Контур с током в магнитном поле.

Рассмотрим работу перемещения проводника с током в магнитном поле: На проводник с током будет действовать сила Ампера и проводник передвинется:

Элементарная работа при перемещении проводника:

,

Конечная работа это: ,

Рассмотрим прямоугольную рамку с током I в однородном магнитном поле . Покажем, что в общем случае рамка будет вращаться. Это вид сбоку. Раз течет ток, то возникает сила Ампера: Сила Ампера будет действовать на ребра a перпендикулярные к ним и к магнитной индукции и будет только растягивать рамку.

Вид сверху.

Оказывается, что - Магнитное поле создаваемое самой рамкой будет совпадать с индукцией . Если контур повернется под действием сил на угол , то будет совершена работа этими силами.

, , . С другой стороны, так как магнитный поток через плоскую поверхность ограничи-вается рамкой, магнитный поток есть: , где S- площадь поверхности ограниченной рамкой. , получ:

, получим макс момент: - определение магнитной индукции. 1Тл =

1-а Тл это индукция такого однородного магнитного поля, которое создает максимальный вращательный момент на рамку с током в 1 ампер и площадью поверхности .

Поле должно быть однородным. Если контур в неоднородном поле, то кроме вращательного момента возникает сила втягивающая рамку в область сильного поля.

 

 

Вопрос 28

Наличие у вещества магнитных свойств проявляется в изменении параметров магнитного поля по сравнению с полем в немагнитном пространстве. Происходящие физические процессы в микроскопическом представлении связывают с возникновением в материале под воздействием магнитного поля магнитных моментов микротоков, объёмная плотность которых называется вектором намагниченности.

Возникновение намагниченности в веществе при помещении его в магнитное поле объясняется процессом постепенной преимущественной ориентации магнитных моментов циркулирующих в нём микротоков в направлении поля. Подавляющий вклад в создание микротоков в веществе вносит движение электронов: спиновое и орбитальное движение связанных с атомами электронов, спиновое и свободное движение электронов проводимости.

По магнитным свойствам все материалы подразделяются на парамагнетики, диамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферриты. Принадлежность материала к тому или иному классу определяется характером отклика магнитных моментов электронов на магнитное поле в условиях сильных взаимодействий электронов между собой в многоэлектронных атомах и кристаллических структурах.

Диамагнетики и парамагнетики относятся к материалам со слабыми магнитными свойствами. Значительно более сильный эффект намагничивания наблюдается у ферромагнетиков.

 

Напряжённость магни́тного по́ля — (стандартное обозначение Н) это векторная физическая величина, равная разности вектора магнитной индукции B и вектора намагниченности M.

В СИ: , где μ₀ - магнитная постоянная

В вакууме (или в отсутствии среды, способной к магнитной поляризации, а также в случаях, когда последняя пренебрежима) напряженность магнитного поля совпадает с вектором магнитной индукции.

В магнетиках (магнитных средах) напряженность магнитного поля имеет физический смысл «внешнего» поля, то есть совпадает (быть может, в зависимости от принятых единиц измерения, с точностью до постоянного коэффициента, как например в системе СИ, что общего смысла не меняет) с таким вектором магнитной индукции, какой «был бы, если магнетика не было».

Например, если поле создается катушкой с током, в которую вставлен железный сердечник, напряженность магнитного поля H внутри сердечника совпадает (в СГС точно, а в СИ - с точностью до постоянного размерного коэффициента) с вектором B₀, который был бы создан этой катушкой при отсутствии сердечника и который в принципе может быть рассчитан исходя из геометрии катушки и тока в ней, ничего не зная о материале сердечника и его магнитных свойствах.

При этом надо иметь в виду, что более фундаментальной характеристикой магнитного поля является именно вектор магнитной индукции B, именно он определяет силу действия магнитного поля на движущиеся заряженные частицы и токи, а также может быть непосредственно измерен, в то время как напряженность магнитного поля H можно рассматривать скорее как вспомогательную величину (хотя рассчитать ее, по крайней мере, в статическом случае, проще, в чем и состоит ее ценность: ведь H создают так называемые свободные токи, которые сравнительно легко непосредственно измерить, а трудно измеримые связанные токи - то есть токи молекулярные и т.п. - учитывать не надо).

Правда, в обычно используемое выражение для энергии магнитного поля (в среде) B и H входят почти равноправно, но надо иметь в виду, что в эту энергию включена и энергия, затраченная на поляризацию среды, а не только энергия собственно поля^[1]. Энергия магнитного поля как такового выражается только через фундаментальное B. Тем не менее, мы и из этого видим, что величина H феноменологически и тут весьма удобна.

 

 

 

 

 

 

Электромагнитная индукция

Т.к. электрический ток, т.е. упорядоченное движение электрических зарядов, создает магнитное поле, то и обратно-переменное магнитное приводит к возникновению тока. Явление электромагнитной индукции по Фарадею: « В замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции через поверхность, ограниченную этим контуром, возникает электрический ток. Этот ток называется индукционным». ε_i ~ dФ/dt. Фарадей показал, что ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, сцепленную с контуром: dФ/dt. Ленц в 1834 г. установил: «Индукционный ток всегда направлен так, что его магнитное поле противодействует изменению магнитного потока, пронизывающего поверхность контура». Объединим закон Фарадея и правило Ленца в СИ: ε_i = −dФ/dt. εi в замкнутом проводящем контуре равна скорости убывания магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром. Если контур состоит из N витков, то изменение ЭДС равно сумме ЭДС, возникающему в каждом витке, тогда вводят полный магнитный поток: Ψ = ∑Фк, к=1. εi = − dΨ/dt, εi = −NdФ/dt.

Получим закон электромагнитной индукции, как следствие закона сохранения энергии:

Если рамка не закреплена,то она будет вращаться, и за dt Fa совершит работу dA: dA = IdФ. В рамке выделится тепло Джоуля-Ленца: . По закону сохра-нения энергии: сумма dA и dQ равна работа источника тока. εIdt= IdФ+ I² Rdt, εdt=dФ=IRdt, εi = −NdФ/dt

I=(ε− dФ/dt)/R, − dФ/dt= εi, I= (ε+ εi)/R. При помещении массивных проводников в переменное магнитное поле, в них возникают вихревые токи. Получим теперь явление электромагнитной индукции, как следствие действия силы Лоренца на проводники, движущиеся в магнитном поле. Пусть участок проводника помещен в магнитное поле с индукц. В и проводник перпендикулярен индукц. В. Пусть проводник движется со скоростью V.

F=qVBsinα. Под действием силы Лоренца электроны будут двигаться вниз, аток направлен вверх: F=qE, qVB=qE, E=VB

εi=U= −Δφ= −El= −BlV, E= Δφ /l, Δφ= El

εi=U= −BlV

ЭДС самоиндукции (еще называют противо-ЭДС)

Индуктивность

Самоиндукция — возникновение ЭДС индукции в замкнутом проводящем контуре[1] при изменении тока, протекающего по контуру.

При изменении тока в контуре пропорционально меняется[2] и магнитный поток через поверхность, ограниченную этим контуром[3]. Изменение этого магнитного потока, в силу закона электромагнитной индукции, приводит к возбуждению в этом контуре индуктивной ЭДС.

Это явление и называется самоиндукцией. (Понятие родственно понятию взаимоиндукции, являясь как бы его частным случаем). Направление ЭДС самоиндукции всегда оказывается таким, что при возрастании тока в цепи ЭДС самоиндукции препятствует этому возрастанию (направлена против тока), а при убывании тока — убыванию (сонаправлена с током). Этим свойством ЭДС самоиндукции сходна с силой инерции.

Величина ЭДС самоиндукции пропорциональна скорости изменения силы тока I:

закон Ленца, кото рый звучит так:

если по произвольному контуру, протекает изменяющийся ток, то он создает собственный изменяющийся магнитный поток, наводящий в контуре противо-ЭДС, направленный так, чтобы воспрепятствовать всякому изменению тока. Таким образом, появление в контуре с током ЭДС возможно при двух непременных условиях: изменяющемся характере тока и наличие индуктивности в цепи.