Билет № 19. Опыт Эрстеда. Магнитное поле тока. Взаимодействие магнитов. Действие магнитного поля на проводник с током
Расположим проводник, включенный в цепь источника тока, над магнитной стрелкой параллельно ее оси. При замыкании цепи магнитная стрелка отклоняется от своего первоначального положения. При размыкании цепи магнитная стрелка возвращается в свое начальное положение. Это означает, что проводник с током и магнитная стрелка взаимодействуют друг с другом.
Выполненный опыт наводит на мысль о существовании вокруг проводника с электрическим током магнитного поля. Оно и действует на магнитную стрелку, отклоняя ее.
Магнитное поле существует вокруг любого проводника с током, т. е. вокруг движущихся электрических зарядов. Электрический ток и магнитное поле неотделимы друг от друга.
Линии, вдоль которых в магнитном поле располагаются оси маленьких магнитных стрелок, называют магнитными линиями магнитного поля. Направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки в каждой точке поля, принято за направление магнитной линии магнитного поля.
Магнитные линии магнитного поля тока представляют собой замкнутые кривые, охватывающие проводник.
Тела, длительное время сохраняющие намагниченность, называются постоянными магнитами или просто магнитами.
Те места магнита, где обнаруживаются наиболее сильные магнитные действия, называют полюсами магнита. У всякого магнита, как и у известной нам магнитной стрелки, обязательно есть два полюса: северный (N) и южный (S).
Поднося к полюсам магнитной стрелки магнит, можно заметить, что северный полюс стрелки отталкивается от северного полюса магнита и притягивается к южному полюсу. Южный полюс стрелки отталкивается от южного полюса магнита и притягивается северным полюсом.
На основании описанных опытов можно сделать следующее заключение: разноименные магнитные полюсы притягиваются, одноименные отталкиваются. Это правило относится и к электромагнитам.
Взаимодействие магнитов объясняется тем, что вокруг любого магнита имеется магнитное поле. Магнитное поле одного магнита действует на другой магнит, и, наоборот, магнитное поле второго магнита действует на первый.
Магнитное поле действует с некоторой силой на любой проводник с током, находящийся в этом поле.
Билет №20. Явление электромагнитной индукции. Индукционный ток. Опыты Фарадея. Переменный ток
Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром.
Электрический ток, возникающий при явлении электромагнитной индукции, называется индукционным.
Электрический ток, периодически меняющийся со временим по модулю и направлению, называется переменным.
Билет № 21. Закон прямолинейного распространения света. Закон отражения света. Плоское зеркало. Явление преломления света
Закон прямолинейного распространения света: свет в прозрачной среде распространяется прямолинейно.
Законы отражения света: 1. Лучи, падающий и отраженный, лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным к границе раздела двух сред в точке падения луча. 2. Угол падения равен углу отражения.
Зеркало, поверхность которого представляет собой плоскость, называется плоским зеркалом.
Изображение предмета в плоском зеркале имеет следующие особенности: это изображение мнимое, прямое, равное по размерам предмету, находится оно на таком же расстоянии за зеркалом, на каком предмет расположен перед зеркалом.
Преломление света — явление изменения направления распространения света при его прохождении через границу раздела двух спед.
9.1. Магнитные взаимодействия.
Магнитные свойства постоянных магнитов, их способность притягивать железные предметы были известны еще древним грекам. Земля также является магнитом, и явления земного магнетизма были использованы древними китайцами для создания компаса, т. е. свободно вращающейся магнитной стрелки, указывающей ориентацию сторон света. Китайские мореплаватели использовали компас в 11 веке, в Европе подобные устройства появились лишь в 12 веке. Предполагается, что приборы наподобие компаса использовались китайцами 3000 лет тому назад. В пространстве , окружающем намагниченные тела , возникает магнитное поле . Помещенная в это поле маленькая магнитная стрелка устанавливается в каждой его точке вполне определенным образом, указывая тем самым направление поля. Тот конец стрелки, который в магнитном поле Земли указывает на север, называется северным , а противоположный – южным . Хорошо известно, что, если поднести два магнита друг к другу, между ними действует сила. Магниты либо притягивают друг друга, либо отталкивают; их взаимодействие ощущается даже тогда, когда магниты не соприкасаются. Если к северному полюсу одного магнита поднести северный полюс другого, магниты будут отталкиваться; то же самое будет, если поднести магниты друг к другу южными полюсами. Но если к северному полюсу одного магнита поднести южный полюс другого, возникает притяжение. Это напоминает взаимодействие электрических зарядов: одноименные полюса отталкиваются, а разноименные притягиваются. Но не следует смешивать полюса магнитов и электрические заряды: это совсем разные вещи. Вернемся к примеру с магнитной стрелкой, помещенной в магнитное поле. При отклонении стрелки от направления магнитного поля на стрелку действует механический крутящий момент М кр. пропорциональный синусу угла отклонения α и стремящиеся повернуть ее вдоль указанного направления. Как мы видим, взаимодействие постоянных магнитов сходно с взаимодействием электрических диполей, испытывающих в однородном электрическом поле результирующий момент сил, но не силу ! Подобно электрическому диполю, постоянный магнит в однородном поле стремится повернуться по полю, но не перемещаться в нем. Опять обнаруживается сходство между электрическими зарядами и магнитными полюсами! Существенное отличие постоянных магнитов от электрических диполей заключается в следующем. Электрический диполь всегда состоит из зарядов, равных по величине и противоположных по знаку. Эти заряды можно отделить друг от друга и расположить на отдельных телах, например, разрезав диполь пополам по плоскости, перпендикулярной оси диполя. Постоянный же магнит, будучи разрезан таким образом пополам, превращается в два меньших магнита, каждый из которых имеет и
северный и южный полюса. Никакое деление не дает возможности получить отдельно источники северного и южного магнетизма – магнитные заряды . Причина состоит в том, что «магнитных зарядов» (или как иногда говорят, «магнитных масс») в природе не существует. Подводя итоги сведениям о магнетизме, накопленным к 1600г., английский ученый, физик Уильям Гильберт в шеститомном труде «о магните», высказал мнение, что, несмотря на некоторое внешнее сходство, природа электрических и магнитных явлений различна. Действительно, кроме вышеуказанного отличия, опыт показывает, что, если расположить вблизи магнитной стрелки компаса легкий заряженный шарик, то мы не обнаружим никакого действия со стороны заряда шарика на магнитную стрелку. В свою очередь магнитное поле стрелки никак не действует на заряженный шарик. Все же к середине XVIII века окрепло убеждение о наличии тесной связи между электрическими и магнитными явлениями . Однако природа этой тесной связи тогда установлена быть не могла из-за отсутствия достаточно мощных источников тока. В 1820 году Эрстед открыл явление отклонения магнитной стрелки гальваническим током и тем самым сделал первый существенный шаг в выяснении характера связи электрических и магнитных явлений. Затем Гей-Люссак и Араго наблюдали намагничивание железа постоянным током, идущим в проводнике. Ампер обнаружил притяжение между проводами, по которым проходят параллельные токи, и отталкивание между противоположно направленными токами. Им же была выдвинута гипотеза о том, что свойства постоянных магнитов обусловлены циркулирующими в их толще постоянными круговыми токами (молекулярными токами). Но вернемся к открытию Эрстеда. Эрстед помещал магнитную стрелку в непосредственной близости от проводника с током и обнаружил, что при протекании по проводнику тока, стрелка отклоняется; после выключения тока стрелка возвращается в исходное положение. Из описанного опыта Эрстед делает вывод: вокруг прямолинейного проводника с током есть магнитное поле. Он обратил внимание также на то, что при изменении направления тока в проводнике северный конец стрелки поворачивается в другую сторону. В дальнейшем исследовалось действие на магнитную стрелку проводников с током самой различной формы. Был сделан общий вывод: вокруг всякого проводника с током есть магнитное поле. Но ведь ток – это направленное движение зарядов. Возможно, вокруг всякого движущегося заряда существует магнитное поле? Опыты подтверждают: да, магнитное поле появляется вокруг электронных пучков и вокруг перемещающихся в пространстве заряженных тел. Итак, вокруг всякого движущегося заряда помимо электрического поля существует еще и магнитное. Таким образом, магнитное поле – это поле движущихся зарядов . Известно, что обнаруживает себя оно по действию на магнитные стрелки или на проводники с токами, т.е. на движущиеся заряды. Дальше мы увидим, что подобно электрическому полю, оно обладает энергией и, следовательно, массой. Магнитное поле материально. Теперь можно дать следующее определение магнитного поля: Магнитное поле – это материя, связанная с движущимися зарядами, и обнаруживающая себя по действию на магнитные стрелки и движущиеся заряды, помещенные в это поле. Эрстед изложил результаты своих опытов в письме к Амперу. Ампер, получив письмо от Эрстеда, тут же повторил, описанные им опыты и продолжил их. Он взял
катушку с током и намагниченный металлический стержень (намагниченный) и обнаружил воздействие магнитного поля катушки на стержень. В этом опыте непосредственно была обнаружена связь электрического и естественного магнетизма. Кроме того, Ампер изучил действие магнитного поля на проводники с током. Подобно тому, как для исследования электрического поля используется пробный точечный заряд, для исследования магнитного поля используется точечное магнитное поле, созданное пробным током, циркулирующим в плоском замкнутом контуре очень малых размеров. Возьмем такой контур с током I и поместим его в магнитное поле. Основное свойство магнитного поля – способность действовать на движущиеся электрические заряды с определенной силой. В магнитном поле контур с током будет ориентироваться определенным образом. Ориентацию контура в пространстве будем характеризовать направлением нормали n , связанной с движением тока правилом правого винта или правилом буравчика (Рис. 9.1). Рис. 9.1 И так, на контур с током в магнитном поле действует вращающий момент. Контур ориентируется в данной точке поля только одним способом. Примем положительное направление нормали n за направление магнитного поля B в данной точке. Вращающий момент прямо пропорционален величине тока I , площади контура S , и синуса угла между направлением магнитного поля и нормали n .
| M ~ ISsin ( n , B ) | (9.1.1) |
здесь М – вращающий момент или момент силы, IS = P m –магнитный момент контура (аналогично ql = P – электрический момент диполя, l – плечо диполя.
| P m = P m n r | (9.1.2) | |
| Направление вектора магнитного момента совпадает с положительным | ||
| направлением нормали. | M | |
| Отношение момента силы к магнитному моменту | для данной точки | |
| P | ||
| m | ||
магнитного поля будет одним и тем же и может служить характеристикой магнитного поля, названной магнитной индукцией:
| B = | M v | r | |
| P m sin ( B , n ) | |||
| (9.1.3) | |||
| или B = | M макс . | ||
| P | |||
| m | |||
B – вектор магнитной индукции совпадает с нормалью n . По аналогии с электрическим полем
| r | F | (9.1.4) |
| E = |
q Магнитная индукция характеризует силовое действие магнитного поля на ток, аналогично E характеризует силовое действие электрического поля на заряд т.е. как и E , B – силовая характеристика магнитного поля. B можно изобразить, как и E с помощью магнитных силовых линий. М – момент силы и Р m , – магнитный момент – характеристики вращательного движения, т.е. магнитное поле – вихревое . Условились, за направление B – принимать направление северного конца магнитной стрелки. Силовые линии выходят из северного полюса, а входят соответственно в южный полюс магнита. Для графического изображения полей удобно пользоваться силовыми линиями ( линиями магнитной индукции ). Линиями магнитной индукции называются кривые, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора B в этой точке. Конфигурацию силовых линий легко установить с помощью мелких железных опилок, которые намагничиваются в исследуемом магнитном поле и ведут себя подобно маленьким магнитным стрелкам ( поворачиваются вдоль силовых линий ). Так было установлено, что силовые линии магнитного поля прямолинейного проводника с током – это концентрические окружности с центрами на проводнике, лежащие в плоскости, перпендикулярной проводнику. Магнитные силовые линии всегда замкнуты (вихревое поле). 9.2. 3акон Био-Савара-Лапласа. В 1820г. французские, физики Жан Батист Био и Феликс Савар, провели исследования магнитных полей токов различной формы. Астроном, физик, математик Пьер Лаплас обобщил эти исследования. Лаплас проанализировал данные и понял, что магнитное поле любого тока может быть вычислено как векторная сумма (суперпозиция) полей, создаваемых отдельными элементарными участками тока:
| B = ∑ B i | (9.2.1) | |||
| А элемент тока длины dl (Рис. 9.2), создает поле с магнитной индукцией, | ||||
| r | I [ d l , r r | ] | (9.2.2) | |
| d B = k | ||||
| r 3 | ||||
Взаимодействие магнитов
Слово «магнит» от греческого «magnes» означает название руды, добывающейся в местности Магнезия еще 2500 лет назад. Магнетит – минерал с магнитными свойствами состоящий из FeO и Fe2O3.
В 1269 г. французский исследователь П.Марикур (псевдоним П.Перегрин) ввел понятие магнитного полюса, помещая металлически иголки вблизи шара из магнетита.
Он изготовил магнит в виде стержня, ориентировавшийся в направлении север-юг подобно стрелке компаса.
Полюс, указывающий направление на север, назвали северным N(Nord), а на юг — южным S(Sude)
Опыты Перегрина показали, что одноименные магнитные полюса отталкиваются друг от друга, а разноименные притягиваются.
Предполагая, что взаимодействие магнитов обусловлено магнитными зарядами, находящимися на полюсах, Перегрин пытался безуспешно их разделить – получить магнитный монополь (магнитный заряд). Однако каждый фрагмент разделенного магнита всегда имел два полюса N и S.
Рене Декарт обнаружил, что постоянный магнит действует на мельчайшие железные опилки, насыпанные вокруг него. Тем самым было показано, что в пространстве существует магнитное взаимодействие. Линии, образуемые железными опилками (или магнитными стрелками) в магнитном поле, стали называть силовыми линиями магнитного поля или линиями магнитной индукции.
На протяжении четырех тысячелетий практически единственным и основным используемым источником магнетизма был магнитный железняк.
Магнитные свойства вещества. Магнитная проницаемость. Магнетики
Гипотеза Ампера
Причина вследствие которой тела обладают магнитными свойствами была найдена французским ученым Анри Ампером:
магнитные свойства вещества можно объяснить циркулирующими внутри него замкнутыми токами.
Согласно гипотезе Ампера внутри молекул и атомов циркулируют элементарные электрические токи. Если плоскости, в которых циркулируют эти тока, расположены беспорядочно по отношению друг к другу вследствие теплового движения, то их действия взаимно компенсируются и тело не обнаруживает магнитных свойств.
В намагниченном состоянии элементарные тока ориентированы так, что их действия складываются.
Магнитные свойства любого вещества определяются замкнутыми электрическими токами внутри него.
Электромагнитное взаимодействие зависит от среды, в которой находятся заряды.
Если около большой катушки подвесить маленькую, то она отклонится. Если в большую вставить железный сердечник, то отклонение увеличится. Это изменение показывает, что индукция изменяется при внесении сердечника.
Магнитная индукция в среде складывается из индукции внешнего поля и собственной индукции вещества:
Отношение характеризующее магнитные свойства среды, получило название магнитной проницаемости среды.
Обозначение . Безразмерная величина
В однородной среде магнитная индукция равна:
где — магнитная проницаемость данной среды безразмерная величина, показывающая во сколько раз магнитная индукция в данной среде, больше чем в вакууме.
(Формула справедлива только для однородной среды, заполняющей все пространство, или ля случаев особой симметрии, например для однородного стержня внутри соленоида.
Для тела произвольной формы зависимость между и будет гораздо сложнее и определяться формой тела и его ориентацией по отношению к )
Микроскопические токи под действием внешнего магнитного поля определенным образом ориентируются: чем больше внешняя индукция В0, тем больше индукция собственного магнитного поля среды:
χ («хи») – магнитная восприимчивость среды
(магнитная проницаемость среды μ = 1 + χ)
Вектор собственной магнитной индукции среды может быть как сонаправлен с вектором магнитной индукции внешнего поля, так и противоположен ему.
Разная магнитная восприимчивость веществ определяет различие их магнитных свойств.
В зависимости от магнитных свойств веществ различают:
— парамагнетики
— диамагнетики
— ферромагнетики
Парамагнетиками называются вещества, которые создают слабое магнитное поле, по направлению совпадающее с внешним полем.
Магнитная проницаемость наиболее сильных парамагнетиков мало отличается от единицы: 1,00036- у платины и 1,00034- у жидкого кислорода.
В атомах парамагнетиков источником собственного магнитного поля являются микротоки, обусловленные вращением валентного электрона вокруг собственной оси (или spin)
В силу хаотического расположения атомов результирующая собственная индукция парамагнетиков в отсутствии внешнего магнитного поля равна нулю.
При помещении парамагнетика во внешнее магнитное поле элементарные витки с током (вращающиеся вокруг своей оси электроны) начинают выстраиваться так, чтобы направление их собственной индукции совпало с индукцией внешнего поля. Поэтому результирующая индукция в парамагнетике становится отличной от нуля и сонаправленной с индукцией внешнего поля:
Магнитное поле в парамагнетике усиливается по сравнению с приложенным к нему внешним магнитным полем.
Нагревание парамагнетика приводит к дезориентации спинов и уменьшению собственного магнитного поля, а следовательно к уменьшению его магнитной проницаемости μ.
Диамагнетиками называются вещества, которые создают поле, ослабляющее внешнее магнитное поле.
Магнитная проницаемость диамагнетиков отличается от единицы не более чем на десятитысячные доли.
Диамагнетик – вещество, у которого вектор индукции собственного магнитного поля, направленный противоположно вектору магнитной индукции внешнего (намагничивающего) поля, значительно меньше его по модулю:
Диамагнетиками являются многие газы(водород, гелий, азот, углекислый газ), плазма, металлы (золото, серебро, висмут, свинец), стекло, вода, соль, резина, алмаз, дерево, пластик и т.д.
Ферромагнетики — вещества, значительно усиливающие внешнее магнитное поле.
Ферромагнетик – вещество, у которого вектор индукции собственного магнитного поля, сонаправленный с вектором магнитной индукции внешнего (намагничивающего) поля, значительно превышает его по модулю:
Для ферромагнетиков χ > 0, при этом │χ│>> 1
Ферромагнетики – железо, кобальт, никель, их сплавы, редкоземельные элементы.
Ферромагнетизм объясняется магнитными свойствами электрона. Электрон является движущимся зарядом, и поэтому обладает собственным магнитным полем. В некоторых кристаллах существуют условия зля параллельной ориентации магнитных полей электронов. В результате этого внутри кристалла ферромагнетика возникают намагниченные области, называемы доменами.
В атомах ферромагнетиков собственная индукция создается не только валентными электронами, но и электронами внутренних электронных оболочек. Это заметно увеличивает результирующую собственную индукцию.
В результате взаимодействия атомов ферромагнетика энергетически выгодной оказывается параллельная ориентация спинов всех атомов в пределах некоторой области, называемой доменом (domain – владение) Домен с параллельной ориентацией спинов обладает минимальной энергией.
В поликристаллах ориентация спинов в различных доменах хаотична, результирующая собственная индукция в ферромагнетике в отсутствие внешнего магнитного поля равна нулю.
Магнитная проницаемость ферромагнетиков не постоянна. Она зависит от вектора магнитной индукции.
С увеличением внешнего магнитного поля домены упорядочивают свою ориентацию.
При некотором значении индукции наступает полное упорядочение ориентации доменов и наступает магнитное насыщение.
При выводе ферромагнетика из внешнего магнитного поля не все домены теряют свою ориентацию, и тело становится постоянным магнитом.
Зависимость собственной индукции от индукции внешнего магнитного поля характеризуется кривой намагничивания.
При уменьшении индукции внешнего поля после достижения насыщения вновь образуются домены, однако собственная магнитная индукция некоторых из них остается ориентированной по внешнему полю. Это происходит от того, что такие домены не могут развернуться в прежнее положение из-за взаимодействия с соседями. Даже при полном выключении внешнего магнитного поля ферромагнетик остается намагниченным.
Остаточная намагниченность — собственная магнитная индукция в ферромагнетике в отсутствии внешнего магнитного поля.
Магнито-жесткие ферромагнетики – ферромагнетики, у которых остаточная намагниченность велика.
Особенно велика остаточная намагниченность у сплава альника (Fe, Co, Ni, Al, Cu)
Магнито-мягкие ферромагнетики – ферромагнетики, у которых остаточная намагниченность мала. (Чистое железо, некоторые сорта стали)
Для полного размагничивания образца следует изменить направление вектора индукции внешнего магнитного поля на противоположное остаточной намагниченности.
Коэрцитивная (задерживающая) сила – магнитная индукция внешнего поля, необходимая для размагничивания образца.
Замкнутая кривая намагничивания и размагничивания ферромагнетика называется петлей гистерезиса (греч. hysteresis – отставание)
Форма петли – важнейшая характеристика ферромагнитного материала. Чем шире петля, тем труднее размагнитить образец.
Исчезновение ферромагнитных свойств вещества вследствие нарушения ориентации доменов может происходить при механическом воздействии на образец, например, при ударе.
Упорядоченность ориентации доменов может быть нарушена тепловыми колебаниями атомов.
Температура Кюри (1894 Пьер Кюри) — — температура, при превышении которой исчезают ферромагнитные свойства вещества.
Критическая температура, выше которой происходит переход вещества из ферромагнитного в парамагнитное состояние.
Если сильно нагреть намагниченный гвоздь, то он потеряет способность притягивать к себе железные предметы.
Температура Кюри для железа 753-768 °С, для никеля 365 °С, а для кобальта 1000°С. Существуют ферромагнитные сплавы, у которых температура Кюри меньше 100°С.
Применение ферромагнетиков
Вставляя железный или стальной сердечник в катушку, можно во много раз усилить создаваемое ею магнитное поле, не увеличивая силу тока в катушке. Это экономит электроэнергию. Сердечники трансформаторов, генераторов, электродвигателей и т. д. изготовляют из ферромагнетиков.
При выключении внешнего магнитного поля ферромагнетик остается намагниченным, т.е. создает магнитное поле в окружающем пространстве.
Упорядоченная ориентация элементарных токов не исчезает при выключении внешнего магнитного поля. Благодаря этому существуют постоянные магниты.
Постоянные магниты находят широкое применение в электроизмерительных приборах, громкоговорителях и телефонах, звукозаписывающих аппаратах, магнитных компасах и т.д.
Широкое применение нашли ферриты – ферромагнитные материалы, не проводящие электрический ток. Они представляют собой соединения оксидов железа с оксидами других веществ. Пример: магнитный железняк.
Из ферритов изготавливают сердечники катушек индуктивности, магнитные ленты, пленки и диски.
Они представляют собой химические соединения оксидов железа с оксидами других веществ.
Первый из известных людям ферромагнитных материалов—магнитный железняк — является ферритом.
В диамагнетике внешне магнитное поле незначительно ослабляется μ ≤ 1
В парамагнетике внешнее магнитное поле незначительно усиливается μ ≥ 1
В ферромагнетике внешнее магнитное поле значительно усиливается μ >> 1
Чем объясняется взаимодействие магнитов?
Пожалуйста, войдите или зарегистрируйтесь для публикации ответа на этот вопрос.
решение вопроса
Связанных вопросов не найдено
Обучайтесь и развивайтесь всесторонне вместе с нами, делитесь знаниями и накопленным опытом, расширяйте границы знаний и ваших умений.
поделиться знаниями или
запомнить страничку
- Все категории
- экономические 43,679
- гуманитарные 33,657
- юридические 17,917
- школьный раздел 612,652
- разное 16,911
Популярное на сайте:
Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.
Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.
Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.
Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.
- Обратная связь
- Правила сайта