Лекции по "Физике"

1. Магнитное поле, вектор магнитной индукции, природа магнитного поля.

Магнитное поле создается движущимися зарядами. Ток – направленное движение заряда.  Следовательно, ток создает магнитное поле. Сама Земля создает магнитное поле за счет того, что внутри есть жидкое железное ядро, оно вращается и создает ток, следовательно ток создает магнитное поле. Магнитное поле воздействует на движущиеся заряды и проводники с током: F лоренца-F действующая на ед-ый заряд = qVB sin a, F ампеера – F действующая на проводник с током = YLVsina.

Магнитное поле можно заменить только их характеристиками. Магнитная индукция – векторная физическая величина, численно равная силе, с которой магнитное поле действует на единицу длины прямолинейного проводника с током, равным единице силы тока, расположенном перпендикулярно направлению поля.

Характеристикой магнитного поля является магнитная индукция В.  Определяет, с какой силой   магнитное поле действует на заряд  , движущийся со скоростью  . F=qVBsina. [Тл]

Электрическое и магнитное поля – две стороны одного общего явления природы, которые мы называем электромагни

 

2. Закон  Био-Савари-Лапласса

Определяет магнитное поле, созданное участком проводника длиной dL по которому течет ток I. Векторное написание: , где μ0-магнитная проницаемость в вакууме, μ-относительная магнитная проницаемость Земли, r-вектор, соединяющий участок проводника с точкой наблюдения.

Общая формула: : . Направление определяется с помощью правого винта.

Магнитное поле бесконечно длинного проводника с током. (1-й частный случай) Если бесконечно длинный проводник, то α1=0, α2=π, тогда . Это поле направленно перпендикулярно.

3. Закон полного тока. Магнитное поле соленоида.

Полным током называется алгебраическая сумма токов, пронизывающих поверхность, ограниченную замкнутым контуром.

Положительными считаются токи, направления которых совпадают с поступательным движением буравчика, рукоятка которого вращается по обходу контура.

Закон полного тока (первая формулировка): магнитодвижущая сила вдоль контура равна полному току, который проходит сквозь поверхность, ограниченную данным контуром: F = SI

Закон полного тока (вторая формулировка): циркуляция вектора напряженности магнитного поля по замкнутому контуру равна полному току, пронизывающему поверхность, ограниченную этим контуром: SI = òНldl

 Соленоид представляет собой катушку, намотанную на цилиндрический каркас.  Магнитное поле максимально внутри соленоида и направлено вдоль его оси. Вблизи оси соленоида магнитное поле можно считать однородным. Для нахождения напряженности магнитного поля на оси прямого длинного соленоида с помощью теоремы о циркуляции магнитного поля, выберем контур интегрирования, как показано на рис.

На участке 1-2 направление магнитного поля совпадает с направлением обхода контура, а его напряженность постоянна в силу однородности поля. На участках 2-3 и 4-1 вне соленоида проекция магнитного поля на направление обхода равна нулю. Наконец, на участке 3-4, удаленном достаточно далеко от соленоида, можно считать, что магнитное поле отсутствует. С учетом сказанного имеем: - H*L , =0Но согласно теореме о магнитном напряжении этот интеграл равен NI, гдеN – число витков соленоида, сцепленных с контуром интегрирования. Следовательно HL=NI. H=, где n = N/L – число витков соленоида.

4. сила лоренца. движение частиц в магнитном поле

FE=qE- со стороны эл-ого поля составляющая FA, FB=q[V*B]- со стороны маг-ого поля составляющая. FA= FE+ FB= qE+ q[V*B]. FE параллельно E, FB перпендикулярно V, B. Если заряд влетает в магнитное поле перпендикулярно силовым линиямЮ то он будет вращаться по окружности R= , R-радиус окружности. dA=FB перпендикулярно dX следовательно А=0. Работа по перемещению q в магнитном поле равна0, нет также и ЕK. Магнитное поле меняет только траекторию, а эл-ое его скорость. - движение по спирали. Движение по спирали получается, если q одновременно внести и в маг-ое и в эл-ое поля.

5. Закон Ампера

F, действующая на проводник с током в магнитном поле. J=enV, j-плотность тока, n-концентрация электронов в еденице объема, V- скорость, е-заряд электрона. FA= dF=e[VB]ndV, где ndV→dL,тогда dF=[jB]dV,где dV=SdL,  тогда dF=[jB]SdL следовательно dFA=I[dLB] –Закон Ампера в Диффиренциальной форме. F=Если В-const, I- прямая величина, то F=формула FA для линейного проводника в однородном поле.

6. Магнитный момент контура с током. Контур с током в магнитном поле. Электродвигатели

Замкнутый проводник, по которому течет ток I-контур тока. Pm=IS-магнитный момент контура с током, где n параллельна P. P играет ту же роль, что q в эл-ом поле.  Pm=ISn.

12->F1, 34->F3 поворачивают рамку. |F1|=|F3|=IaB. Поле всегда перпендикулярно току-> sina=1,т.к. а=90.  На каждый проводник будет действовать FA -на рамку действует вращающий момент равный данному произведению.

Составляющая электродвигателя постоянного тока: 1) магнит (возможно электромагнит) 2) большое кол-во рамок 3)коллектор. С помощью контактов подается ток на щетку и она начинает вращаться

 

 

 

7. Магнитные моменты электронов и атомов.

Если электрон движется по орбите, то мы имеем I. IeS=Pe орб. , Bэлек прямо пропорционально Pe орбит. Pa- магнитный момент атома. Pa= , Рслин- магнитный момент Слина.

При внесении  атома в магнитное поле возникает прецессия орбит каждого электрона вращение оси вращения, которое приводит к возникновению магнитного момента процессии и этот Р электронов создает дополнительное маг-ое поле, направленное в противоположную сторону по отношению к внешнему полю. В наведенное гораздо меньше В начального. 

 

 

8. Намагничивание в-ва. Магнитные восприимчивость и проницаемость.Напряженность магнитного поля.

Намагничивание вещ-ва называется магнитный момент к ед-це объема в-ва. У= . Если в-во имеет какую-то намагниченность и если внести его в какое-то магнитное в-во то появится В внутреннее Вобщ=В0+Ввнутр, Ввнутр прямо пропорционально У.

Магнитная проницаемость. Поле В связано с В0  через проницаемость. В=μВ0 , μ показывает во сколько раз поле внутри в-ва отличается от внешнего поля.

Магнитная восприимчивость. У=Х , Х- коэффициент пропорциональности между намагничиванием в-ва и внешним полем. Ввнутр.=μ0У, В=В0+μ0У, μВ0=В0+ХВ0 следовательно μ=1+

Напряженность магнитного поля характеризует магнитное поле создаваемое макроскопическими токами и поэтому определяется их величинами, не зависит от свойств среды. Вектор индукции магнитного поля В связан с напряженностью магнитного поля Нсоотношением В=μμ0Н, μ0=4π*10-7Гн/м

9. Диамагнетики. Парамагнетики.

Диамагнетики – (Сu) <0, ||= от10-8до10-7 очень слабо реагирует на В. Диамагнетизм или ослабление магнитного поля атомами связано с прецессией обит e. Всобств<<В0

Парамагнетики- Al >0, ||= от 10-4 до10-6 .К ним относятся в-ва у которых Ратомов ǂ0 и отдельный Ратомов взаимодействует между собой. При В0=0 У=0, В0ǂ0 Уǂ0. При внесении e в магнитное поле все Ратомные стараются повернуться || В0, но хаотичное тепловое движение разориентирует Рат.

10. Ферромагнетики. Кривые намагничивания. Температура Кюри.

Феромагнетики. μ=. ||=от 104 до 106 Магнитный истеребит присущ магнетикам.  Магнитный момент отдельных атомов взаимодействуют между собой за счет особых обменных сил. Обменные силы являются электтромагнитными силами и возникают за счет квантовых дефектов. В0=0, Уǂ0 Ввнешпрямо пропорциональна У, Ввнутр>>0. WВ прямо пропорционально В2. Намагничивание феромагнетиков- В=μВ0

Магнитные свойства ферромагнетиков характеризуют зависимостями магнитной индукции В или намагниченности I от напряженности поля H и потерь на перемагничивание P от индукции и частоты. Зависимости вида B=F(H)  называют кривыми намагничивания. Известно, что магнитные свойства материала зависят не только от напряженности поля, температуры, наличия или отсутствия механических напряжений и т. д., но и от предшествующего магнитного состояния.Во многих случаях для получения кривых намагничивания в качестве исходного состояния принимают размагниченное состояние образца, при котором в отсутствии внешнего поля индукция равна нулю и нет преимущественного направления намагничивания доменов (будут рассмотрены далее), т. е. они расположены статистически равновероятно. 
 
Наилучшего размагничивания можно достигнуть в результате нагрева материала выше точки Кюри. Однако в технике этот способ применяют редко в связи с неудобствами его практического осуществления. Чаще всего образец размагничивают, воздействуя на него переменным полем с убывающей до нуля амплитудой, используя специальные устройства или измерительную схему. При намагничивании предварительно размагниченного образца различают следующие типы зависимостей: 1) нулевую (первоначальную) кривую намагничивания, которую получают при монотонном увеличении Н; 2) безгистерезисную (идеальную) кривую намагничивания, получаемую при одновременном действии постоянного и переменного полей с убывающей до нуля амплитудой (кривая а); 
3) основную (коммутационную) кривую намагничивания, представляющую собой геометрическое место вершин кривых (вершин гистерезисных циклов), получающихся при циклическом перемагничивании (кривая б).Нулевая кривая обычно мало отличается от основной. Нулевая кривая намагничивания зависит от случайных причин, например от механических сотрясений, колебаний температуры, характера изменения намагничивающего поля и др. Следовательно, нулевая кривая не отвечает требованию хорошей воспроизводимости и не может быть использована для сравнительной оценки свойств различных материалов.

Точка Кюри, или температура Кюри, — температура фазового перехода II рода, связанного со скачкообразным изменением свойств симметрии вещества.  При температуре T ниже точки Кюри Q ферромагнетики обладают самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью и определённой магнитно-кристаллической симметрией. В точке Кюри (T=Q) интенсивность теплового движения атомов ферромагнетика оказывается достаточной для разрушения его самопроизвольной намагниченности («магнитного порядка») и изменения симметрии, в результате ферромагнетик становится парамагнетиком. Вблизи точки Кюри в веществе происходят специфические изменения многих физических свойств (например, теплоёмкости, магнитной восприимчивости и др.), достигающие максимума при T=Q, что обычно и используется для точного определения температуры фазового перехода.Численные значения температуры Кюри приводятся в специальных справочниках.

11. Электромагнитная индукция.

магнитного потока Фm сквозь поверхность, охватываемую контуром Закон электромагнитной индукции – Явление возникновения эл-кого тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока сквозь него называется электромагнитной индукцией. Если Ф(t) меняется, то в контуре появляется I.

12. Вращение рамки в магнитном поле.

Явление электромагнитной индукции применяется для преобразования механической энергии в энергию электрического тока. Для этой цели используются генераторы, принцип действия которых можно рассмотреть на примере плоской рамки, вращающейся в однородном магнитном поле Предположим, что рамка вращается в однородном магнитном поле (B=const) равномерно с угловой скоростью w=const. Магнитный поток, сцепленный с рамкой площадью S, в любой момент времени t, согласно (риунку), равен

 где α = ωt — угол поворота рамки в момент времени t (   начало отсчета выбрано так, чтобы при t=0 было α=0). Во время вращения рамки в ней  будет появляться переменная э.д.с. индукции . изменяющаяся 0 со временем по гармоническому закону. При sinwt = l  э.д.с.  максимальна, т. е.. Учитывая (2), формула (1) запишется как Значит, если рамка вращается равномерно в однородном магнитном поле, то в ней возникает переменная э.д.с., которая изменяется по гармоническому закону. Из формулы (2) следует, что ξmax (следовательно, и э.д.с. индукции) находится в непосредственной зависимости от величин ω, B и S

13. Явление самоиндукции

 Ток I, текущий в замкнутом контуре, в окружающем пространстве вокруг себя создает магнитное   поле B.

Закон Био-Савара-Лапласа:, . Ф ~ I. Следовательно Ф =L I, где коэффициент пропорциональности L называется индуктивностью контура. При изменении тока I в контуре изменяется создаваемое им магнитное поле и магнитный поток сквозь контур, изменяется во времени. Следовательно, в контуре индуцируется э.д.с. . Этот процесс называется самоиндукцией. В системе СИ индуктивность измеряется в генри: [L] = Гн. Э.д.с. индукции Ei создается внешним магнитным полем.  Э.д.с. самоиндукции ES создается при изменении собственного магнитного поля. В общем случае индуктивность контура L зависит от 1) геометрической формы контура и его размеров, 2) магнитной проницаемости среды, в которой находится контур.

14.  Энергия магнитного поля.

Wкатушки=LI2/2 тогда Wмагнит=VВ2/2μμ0, т.к. В=μμ0Н -. Магнитное поле направляется с юга на север. Если поле неоднородное, то W=

15. Вихревое поле.

Уравнение Максвелла для электро-магнитного поля: 1) -Закон В порождает Е.  Первое ур-ие Максвелла есть закон электромагнитной индукции. Частный случай.  Это ур-ие показывает что переменное магнитное поле создает переменное вихревое электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями.

Ток смещения или абсорбционный ток — величина, прямо пропорциональная скорости изменения электрической индукции. В вакууме, а также в любом веществе, в котором можно пренебречь поляризацией либо скоростью её изменения, током смещения   (с точностью до универсального постоянного коэффициента) называется[3] поток вектора быстроты изменения электрического поля   через некоторую поверхность[4]  : В диэлектриках (и во всех веществах, где нельзя пренебречь изменением поляризации) используется следующее определение:  (СИ) где D — вектор электрической индукции (исторически вектор D назывался электрическим смещением, отсюда и название «ток смещения»)