Магнитное поле и его характеристики презентация

Сегодня четверг, 18 октября 2018 г.

Магнитное поле
Магнитное поле представляет собой особую форму материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами.
Основные свойства магнитного поля:
1. Магнитное поле порождается электрическим током (движущимися зарядами).
2. Магнитное поле обнаруживается по силовому действию на внесенные в него проводники с током (движущиеся заряды) или постоянные магниты.
3. Магнитное поле существует реально независимо от нас, от наших знаний о нем.

Все постоянные магниты обладают двумя разноименными полюсами: северным и южным.
Одноименные полюсы взаимно отталкиваются, разноименные – притягиваются.
Постоянные магниты оказывают ориентационное действие на помещенную вблизи от них магнитную стрелку, так что она может свободно вращаться вокруг своего центра.

Взаимодействие магнитов

Магнитное поле Земли
С
Ю
N
S

Опыт Эрстеда
Начало исследований электро-магнитных явлений было положено основополагающим опытом датского физика Х. Эрстедом в 1820 году.

При пропускании тока по проводнику стрелка поворачивается вокруг своей вертикальной оси, располагаясь перпендикулярно току.

Вывод: вокруг любого проводника с током существует магнитное поле, названное так, потому что оно действует на помещенную в это поле магнитную стрелку.
Для того чтобы исследовать магнитное поле, в него помещается рамка с током-замкнутый плоский контур с током, размеры которого малы по сравнению с расстояниями до токов, образующих магнитное поле.

Правило правого винта
или
буравчика
Если обхватить проводник ладонью правой руки, направив отставленный большой палец вдоль тока, то остальные пальцы этой руки укажут направление силовых линий магнитного поля данного тока

За направление магнитного поля в данной точке принимается направление положительной нормали к рамке, а также направление силы, действующей на северный полюс магнитной стрелки, помещенной в данную точку.
Введем основную характеристику магнитного поля.

Магнитная индукция

Линии магнитной индукции
Силовые линии (линии магнитной индукции) — линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора магнитной индукции в этой точке. Их направление определяется правилом буравчика.
Магнитное поле (в отличие от электрического) не имеет источников: магнитных зарядов (подобных электрическим) не существует.
.

Линии магнитной индукции
За направление вектора магнитной индукции принимается направление от южного S к северному N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле. Это направление совпадает с направлением положительной нормали к замкнутому контуру с током.

Линии магнитной индукции
Важная особенность линий магнитной индукции состоит в том, что они не имеют ни начала ни конца. Они всегда замкнуты.
Поля с замкнутыми силовыми линиями называют вихревыми.
Магнитные линии прямолинейного проводника
Магнитные линии соленоида (катушки)

Земной магнетизм
Ампер выдвинул гипотезу, что магнитные свойства тела определяются замкнутыми электрическими токами внутри него (микротоки). Магнетизм Земли, согласно гипотезе Ампера, вызывается токами, обтекающими Землю с запада на восток.

Напряженность магнитного поля

Закон Био-Савара-Лапласа

Принцип суперпозиции магнитного поля

Закон Био-Савара-Лапласа

Магнитное поле прямого тока

Магнитное поле кругового тока (витка с током)

Магнитное поле на оси кругового тока

Магнитное поле

Каждый ток учитывается столько раз, сколько он охватывается контуром.
Положительным считается ток, направление которого связано с направлением обхода контура правилом правого винта: т.е. если смотреть на встречу току, то обход контура виден против часовой стрелки, ток противоположного направления считается отрицательным.

Для системы токов изображенных на рисунке будем считать

Доказательство:

Закон Ампера

Сила Ампера -
это сила, с которой МП действует на проводник с током. Сила Ампера имеет:
модуль Fа, который вычисляют по формуле
где α – угол между вектором индукции
и направлением тока в проводнике

2. направление в пространстве, которое определяется по правилу левой руки:
Если левую руку расположить так, чтобы вектор магнитной индукции входил в ладонь, а вытянутые четыре пальца были направлены вдоль тока, то отведенный на 90˚ большой палец укажет
направление действия силы Ампера.

Взаимодействие параллельных токов

Токи со направлены – силы Ампера навстречу – проводники притягиваются
Токи противоположны - силы Ампера противоположны –
проводники
отталкиваются

Сила Лоренца -
это сила, с которой магнитное поле действует на заряженные частицы
Модуль силы Лоренца прямо пропорционален:
- индукции магнитного поля В (в Тл);
- модулю заряда движущейся частицы |q0| (в Кл);
- скорости частицы υ (в м/с)
где угол α – это угол между вектором магнитной индукции и направлением вектора скорости частицы

Сила Лоренца
Fл = qBυ sin α.

Направление силы Лоренца
Направление силы Лоренца определяется по правилу левой руки: левую руку надо расположить так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, четыре вытянутых пальца были направлены по направлению движения положительно заряженной частицы (или против отрицательной), тогда отогнутый на 90˚ большой палец покажет направление действия силы Лоренца.

Обобщенная сила Лоренца

Пространственные траектории заряженных частиц в магнитном поле
Частица влетает в магнитное поле ll линиям
магнитной индукции => α = 0˚ => sin α = 0
Если сила, действующая на частицу, = 0, то частица, влетающая в магнитное поле, будет двигаться
равномерно и прямолинейно вдоль линий
магнитной индукции
=>
Fл = 0

Пространственные траектории заряженных частиц в магнитном поле
Если вектор В ┴ вектору скорости υ, то α = 90˚ => sin α = 1 =>
В этом случае сила Лоренца максимальна, значит, частица будет двигаться
с центростремительным ускорением по окружности

\
R

Пространственные траектории заряженных частиц в магнитном поле
Вектор скорости нужно разложить на две составляющие: υ║ и υ ┴, т.е. представить сложное движение частицы в виде двух простых:
равномерного прямолинейного движения вдоль линий индукции и движения по окружности перпендикулярно линиям индукции – частица движется по спирали.
1

Магнитный поток

Теорема Остроградского-Гаусса для магнитного поля

Работа по перемещению проводника
Если проводник не закреплен, то под действием силы Ампера он будет перемещаться в магнитном поле.

Работа по перемещению замкнутого контура с током в магнитном поле равна произведению силы тока в контуре на изменение магнитного потока, сцепленного с контуром.
Эта формула справедлива для любого замкнутого контура.

Электромагнитная индукция

«Самым великим моим открытием было открытие Фарадея»
Гэмфри Дэви
Открытие электромагнитной индукции

«Превратить магнетизм
в электричество…»
Английский физик Майкл Фарадей, узнав об опытах Эрстеда, поставил перед собой задачу – «превратить магнетизм в электричество». Решал эту задачу в течение 10 лет – с 1821 по 1831 г. Фарадей доказал, что магнитное поле может порождать электрический ток.

Явление электромагнитной индукции заключается в том, что в замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции, охватываемого этим контуром, возникает электрический ток, получивший название индукционного.
В момент вдвигания и выдвигания наблюдается отклонение магнитной стрелки гальванометра (возникает индукционный ток),
Направления отклонений стрелки при вдвигании разных полюсов магнита противоположны.
Чем больше скорость вдвигания магнита, тем больше отклонение стрелки.

Опыты Фарадея
1 серия опытов
2 серия опытов

Вывод из опытов Фарадея: индукционный ток в катушке возникает тогда, когда изменяется число линий магнитной индукции, пронизывающих катушку.

Возникновение индукционного тока указывает на наличие в цепи электродвижущей силы, называемой электродвижущей силой электромагнитной индукции.

Закон ЭМИ: ЭДС электромагнитной индукции в замкнутом контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока, пронизывающего этот контур.

Знак «-» определяется правилом Ленца – общим правилом нахождения направления индукционного тока

Направление
индукционного тока
Правило Ленца
Э.Х. Ленц
1804 – 1865 г.г.,
академик, ректор
Петербургского
Университета
Индукционный ток всегда имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызвавшему этот индукционный ток.

Применим правило Ленца для следующих случаев:
1
2
3
4
Ответ 1 и 2
Ответ 3 и 4

ПРИМЕНЕНИЕ
Производство электрической энергии
Преобразование
тока
Радиотехника

Явление самоиндукции
При замыкании цепи с катушкой определенное значение силы тока устанавливается лишь спустя некоторое время.

САМОИНДУКЦИЯ – возникновение вихревого электрического поля в проводящем контуре при изменении силы тока в нем; частный случай электромагнитной индукции. Вследствие самоиндукции замкнутый контур обладает «инертностью»: силу тока в контуре, содержащем катушку, нельзя изменить мгновенно.

Вывод
формулы ЭДС самоиндукции
Если магнитное поле создано током, то можно утверждать, что Ф ~ В ~ I, т.е. Ф ~ I или Ф=LI , где L – индуктивность контура (или коэффициент самоиндукции). Тогда

Физический смысл индуктивности
Индуктивность контура численно равна ЭДС самоиндукции, возникающей при изменении силы тока на 1 А за 1 с.

Индуктивность бесконечно длинного соленоида

Взаимная индукция
- явление возникновения э.д.с. в одном из контуров при изменении силы тока в другом.

Магнитное поле в веществе

Магнитный момент электрона

Если в магнитном поле, созданном движущимся вокруг ядра электроном, имеется другой движущийся электрон, то его движение под действием силы Лоренца всегда установится в плоскости движения полеобразуещего электрона, но в противоположном направлении. Таким образом, электроны будут двигаться навстречу друг к другу, а их орбитальные магнитные моменты будут антипараллельны. Для электронов, находящихся на одном энергетическом уровне магнитные моменты равны по величине, а их суммарный момент равен нулю.
Природа диамагнетизма

Суммарный магнитный момент «спаренных» электронов уже отличен от нуля и направлен противоположно внешнему полю. Возникновение магнитного момента атома, направленного против поля, называется диамагнитным эффектом. Вещества, состоящие из атомов, магнитные моменты которых в отсутствии поля равны нулю, являются диамагнетиками. Диамагнитный эффект проявляется для любого электрона, находящегося в атоме.

Парамагнетизм
Существование магнитного момента атома в отсутствие внешнего магнитного поля можно объяснить наличием в нём хотя бы одного «неспаренного» электрона. При внесении такого атома во внешнее магнитное поле кроме диамагнитного эффекта, вызванного изменением ускорения, а ,следовательно, и скорости электрона, будет происходить ориентация магнитного момента по направлению поля. Ориентация магнитных моментов атомов по направлению поля носит название парамагнитного эффекта.

Парамагнетики
Вещества, состоящие из таких атомов, называются парамагнитными (парамагнетики). Когда внешнее магнитное поле отсутствует, магнитные моменты отдельных атомов направлены хаотически. Это приводит к тому, что в любом макроскопическом объёме парамагнетика суммарный магнитный момент равен нулю. Во внешнем магнитном поле упорядоченной ориентации магнитных моментов атомов препятствует их беспорядочное тепловое движение.

Магнитная восприимчивость

Ферромагнетики

Домен — макроскопическая область в ферромагнетике, область спонтанного (самопроизвольного) намагничивания.
Домены имеют размеры порядка 1-10 мкм.

Петля гистерезиса

Индукция магнитного поля в ферромагнетике определяется главным образом спиновыми моментами атомных электронов. Она настолько велика, что её ориентирующий эффект превосходит дезориентацию, вносимую беспорядочным движением молекул при температурах ниже температуры Кюри.

Всякое вещество является магнетиком, т.е. оно способно под действием магнитного поля приобретать магнитный момент (намагничиваться).
Вещества, в которых собственный магнитный момент равен нулю называют диамагнетиками. Другие вещества, атомы и молекулы которых обладают не равным нулю магнитным моментом, называют парамагнетиками. Ферромагнетики – вещества обладающие спонтанной намагниченностью (сильномагнитные вещества).
Молекулярные токи – магнитные моменты отдельных атомов и молекул.

Магнитные свойства вещества

Намагниченность вещества

Граничные условия для магнитного поля

Трансформаторы
Принцип действия трансформаторов, применяемых для повышения или понижения напряжения переменного тока, основан на явлении взаимной индукции.

Принцип работы

Энергия магнитного поля