Презентация по теме: "Магнитное поле и его характеристики. Магнитное поле в веществе"

Магнитное поле

и его характеристики

Элементы содержания: Опыт Эрстеда. Механическое взаимодействие токов. Магнитное поле. Магнитная индукция. Линии магнитной индукции. Сила Ампера и сила Лоренца. Вращающий момент, действующий на рамку (виток) с током. Магнитная индукция поля, созданного прямым бесконечно длинным проводником с током, круговым витком с током и соленоидом. Макро- и микротоки. Напряженность магнитного поля и магнитная индукция. Магнитная проницаемость вещества. Пара-, диа- и ферромагнетики. Основные уравнения магнитостатики.

Литература: Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. М.: Академия, 2006. С. 202-220, 234-245.

История важнейших открытий ( к началу XIX в.)

VI в. до н.э. – Первые сведения об электричестве и магнетизме . Открытие свойств натертого янтаря притягивать легкие предметы, а магнита - железные опилки ( Фалес Милетский ).

XI в. – Переоткрытие арабами свойств ориентации свойств ориентации магнитной иглы (стрелки), появление компаса (свойство магнитной иглы ориентироваться в определенном направлении было известно китайцам еще в 2700 г.г. до н.э.). В Европе компас появился в XII в.

История важнейших открытий ( к началу XIX в.)

1269 г. – Появился первый рукописный трактат по магнетизму ( Пьер Пелегрино ), где дано описание свойств магнитного камня , методов определения полярности магнита, взаимодействия полюсов, намагничивание прикосновением.

1600 г. – Вышел в свет трактат Уильяма Гильберта «О магните, магнитных телах и о большом магните Земли», в котором заложены основы электро- и магнитостатики .

История важнейших открытий ( к началу XIX в.)

1750 г. – Бенджамин Франклин , изобрел молниеотвод , сформулировал унитарную теорию электричества, ввел понятия положительного и отрицательного зарядов , установил закон сохранения электрического заряда .

1785 г. – Шарль Кулон установил основной закон электростатики : закон взаимодействия электрических зарядов.

1786 г. – Луиджи Гальвани , исследуя движение мышц лягушки, открыл явление электрического тока .

История важнейших открытий ( к началу XIX в.)

1799 г. – Алессандро Вольта сконструировал первый источник постоянного электрического тока – прототип гальванического элемента.

1800 г. – Антуан Фуркруа открыл тепловое действие тока .

В 1774 г. Американская академия наук предложила вознаграждение тому, кто сможет установить взаимосвязь между электричеством и магнетизмом .

Магнитное поле, создаваемое электрическим током

Опыт Эрстеда (1820 г.) : Магнитная стрелка, расположенная вблизи проводника, при пропускании тока поворачивается на некоторый угол. При размыкании цепи стрелка возвращается в исходное положение.

Механическое взаимодействие токов

(А.М.Ампер, 1820 г.) :

проводники, по которым текут токи, притягиваются друг к другу, если токи направлены в одну сторону, и отталкиваются, - если токи текут в противоположные стороны:

Механическое взаимодействие токов

 - магнитная проницаемость среды, в которой находятся проводники;

 0 = 4  10 -7 Г Н  А – магнитная постоянная;

I 1 и I 2 - силы токов, текущих по первому и второму проводнику соответственно;

l - длина каждого из проводников;

R - расстояние между проводниками.

Магнитное поле – особый вид материи, оказывающий силовое воздействие на проводники с током, движущиеся электрические заряды и магнитные материалы.

Магнитная индукция – силовая характеристика магнитного поля; [ B ]=Тл .

Линии магнитной индукции - линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора В .

Направление линии магнитной индукции задается правилом правого винта или правилом буравчика: головка винта (рукоятка буравчика), ввинчиваемого по направлению тока, вращается в направлении линий магнитной индукции.



Линии магнитной индукции или силовые линии магнитного поля всегда замкнуты :

Магнитные силы

Сила Ампера

– сила, действующая со стороны магнитного поля на проводник с током:

(9.2)

I - сила тока;

l - длина проводника;

B - магнитная индукция поля;

 - угол между направлением тока в проводнике и направлением вектора магнитного поля.

Правило левой руки :

четыре пальца левой руки располагают по току так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, тогда отогнутый большой палец укажет направление силы Ампера.

Сила Лоренца

– сила, действующая со стороны магнитного поля на движущийся электрический заряд :

(9.3)

v - скорость заряда;

B - магнитная индукция поля;

 - угол между направлением вектора скорости заряда и направлением вектора магнитного поля.

Направление F л Правило левой руки

Вращающий момент, действующий на рамку (виток) с током

Магнитный дипольный момент рамки (витка) с током:

(9.4)

где S – площадь рамки (витка).

Вращающий момент, действующий на рамку (виток) с током

(9.5)

Магнитная индукция

Магнитная индукция

– векторная величина, численно равная максимальной силе, действующей со стороны магнитного поля на единичный элемент тока .

Магнитная индукция поля, созданного прямым бесконечно длинным проводником с током:

• - магнитная проницаемость среды, в которой находится проводник;

I - сила тока, текущего по проводнику;

r - расстояние от проводника до данной точки поля.

Магнитная постоянная

Магнитная индукция поля, созданного круговым витком с током в его центре:

 - магнитная проницаемость среды I - сила тока, текущего по витку; r - радиус витка.

Магнитная индукция поля, созданного соленоидом (катушки с током):

• - магнитная проницаемость среды внутри соленоида; N - число витков соленоида;

I - сила тока, текущего по соленоиду;

l - длина соленоида.

Магнитный поток

• - скалярная физическая величина, определяющая число линий магнитной индукции, приходящихся нормально (перпендикулярно) на данную площадь пространства
• ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЛЯ

α=0, cos0=1

α=90, cos90=0

Магнитное поле в веществе

Магнитное поле в веществе

Макротоки – токи, текущие в проводниках.

Микротоки – токи, обусловленные движением электронов в атомах и молекулах.

Магнитная индукция B

– характеристика результирующего магнитного поля, создаваемого как макротоками, так и микротоками.

Напряженность магнитного поля H

- характеристика магнитного поля, создаваемого только макротоками, [ H ]=A/м.

В однородном веществе

где B 0 - магнитная индукция внешнего поля, т.е. поля, образуемого проводниками с током в вакууме.

Магнитная проницаемость вещества

– величина, показывающая во сколько раз индукция магнитного поля в веществе больше магнитной индукции внешнего поля

Диамагнетики

• - вещества, при внесении которых во внешнее магнитное поле они создают собственное поле, направленное против внешнего поля и ослабляющее его.

 (Ag, Cu, N 2 , …)

1 – парамагнетики (Al, O 2 , …) " width="640"

Парамагнетики

• - вещества, при внесении которых во внешнее магнитное поле они создают собственное поле, совпадающее по направлению с внешним полем и усиливающее его.

 1 – парамагнетики (Al, O 2 , …)

Образцы из пара- и диамагнетика, помещенные в неоднородное магнитное поле, ведут себя по-разному – парамагнетики втягиваются в область сильного поля, диамагнетики – выталкиваются .

Диамагнетики

Cu:  =0,9999912

Парамагнетики

Al:  =1,000023

1 – ферромагнетики (Fe, Co, Ni, «редкие земли») Fe:  max =5000. " width="640"

Природа ферромагнетиков

• Небольшие объемы ферромагнетиков оказываются самопроизвольно намагниченными (домены). Внутри каждого домена все магнитные поля расположены параллельно, но поля доменов направлены по-разному.

 1 – ферромагнетики (Fe, Co, Ni, «редкие земли»)

Fe:  max =5000.

Природа ферромагнетиков

Стадии намагничивания

• Смещение границ доменов
• Вращение направления намагниченности доменов до возникновения монодомена .

Ферромагнетики

Свойства

• μ сложным образом зависит от магнитной индукции внешнего поля μ =100-10000
• Намагничиваются в направлении поля
• Имеют температуру Кюри, при которой теряют магнитные свойства.
• Сохраняют магнитные свойства в отсутствии поля.

Свойства ферромагнетиков

• Магнитная проницаемость зависит от внешнего магнитного поля (Александр Столетов, 1872 г.) .

Точка насыщения – это такая напряженность магнитного поля, при которой магнитная проницаемость ферромагнетика практически не отличается от единицы.

Свойства ферромагнетиков

2) Магнитный гистерезис (Эмиль Варбург, 1880 г.) - явление, которое состоит в том, что зависимость магнитной индукции ферромагнетика от напряженности магнитного поля не является однозначной, а определяется предысторией ферромагнетика.

Коэрцитивная сила – это такая напряженность магнитного поля, при которой ферромагнетик, первоначально намагниченный до насыщения, размагничивается.

Магнито-мягкие материалы – ферромагнетики, у которых небольшая коэрцитивная сила (применение: сердечники трансформаторов, электромоторов, генераторов тока) .

Магнито-жесткие материалы – ферромагнетики, у которых большая коэрцитивная сила (применение: постоянные магниты) .

Свойства ферромагнетиков

3) Наличие точки Кюри (Пьер Кюри, 1895 г.)

Точка Кюри – это такая температура, при которой ферромагнетик переходит в парамагнитное состояние.

4) Магнитострикция (Джеймс Джоуль, 1842 г.) – изменение формы и размеров ферромагнетика при его намагничивании.

Материал

Железо (Fe)

Температура Кюри, К

1043

Кобальт (Co)

Никель (Ni)

1388

627

Гадолиний (Gd)

Диспрозий (Dy)

293

85

Природа ферромагнетизма

Гипотеза Вейса (Пьер Вейс, 1907 г.) – ферромагнетик ниже точки Кюри состоит из доменов – малых областей (~10 -5 …10 -4 м) самопроизвольно намагниченных до насыщения.

В отсутствие магнитного поля домены ориентированы хаотически (рисунок «а») .

При включении магнитного поля размеры доменов, направленных вдоль поля, увеличиваются, направленных против поля – уменьшаются.

При увеличении поля начинается поворот доменов как целого в направлении поля. В сильных полях домены ориентированы вдоль поля (рисунок «b») , т.е. наступает насыщение.

Основные уравнения магнитостатики

Уравнение (9.12) называют законом Гаусса для магнитного поля , из которого следует, что в природе отсутствуют магнитные заряды, а линии магнитной индукции являются замкнутыми .

Электростатика

Магнитостатика

Закон Гаусса

Теорема о циркуляции вектора напряженности электростатического поля

(9.12)

(9.13)

Уравнение (9.13) называют законом Ампера (или законом полного тока) : циркуляция напряженности магнитного поля вдоль произвольного контура равна результирующей силе тока, пересекающего охваченную контуром поверхность.