Физика магнитное поле сила ампера. Магнитное поле. Закон Ампера

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Магнитное взаимодействие движущихся электрических зарядов согласно представлениям теории поля объясняется следующим образом: всякий движущийся электрический заряд создает в окружающем пространстве магнитное поле, способное действовать на другие движущиеся электрические заряды.

В - физическая величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля. Она называется магнитной индукцией (или индукцией магнитного поля).

Магнитная индукция - векторная величина. Модуль вектора магнитной индукции равен отношению максимального значения силы Ампера, действующей на прямой проводник с током, к силе тока в проводнике и его длине:

Единица магнитной индукции . В Международной системе единиц за единицу магнитной индукции принята индукция такого магнитного поля, в котором на каждый метр длины проводника при силе тока 1 А действует максимальная сила Ампера 1 Н. Эта единица называется тесла (сокращенно: Тл), в честь выдающегося югославского физика Н. Тесла:

СИЛА ЛОРЕНЦА

Движение проводника с током в магнитном поле показывает, что магнитное поле действует на движущиеся электрические заряды. На проводник действует сила Ампера F А = IBlsin a , а сила Лоренца действует на движущийся заряд:

где a - угол между векторами B и v .

Движение заряженных частиц в магнитном поле. В однородном магнитном поле на заряженную частицу, движущуюся со скоростью перпендикулярно линиям индукции магнитного поля, действует сила м, постоянная по модулю и направленная перпендикулярно вектору скорости.Под действием магнитной силы частица приобретает ускорение, модуль которого равен:

В однородном магнитном поле эта частица движется по окружности. Радиус кривизны траектории, по которой движется частица, определяется из условияоткуда следует,

Радиус кривизны траектории является величиной постоянной, поскольку сила, перпендикулярная вектору скорости, меняется только ее направление, но не модуль. А это и означает, что данная траектория является окружностью.

Период обращения частицы в однородном магнитном поле равен:

Последнее выражение показывает, что период обращения частицы в однородном магнитном поле не зависит от скорости и радиуса траектории ее движения.

Если напряженность электрического поля равна нулю, то сила Лоренца л равна магнитной силе м:

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ

Явление электромагнитной индукции открыл Фарадей, который установил, что в замкнутом проводящем контуре возникает электрический ток при любом изменении магнитного поля, пронизывающего контур.

МАГНИТНЫЙ ПОТОК

Магнитный поток Ф (поток магнитной индукции) через поверхность площадью S - величина, равная произведению модуля вектора магнитной индукции на площадь S и косинус угла а между вектором и нормалью к поверхности:

Ф=BScos

В СИ единица магнитного потока 1 Вебер (Вб) - магнитный поток через поверхность площадью 1 м 2 , расположенную перпендикулярно направлению однородного магнитного поля, индукция которого равна 1 Тл:

Электромагнитная индукция -явление возникновения электрического тока в замкнутом проводящем контуре при любом изменении магнитного потока, пронизывающего контур.

Возникающий в замкнутом контуре, индукционный ток имеет такое направление, что своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван (правило Ленца).

ЗАКОН ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

Опыты Фарадея показали, что сила индукционного тока I i в проводящем контуре прямо пропорциональна скорости изменения числа линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность, ограниченную этим контуром.

Поэтому сила индукционного тока пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:

Известно, что если в цепи появился ток, это значит, что на свободные заряды проводника действуют сторонние силы. Работа этих сил по перемещению единичного заряда вдоль замкнутого контура называется электродвижущей силой (ЭДС). Найдем ЭДС индукции ε i .

По закону Ома для замкнутой цепи

Так как R не зависит от , то

ЭДС индукции совпадает по направлению с индукционным током, а этот ток в соответствии с правилом Ленца направлен так, что созданный им магнитный поток противодействует изменению внешнего магнитного потока.

Закон электромагнитной индукции

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна взятой с противоположным знаком скорости изменения магнитного потока, пронизывающего контур:

САМОИНДУКЦИЯ. ИНДУКТИВНОСТЬ

Опыт показывает, что магнитный поток Ф , связанный с контуром, прямо пропорционален силе тока в этом контуре:

Ф = L*I .

Индуктивность контура L - коэффициент пропорциональности между проходящим по контуру током и созданным им магнитным потоком.

Индуктивность проводника зависит от его формы, размеров и свойств окружающей среды.

Самоиндукция - явление возникновения ЭДС индукции в контуре при изменении магнитного потока, вызванном изменением тока, проходящего через сам контур.

Самоиндукция - частный случай электромагнитной индукции.

Индуктивность - величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока в нем на единицу за единицу времени. В СИ за единицу индуктивности принимают индуктивность такого проводника, в котором при изменении силы тока на 1 А за 1 с возникает ЭДС самоиндукции 1 В. Эта единица называется генри (Гн):

ЭНЕРГИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Явление самоиндукции аналогично явлению инерции. Индуктивность при изменении тока играет ту же роль, что и масса при изменении скорости тела. Аналогом скорости является сила тока.

Значит энергию магнитного поля тока можно считать величиной, подобной кинетической энергии тела :

Предположим, что после отключения катушки от источника,ток в цепи убывает со временем по линейному закону.

ЭДС самоиндукции имеет в этом случае постоянное значение:

где I - начальное значение тока, t - промежуток времени, за который сила тока убывает от I до 0.

За время t в цепи проходит электрический заряд q = I cp t . Так как I cp = (I + 0)/2 = I/2 , то q=It/2 . Поэтому работа электрического тока:

Эта работа совершается за счет энергии магнитного поля катушки. Таким образом, снова получаем:

Пример. Определите энергию магнитного поля катушки, в которой при токе 7,5 А магнитный поток равен 2,3*10 -3 Вб. Как изменится энергия поля, если сила тока уменьшиться вдвое?

Энергия магнитного поля катушки W 1 = LI 1 2 /2. По определению, индуктивность катушки L = Ф/I 1 . Следовательно,

Магнитное поле представляет собой один из видов материи. Оно обладает энергией, которая проявляет себя в виде электромагнитных сил, действующих на отдельные движущиеся электрические заряды (электроны и ионы) и на их потоки, т. е. электрический ток. Под влиянием электромагнитных сил движущиеся заряженные частицы отклоняются от своего первоначального пути в направлении, перпендикулярном полю

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 .

Если размер проводника произволен, а поле неоднородно, то формула выглядит следующим образом:

Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки.

Правило левой руки : если расположить левую руку так, чтобы перпендикулярная составляющая вектора магнитной индукции входила в ладонь, а четыре пальца были вытянуты по направлению тока в проводнике, то отставленный на 90 ° большой палец, укажет направление силы Ампера.

Напряженность магнитного поля можно определить с помощью силы, которая действует на помещенный в поле пробный магнит. Так как магнитные полюсы не существуют по отдельности, на северный и южный полюсы пробного магнита действуют противоположно направленные силы, и возникает момент пары сил. Этот момент характеризует величину напряженности поля в данном месте.

Магнитное поле характеризуется напряженностью. Напряженность H магнитного поля аналогична механической силе. Она является векторной величиной, т. е. имеет величину и направление.

Магнитное поле, т. е. пространство вокруг магнита, можно представить заполненным магнитными линиями, которые принято считать выходящими из северного полюса магнита и входящими в южный (рис. 1). Касательные к магнитной линии показывают направление напряженности магнитного поля.

Напряженность магнитного поля больше там, где магнитные линии гуще (на полюсах магнита или внутри катушки с током).

Магнитное поле около проводника (или внутри катушки) тем больше, чем больше ток I и число витков ω катушки.

Напряженность магнитного поля H в любой точке пространства тем больше, чем больше произведение I∙ω и чем меньше длина магнитной линии:

Из уравнения следует, что единицей измерения напряженности магнитного поля является ампер на метр (А/м).

Для каждой магнитной линии в данном однородном поле произведения H1∙l1=H2∙l2=...=H∙l=I∙ω равны

21. Напряженность магнитного поля. Магнитное поле– это одна из форм проявления электромагнитного поля , особенностью которого является то, что это поле действует только на движущиеся частицы и тела , обладающие электрическим зарядом, а также на намагниченные тела . Магнитное поле создается проводниками с током, движущимися электрическими заряженными частицами и телами, а также переменными электрическими полями. Силовой характеристикой магнитного поля служит вектор магнитной индукции В поля созданного одним зарядом в вакууме: Еще одной характеристикой магнитного поля является напряженность .Напряженностью магнитного поля называют векторную величину Н , характеризующую магнитное поле и определяемую следующим образом : Напряженность магнитного поля заряда q , движущегося в вакууме равна: , в катушке:Н=In/L где n-число витков,L-длина катушки,вокруг прямолинейного проводника:H=I/2Pi*r, в центре витка с током:H=I/2r

22.Закон Био-Савара-Лапласа и его применение: вектор индукции магнитного поля, созданного элементом проводника dL, по которому течет ток I, имеет вид: где r– радиус-вектор, проведенный от элемента dL до той точки, в которой определяется индукция поля; – магнитная постоянная.В скалярной форме где a– угол между векторами dL и r.Индукция магнитного поля в произвольной точке А, созданного отрезком проводника с током I конечной длины, где r 0 – расстояние от т. А до проводника; a – углы, образованные радиус-вектором, проведенном в т.А соответственно из начала и конца проводника, с направлением тока.Магнитная индукция поля в центре кругового тока радиусом R Индукция магнитного поля в произвольной т. А, созданного бесконечно длинным прямым проводником с током, Закон полного тока: циркуляция вектора B по замкнутому контуру равна произведению магнитной постоянной на алгебраическую сумму токов, охватываемых этим контуром Принцип суперпозиции магнитных полей: магнитная индукция B в любой точке магнитного поля проводника с током равна векторной сумме магнитных индукций dB, созданных в этой точке всеми элементами dL проводника с током, т. е.

23. Магнитная индукция -векторная физическая величина, характеризующая магнитное поле.Вектор магнитной индукции всегда направлен по касательной к магнитной линии (тесла)где F- сила, действующая со стороны магнитного поля на проводник с током (H);I - сила тока в проводнике (A);l - длина проводника (м).Контур, помещенный в однородное магнитное поле, пронизывается магнитным потоком (потоком векторов магнитной индукции). Ф - магнитный поток, пронизывающий площадь контура, зависит от величины вектора магнитной индукции, площади контура и его ориентации относительно линий индукции магнитного поля.Если вектор магнитной индукции перпендикулярен площади контура, то магнитный потокмаксимальный.

Если вектор магнитной индукции параллелен площади контура, то магнитный поток равен нулю.

24.Поток вектора магнитной индукции.Потоком вектора магнитной индукции называется скалярная физическая величина где B n =Вcosα - проекция вектора В на направление нормали к площадке dS (α - угол между векторами n и В ), dS =dSn - вектор, у которого модуль равен dS, а направление его совпадает с направлением нормали n к площадке. Поток вектора В может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от знака cosα (задается выбором положительного направления нормали n ). Поток вектора В обычно связывают с контуром, по которому течет ток. В этом случае положительное направление нормали к контуру нами задавалось: оно связывается с током правилом правого винта. Значит,магнитный поток, который создается контуром, через поверхность, ограниченную им самим, всегда положителен. Поток вектора магнитной индукции Ф B через произвольную заданную поверхность S равен Для однородного поля и плоской поверхности, которая расположена перпендикулярно вектору В , B n =B=const и (вебер Вб)
Теорема Гаусса для поля В : поток вектора магнитной индукции сквозь любую замкнутую поверхность равен нулю:
Эта теорема является отражением факта, что магнитные заряды отсутствуют , вследствие чего линии магнитной индукции не имеют ни начала, ни конца и являются замкнутыми.

25.Сила Ампера. На проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует сила, равнаяF = I·L·B·sina.I - сила тока в проводнике;B - модуль вектора индукции магнитного поля;L - длина проводника, находящегося в магнитном поле;a - угол между вектором магнитного поля инаправлением тока в проводнике.Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки: если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная составляющая вектора магнитной индукции В входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению тока, то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление силы, действующей на отрезок проводника с током, то есть силы Ампера.

26.Работа сил Ампера. Работа при перемещении проводника с током в магнитном поле совершается за счет энергии источника тока. Если проводник, сила тока I в котором поддерживается постоянной, совершает конечное перемещение из положения 1 в положение 2, то работа сил при таком перемещении . Работа сил для замкнутого контура где Ф-магнитный поток.

27.Сила Лоренца. Силу, действующую со стороны магнитного поля на движущиеся в нем заряды, называют силой Лоренца.F л = q·V·B·sina,где q - величина движущегося заряда;V - модуль его скорости; B - модуль вектора индукции магнитного поля;a - угол между вектором скорости заряда и вектором магнитной индукции. Сила Лоренца перпендикулярна скорости и поэтому она не совершает работы, не изменяет модуль скорости заряда и его кинетической энергии. Но направление скорости изменяется непрерывно

Сила Лоренца перпендикулярна векторам В и v , и её направление определяется с помощью того же правила левой руки, что и направление силы Ампера: если левую руку расположить так, чтобы составляющая магнитной индукции В, перпендикулярная скорости заряда, входила в ладонь, а четыре пальца были направлены по движению положительного заряда (против движения отрицательного), то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление действующей на заряд силы Лоренца F л.

Сила Лоренца зависит от модулей скорости частицы и индукции магнитного поля. Эта сила перпендикулярна скорости и, следовательно, определяет центростремительное ускорение частицы. Частица равномерно движется по окружности радиуса r.

28.Электоромагнитная индукция Явление электромагнитной индукции было открыто Фарадеем в 1831 г. Оно заключается в возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении во времени магнитного потока , пронизывающего контур.Ф=В*S*cosa

Опыт показывает, что индукционный ток, возбуждаемый в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток.

29.Законы Фарадея и Ленца.Электромагнитная индукция - явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него.Электромагнитная индукция была открыта Фарадеем. Он обнаружил, что электродвижущая сила, возникающая в замкнутом проводящем контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Величина электродвижущей силы (ЭДС) не зависит от того, что является причиной изменения потока - изменение самого магнитного поля или движение контура в магнитном поле.Электрический ток, вызванный этой ЭДС, называется индукционным током.З.Фарадея: ЭДС индукции равна скорости изменения магнитного потока, взятой с обратным знаком : E=-∆Ф/∆t. Знак «минус» в формуле отражает правило Ленца :Индукционный ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре, имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток.

30.Самоиндукция. При изменении силы тока в катушке происходит изменение магнитного потока, создаваемого этим током. Изменение магнитного потока, пронизывающего катушку, должно вызывать появление ЭДС индукции в катушке. Явление возникновения ЭДС индукции в электрической цепи в результате изменения силы тока в этой цепи называется самоиндукцией. В соответствии с правилом Ленца ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию силы тока при включении и убыванию силы тока при выключении цепи. ЭДС самоиндукции , возникающая в катушке с индуктивностью L , по закону электромагнитной индукции равна ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна индуктивности катушки и скорости изменения силы тока в катушке.

31.Индуктивность - коэффициент пропорциональности между электрическим током, текущим в каком-либо замкнутом контуре, и магнитным потоком, создаваемым этим током через поверхность , краем которой является этот контур:Ф=L*I где Ф-магнитный поток, I-сила тока в контуре, L- индуктивность.Через индуктивность выражается ЭДС самоиндукции в контуре, возникающая при изменении в нём тока Из этой формулы следует, что индуктивность численно равна ЭДС самоиндукции (в вольтах), возникающей в контуре при изменении силы тока на 1 А за1 с.При заданной силе тока индуктивность определяет энергию магнитного поля, создаваемого этим током

31диамагнетизм (англ. diamagnetism) - (от греч. "диа " - расхождение) - свойство тел намагничиваться в направлении, противоположном действующему на них внешнему магнитному полю.

Описание

Внешнее магнитное поле индуцирует в веществе круговые токи, создающие орбитальные магнитные моменты, которые, согласно правилу Ленца, направ лены навстречу полю. В отсутствие внешнего магнитного поля диамагнетики немагнитны, т. е. магнитные моменты взаимно скомпенсированы. В создании диамагнитного момента участвуют все электроны атомов, а также свободные носители заряда в металлах и полупроводниках.

Диамагнетизм присущ многим веществам, однако в большинстве случаев вклад диамагнитного отклика сравнительно мал по отношению к парамагнитному иферромагнитному и составляет лишь небольшую часть суммарной намагниченности вещества. К диамагнетикам относятся: инертные газы; Cu; Ag; Au; Zn; Cd; Ge; Si; Sb; P и другие простые вещества; многие неорганические соединения, например, H 2 O, MgO, NaCl, ZnSO 4 , насыщенные углеводороды, жирные кислоты, циклические и другие органические соедиения.

Диамагнетизм неотъемлемо присущ также сверхпроводящему состоянию вещества, т. е. все сверхпроводящие вещества при температуре и внешнем магнитном поле ниже критических значений являются идеальными диамагнетиками с наибольшими по абсолютной величине значениями диамагнитной восприимчивости. При этом диамагнетизм сверхпроводников имеет особенное происхождение: в отличие от диамагнетизма перечисленных выше веществ, он обусловлен не внутриатомными свойствами (токами), а макроскопическими незатухающими токами по поверхности сверхпроводника (эффект Мейснера), сила и конфигурация которых автоматически обеспечивают полную компенсацию внешнего магнитного поля во всем объеме сверхпроводника.

32 парамагнетизм (англ. paramagnetism) - («пара» - от греч. «возле», «рядом») - свойство тел намагничиваться по направлению действующего на них внешнего магнитного поля. Парамагнетизм обусловлен, в основном, ориентацией собственных магнитных моментов частиц (молекул, атомов или ионов) вещества. Природа этих моментов может быть связана с орбитальным движением электронов, их спином, а также (в меньшей степени) со спином атомных ядер. Под действием внешнего магнитного поля отдельные моменты ориентируются по его направлению, создавая суммарный магнитный момент, пропорциональный напряженности поля.

33ФЕРРОМАГНЕТИЗМ - магнитоупорядоченное состояние вещества, в к-ром большинство атомных магнитных моментов параллельны друг другу, так что вещество обладает самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью. Ф . устанавливается при темп-ре Т ниже Кюри точки Т C в отсутствие внеш. магн. поля Н . В более широком смысле Ф. наз. совокупность физ. свойств вещества в указанном состоянии. Вещества, в к-рых возникает ферро-магн. упорядочение магн. моментов (рис. 1), наз. ферро магнетиками,к их числу относятся как твёрдые кри-сталлич. вещества (см., напр., Магнитные диэлектрики, Магнитные полупроводники, Редкоземельные магнетики) , так и нек-рыеаморфные магнетики и металлические стёкла, а также магнитные жидкости.Ответственным за Ф. является обменное взаимодействие в м а г н е т и з м е, стремящееся установить спины (а следовательно, и магн. моменты) соседних атомов или ионов параллельно друг другу; в этом случае обменный интеграл имеет положит. значение.

34 ГИСТЕРЕЗИС -неоднозначная (необратимая) зависимостьнамагниченности M магнитоупорядоченного вещества (магнетика, напр. ферро или ферримагнетика) от внеш. магн. поля H при его циклич. изменении (увеличении и уменьшении). Общей причиной существования Г. м. является наличие в определ. интервале изменения Н среди состояний магнетика, отвечающих минимумутермодинамического потенциала, метастабильных состояний (наряду со стабильными) и необратимых переходов между ними. Г. м. можно также рассматривать как проявление магн. ориентационных фазовых переходов первого рода, для к-рых прямой и обратный переходы между фазами в зависимости от H происходят, в силу указанной метастабильности состояний, при разл. значениях H.

Петли гистерезиса: 1 - максимальная, 2 - частного цикла, а - кривая намагничивания, b и с-кривые перемагничивания. M R - остаточная намагниченность, H C - коэрцитивная сила, M S - намагниченность насыщения.

35Точка Кюри, или температура Кюри, - температура фазового перехода II рода, связанного со скачкообразным изменением свойств симметрии вещества (например, магнитной - в ферромагнетиках, электрической - всегнетоэлектриках, кристаллохимической - в упорядоченных сплавах). Названа по имени П. Кюри . При температуре ниже точки Кюри ферромагнетики обладают самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью и определённой магнитно-кристаллической симметрией. В точке Кюри () интенсивность теплового движения атомов ферромагнетика оказывается достаточной для разрушения его самопроизвольной намагниченности («магнитного порядка») и изменения симметрии, в результате ферромагнетик становится парамагнетиком. Аналогично уантиферромагнетиков при (в так называемой антиферромагнитной точке Кюри или точке Нееля) происходит разрушение характерной для них магнитной структуры (магнитных подрешёток), и антиферромагнетики становятся парамагнетиками.

36 Вращение рамки в магнитном поле, переменный ток

Явление электромагнитной индукции используется для преобразования механической энергии в энергию электрического тока.

При вращении рамки в однородном магнитном поле в ней будет возникать переменная э.д.с. индукции:

Вихревые токи Фуко:

Индукционный ток, так же, возникает и в сплошных проводниках, помещенных в переменное магнитное поле. Эти токи оказываются замкнутыми в толще проводника и поэтому называются вихревыми.

Вихревые токи токи вызывают торможение и нагревание проводников (пример с маятником между магнитными полюсами)

Токи при размыкании и замыкании цепи:

При всяком изменении силы тока в проводящем контуре возникает э.д.с. самоиндукции, в результате чего в контуре появляются дополнительные токи, называемые экстратоками самоиндукции.

Размыкание:

Пусть под действием внешней эдс в цепи c резистором, источником и катушкой индуктивности течет постоянный ток:

Отключаем источник. Ток через катушку индуктивности L начнет уменьшаться, что приведет к возникновению эдс самоиндукции. , препятствующей уменьшению тока.

В каждый момент времени сила тока будет определяться выражением:

Где - это постоянная, называемая временем релаксации.

Сила тока падает по экспоненте

Замыкание:

37 Реактивные сопротивления.

При прохождении переменного тока через реактивные элементы возникаетреактивное сопротивление. Оно обусловлено в первую очередь ёмкостями и индуктивностями.

Индуктивностью в цепи переменного тока обладает катушка индуктивности, причём в идеальном случае, активным сопротивлением её обмотки пренебрегают. Реактивное сопротивление катушки переменному току создаётся благодаря её ЭДС самоиндукции. Причем с ростом частоты тока, сопротивление также растёт.

Реактивное сопротивление катушки зависит от частоты тока и индуктивности катушки

Конденсатор обладает реактивным сопротивлением благодаря своей ёмкости. Его сопротивление с увеличением частоты тока уменьшается, что позволяет его активно использовать в электронике в качестве шунта переменной составляющей тока.

38 Обобщенный закон Ома.

Обобщенный закон Ома определяет связь между основными электрическими величинами на участке цепи постоянного тока, содержащем резистор и идеальный источник ЭДС (рис.1.2):

;

Формула справедлива для указанных на рис.1.2 положительных направлений падения напряжения на участке цепи (U ab), идеального источника ЭДС (Е) и положительного направления тока (I).

39 Электромагнитные волны

Если по проводу проходит переменный ток, то вокруг провода возникают переменные электрическое и магнитное поля, образующие вместе электромагнитное поле, представляющее собой колебания эфирной среды.

Электромагнитное поле, движущееся в эфире, иначе называется электромагнитной волной. Радиоволны являются именно такими электромагнитными волнами.

Раздельно друг от друга переменные электрическое и магнитное поля существовать не могут. Всякое изменение электрического поля вызывает появление переменного магнитного поля, и наоборот, всякое изменение магнитного поля вызывает появление переменного электрического поля. Нельзя называть электромагнитным полем постоянные электрическое и магнитное поля, существующие одновременно в каком-либо месте пространства. В этом случае оба поля самостоятельны и не имеют взаимодействия между собой, именно поэтому электрическое и магнитное поля не являются частным случаем электромагнитного поля, как утверждают релятивисты. Наоборот, электромагнитное поле является сочетанием равноправных переменных электрического и магнитного полей, взаимодействующих друг с другом в волновом процессе, распространяющемся в физической среде.

Электромагнитное поле движется в эфире со скоростью, равной

где (эпсилон) и (мю) - соответственно коэффициенты диэлектрической и магнитной проницаемостей среды, заполняющей данное пространство, а с - скорость распространения электромагнитного поля в безвоздушном пространстве, то есть в свободном от вещества эфире, составляющая 300 000 км/сек. Для воздуха можно считать (Эпсилон) = 1, (мю) - 1 и тогда v = с.

40 Уравнения Максвелла система уравнений в дифференциальной или интегральной форме, описывающих электромагнитное полеи его связь с электрическими зарядами и токами в вакууме и сплошных средах. Вместе с выражением для силы Лоренца, задающим меру воздействия электромагнитного поля на заряженные частицы, образуют полную систему уравнений классическойэлектродинамики, называемую иногда уравнениями Максвелла - Лоренца. Уравнения, сформулированные Джеймсом Клерком Максвеллом на основе накопленных к середине XIX века экспериментальных результатов, сыграли ключевую роль в развитии представлений теоретической физики и оказали сильное, зачастую решающее, влияние не только на все области физики, непосредственно связанные с электромагнетизмом, но и на многие возникшие впоследствии фундаментальные теории, предмет которых не сводился к электромагнетизму (одним из ярчайших примеров здесь может служить специальная теория относительности).

41 Колебательный контур.

Колебательный контур - электрическая цепь, содержащая катушку индуктивности, конденсатор и источник электрической энергии. При последовательном соединении элементов цепи колебательный контур называется последовательным, при параллельном − параллельным.

Колебательный контур - простейшая система, в которой могут происходить свободные электромагнитные колебания.

Резонансная частота контура определяется так называемой формулой Томсона:

Принцип действия

Пусть конденсатор ёмкостью C заряжен до напряжения . Энергия, запасённая в конденсаторе составляет

При соединении конденсатора с катушкой индуктивности, в цепи потечёт ток , что вызовет в катушке электродвижущую силу (ЭДС)самоиндукции, направленную на уменьшение тока в цепи. Ток, вызванный этой ЭДС (при отсутствии потерь в индуктивности) в начальный момент будет равен току разряда конденсатора, то есть результирующий ток будет равен нулю. Магнитная энергия катушки в этот (начальный) момент равна нулю.

Затем результирующий ток в цепи будет возрастать, а энергия из конденсатора будет переходить в катушку до полного разряда конденсатора. В этот момент электрическая энергия конденсатора . Магнитная же энергия, сосредоточенная в катушке, напротив, максимальна и равна

Где - индуктивность катушки, - максимальное значение тока.

©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-02-12

Магнитная индукция. Сила Лоренца. Магнитное поле - одна из двух составляющих электромагнитного поля (см. разд. 3.2). Магнитное поле действует на движущиеся частицы, токи и магнитные моменты. Источниками магнитного поля являются движущиеся частицы, токи, магнитные моменты и переменные электрические поля. Характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции В Для определения В можно использовать выражение для силы, действующей на заряженную частицу в электромагнитном поле:

где с см/с - электродинамическая постоянная, равная скорости света в вакууме. Силу действующую на частицу со стороны магнитного поля, называют силой Лоренца.

Для определения магнитной индукции В с помощью формулы (51) надо:

1) измерить силу, действующую на неподвижную частицу, чтобы отделить действие электрического поля;

2) найти направление скорости для которого при постоянной величина магнитной силы максимальна;

3) по величине силы найти модуль магнитной индукции:

4) по направлению Ртлх и найти направление Й с помощью правила буравчика.

Магнитную индукцию удобно также определять по вращательному моменту, с которым магнитное поле действует на маленький виток с током. На виток с током действует только магнитное поле.

В СИ магнитная индукция измеряется в тесла в СГС - в гауссах

Пример 1. Рассмотрим движение нерелятивистской частицы массой с зарядом в однородном магнитном поле с индукцией Пусть в некоторый момент времени скорость частицы направлена под углом а к Сила Лоренца перпендикулярна как к (т.е. так и к В (т.е. сохраняются проекции скорости и на направление вектора индукции и на перпендикулярную к нему плоскость). В проекции на перпендикулярную плоскость частица движется по окружности, радиус которой можно найти из второго закона Ньютона: Период вращения не зависит от скорости. Результирующее движение происходит по спирали радиусом Я с шагом

Закон Ампера. Сила, действующая на элемент тока в магнитном поле, равна сумме сил Лоренца, действующих на движущиеся свободные заряды:

При выводе силы Ампера, действующей на элемент объема с плотностью тока и на линейный элемент с током использовалась

связь тока со средней скоростью свободных зарядов (40). Для вычисления полной силы, действующей на объем с распределенным током или на протяженный участок провода с током, надо произвести интегрирование. Например, на прямой участок провдда длиной с током I в однородном магнитном поле с индукцией В действует сила Сила, действующая в однородном поле на любой замкнутый контур с током, равна нулю:

Магнитный момент контура с током. Магнитным моментом контура с током называется векторная величина равная

где интегрирование ведется по любой поверхности, натянутой на контур, а направление нормали определяется направлением движения буравчика при вращении его по току. В случае плоского контура

Магнитный момент контура, так же как и дипольный момент электрического диполя (см. разд. 3.1 и 3.3), определяет магнитное поле контура на больших расстояниях вдали от него и описывает поведение маленького витка с током в магнитном поле.

Пример 2. Рассмотрим прямоугольный контур, длины сторон которого равны а и подвешенный за сторону а в однородном вертикальном магнитном поле с индукцией В (рис. 36). При включении тока силой I контур отклонится на угол (3, при котором момент силы тяжести уравновешивается моментом сил Ампера или Обратите внимание, что вращательный момент, действующий на контур со стороны магнитного поля, равен Аналогичное выражение было получено для вращательного момента, действующего на электрический диполь в электрическом поле (см. разд. 3.3).

Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, называется силой Ампера.

Сила действия однородного магнитного поля на проводник с током прямо пропорциональна силе тока, длине проводника, модулю вектора индукции магнитного поля, синусу угла между вектором индукции магнитного поля и проводником:

F=B . I . ℓ . sin α - закон Ампера.

Сила, действующая на заряженную движущуюся частицу в магнитном поле, называется силой Лоренца:

Если вектор v частицы перпендикуляренвектору В , то частица описывает траекторию в виде окружности:

Роль центростремительной силы играет сила Лоренца:

При этом радиус окружности: ,

Если вектор скорости и частицы не перпендикулярен В, то частица описывает траекторию в виде винтовой линии (спирали).

44. Теорема о циркуляции вектора магнитной индукции. Применение теоремы о циркуляции вектора магнитной индукции для расчета поля прямого тока. Циркуляция вектора магнитной индукции через замкнутый контур=произведению магнитной постоянной на алгебраическую сумму токов, охватываемых контуром.

∫BdL=μ 0 I; I=ΣI i

Теорема говорит о том, что магнитное поле не является потенциальным, а является вихревым.

Применение в тетради

45. Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца

Фарадей экспериментально установил, что при изменении магнитного потока в проводящем контуре возникает ЭДС индукции ε инд, равная скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, взятой со знаком минус:

Эта формула носит название закона Фарадея .

Опыт показывает, что индукционный ток, возбуждаемый в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток. Это утверждение, сформулированное в 1833 г., называется правилом Ленца .

Правило Ленца отражает тот экспериментальный факт, что ε инд ивсегда имеют противоположные знаки (знак «минус» в формуле Фарадея). Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии.

ε i =-N, гдеN- кол-во витков

Способ возникновения ЭДС:

1.рамка неподвижна, но изменяется магнитный поток за счёт движения ккатушки или за счет изменения силы тока в ней.

2.рамка перемещается в поле непожвижной катушки.

46. Явление самоиндукции.

Возникновение ЭДС индукции в проводящем контуре при изменении в нем силы тока называется явлением самоиндукции.

Магнитный поток, обусловленный собственным током контура (сцепленный с контуром), пропорционален магнитной индукции, которая, в свою очередь, по закону Био-Савара-Лапласа, пропорциональна току.

Где L –коэффициент самоиндукции или индуктивность, «геометрическая» характеристика проводника, так как зависит от его формы и размеров, а также от магнитных свойств среды.

47. Уравнения Максвелла в интегральной форме. Свойства уравнений Максвелла.

Закон Гаусса Поток электрической индукции через замкнутую поверхность s пропорционален величине свободного заряда, находящегося в объёме v, который окружает поверхность s.

Закон Гаусса для магнитного поля Поток магнитной индукции через замкнутую поверхность равен нулю (магнитные заряды не существуют).

Закон индукции Фарадея Изменение потока магнитной индукции, проходящего через незамкнутую поверхность, взятое с обратным знаком, пропорционально циркуляции электрического поля на замкнутом контуре, который является границей поверхности.

Теорема о циркуляции магнитного поля

Полный электрический ток свободных зарядов и изменение потока электрической индукции через незамкнутую поверхность , пропорциональны циркуляции магнитного поля на замкнутом контуре, который является границей поверхности.

Свойства уравнений Максвелла.

А. Уравнения Максвелла линейны . Они содержат только первые производные полейEиBпо времени и пространственным координатам, а так же первые степени плотности электрических зарядов ρ и токов γ. Свойство линейности уравнений непосредственно связано с принципом суперпозиции.

Б. Уравнения Максвелла содержат уравнение непрерывности , выражающее закон сохранения электрического заряда:

В. Уравнения Максвелла выполняются во всех инерциальных системах отсчёта . Они являются релятивистски-инвариантными, что подтверждается опытными данными.

Г. О симметрии уравнений Максвелла .

Уравнения не симметричны относительно электрического и магнитного полей. Это обусловлено тем, что в природе существуют электрические заряды, но нет магнитных зарядов. Вместе с тем в нейтральной однородной среде, где ρ = 0 и j=0 ,уравнения Максвелла приобретают симметричный вид, т.е.Eтак связано с(dB/dt) , какBсdE/dt.

Д. Об электромагнитных волнах .

Из уравнений Максвелла следует важный вывод о существовании принципиально нового физического явления: электромагнитное поле способно существовать самостоятельно без электрических зарядов и токов. При этом изменение его состояния обязательно имеет волновой характер. Всякое изменение во времени магнитного поля возбуждает поле электрическое, изменение электрического поля, в свою очередь, возбуждает магнитное поле. За счёт непрерывного взаимопревращения они и должны сохранятся. Поля такого рода называются электромагнитными волнами . Выяснилось также, что ток смещения(dD/dt) играет в этом явлении первостепенную роль.

Магнитное поле. Сила Лоренца. Магнитная индукция. Сила Ампера

Согласно классической теории электромагнетизма заряженная частица так возмущает окружающее пространство, что любая другая заряженная частица, помещенная в эту область испытывает действие силы . Говорят, что на частицу действует электромагнитное поле . Электрическая составляющая такого поля связана с самим фактом присутствия заряженной частицы (источника поля) в рассматриваемой области пространства, магнитная ¾ с ее движением.

Источником макроскопического магнитного поля являются проводники с током, намагниченные тела и движущиеся электрически заряженные тела. Однако, природа магнитного поля едина, оно возникает в результате движения заряженных микрочастиц.

Переменное магнитное поле появляется также при изменении во времени электрического поля , и наоборот, при изменении во времени магнитного поля возникает электрическое поле (см. теорию Дж. Максвелла).

Количественной характеристикой силового действия электрического поля на заряженные объекты служит векторная величина ¾напряженность электрического поля . Магнитное поле характеризуется вектором индукции который определяет силу, действующую в данной точке поля на движущийся электрический заряд . Эту силу называют силой Лоренца (X. Лоренц ¾нидерландский физик-теоретик). Экспериментально для модуля этой силы установлена следующая зависимость (в СИ):

F л = В |q |v sina, (8.1)

где |q | ¾ модуль заряда, который двигается в магнитном поле со скоростью v под углом a к направлению магнитного поля.

Таким образом, магнитная индукция численно равна силе F л действующей на единичный заряд, движущийся с единичной скоростью в направлении, перпендикулярном полю .

Сила Лоренца перпендикулярна векторам (направление поля) и при этом направление этой силы совпадает с направлением, которое определяется по правилу левой руки . Согласно этому правилу, если левую руку расположить так, что четыре вытянутых пальца совпадают по направлению с вектором скорости положительного заряда (если q <0, то пальцы левой руки направляют в противоположную сторону или пользуются правой рукой), а составляющая вектора магнитной индукции перпендикулярная скорости заряда, входит в ладонь перпендикулярно к ней, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Лоренца, рис. 8.1.

Рис. 8.1

В целом, выражение для вектора силы Лоренца записывается через векторное произведение векторов и :

При движении заряженной частицы перпендикулярно к направлению магнитного поля сила Лоренца играет роль центростремительной силы, при этом траекторией движения частицы является окружность.

Если векторы и направлены одинаково, то В общем случае, когда 0

При наличии электромагнитного поля формула Лоренца имеет вид

(8.3)

Если магнитное поле создают несколько источников (n ), то его магнитная индукция согласно принципу суперпозиции рассчитывается как

Если в магнитное поле поместить проводник с током, то на каждый носитель тока, движущийся по проводнику со скоростью будет действовать сила Лоренца. Действие этой силы от отдельных носителей передается всему проводнику. В результате, на каждый прямолинейный участок проводника длиной Dl (малый элемент длиной Dl ), по которому течет ток I , в магнитном поле будет действовать так называемая сила Ампера (закон Ампера , в честь известного французского ученого, открывшего этот закон, Андре Ампера):

(8.5)

где ¾вектор, направление которого совпадает с направлением тока в проводнике, а модуль этого вектора равен длине участка Dl .

Направление этой силы определяется по правилу левой руки : если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индукции входила в ладонь перпендикулярно к ней, а направление средних пальцев совпадало с направлением тока, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление действующей на проводник силы Ампера рис. 8.2.

Рис. 8.2

Таким образом, величина магнитной индукции магнитного поля определяется как

где a ¾ угол между направлением тока и вектора магнитной индукции (магнитного поля).

Однородным постоянным магнитным полем называется магнитное поле, вектор у которого одинаков во всех точках пространства и не меняется со временем.

В соответствии с законом Ампера (8.6) магнитная индукция ¾это величина, численно равная силе, действующей на прямолинейный проводник единичной длины, по которому течет ток единичной силы и который расположен перпендикулярно направлению магнитного поля . Единица магнитной индукции получила название тесла (Тл): (в честь сербского ученого Никола Тесла). Индукция магнитного поля Земли около ее поверхности составляет примерно 5 ×10 - 5 Тл.

Следствием существования силы Ампера является появление момента сил , действующего на рамку с током, помещенную в однородное магнитное поле, и приводящего к ее возможному вращению.

В данном случае модуль вектора магнитной индукции равен отношению максимального момента сил М m ах, действующего со стороны магнитного поля на контур с током, к произведению силы тока I в контуре на его площадь S :

При этом, величина, модуль которой P m = I × S , называется магнитным моментом контура .

Ампер экспериментально обнаружил, что два параллельных проводника взаимодействуют друг с другом. При этом, если токи в проводниках направлены в одну сторону, то взаимодействие имеет характер притяжения, если в противоположные ¾ отталкивания (рис. 8.3).