов в атомах и молекулах. Эти токи создают свое магнитное поле и могут поворачиваться в магнитных полях макроскопических токов (токов, текущих в проводниках). Так, если вблизи какого-то тела (среды) поместить проводник с током, т.е. макроток, то под действием его магнитного поля микротоки в атомах тела определенным образом ориентируются, создавая тем самым дополнительное магнитное поле. Поэтому вектор магнитной индукции  характеризует результирующее магнитное поле, создаваемое всеми макро- и микротоками, т.е. при одном и том же токе I и прочих равных условиях вектор  в различных средах будет иметь разные значения. Магнитное поле, создаваемое макротоками, характеризуется вектором напряженности . Для однородной изотропной среды связь между векторами индукции  и напряженности  магнитного поля определяется выражением

(3)

где магнитная постоянная, магнитная проницаемость среды (безразмерная величина), показывающая, во сколько раз магнитное поле макротоков усиливается за счет поля микротоков данной среды. Единица напряженности магнитного поля - ампер на метр: 1 А/м - напряженность такого поля, магнитная индукция которого в вакууме равна 4р·10-7 Тл.

2. Закон Био-Савара-Лапласа

После опытов Эрстеда начались интенсивные исследования магнитного поля постоянного тока. Французские физики Био и Савар в первой четверти XIX в. изучали магнитные поля, создаваемые в воздухе прямолинейным током, круговым током, катушкой с током и т.п. На основании многочисленных экспериментов они пришли к выводу, что магнитная индукция поля проводника с током пропорциональна силе тока, зависит от формы и размеров проводника, а также от расположения рассматриваемой точки поля относительно проводника. Био и Савар попытались получить закон, который позволял бы рассчитывать индукцию в каждой точке магнитного поля, создаваемого током в проводнике любой формы. Однако формализовать данную задачу они не смогли. По их просьбе этой задачей занялся французский физик и математик Лаплас. Он учел векторный характер магнитной индукции и высказал гипотезу, что для магнитного поля справедлив принцип суперпозиции, т.е. принцип независимости действия полей:

(3)

где индукция магнитного поля малого элемента  проводника с током, а интегрирование проводится по всей длине проводника.

Закон Био-Савара-Лапласа для проводника с током I, элемент которого  создает в некоторой точке А индукцию поля  записывается в виде:

(4)

где вектор, по модулю равный длине  проводника и совпадающий по направлению с током; радиус-вектор, проведенный от элемента  проводника в точку А поля; модуль радиуса-вектора. Направление  перпендикулярно  и , т.е. перпендикулярно плоскости, проведенной через эти векторы и совпадает с касательной к линии магнитной индукции. Это направление находится по правилу буравчика. Коэффициент пропорциональности  зависит от выбора системы единиц. В СИ это размерная величина, равная

где магнитная постоянная. Таким образом, в СИ закон Био-Савара-Лапласа имеет вид:

(5)

Так как модуль векторного произведения  равен , то модуль вектора  определяется выражением

(6)

Из выражений (4) и (5) следует, что магнитная индукция поля, создаваемого в вакууме током I, идущим по проводнику конечной длины и любой формы, равна

(7)

Закон Био-Савара-Лапласа совместно с принципом суперпозиции позволяет рассчитывать магнитные поля, создаваемые любыми проводниками с током.

1. Магнитное поле прямого тока.

Рис. 3

В данном случае поле создается током, протекающим по тонкому прямому проводнику бесконечной длины (рис. 3). В произвольной точке А, удаленной от оси проводника на расстояние R, векторы  от всех элементов тока dl имеют одинаковое направление, перпендикулярное плоскости чертежа. Поэтому сложение векторов  можно заменить сложением их модулей. В качестве постоянной интегрирования выберем угол , выразив через него все остальные величины. Из рис. 3.4 следует:  откуда c другой стороны,  откуда Подставляя эти выражения в формулу (3.6), получим: IMAGE

("image1346.gif")(317x49)] (8)

Так как угол  для всех элементов прямого тока изменяется в пределах от 0 до , то согласно (3.7) и (3.8) получим:

(9)

Рис. 4

2. Магнитное поле в центре кругового проводника с током. В данном случае все элементы dl кругового проводника с током создают в центре магнитное поле одинакового направления - вдоль нормали от витка (рис. 3.5). Поэтому сложение  можно также заменить сложением их модулей. Так как все элементы проводника dl перпендикулярны радиусу-вектору ( ) и расстояние всех элементов проводника до центра кругового витка одинаково и равно R, то

 

Интегрируя это выражение по l, получим:

(10)

3. Магнитное поле движущегося заряда. Сила Лоренца

Любой проводник с током создает в окружающем пространстве магнитное поле. В свою очередь ток представляет собой упорядоченное движение электрических зарядов. Отсюда следует, что каждый движущийся в вакууме или среде заряд создает вокруг себя магнитное поле.

Рис. 5

В результате обобщения опытных данных был установлен закон, определяющий магнитное поле индукцией  точечного заряда q, свободно движущегося с нерелятивистской скоростью :

(11)

где  - радиус-вектор, проведенный от заряда q к данной точке поля. Вектор  направлен перпендикулярно к плоскости, проведенной через векторы  и , а именно: его направление совпадает с направлением поступательного движения правого винта при его вращении от  к  (рис. 3.6). Модуль вектора магнитной индукции  определяется выражением (12) Сравнивая (11) с выражением (5), можно сделать вывод, что движущийся заряд по своим магнитным свойствам соответствует элементу тока:

Приведенные закономерности справедливы лишь при относительно малых скоростях движущихся зарядов. т.е. когда электрическое поле свободно движущегося заряда можно считать электростатическим. Сила, действующая со стороны магнитного поля на движущийся в нем электрический заряд, называется силой Лоренца:

(13)

Рис. 6

Направление силы Лоренца определяется правилом левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы в нее входили линии индукции магнитного поля, а четыре вытянутых пальца направить вдоль вектора , то отогнутый большой палец покажет направление силы, действующей на положительный заряд (рис. 6). На отрицательный заряд сила со стороны магнитного поля действует в противоположном направлении. Модуль силы Лоренца определяется по формуле где - угол между векторами и . Эта формула еще раз показывает, что магнитное поле не действует на покоящиеся электрические заряды. Сила Лоренца всегда перпендикулярна вектору движения заряженной частицы, поэтому она не изменяет модуля ее скорости. Это означает, что постоянное магнитное поле не совершает работы над движущейся в нем заряженной частицей и кинетическая энергия этой частицы при движении в магнитном поле не изменяется. Если на движущийся электрический заряд помимо магнитного поля с индукцией действует и электрическое поле напряженностью , то результирующая сила , приложенная к заряду, равна векторной сумме двух составляющих - электрической и магнитной (формула Лоренца):

Разделение силы Лоренца на электрическую и магнитную составляющие относительно, так как они зависят от выбора инерциальной системы отсчета. Это объясняется тем, что при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой изменяются не только скорость заряда, но и силовые характеристики и полей. Соответственно разделение электромагнитного поля на электрическое и магнитное поля тоже относительно.

4. Проводник с током в магнитном поле. Закон Ампера

Обобщая результаты действия магнитного поля на различные проводники с током, А. Ампер установил, что сила , с которой магнитное поле действует на элемент проводника с током, находящегося в магнитном поле, прямо пропорциональна силе тока I в проводнике и векторному произведению элемента длины проводника на магнитную индукцию :

 (14).

Направление силы определяется правилом левой руки. Модуль силы Ампера находится по формуле

(15)

где - угол между векторами и . Из формулы (15) следует, что сила максимальна, если элемент проводника с током расположен перпендикулярно линиям магнитной индукции: Из последнего выражения можно получить формулу для численного определения магнитной индукции: т.е. магнитная индукция численно равна отношению силы, действующей со стороны магнитного поля на малый элемент проводника с током, к произведению силы тока на длину этого элемента, если он так расположен в поле, что указанное отношение наибольшее. Единица магнитной индукции - тесла (Тл): 1 Тл - это индукция такого однородного магнитного поля, которое действует с силой в 1 Н на каждый метр длины прямолинейного проводника, расположенного перпендикулярно направлению поля, если по этому проводнику протекает ток в 1 А:

1 Тл = 1 Н /(А·м).

Закон Ампера применяется для определения силы взаимодействия токов. Рассмотрим два протяженных параллельных проводника с токами и (направления токов в проводниках «к нам»), расстояние между которыми R (рис. 6). Каждый из проводников создает магнитное поле, которое действует по закону Ампера на другой проводник с током. Определим силу, с которой действует магнитное поле тока на элемент второго проводника с током .

Рис. 6

Ток создает вокруг себя магнитное поле, линии индукции которого представляют собой концентрические окружности. Направление вектора определяется правилом буравчика, а модуль находится по уже известной формуле

Направление силы , с которой поле действует на участок второго проводника с током, определяется по правилу левой руки и указано на рисунке. Модуль этой силы с учетом того, что угол между элементом тока и вектором прямой, равен

Подставляя сюда значение , получим: (16) Рассуждая аналогично, можно определить силу , с которой магнитное поле тока действует на элемент первого проводника с током . Эта сила направлена в противоположную сторону и по модулю равна

(17)

Сравнение (16) и (17) показывает, что , т.е. два параллельных тока одинакового направления притягиваются друг к другу с силой

(18)

Если токи в проводниках имеют противоположные направления, то, используя правило левой руки, можно показать, что между ними действует сила отталкивания, определяемая формулой (18).

5. Циркуляция вектора индукции магнитного поля в вакууме

Аналогично циркуляции вектора напряженности электростатического поля в магнитном поле вводится понятие циркуляции вектора магнитной индукции по заданному замкнутому контуру:

где - вектор элементарной длины контура, направленный вдоль обхода контура; - составляющая вектора в направлении к касательной к контуру с учетом выбранного обхода контура; - угол между векторами и . Теорема о циркуляции вектора или закон полного тока для магнитного поля в вакууме формулируется следующим образом: циркуляция вектора по произвольному замкнутому контуру равна произведению магнитной постоянной на алгебраическую сумму токов, охватываемых этим контуром, т.е. (19) где n - число проводников с токами, охватываемых контуром l произвольной формы.

Рис. 7

Каждый ток учитывается столько раз, сколько раз он охватывается контуром. Положительным считается ток, направление которого связано с направлением обхода контура правилом правого винта; ток противоположного направления считается отрицательным. Например, для системы токов, охваченных контуром l на рис. 7, закон полного тока запишется следующим образом:

Выражение (19) справедливо только для магнитного поля в вакууме, так как для поля в веществе необходимо дополнительно учитывать молекулярные токи (микротоки). Убедимся в справедливости теоремы о циркуляции вектора на примере магнитного поля прямого тока I, перпендикулярного плоскости чертежа и направленного «к нам» (рис. 8). Представим себе замкнутый контур l в виде окружности радиуса r. В каждой точке этой окружности вектор одинаков по модулю и направлен по касательной к ней. Следовательно, в данном случае циркуляция вектора будет равна

Рис. 8

Согласно выражению (19) получим:

что полностью согласуется с выражением для индукции магнитного поля прямого тока, выведенным на основе закона Био-Савара-Лапласа. Сравнивая выражения и для циркуляции векторов и , видно, что между ними существует принципиальное различие: циркуляция вектора напряженности электростатического поля всегда равна нулю, т.е. такое поле является потенциальным; циркуляция вектора отлична от нуля, поэтому магнитное поле является вихревым. Теорема о циркуляции вектора позволяет находить магнитную индукцию поля без применения закона Био-Савара-Лапласа.

6. Теорема Гаусса для магнитного поля в вакууме

Потоком вектора магнитной индукции или магнитным потоком сквозь малую поверхность площадью dS называется скалярная физическая величина, равная

(20)

где - проекция вектора на направление нормали к площадке dS (рис. 9); - вектор, модуль которого равен dS, а направление совпадает с направлением нормали к площадке.

Рис. 9

Магнитный поток сквозь произвольную поверхность площадью S равен

 (21)

Если магнитное поле однородно, а поверхность плоская, то как частный случай

(22)

Если плоская поверхность расположена перпендикулярно вектору , то угол и

Отсюда определяется единица магнитного потока вебер (Вб): 1 Вб - это магнитный поток, проходящий сквозь плоскую поверхность площадью 1 м2, расположенную перпендикулярно однородному магнитному полю, индукция которого равна 1 Тл, т.е.

1 Вб = 1 Тл·м2.

Теорема Гаусса для магнитного поля формулируется следующим образом: поток вектора магнитной индукции сквозь произвольную замкнутую поверхность равен нулю:

(23)

Эта теорема отражает тот факт, что в природе не существует магнитных масс (магнитных зарядов) - источников магнитного поля, на которых начинались бы или заканчивались линии магнитной индукции. Вследствие этого силовые линии магнитного поля не имеют ни начала, ни конца и являются замкнутыми. Итак, потоки векторов и сквозь замкнутую поверхность в вихревом и потенциальном полях имеют различные выражения:

Магнитный поток через поверхность, ограниченную замкнутым контуром, называется потокосцеплением этого контура. Например, потокосцепление катушки, состоящей из N витков, магнитные потоки через которые одинаковы и равны Ф, определяется как

Потокосцепление контура, обусловленное магнитным полем тока в самом этом контуре, называется потокосцеплением самоиндукции. Потокосцепление контура, обусловленное магнитным полем тока, идущим в другом контуре, называется потокосцеплением взаимной индукции этих двух контуров. В качестве примера найдем потокосцепление самоиндукции соленоида:

где - магнитный поток через один виток соленоида площадью S.

7. Магнитные свойства вещества

Не все вещества одинаково проводят силовые линии магнитного поля. Так, например, через железо магнитные силовые линии проходят во много раз легче, чем через воздух. Другими словами способность железа проводить магнитный поток больше, чем окружающего воздуха, поэтому индукция магнитного поля в железе больше, чем в воздухе. Величина, характеризующая магнитные свойства среды, в которой действует магнитное поле, называется магнитной проницаемостью ( ). Она показывает, во сколько раз магнитная индукция В в однородной изотропной среде больше (или меньше), чем в вакууме:

Для вакуума . Если магнитная проницаемость какого-либо вещества меньше единицы, то это вещество называют диамагнитным. В таких веществах магнитное поле слабее, чем в вакууме при прочих равных условиях. К диамагнитным материалам относятся медь, серебро, углерод и другие (табл. 7.1).

Таблица 7.1

Вещество		Вещество
Водород (газообразный)	0,999937	Серебро	0,999981
Вода	0,999991	Золото	0,999963
Стекло	0,999987	Медь	0,999912
Цинк	0,999991	Висмут	0,999824

Если магнитная проницаемость вещества больше единицы, то такое вещество называют парамагнитным. Парамагнитными материалами являются вольфрам, платина, марганец и другие (табл. 7.2).

Таблица 7.2

Вещество		Вещество
Азот (газообразный)	1,000013	Эбонит	1,000014
Воздух (газообразный)	1,000038	Алюминий	1,000023
Кислород (газообразный)	1,000017	Вольфрам	1,000253
Кислород (жидкий)	1,003400	Платина	1,000253

Если магнитная проницаемость материала больше единицы во много раз, то такие материалы называют ферромагнитными (железо, никель, кобальт, некоторые сплавы). Эти материалы широко применяются в электротехнике, так как только их можно намагничивать. Для объяснения магнитных свойств различных веществ рассмотрим механизм действия магнитного поля на движущиеся заряды (электроны) в атомах и молекулах вещества. Электрон, вращающийся вокруг ядра атома по замкнутой орбите, представляет собой электрический ток (рис. 10). Вследствие этого возникает магнитное поле и движение электрона можно охарактеризовать орбитальным магнитным моментом

где - частота вращения электрона по орбите; S - площадь орбиты. Вектор направлен в соответствии с правилом правого винта.



Рис. 10

Вектор орбитального магнитного момента атома равен геометрической сумме орбитальных моментов отдельных электронов этого атома, т.е.

где Z - порядковый номер химического элемента в таблице Д.И. Менделеева. Если вещество имеет молекулярное строение, то орбитальный магнитный момент молекулы равен векторной сумме орбитальных магнитных моментов атомов, входящих в состав молекулы. Независимо от орбитального движения электроны являются источниками магнитного поля, так как вращаются вокруг собственной оси, т.е. обладают собственным механическим моментом импульса - спином, и, как следствие, собственным (спиновым) магнитным моментом . Проекция вектора на направление вектора может иметь одно из двух значений:

где - магнетон Бора. Таким образом, магнетизм атомов обусловлен двумя причинами: движением электронов по орбитам вокруг ядра и собственным моментом импульса (рис. 3.13). Если поместить вещество во внешнее магнитное поле, происходит упорядочение направлений векторов магнитных моментов отдельных атомов или молекул (намагничивание). В результате макроскопический объем магнетика приобретает определенный суммарный магнитный момент. Векторная физическая величина, определяемая магнитным моментом единицы объема вещества, называется намагниченностью:

где n - число атомов или молекул в объеме V. У большинства атомов диамагнетиков нет собственного магнитного момента, его магнитный момент индуцирован внешним полем (подобно тому, как появляется электрический момент в неполярных диэлектриках). Учитывая, что наведенный магнитный момент пропорционален индукции внешнего поля , можно записать (по аналогии с диэлектриком)

,

где в данном случае . Наведенные составляющие магнитных полей атомов (молекул) складываются и образуют собственное магнитное поле вещества, ослабляющее внешнее магнитное поле. Этот эффект называют диамагнитным эффектом. Таким образом, диамагнетики - вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле против направления поля. Диамагнитный эффект не зависит от температуры, так как тепловое движение атомов не нарушает ориентации индуцированных токов внутри атомов. Диамагнитный эффект присущ практически любому веществу. Молекулы парамагнетиков имеют отличные от нуля собственные магнитные моменты. В отсутствие внешнего магнитного поля эти моменты расположены хаотически, поэтому вектор намагничивания равен нулю. При внесении парамагнетика в магнитное поле магнитные моменты отдельных атомов или молекул преимущественно ориентируются по полю. Таким образом, парамагнетик намагничивается, создавая собственное магнитное поле, совпадающее по направлению с внешним полем и усиливающее его. Этот эффект называют парамагнитным эффектом. Тепловое движение атомов и молекул нарушает взаимную ориентацию магнитных моментов молекул, поэтому парамагнитный эффект зависит от температуры и парамагнетиков убывает с увеличением температуры. Предельным случаем парамагнетизма является ферромагнетизм. Его объяснение дается в квантовой теории, где показано, что в системе, состоящей из большого количества молекул, магнитные моменты которых обусловлены спинами электронов, действуют обменные силы, стремящиеся одинаково ориентировать спины двух соседних атомов (молекул). Поэтому в некоторых веществах (железо, сталь, кобальт, никель, их сплавы) возникают микроскопические области, имеющие вследствие сложения спинов электронов значительные магнитные моменты, т.е. самопроизвольно намагниченные до насыщения. Эти области получили название доменов. При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты отдельных доменов ориентированы хаотически и компенсируют друг друга, поэтому результирующий магнитный момент ферромагнетика равен нулю (вещество не намагничено). При внесении ферромагнетика во внешнее магнитное поле происходит ориентация по полю магнитных моментов не отдельных атомов, как у парамагнетиков, а целых областей спонтанной намагниченности. При возрастании температуры намагничивание ферромагнетиков уменьшается, они теряют свои магнитные свойства и превращаются в парамагнитные вещества. Для каждого ферромагнитного материала есть определенная температура перехода, называемая точкой Кюри. Например, для железа 1043 К, кобальта 1393 К, никеля 631 К.

Рис. 11

Характерная особенность ферромагнетиков состоит в том, что для них зависимость , а значит, и является нелинейной и определяется предысторией намагничивания вещества. Это явление называют магнитным гистерезисом. При намагничивании магнитное поле внутри ферромагнетика возрастает от нуля до некоторого значения Н (рис. 11). Изменение значения индукции в веществе характеризуется кривой ОL. Если уменьшать напряженность поля Н, то изменение индукции изобразится кривой LM, т.е. индукция ферромагнетика будет уменьшаться, но ее значения будут большими для соответствующих значений напряженности внешнего поля при намагничивании. При напряженности поля Н=0 индукция отлична от нуля, т.е. в этом состоянии (отрезок ОМ) ферромагнетик является постоянным магнитом. Чтобы уничтожить остаточное намагничивание, необходимо создать поле -Н, направленное противоположно первоначальному. Напряженность магнитного поля, при которой В=0, называется задерживающей, или коэрцитивной, силой Нк. При последующем изменении поля индукция также изменяется, образуя петлю гистерезиса. В зависимости от значения задерживающей силы различают мягкие и жесткие ферромагнетики. Мягкие ферромагнетики имеют узкую петлю гистерезиса и малые значения коэрцитивной силы. К ним относятся железо, пермаллой и некоторые другие материалы. Из мягких ферромагнетиков изготавливают сердечники трансформаторов, генераторов и двигателей. Жесткие ферромагнетики характеризуются широкой петлей гистерезиса и соответственно большими значениями коэрцитивной силы. К ним относятся сталь и ее сплавы. Жесткие ферромагнетики используются для изготовления постоянных магнитов. Площадь петли гистерезиса характеризует ту работу, которую необходимо совершить для перемагничивания ферромагнетика.

Краткие выводы

· Взаимодействие между проводниками с током, т.е. взаимодействие между движущимися электрическими зарядами, осуществляется посредством особой формы материи - магнитного поля. Магнитное поле, как и электрическое, является одной из сторон единого электромагнитного поля.

· Основной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции Магнитная индукция в данной точке однородного магнитного поля определяется максимальным вращающим моментом, действующим на рамку с единичным магнитным моментом, когда нормаль к рамке перпендикулярна направлению поля:

· Магнитное поле изображается с помощью линий магнитной индукции. Линии магнитной индукции всегда замкнуты и охватывают проводник с током. Поля с замкнутыми силовыми линиями называют вихревыми. Направление силовых линий магнитного поля определяется по правилу буравчика.

· Вектор характеризует результирующее магнитное поле, создаваемое всеми макро- и микротоками. Магнитное поле макротоков описывается вектором напряженности

· В случае однородной изотропной среды

· Магнитная индукция поля в некоторой точке А, создаваемого элементом проводника с током I определяется законом Био-Савара-Лапласа

где - радиус-вектор, проведенный из элемента проводника в точку А.

· Магнитная индукция результирующего поля, создаваемого несколькими токами или движущимися зарядами, равна векторной сумме магнитных индукций полей, создаваемых каждым током или движущимся зарядом в отдельности (принцип суперпозиции магнитных полей):

· На элемент проводника с током I, помещенный в магнитное поле, действует со стороны поля сила, которая согласно закону Ампера, равна:

где - угол между и

· . Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки.

· На движущуюся заряженную частицу в магнитном поле действует сила Лоренца

где - угол между и . Направление силы Лоренца определяется по правилу левой руки. Магнитное поле действует только на движущиеся в нем заряды.

· На движущуюся заряженную частицу одновременно в электрическом и магнитном полях действует сила (формула Лоренца)

Электрическое поле изменяет скорость, а следовательно, кинетическую энергию частицы; магнитное поле изменяет только направление ее движения.

· Циркуляция вектора по произвольному замкнутому контуру в вакууме равна произведению магнитной постоянной на алгебраическую сумму токов, охватываемых этим контуром:

магнитный поле лоренц ампер

где n - число проводников с токами, охватываемых контуром L произвольной формы. Циркуляция вектора электростатического поля всегда равна нулю, т.е. электростатическое поле является потенциальным. Циркуляция вектора магнитного поля не равна нулю, такое поле называется вихревым.

· Поток вектора магнитной индукции сквозь произвольную замкнутую поверхность равен нулю (теорема Гаусса для поля ):

Эта теорема отражает факт отсутствия в природе магнитных зарядов, вследствие чего линии магнитной индукции не имеют ни начала, ни конца и являются замкнутыми.

· Все вещества в магнитном поле намагничиваются, т.е. создают свое магнитное поле. Величина, показывающая, во сколько раз магнитная индукция в среде больше или меньше, чем в вакууме, называется магнитной проницаемостью:

· По значению магнитной проницаемости различают диамагнетики (), парамагнетики () и ферромагнетики (). У ферромагнитных материалов зависит от внешнего магнитного поля.

Размещено на Allbest.ru