Диамагнетики Индуцированный магнитный момент атома Если имеется контур

Диамагнетики Индуцированный магнитный момент атома Если имеется контур, по которому может течь ток и включается магнитное поле, то, согласно закону Фарадея, в контуре индуцируется ЭДС и порождаемый ею ток, направленный так, чтобы ослабить внешнее магнитное поле (принцип Ленца). Если считать, что электрон, движущийся по своей орбите в атоме – это контур с током, то включение магнитного поля должно изменить движение электрона так, чтобы возник дополнительный ток, уменьшающий внешнее магнитное поле. Следует ожидать возникновения диамагнетизма. Действительно, диамагнетизм возникает всегда, в том числе в пара- и ферромагнетиках. Но в пара- и ферромагнетиках диамагнитное ослабление внешнего магнитного поля незаметно на фоне гораздо более сильных эффектов пара- и ферромагнитного усиления поля.

Рассмотрим орбитальное движение электрона в магнитном поле: Контур с током Орбитальное движение электрона вращательный момент, Контур с током в поле стремящийся установить по Закон изменения момента импульса: Работа силы Лоренца равна нулю меняется только по направлению ! Концы векторов движутся по окружностям в плоскостях, перпендикулярных линиям магнитной индукции с угловой скоростью. Прецессия векторов и вокруг вектора

Частота ларморовской прецессии одна и та же для всех орбит электронов в атомах → атом прецессирует как целое Индуцированный орбитальный магнитный момент Направление индуцированного тока противоположно направлению орбитального движения электрона

Магнитный момент атома определяется только величиной индуцированного магнитного момента , имеющего направление противоположное направлению вектора магнитной индукции. Магнитный момент единицы объёма диамагнетика (вектор намагничивания) в магнитном поле:

Диамагнетики - резюме Диамагнетики ослабляют магнитное поле Слабый эффект: для твёрдых веществ χ имеет масштаб 10 -6, μ ≈ 1

Парамагнетики Число атомов Вектор намагничивания А/м Малый объём ( Магнитный момент атома ) Ориентация магнитных моментов атомов носит случайный характер Тепло разупорядочивает Магнитное поле выстраивает магнитные моменты атомов вдоль линий магнитной индукции Эмпирический закон Кюри

Парамагнетики – масштаб эффекта Величины χ для парамагнетиков РЕЗЮМЕ μ лишь на малую величину отличается от 1! В парамагнетиках магнитное поле почти не отличается от поля в вакууме (хотя оно всё таки сильнее) Парамагнетики усиливают магнитное поле

Ферромагнетики Пара- и диамагнетики Сильное втягивание… ФЕРРОМАГНЕТИКИ Ферромагнетики Fe, Co, Ni, ряд сплавов Масштаб с 103 – 106 Громадное усиление магнитного поля внутри ферромагнетика! В пара- и диамагнетиках магнитное поле почти не изменяется Пара- и диамагнетики 103 – 106 не зависит от Н Ферромагнетики зависит от Н нелинейный рост J

Ферромагнетики гистерезис Нулевая кривая намагничения для изначально-ненамагниченного ферромагнетика Петля гистерезиса А С D F 1. Нулевая кривая намагничения(ОА) 2. Насыщение намагничивания (А; F) 3. Остаточная намагниченность (C) 4. Коэрцитивная сила (D)

H H Жесткие ферромагнетики Мягкие ферромагнетики Применяются для создания постоянных магнитов Применяются для изготовления сердечников трансформаторов

Коэрцитивная сила Остаточная магнитная индукция

Для каждого ферромагнетика имеется определённая температура – точка Кюри, выше которой ферромагнитные свойства исчезают и вещество становится обычным парамагнетиком. Ферром. парам.

В основе теории ферромагнетизма лежит представление о доменах, областях спонтанного (самопроизвольного) намагничивания: все магнитные моменты атомов в пределах одного домена имеют одинаковую ориентацию. Линейные размеры доменов - 1– 100 мкм. Характеристика домена – его магнитный момент: Причина образования доменов: Спиновое взаимодействие электронов, приводящее к выстраиванию их магнитных моментов параллельно другу. Ферромагнитные свойства определяются особой структурой кристаллов и наблюдаются только у кристаллов. (Я. Френкель, В. Гейзенберг - 1928 г. )

Слабое магнитное поле Смещение границ доменов Сильное магнитное поле Поворот магнитных моментов доменов вдоль вектора магнитной индукции. Необратимость намагничивания Гистерезис

Природа ферромагнетизма “Ферромагнитных свойств ясна причина – Непарный электрон в них виноват: Все атомы по направленью спина, Глядящего вперёд или назад, Построены как войско на парад. Во внешнем поле разрушая стены, Сливаются соседние домены. Так создаёт гармонию Вселенной Ничтожных сил суммарный результат!” /Джон Апдайк/

Явление электромагнитной индукции. . 1831 г.

Электромагнитная индукция (ЭМИ) Опыты Фарадея ЭДС в контуре можно создавать тремя способами: 1. Двигая контур в магнитном поле. 2. Двигая магнит вблизи провода. 3. Меняя ток в соседнем проводе.

Закон Фарадея (1831) Независимо от способа изменения потока вектора магнитной индукции Ф, явление ЭМИ можно описать единым законом. . Во всяком замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции через поверхность, ограниченную этим контуром, возникает электрический ток (индукционный ток). Электродвижущая сила, возникающая при этом, пропорциональна скорости изменения магнитного потока, сцепленного с этим контуром: Закон Фарадея в системе Си Проводящий контур Φ в Веберах εi в В I I Поверхность ограниченная контуром При изменении Ф через поверхность, ограниченную контуром, в контуре возникает ЭДС и ток.

Правило Ленца: индукционный ток направлен всегда так, чтобы противодействовать причине его вызывающей Выражается знаком «–» в законе Фарадея I(t) I Г I(t) Г I Г ПРИТЯЖЕНИЕ контуров ОТТАЛКИВАНИЕ контуров

Вывод закона Фарадея 1. Проводник длиной l, являющийся частью замкнутого контура, движется со скоростью в однородном магнитном поле. перпендик. плоскости контура. На электроны движущегося проводника действует сила Лоренца Это сила не кулоновской природы (сторонняя) ЭДС индукции Величина, равная работе сторонних сил по перемещению заряда на участке цепи, деленной на величину заряда, называется электродвижущей силой (ЭДС): Знак «-» : εind создаёт ток, направленный против положительного обхода контура, определяемого вектором по правилу правого винта. Правило Ленца: маг. поток через контур возрастает маг. поле индукционного тока направлено против внешнего поля.

4. Конфигурация контура не изменяется (проводник неподвижен), магнитный поток через поверхность, ограниченную контуром, меняется за счёт изменения магнитного поля. А. Движение магнита относительно контура (катушки) Принцип относительности: индукционный ток должен зависеть только от относительного движения контура и магнита. Это и наблюдается на опыте. Б. Переменное магнитное поле При всех условиях трансформатор

Вывод закона Фарадея 2. Однородное магнитное поле направлено под любым углом к плоскости контура. только эта составляющая силы Лоренца совершает работу Перпендикулярна направлению перемещения → работа = 0 Приходим к случаю 1 3. Легко обобщается на случай неоднородного магнитного поля.

Закон Фарадея (1831) Независимо от способа изменения потока вектора магнитной индукции Ф, явление ЭМИ можно описать единым законом. Во всяком замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции через поверхность, ограниченную этим контуром, возникает электрический ток (индукционный ток). Электродвижущая сила, возникающая при этом, пропорциональна скорости изменения магнитного потока, сцепленного с этим контуром:

Многовитковый контур с числом витков N Потокосцепление

Какая сила совершает работу, приводящую к появлению ЭДС индукции? Сила Лоренца не может совершать работу! Противоречие? На электроны движущегося проводника действует сила Лоренца Не единственная сила действующая на носители тока Обусловлена движением электрона вдоль провода со скоростью (индукционный ток) - сила Ампера Механическая сила, направленная против силы Ампера, двигает проводник и совершает работу.

Явление самоиндукции. Индуктивность. Контур с током создаёт магнитный поток Φ. Если ток меняется во времени I = I(t), то В самом контуре возникает ЭДС I(t) I ЭДС самоиндукции препятствует изменению тока в контуре: Если ток возрастает, возникает индукционный ток, направленный в противоположную сторону Если ток убывает, возникает индукционный ток, направленный в ту же сторону.

ИНДУКТИВНОСТЬ Индуктивность 1 Гн=1 Вб/1 А ИНДУКТИВНОСТЬ СОЛЕНОИДА Число витков на ед. длины D Зависит от: 1) магн. св-в среды 2) констр. особ-ей

Правило Ленца I(t) Чем больше индуктивность, тем больше εS при данной скорости изменения тока, тем больше «сопротивление» изменению тока, больше «инерционность» контура. Пример: соленоид

Токи при размыкании и замыкании цепи Размыкание: З-н Ома: Одн. диф. ур-ие 1 -го пор. РЕШЕНИЕ: Начальное условие

Зависимость тока от времени при размыкании Постоянная времени

Зависимость тока от времени при замыкании 0

Экстратоки замыкания (размыкания). ИСКРЕНИЕ Проблема быстрого замыкания (размыкания) сильноточных цепей (!!)

Явление взаимной индукции. Коэффициент взаимной индукции. Взаимная индуктивность Связанные контура I 1 1 2 I 2 Коэффициент взаимной индукции, или взаимная индуктивность M зависит • от свойств каждого контура: размеры, число витков, • взаимного расположения контуров: взаимная ориентация, расстояние, • магнитных свойств среды: наличие магнитопровода - трансформатор

I 1 I 2 Потокосцепление и поток м. и. , создаваемый током I 1 через 2 -й соленоид Симметрия отн. 1 и 2 Коэффициент взаимной индукции 2 -х длинных соленоидов, имеющих общую ось Соленоиды 1 и 2 имеют общий сердечник, одинаковые длину ℓ и площадь поперечного сечения S Потокосцепление и поток м. и. , создаваемый током I 2 через 1 -й соленоид

Энергия магнитного поля. контур После отключения от источника питания продолжает идти ток: Совершается работа, выделяется тепло За счёт чего ? ? Идёт на нагревание. При этом магнитное исчезает. Ничего другого не происходит Магнитное поле является источником энергии, за счёт которого совершается работа Контур, по которому течёт ток, обладает энергией, сосредоточенной в магнитном поле

Энергия магнитного поля. Энергия контура с током: Энергия 2 -х связанных контуров с током. 1 2

Энергия магнитного поля. Контур, по которому течёт ток, обладает энергией, сосредоточенной в магнитном поле Энергия магнитного поля в контуре образовалась при включении цепи, за счёт работы, совершаемой источником ЭДС, против ЭДС самоиндукции. Выразим энергию магнитного поля через его силовые характеристики. Для длинного соленоида D Энергия однородного магнитного поля

Плотность энергии магнитного поля. Поле в соленоиде однородно: H=const Плотность энергии электростатического поля Плотность энергии магнитного поля Энергия неоднородного магнитного поля в объёме V