Урок 9: Часть 1. Электромагнетизм

Постоянные магниты. Что это?

Китайцы, как и греки, тоже замечали интересное свойство некоторых минералов притягивать к себе железосодержащие предметы. Слово «притягивать» китайцы ассоциируют со словами «прижиматься», «любить» и поэтому назвали такие минералы «чу-ши», что значит «любящий камень». Так как эти минералы создала природа, и человек не мог повлиять на естественное действие камней, их стали называть постоянными магнитами.

Теперь уже известно, что так интересно проявляется природный минерал магнитный железняк (магнетит). Это достаточно хрупкий черного цвета минерал, плотность его примерно 5000 кг/м3.

Магнитный железняк.

Древние люди приписывали магнитному железняку свойства «живой души». Минерал, по их словам, устремлялся к железу, как собака к куску мяса. Ученые объясняют отношение древних к явлениям природы незнанием физики.

На самом деле, все заключается в особом виде материи – поле.

Магнитное поле и притягивает к постоянному магниту железные предметы, ведь, например, мелкие гвоздики или кнопки устремляются к магниту даже без соприкосновения с ним, а на некотором расстоянии.

Магнетит (природный магнитный железняк) проявляет свойства притягивания не очень сильно. Человеком на его основе созданы искусственные магниты с более мощным магнитным полем. В качестве материала в них используются такие металлы, как кобальт, никель и, конечно же, железо. Такие металлы способны намагничиваться, попадая в магнитное поле, а потом становятся самостоятельными магнитами.

Разные формы искусственных магнитов. Источник

Какую бы форму не имел магнит, у него есть участки, где наиболее сильно проявляются магнитные свойства. Эти участки называют магнитными полюсами. У каждого, даже самого маленького магнита, есть два полюса. Современные технологии позволяют намагничивать металлические предметы так, что у них образуется и 4 и 6 полюсов.

Увидеть, как по-разному притягиваются железные опилки к магниту, можно на простейшем опыте с дугообразным школьным магнитом. Просто поднести к опилкам магнит, опилки тут же «прилипнут» к нему:

Дугообразный магнит.

Полюсами такого магнита будут края дуги, где больше всего скопилось железных опилок.

У полосового магнита, форма которого прямоугольный параллелепипед, полюса находятся далеко друг от друга. Чем ближе к середине, тем меньше проявляются магнитные свойства.

Полосовой магнит.

Вопросы и задачи

Куда направлен вектор магнитной индукции в точке А
, лежащей на биссектрисе угла, образованного токами
I
1 и
I
2, изображенными на рисунке?
К противоположным вершинам A
и
C
ромба
AKCD
из однородной проволоки подведены провода от источника тока. Какова магнитная индукция в центре ромба? Как будет направлен вектор магнитной индукции в этой точке, если ветвь ромба
AKC
сделать из медной проволоки, а ветвь
ADC
из алюминиевой того же сечения?
К наиболее удаленным друг от друга вершинам кубического каркаса, изготовленного из однородной проволоки, подводится постоянное напряжение. Чему равна индукция магнитного поля в центре куба при протекании по его ребрам токов?
По двум одинаковым проволочным круговым проводникам, имеющим общий центр и расположенным в перпендикулярных плоскостях, текут одинаковые токи. Модуль вектора магнитной индукции в общем центре равен В
. Какой будет магнитная индукция в той же точке, если прежний ток пойдет только по одному проводнику?
Ток I
, текущий по проводу, согнутому в окружность радиусом
R
, создает в ее центре магнитное поле, абсолютная величина индукции которого равна
В
. Какой станет индукция поля в центре полуокружности
О
, если провод будет иметь вид, показанный на рисунке?
На плоской гладкой поверхности лежит проводник из мягкого провода. Какую форму примет провод, если пропустить по нему достаточно сильный ток?
Как будут взаимодействовать между собой витки соленоида, если по ним потечет: а) постоянный ток; б) переменный ток?
По двум жестким незакрепленным прямолинейным проводам, скрещивающимся под прямым углом, пропускают токи I
1 и
I
2. Как будет меняться взаимное расположение проводов сразу после включения токов?
Как расположится небольшая магнитная стрелка, помещенная в центре плотно намотанной катушки, подключенной к источнику тока?
Для чего в катушках сопротивления используют бифилярную намотку наматывают на стержень провод, сложенный вдвое так, что оба его конца оказываются рядом?
Громоотвод был соединен с землей при помощи тонкостенной металлической трубки. Почему после удара молнии трубка мгновенно превратилась в круглый стержень?
Что будет происходить с рамкой с током, помещенной в магнитные поля, изображенные на рисунке?
Проволочное кольцо с током свободно подвешено на мягких подводящих проводах и охватывает посередине горизонтальный цилиндрический постоянный магнит. Что произойдет с кольцом, если изменить направление тока в нем на противоположное?
Сверхпроводящее кольцо с током «парит» в магнитном поле так, как показано на рисунке. В какую сторону течет ток по ближайшей к читателю стороне кольца?
Как изготовить электромагнит, подъемную силу которого можно было бы регулировать?
Можно ли построить сильный электромагнит, если поставлено условие, чтобы ток в нем был сравнительно малый?

Указатель юга и севера – компас. Полюсы магнитные

«Указатель юга» — так называли древние китайцы свое изобретение. Это был прибор в форме ложки, изготовленный из природного магнита. Ложка могла вращаться вокруг вертикальной оси.

Древний китайский компас.

Ручка ложки указывала южное направление. Она была северным полюсом ложки-магнита.

Развитие науки не остановилось, и современные компасы уже имеют другой вид:

Разные виды компасов.

Магнитная стрелка, главный элемент компаса, — это постоянный магнит и имеет два полюса. Конец стрелки, указывающий на географический Север, называют северным (N), а противоположный – южным (S) полюсом. Отсюда и название полюсов различных магнитов.

Раскраска магнитов в красный и синий цвета условна, реже используются и другие цвета. Существенным является то, что полюсы магнитов существуют только парами. Если распилить, например, полосовой магнит, получатся два полосовых магнита, и у них будет снова по два полюса: северный и южный.

В школьных лабораторных работах используются маленькие магниты на подставке, которые насаживаются на тонкую иглу и могут свободно вращаться вокруг этой иглы. Такие устройства называются магнитными стрелками, как подобие стрелок компасов.

С помощью стрелок изучается взаимодействие полюсов магнитов. Если приблизить стрелки друг к другу, они начинают поворачиваться и установятся по следующему правилу:

Земной шар является огромным магнитом, у которого есть свои полюсы. Но нельзя путать магнитные полюсы Земли с географическими. Согласно правилу, синий (северный) конец стрелки должен поворачиваться к Южному полюсу земного шара, так как притягиваются разноименные полюсы. Да, действительно, это так. Южный магнитный полюс Земли находится вблизи Северного географического полюса, но не в той же точке, а чуть в стороне, на острове Принца Уэльского. Северный магнитный полюс находится в Антарктиде, где и Южный географический.

Источник

Месторасположение магнитных полюсов Земли не остается постоянным. Полюсы смещаются на расстояние нескольких десятков километров в год.

Очень широк список областей, где применяются магниты:

автомобилестроение;
приборостроение;
автоматика;
телемеханика;
тормозные системы;
компасы;
медицина;
радиотехника;
электротехника.

От изучения природных магнитных явлений человек давно шагнул к элетромагнитным явлениям, без чего невозможно развитие знаний об электричестве и электрическом токе.

Магнитное действие электрического тока: примеры

В технологических процессах и быту магнитные свойства тока применяются в десятках случаев:

Сепараторные цели – очистка веществ, например, пищи, от металлических вкраплений. Магниты удаляют из сыпучих материалов металлы: сталь, железо, чугун, их сплавы.
Устройства для разделения заряженных частичек.
Намагничивание жидкостей, водных растворов.
Краны для погрузки, разгрузки, сортировки металлов. Через сильный электромагнит по команде оператора пропускается электрический ток, который включает/отключает магнитное поле, притягивая или отпуская металлолом в нужные моменты.
Управление микроорганизмами посредством воздействия на них полевыми образованиями.
Электродвигатели – принцип работы основан на электромагнитной индукции – превращение электрической энергии в механическую.
Генератор – устройство для преобразования энергии из одного вида в другой.
Магнитные пластины, фиксирующие обрабатываемые на шлифовальных станках заготовки.
Транспорт – магнитные запоры, датчики.
Медицина: магнитно-резонансные томографы.
Исполнительные устройства: переключатели, выключатели, задвижки.
Компьютерная техника: жёсткие диски, динамики.

Магнитное поле Земли, о котором писал ещё Гилберт, чувствуют и используют животные. По нему ориентируются птицы при перелётах и прочие животные во время миграций.

Приведите примеры магнитного действия тока, с которыми сталкивались сами.

Графическое изображение полей

Магниты действуют друг на друга и на железосодержащие предметы посредством магнитного поля. Поле не имеет цвета, запаха, его нельзя ощущать. Это особый вид материи, который проявляется по его действию на другое поле или на физические тела.

Условно изображают магнитное поле с помощью силовых линий, так же, как электрическое поле.

Эти линии замкнуты, то есть не имеют ни начала, ни конца. Направление, куда показывают северные полюсы магнитных стрелок, попавших в поле магнита, принято за направление силовых магнитных линий поля. Таковым оказывается направление от северного полюса к южному.

Хотя изображение силовых линий принято за условное, они все же проявляются в простом опыте с железными опилками. Если положить магнит на лист бумаги и посыпать мелкими опилками из железа, то можно увидеть, как они выстроятся вдоль определенных линий, как маленькие магнитные стрелки.

Частота линий вокруг магнита различна. Это подчеркивает более сильное действие магнитного поля около полюсов, где силовые линии плотнее.

Основные свойства и характеристики магнитного поля.

Электромагнетизм

Магнитное поле

Рис. 1.1
Магнитное поле формируется только вокруг электрических зарядов, которые находятся в движении. Именно поэтому магнитное и электрическое поле являются, неотъемлемыми и вместе формируют электромагнитное поле

. Компоненты магнитного поля взаимосвязаны и воздействуют друг на друга, изменяя свои свойства.

Свойства магнитного поля:

1. Магнитное поле возникает под воздействие движущих зарядов электрического тока. 2. В любой своей точке магнитное поле характеризуется вектором физической величины под названием
магнитная индукция
, которая является силовой характеристикой магнитного поля. 3. Магнитное поле может воздействовать только на магниты, на токопроводящие проводники и движущиеся заряды. 4. Магнитное поле может быть постоянного и переменного типа 5. Магнитное поле измеряется только специальными приборами и не может быть воспринятым органами чувств человека. 6. Магнитное поля является электродинамическим, так как порождается только при движении заряженных частиц и оказывает влияние только на заряды, которые находятся в движении. 7. Заряженные частицы двигаются по перпендикулярной траектории.

Размер магнитного поля зависит от скорости изменения магнитного поля. Соответственно этому признаку существуют два вида магнитного поля: динамичное магнитное
поле
и
гравитационное магнитное поле
.
Гравитационное магнитное поле
возникает только вблизи элементарных частиц и формируется в зависимости от особенностей строения этих частиц.
Магнитный момент возникает в том случае, когда магнитное поле воздействует на токопроводящую раму. Другими словами, магнитный момент — это вектор, который расположен на ту линию, которая идет перпендикулярно раме.
Магнитное поле можно изобразить графически с помощью магнитных силовых линий. Эти линии проводятся в таком направлении, так чтобы направление сил поля совпало с направлением самой силовой линии. Магнитные силовые линии являются непрерывными и замкнутыми одновременно.

Направление магнитного поля определяется с помощью магнитной стрелки. Силовые линии определяют также полярность магнита, конец с выходом силовых линий — это северный полюс, а конец, с входом этих линий, это южный полюс.

Очень удобно наглядно оценить магнитное поле с помощью обычных железных опилок и листка бумаги. Если мы на постоянный магнит положим лист бумаги, а сверху насыпим опилок, то частички железа выстроятся соответственно силовым линиям магнитного поля.

Направление силовых линий для проводника удобно определять по знаменитому правилу буравчика

или
правилу правой руки
(рис.1.2)
.
Если мы обхватим проводник рукой так, чтобы большой палец смотрел по направлению тока (от плюса к минусу), то 4 оставшиеся пальцы покажут нам направление силовых линий магнитного поля.

Рис. 1.2

· Закон Ампера

Закон Ампера

показывает, с какой силой действует магнитное поле на помещенный в него проводник. Эту силу также называют силой Ампера.

Формулировка закона: сила, действующая на проводник с током, помещенный в однородное магнитное поле, пропорциональна длине проводника, вектору магнитной индукции, силе тока и синусу угла между вектором магнитной индукции и проводником.

Энергия, заключенная в магнитном поле, может проявлять себя в виде электромагнитных сил, которые возникают при взаимодействии магнитного поля с движущимися электрическими зарядами

Если поместить в магнитное поле проводник с током I, то между электронами, проходящими по проводнику, и магнитным полем возникнут электромагнитные силы, которые, складываясь, образую т результирующую силу F, стремящуюся вытолкнуть проводник из магнитного поля. Электромагнитная сила F, действующая на проводник с током, находящийся в магнитном поле и расположенный перпендикулярно направлению поля, равна произведению силы тока I, индукции магнитного поля В и длины проводника :

Если проводник расположен под углом α к силовым магнитным, то сила, Н,

Направление действия силы F обычно определяют по правилу левой руки (рис.1.3).

Рис. 1.3

В результате воздействия таких механических сил при одинаковом направлении тока лежащие рядом проводники будут притягиваться друг к другу (рис. 1.4, а), при разном направлении тока — отталкиваться (рис. 1.4, б). На явлении взаимодействия магнитного поля и проводника с током основано устройство различных электрических машин и приборов, например, измерительных приборов магнитоэлектрической системы. Особенно большие силы между проводниками возникают в электрических цепях при коротких замыканиях.

а) б)

Рис. 1.4 Взаимодействие двух проводников с током: а) при одинаковом направлении тока; б) при разном направлении тока

· Характеристики магнитного поля

Магнитная индукция. Интенсивность магнитного поля характеризуется магнитной индукцией В. Чем сильнее магнитное поле, созданное постоянным магнитом или электромагнитом, тем большую индукцию оно имеет. Направление действия электромагнитной силы F на проводник определяется правилом левой руки (рис. 1.3).

Если расположить левую руку так, чтобы магнитные линии пронизывали ладонь, а вытянутые четыре пальца указывали направление тока в проводнике, то отогнутый большой палец укажет направление действия электромагнитной силы.

По этой силе можно судить об интенсивности магнитного поля, т. е. о его магнитной индукции. Если на проводник длиной 1 м с током 1 А, расположенный перпендикулярно магнитным линиям в равномерном магнитном поле, действует сила в 1 Н, то магнитная индукция такого поля равна 1 Тл (тесла).

Магнитная индукция
— векторная величина
: в каждой точке поля вектор магнитной индукции направлен по касательной к магнитным силовым линиям.

Магнитный поток. Величина, измеряемая произведением магнитной индукции В на площадь S, перпендикулярную вектору магнитной индукции, называется магнитным потоком Ф:

Ф=BS.

Магнитную индукцию выражают в теслах, а площадь — в квадратных метрах, поэтому единица магнитного потока — вебер:

1 Вб = 1 Тл ∙ 1

Магнитодвижущая сила

. Способность тока возбуждать магнитное поле характеризуется
магнитодвижущей силой (МДС)
, Действующей вдоль замкнутой магнитной силовой линии. Магнитодвижущая сила Равна току, создающему магнитное поле, и выражается в амперах.

Для проводника с током I МДС равна току I. В общем случае, когда замкнутый контур магнитной силовой линии охватывает несколько токов, суммарная МДС равна сумме токов.

Для катушки с числом витков w и током I (рис.1.5) МДС равна

ƩI=Iw.

Напряженность магнитного поля

. Магнитодвижущая сила, приходящаяся на единицу длины магнитной силовой линии, называется
напряженностью магнитного
поля Н и выражается в амперах на метр (А/м).

Если физические условия вдоль всей длины I магнитной линии одинаковы, то

Например, вокруг прямолинейного проводника с током I линии магнитного поля представляют собой концентрические окружности переменного радиуса х, длина каждой из которых I = 2 х. В этом случае напряженность.

По мере удаления от проводника напряженность поля снижается.

Рис. 1.5. Тороидальная катушка

Магнитная проницаемость

. Магнитная индукция зависит не только от силы тока, проходящего по прямолинейному проводнику или индуктивной катушке, но и от свойств среды, в которой создается магнитное поле. Величиной, характеризующей магнитные свойства среды, служит
абсолютная магнитная проницаемость
. Она определяется отношением магнитной индукции В к напряженности магнитного поля Н и измеряется в генри на метр (Гн/м):

Абсолютная магнитная проницаемость вакуума = 4π ∙ Гн/м. Для воздуха и других неферромагнитных материалов она незначительно отличается от магнитной проницаемости вакуума и при технических расчетах принимается равной 4π ∙ Гн/м. Так как абсолютная магнитная проницаемость для вакуума и указанных ранее материалов практически одинакова, то называется магнитной постоянной

. Абсолютная магнитная проницаемость ца ферромагнитных материалов непостоянна и во много раз превышает магнитную проницаемость вакуума. Число, показывающее, во сколько раз абсолютная магнитная проницаемость ферромагнитного материала больше магнитной постоянной , называется
относительной магнитной проницаемостью
, или (сокращенно) магнитной проницаемостью:

· Магнитные свойства вещества

Постоянные магниты могут быть изготовлены лишь из сравнительно немногих веществ, но все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются, т. е. сами становятся источниками магнитного поля. В результате этого вектор магнитной индукции при наличии вещества отличается от вектора магнитной индукции в вакууме.

Определение

Магнитная проницаемость вещества

μ показывает, во сколько раз вектор магнитной индукции в веществе больше, чем вектор магнитной индукции в вакууме, то есть

=μ⋅

Магнитные свойства вещества определяют по тому, как эти вещества реагируют на внешнее магнитное поле и каким образом упорядочена их внутренняя структура. Существует три основных класса веществ с резко различающимися магнитными свойствами: ферромагнетики, парамагнетики и диамагнетики.

Вещества, у которых, подобно железу, μ≫1, называются ферромагнетиками

Важнейшее свойство ферромагнетиков − существование у них остаточного магнетизма. Из ферромагнетиков изготавливают постоянные магниты.

Однако при нагревании до достаточно высокой температуры ферромагнитные свойства у тел исчезают (точка Кюри).

Температура, при которой вещество теряет ферромагнитные свойства, называется температурой или точкой Кюри

Железо (Fe)	77 С
Никель (Ni)	36 С
Кобальт (Co)	100 С

При нагревании постоянного магнита выше этой температуры он перестает притягивать железные предметы. Магнитная проницаемость ферромагнетиков непостоянна, она зависит от магнитной индукции внешнего поля.

Существуют вещества, которые ведут себя подобно железу, т.е. втягиваются в магнитное поле. Эти вещества называют парамагнитными

. У них μ>1, но от единицы отличается на величину порядка .

Магнитная проницаемость парамагнетиков зависит от температуры и уменьшается при ее увеличении. Без намагничивающего поля парамагнетики не создают собственного магнитного поля. Постоянных парамагнетиков нет.

Диамагнетики

— вещества, которые выталкиваются из магнитного поля. У диамагнетиков μ<1, отличается от единицы на величину порядка .

Магнитная проницаемость практически не зависит от индукции намагничивающего поля и от температуры. При вынесении диамагнетика из внешнего намагничивающего поля он полностью размагничивается и магнитного поля не создает.

Сверхпроводники − идеальные диамагнетики. Магнитное поле вообще не проникает внутрь сверхпроводника. Это означает, что сверхпроводник является идеальным диамагнетиком. Так как магнитная индукция внутри проводника равна нулю, то по формуле =μ⋅ магнитная проницаемость μ сверхпроводника также равна нулю.

· Намагничивание ферромагнетика. Этапы намагничивания.

Намагничивание ферромагнетиков представляет собой процесс, состоящий из нескольких этапов.

На первом этапе при увеличении напряжённости внешнего магнитного поля увеличиваются размеры тех доменов, у которых собственный магнитный момент образует с внешним полем острый угол. При этом уменьшается объём тех доменов, у которых этот угол тупой.

______________________________

* Обычно размеры домена составляют 10-4…10-5 м.

К концу первого этапа домены, у которых упомянутый угол острый, полностью поглощают те, у которых угол между собственным и внешним магнитным полем тупой.

Этот этап намагничивания называют этапом смещения границ.

На втором этапе дальнейшее увеличение напряжённости внешнего магнитного поля вызывает поворот магнитных моментов доменов в сторону внешнего магнитного поля.

Второй этап намагничивания называют этапом вращения.

К концу второго этапа магнитные моменты всех доменов направлены по внешнему магнит-ному полю. По окончании этого этапа наступает третий этап намагничивания – этап насыщения.

В ходе первого и второго этапов намагничивания поле внутри ферромагнетика растёт за счёт увеличения как внешнего магнитного поля, так и магнитного поля, созданного доменами.

На третьем этапе увеличение магнитного поля в ферромагнетике происходит только за счёт роста внешнего магнитного поля. Суммарное магнитное поле доменов не изменяется.

· Явление гистерезиса

Если уменьшать магнитное поле, которое вызвало намагничивание ферромагнетика, то окажется, что зависимость индукции магнитного поля в ферромагнетике от напряжённости внешнего магнитного поля не совпадает с начальной кривой намагничивания.

При уменьшении напряжённости внешнего магнитного поля до нуля, магнитное поле в ферромагнетике не уменьшится до нуля. Индукция магнитного поля в ферромагнетике окажется равной В

ост – остаточной индукции поля в ферромагнетике. Другими словами – образец ферромагнетика после выключения внешнего магнитного поля останется намагниченным.

Для того, чтобы уменьшить индукцию магнитного поля в ферромагнетике до нуля, необходимо изменить направление внешнего магнитного поля на противоположное и начать постепенное увеличение его напряжённости.

При некоторой напряжённости Н

с индукция поля в ферромагнетике уменьшится до нуля. Эту напряжённость принято называть
коэрцитивной силой
.

Дальнейшее увеличение напряжённости вызывает намагничивание ферромагнетика. Направление намагничивания противоположно первоначальному.

Если после намагничивания до насыщения вновь уменьшать напряжённость внешнего магнитного поля, то процесс пойдёт так, как показано на рисунке.

График зависимости В

(
Н
) замкнётся, образовав так называемую
петлю гистерезиса
. Само рассматриваемое явление называется
явлением гистерезиса.
Явление гистерезиса заключается в том, что значение В

при данном
Н
зависит от того, какое значение
Н
имела ранее. Например, если ферромагнетик не намагничен, то при
Н
= 0
В
= 0.

Если ферромагнетик ранее находился в магнитном поле с Н

>0, то при

= 0
В
=
В
ост

Если же ранее напряжённость была отрицательной, то при Н

= 0
В
=-
В
ост

Ферромагнетики делят на две группы. Основанием для классификации является коэрцитивная сила.

Коэрцитивная сила показывает, насколько трудно размагнитить ферромагнетик. Если коэрцитивная сила велика, то ферромагнетик размагнитить трудно. Такие ферромагнетики называют магнитожёсткими

. Из жёстких ферромагнетиков изготавливают постоянные магниты.

Если коэрцитивная сила мала, ферромагнетик можно размагнитить, почти не затрачивая на это энергию. Такие ферромагнетики называют магнитомягкими.

Из них изготавливают сердечники трансформаторов.

Контрольные вопросы

1. Может ли существовать магнитное поле независимо от электрического поля?

2. Каким правилом определяются направления силовых магнитных линий?

3. В каких единицах измеряется магнитная индукция?

4. От каких параметров зависит магнитная индукция

4. Что называется относительной магнитной проницаемостью ц?

Электромагнетизм

Магнитное поле

— это материя, которая возникает вокруг источников электрического тока, а также вокруг постоянных магнитов (рис.1.1). В пространстве магнитное поле отображается как совокупление сил, которые способны оказать воздействие на намагниченные тела. Это действие объясняется наличием движущих разрядов на молекулярном уровне.
Рис. 1.1
Магнитное поле формируется только вокруг электрических зарядов, которые находятся в движении. Именно поэтому магнитное и электрическое поле являются, неотъемлемыми и вместе формируют электромагнитное поле

. Компоненты магнитного поля взаимосвязаны и воздействуют друг на друга, изменяя свои свойства.

Свойства магнитного поля:

Направление силовых линий для проводника удобно определять по знаменитому правилу буравчика

Рис. 1.2

· Закон Ампера

Закон Ампера

Если проводник расположен под углом α к силовым магнитным, то сила, Н,

Направление действия силы F обычно определяют по правилу левой руки (рис.1.3).

Рис. 1.3

а) б)

· Характеристики магнитного поля

Ф=BS.

1 Вб = 1 Тл ∙ 1

Магнитодвижущая сила

Для катушки с числом витков w и током I (рис.1.5) МДС равна

ƩI=Iw.

Напряженность магнитного поля

Если физические условия вдоль всей длины I магнитной линии одинаковы, то

По мере удаления от проводника напряженность поля снижается.

Рис. 1.5. Тороидальная катушка

Магнитная проницаемость

· Магнитные свойства вещества

Определение

Магнитная проницаемость вещества

=μ⋅

Вещества, у которых, подобно железу, μ≫1, называются ферромагнетиками

Железо (Fe)	77 С
Никель (Ni)	36 С
Кобальт (Co)	100 С

. У них μ>1, но от единицы отличается на величину порядка .

Диамагнетики

· Намагничивание ферромагнетика. Этапы намагничивания.

Намагничивание ферромагнетиков представляет собой процесс, состоящий из нескольких этапов.

______________________________

* Обычно размеры домена составляют 10-4…10-5 м.

Этот этап намагничивания называют этапом смещения границ.

Второй этап намагничивания называют этапом вращения.

· Явление гистерезиса

При некоторой напряжённости Н

График зависимости В

Если ферромагнетик ранее находился в магнитном поле с Н

>0, то при

= 0
В
=
В
ост

Если же ранее напряжённость была отрицательной, то при Н

= 0
В
=-
В
ост

Ферромагнетики делят на две группы. Основанием для классификации является коэрцитивная сила.

. Из жёстких ферромагнетиков изготавливают постоянные магниты.

Из них изготавливают сердечники трансформаторов.

Контрольные вопросы

1. Может ли существовать магнитное поле независимо от электрического поля?

2. Каким правилом определяются направления силовых магнитных линий?

3. В каких единицах измеряется магнитная индукция?

4. От каких параметров зависит магнитная индукция

4. Что называется относительной магнитной проницаемостью ц?

Магнитное поле тока прямого проводника

Определить наличие магнитного поля можно, если к магниту поднести магнитную стрелку. Если поле есть, то стрелка повернется и займет положение по правилу взаимодействия полюсов. Северный полюс стрелки повернется к южному полюсу магнита.

Будет ли оказывать действие на стрелку электрический ток?

Проверить это можно с помощью опыта. Стрелка установлена на острие, над нею параллельно ее оси помещен проводник. Если замкнуть цепь, стрелка повернется в другое положение, при выключенной цепи вернется обратно.

Впервые проведя этот опыт в 1820 году, датский ученый Ганс Христиан Эрстед, не имея достаточно знаний о магнетизме, не сумел объяснить поведение стрелки около проводника с током. Это было сделано позднее, а опыт получил название «Опыта Эрстеда».

Получается, что электрический ток может быть источником магнитного поля, которое возникает вокруг движущихся зарядов (вокруг не движущихся зарядов есть только электрическое поле).

Нет ли противоречия в наличии магнитного поля вокруг тока, где направленно движутся частицы, и магнитного поля около постоянных магнитов? Оказывается, в магнитах существуют так называемые молекулярные токи, циркулирующие внутри молекул. Во времена Эрстеда природа таких токов была еще не открыта. Теперь же известно, что в атоме постоянно движутся электроны, поэтому и возникают магнитные свойства некоторых природных веществ, например, железа.

По примеру магнитов для графического изображения поля вокруг тока используют силовые магнитные линии. Направление их указывают северные полюсы магнитных стрелок, помещенных в это поле.

Расположение стрелок показывает, что:

Существует так называемое первое правило правой руки, по которому можно указать направление силовых линий магнитного поля вокруг проводника с током. При изменении направления тока меняется и направление силовых линий поля. Правая рука человека помогает разобраться в этих направлениях.

Конечно, правило применяется не буквально. Не нужно провод брать в руки, надо мысленно представить эту ситуацию с проводником и рукой.

Любопытно, что…

…впервые магнитные действия электрического тока наблюдали в середине XVIII века американец Франклин и итальянец Беккариа при изучении разрядов молнии или лейденской банки (прообраз современного конденсатора). Позже француз Араго описал случай, когда ударившая в дом молния сильно намагнитила в нем стальные ножи, вилки и другие предметы.

…в 1759 году профессор физики Петербургской академии наук Эпинус разработал первую математическую теорию электрических и магнитных явлений, положив в ее основу представление об особых «жидкостях», избыток или недостаток которых вызывает электризацию или намагничивание тел.

…знаменитый опыт Эрстеда по воздействию электрического тока на магнитную стрелку, приведший к возникновению новой области физики электромагнетизма, отражал характерную для ученого идею взаимосвязи различных природных процессов. Так, еще в 1821 году им была высказана мысль, что свет представляет собой электромагнитное явление.

…уже через три месяца после выхода брошюры Эрстеда с описанием его открытия французские физики Био и Савар экспериментально установили закон действия тока на магнитный полюс. Их соотечественник Лаплас придал закону математическую форму, в которой тот до сих пор фигурирует в учебниках физики.

…Ампер, проведший огромное количество опытов по электромагнетизму, обнаружил, в том числе, влияние поля Земли на проводники с током и открыл магнитный эффект катушки с током соленоида, что позволило ему считать такую катушку эквивалентом постоянного магнита.

…пытаясь найти закон, описывающий взаимодействие токов, Ампер опирался на третий закон Ньютона, не подозревая, что открыл новый тип сил, отличный от уже известных центральных. Полемика по этому поводу поставила проблему выполнения закона сохранения импульса в электродинамике.

…список источников магнитного поля, в который со времен Ампера входили постоянные магниты и электрические токи, был дополнен физикой XX века: она включила в него элементарные частицы, обладающие собственным магнитным моментом.

…действие магнитного поля на электролит, через который пропускают ток, вызывает, так же, как и в металлических проводах, появление амперовых сил. Это используют в магнитогидродинамических сепараторах при разделении материалов по их свойствам и в электромагнитных насосах для перекачки, в частности, жидкого натрия, служащего теплоносителем в атомных реакторах.

…элементарное рассмотрение взаимодействия магнита с витком тока приводит к неприемлемости понятия «эфира» некой гипотетической всепроникающей среды, заполняющей пространство. Именно с этого рассмотрения начиналась самая первая работа по теории относительности Эйнштейна, решительно отказавшегося от представлений об эфире.

Магнитные линии полосового магнита

С помощью простого эксперимент можно продемонстрировать свойства магнитных линий. Полосовой магнит кладется на горизонтальную поверхность, на него сверху — прозрачная (неметаллическая) пластинка, на которую насыпают мелкие железные опилки. Под действием магнита опилки намагничиваются и становятся как бы магнитными стрелочками. Видно, что опилки располагаются вдоль магнитных линий, которые выходят из северного полюса N и входят в южный полюс S. Гуще всего линии расположены в районе полюсов магнита.

Рис. 1. Магнитные линии полосового магнита