Властивості феромагнітних матеріалів.

Магніти та їх властивості

Тіла, що володіють властивістю притягати залізні і сталеві предмети, називаються магнітами. Магніти бувають природні і штучні. Шматки магнітного железняка (руді) називаються природними магнітами, а намагнічені сталеві стрижні — штучними магнітами. Дуже часто штучні магніти називаються постійними магнітами. На рис. 1 показані магніти різної форми.

Властивості магніту притягати залізні предмети найбільшою мірою виявляються на його кінцях (див. рис. 1), які називаються магнітними полюсами.

Лінія, що проходить через середину магніту, де не виявляється магнітних властивостей, називається нейтральною лінією або нейтраллю.

Полюси постійного магніту, вільно підвішеного, займають цілком певне положення — один показує на північ, а інший на південь земної кулі. Відповідно цьому полюс магніту, що показує на північ, називається північним полюсом (N), а полюс, що показує на південь, — південним полюсом (S).

Рис. 1 Різні форми постійних магнітів

Встановлено, що однойменні полюсы магнітів взаємно відштовхуються, а різнойменні притягуються (рис. 2. а). Досліди показують також, що якщо вільно укріплену магнітну стрілку розташувати поблизу провідника із струмом, то вона по відношенню до провідника займе цілком певне положення (рис. 2. 6). Це означає, що магнітна стрілка і провідник із струмом взаємодіють між собою так само, як взаємодіють постійні магніти.

Рис. 2 Взаємодія магнітних полів

а — полюсів; б — струму і магніту

 

Явища, при яких відбувається взаємодія між постійними магнітами або між магнітом і провідником із струмом, називаються магнітними явищами, а сила цих взаємодій — магнітною силою.

Магнітне поле.

Магнітне поле — це форма існування матерії, одна із сторін електромагнітного поля. Воно створюється рухомими зарядженими частинками і спостерігається біля провідників з електричними струмами і постійних магнітів, в яких в тій або іншій формі рухаються заряджені частинки.

Характерною особливістю магнітного поля є те, що воно певним чином орієнтує магнітну стрілку, діє на рухомі заряджені частинки і створює в провіднику, рухомому в полі, електрорушійну силу. Іншими словами, магнітне поле виявляється у виникненні механічних сил, що діють на електричний струм, і в створенні електрорушійних сил в провідниках, рухомих в межах поля. Це означає, що магнітне поле володіє цілком певною енергією.

Магнітне і електричне поля тісно зв'язані між собою і представляють дві сторони єдиного електромагнітного поля. Проте за певних умов яка-небудь сторона електромагнітного поля буває виражена більше іншої. Так, біля заряджених тіл, що покояться щодо спостерігача, виявляється тільки електричне поле і біля постійних магнітів явно спостерігається тільки магнітне поле.

Рис. 3 Магнітні поля

а — стрижньового магніту; б — провідника із струмом

 

Магнітне поле, подібно до електричного поля, графічно зображають силовими або магнітними лініями. За напрям магнітних ліній, або, як то кажуть, за напрям поля, умовно прийнятий той напрям, який показує північний полюс магнітної стрілки, поміщеної в дану точку поля. Тому магнітні лінії в полі проводяться так, щоб напрям дотичній в кожній точці поля співпадав з напрямом магнітної стрілки, тобто з напрямом її північного полюса.

Магнітні лінії, як показують досліди, не мають ні почала, ні кінця, тобто вони завжди замкнуті. Так, наприклад, магнітні лінії поля постійного магніту (мал. 3,3,а), выходячи з одного полюса і входячи в інший, замикаються усередині магніту. Д1агнітниє лінії поля прямолінійного провідника із струмом (pис. 3. 6) мають форму концентричних кіл. Тому магнітне поле є вихровим полем і змінюється по законах вихорів.

Основними величинами, що кількісно характеризують магнітне поле, є магнітна індукція, магнітний потік і напруженість магнітного поля.

Магнітна індукція.

Під магнітною індукцією розуміється величина, що характеризує інтенсивність магнітного поля в кожній точці середовища. Про величину магнітної індукції можна судити по будь-якому прояву магнітного поля, зокрема по величині тієї механічної сили, з якою магнітне поле діє на рухомі в нім заряджені частинки. Цю силу можна визначити за допомогою рухомого точкового заряду.

Дійсно, якщо в магнітному полі перпендикулярно магнітним лініям переміщати точковий заряд q із швидкістю v, то на заряд діятиме магнітне поле з силою F. Визначивши цю силу і розділивши її на величину точкового заряду і його швидкість, отримаємо нову величину, звану магнітною індукцією.

Магнітна індукція позначається буквою B і виражається формулою

Форм. 1

Таким чином, магнітною індукцією в даній крапці Називається сила, що доводиться на одиницю заряду рухомої зарядженої частинки, поміщеної в дану точку поля.

Магнітна індукція вимірюється у вольт-секундах на квадратний метр або у веберах на квадратний метр.

Форм. 2

Ця одиниця є дуже великою, тому на практиці часто користуються дрібнішою одиницею абсолютної електромагнітної системи СГС — гаусом.

Між цими одиницями існує наступне співвідношення: 1 вб/м² = 104 гс.

Магнітна індукція, як і сила, характеризується величиною і напрямом. Тому магнітна індукція є векторною величиною. Напрям вектора магнітній індукції співпадає з напрямом магнітного поля.

Магнітне поле називається рівномірним або однорідним, якщо магнітна індукція в усіх точках поля однакова. Навпаки, магнітне поле називається неоднорідним, якщо магнітна індукція неоднакова в різних точках поля.

Магнітне поле струмів.

Електричний струм, як указувалося вище, створює магнітне поле. Причому залежно від форми шляху струму або, інакше, його форми створюються різні конфігурації магнітних полів. Так, зокрема, струм, проходячи по прямолінійному провідникові (див. рис. 3. 6), створює навколо нього магнітне поле, лінії якого розташовуються у вигляді концентричних кіл.

Напрям магнітного поля, провідника, що утворюється навколо, залежить від напряму струму в провіднику. Всяка зміна напряму струму пов'язана із зміною напряму магнітного поля. Для визначення напряму такого поля застосовується правило буравчика (рис. 3.6): якщо буравчик угвинчувати по напряму руху струму в провіднику, то обертання його рукоятки покаже напрям магнітного поля.

Величина напруженості магнітного поля, що створюється струмом, залежить від величини струму, довжини і форми провідника і від відстані між провідником і точкою поля, напруженість в якій визначається.

Рис. 4 Пояснення до правила буравчика

Зокрема, напруженість H в будь-якій точці магнітного поля, що виникає навколо довгого прямолінійного провідника із струмом 1, визначається по формулі

Форм. 3

Де a — відстань від провідника до даної точки поля.

На підставі цієї формули визначається одиниця вимірювання напруженості поля

Форм. 4

Магнітні лінії витка із струмом, залишаючись замкнутими на себе кривими лініями, виходять з одного боку витка і входять в нього з іншою (рис. 5). В результаті цього усередині витка напруженість поля збільшується і виток із струмом утворює два полюси: північний — з того боку, звідки магнітні лінії виходять, і південний — з того боку, куди магнітні лінії входять. Напруженість магнітного поля в центрі витка визначається по формулі

Форм. 5

де H — напруженість магнітного поля, а/м; I — струм, a; R — радіус витка (кільця), м.

Рис. 5 Магнітне поле витка із струмом

Якщо провідник із струмом звити у вигляді спіралі (Рис. 6), то отримаємо так званий соленоїд. Магнітне поле соленоїда, що є сумою магнітних полів окремих витків, має велику схожість з полем прямолінійного магніту. Магнітні лінії цього поля виходять з одного кінця соленоїда і, огинаючи його, повертаються в інший, тобто соленоїд має полюси. Найменування цих полюсів знаходять за правилом правої руки: якщо праву руку накласти долонею на витки соленоїда так, щоб витягнуті чотири пальці показували напрям струму у витках, то відігнутий великий палець покаже північний полюс соленоїда.

Рис. 6 Магнітне поле соленоїда

Напруженість магнітного поля усередині соленоїда, якщо довжина соленоїда більше радіусу його перетину, визначається по формулі

Форм. 6

де H — напруженість магнітного поля, а/м; I — струм, що протікає по соленоїду b>a; w, L — відповідно кількість витків і довжина соленоїда, м.