Магнитное поле Магнитный феномен впервые наблюдался по

Магнитное поле • Магнитный феномен впервые наблюдался по крайне мере 2500 лет назад • Компас - около 4500 лет назад

Магниты • Было замечено, что если поднести к куску не намагниченного железа постоянный (природный) магнит, то железо тоже становиться намагниченным. • После удаления магнита намагнитившийся под его действием кусок железа или стали теряет значительную часть своих магнитных свойств, но все же остается в большей или меньшей мере намагниченным. Он превращается, таким образом, в искусственный магнит, обладающий всеми теми же свойствами, что и магнит естественный

Магнитное поле S N N F F • ученые предлагали ввести понятия магнитного заряда, как северный и южный заряд, аналогично полюсам магнита. • Однако экспериментально не было получено доказательств существования изолированных магнитных зарядов, которые называются магнитным монополем F F S S N N S N S S N N N S S N S F F

Опыт Эрстеда N E W S • в 19 веке была обнаружена связь между электричеством и магнетизмом. n опыты Эрстеда. n Из этих опытов следовало, что на магнитную стрелку, расположенную вблизи проводника с током, действуют силы, которые стремятся повернуть стрелку N E W S

Часть II МАГНЕТИЗМ, ВОЛНОВАЯ И КВАНТОВАЯ ОПТИКА, АТОМНАЯ И ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА Магнитное поле и его характеристики Важнейшей особенностью магнитного поля является то, что оно действует только на движущиеся в этом поле электрические заряды. Характер воздействия магнитного поля на ток различен в зависимости от формы проводника, по которому течет ток, от расположения проводника и от направления тока в нем. В качестве положительного направления нормали принимается направление, связанное с током правилом правого винта.

(33. 1) (33. 2) Магнитная индукция B в данной точке однородного магнитного поля определяется максимальным вращающим моментом Mmax, действующим на рамку с магнитным моментом pm, равным единице, когда нормаль к рамке n перпендикулярна направлению поля. (33. 3)

Линии магнитного поля (2/3)

Закон Био-Савара-Лапласа (34. 1) (34. 2) - принцип суперпозиции полей (34. 3)

(34. 4) (34. 5) Индукция магнитного поля бесконечного прямолинейного проводника

Индукция магнитного поля прямолинейного проводника конечной длины

Магнитное поле в центре кругового витка Индукция магнитного поля кругового витка

Магнитное поле проводника сложной формы

Сила Ампера (1/2) • Одним из важных примеров магнитного взаимодействия токов является взаимодействие параллельных токов. • эти явления были экспериментально установлены Ампером. • Если по двум параллельным проводникам электрические токи текут в одну и ту же сторону, то наблюдается взаимное притяжение проводников. В случае, когда токи текут в противоположных направлениях, проводники отталкиваются.

Сила взаимодействия параллельных токов

Магнитное поле движущегося заряда (36. 1) (36. 2)

§ 37 Действие магнитного поля на движущийся заряд Сила, действующая на электрический заряд q, движущийся в магнитном поле со скоростью v, называется силой Лоренца и выражается формулой (37. 1) Направление силы Лоренца определяется правилом левой руки. (37. 2) – формула Лоренца

Движение заряженных частиц в магнитном поле 1. (38. 1) (38. 2)

2. α – острый угол

Движение заряженных частиц в магнитном поле 3. – частица движется по прямой, вдоль векрора В Работа силы Лоренца равна нулю

Радиационные пояса

Масс-спектрометр • масс-спектрометры – устройства с помощью которых можно измерять массы заряженных частиц – ионов или ядер различных атомов Современные масс-спектрометры позволяют измерять массы заряженных частиц с точностью выше 10– 4

Ускорители заряженных частиц Ускорителями заряженных частиц называются устройства, в которых под действием электрических и магнитных полей создаются и управляются пучки высокоэнергетических заряженных частиц. Ускорители по времени действия бывают непрерывные и импульсные. По форме траектории и механизму ускорения частиц ускорители делятся на линейные, циклические и индукционные. 1. Линейный ускоритель: , электрическое поле – постоянно 2. Линейно-резонансный: , электрическое поле – переменное 3. Циклотрон: , ограничения релятивистским эффектом

4. Фазотрон: E – изменяется, , 5. Синхротрон: , – изменяется, 6. Синхрофазотрон: и – изменяются, 7. Бетатрон: – вихревое,

Эффект Холла – это возникновение в металлах (или полупроводника) с током плотностью , помещенных в магнитное поле , электрического поля в направлении перпендикулярном и .

§ 41 Циркуляция вектора магнитной индукции для магнитного поля в вакууме Циркуляцией вектора магнитной индукции по заданному контуру называется интеграл Закон полного тока: циркуляция вектора магнитной индукции по произвольному замкнутому контуру равна произведению магнитной постоянной 0 на алгебраическую сумму токов, охватываемую этим контуром (41. 1) Циркуляция вектора магнитной индукции не равна нулю, следовательно, магнитное поле будет вихревым.

Магнитное поле соленоида и тороида На участках AB и CD На участке вне соленоида (42. 1) (42. 2)

– магнитная индукция внутри тора Магнитное поле вне тора равно нулю.

Поток вектора магнитной индукции. Теорема Гаусса для магнитного поля Потоком вектора магнитной индукции (магнитным потоком) через площадку d. S называется скалярная физическая величина, равная (43. 1)

Теорема Гаусса для магнитного поля: поток вектора магнитной индукции через любую замкнутую поверхность равен нулю. (43. 3) В природе нет магнитных зарядов

Работа по перемещению проводника и контура с током в магнитном поле (44. 1) Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле равна произведению силы тока на магнитный поток, пересеченный движущимся проводником.

(44. 2) (44. 3) (44. 4) (44. 5) (44. 6) Работа по перемещению замкнутого контура с током в магнитном поле равна произведению силы тока в контуре на изменение магнитного потока, сцепленного с контуром.

Явления электромагнитной индукции В 1831 г. М. Фарадей открыл явление электромагнитной индукции 1. Направления отклонения стрелки в момент вдвигания и выдвигания магнита противоположны. 2. Отклонения стрелки гальванометра тем больше, чем больше скорость движения магнита относительно катушки. 3. При изменении полюсов магнита Опыт № 1 направление отклонения стрелки изменяется. В замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции, охватываемого этим контуром, возникает электрический ток, получивший название индукционного.

Опыт № 2 1. Отклонения стрелки гальванометра наблюдается в момент вклю чения или выключения тока, в момент его увеличения или умень шения или при перемещении катушек друг относительно друга. 2. Направления отклонения стрелки гальванометра также противоположны при включении или выключении тока, его увеличении или уменьшении, сближении и удалении катушек.

Вывод № 1: Индукционный ток возникает всегда, когда происходит изменение сцепленного с контуром потока магнитной индукции (например, при повороте в однородном магнитном поле проводящего контура). Вывод № 2: Значение индукционного тока совершенно не зависит от способа изменения потока магнитной индукции, а определяется лишь скоростью его изменения. Значения открытия Фарадея 1. Была доказана возможность получения электрического тока с помощью магнитного поля. 2. Была установлена взаимосвязь между электрическими и магнитными явлениями, что послужило дальнейшим толчком для разработки теории электромагнитного поля.

Закон Фарадея Закон электромагнитной индукции Фарадея: каковы бы ни были причины изменения потока магнитной индукции, охватываемого замкнутым проводящим контуром, возникающая в контуре Э. Д. С равна (46. 1) Закон Фарадея: Э. Д. С электромагнитной индукции в контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока сквозь поверхность, ограниченную этим контуром.

Правило Ленца: индукционный ток в контуре имеет всегда такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот индукционный ток.

Циркуляция вектора по произвольному замкнутому контуру представляет собой . (46. 2)

Вращение рамки в магнитном поле (47. 1) (47. 2) Если в однородном магнитном поле равномерно вращается рамка, то в ней возникает переменная Э. Д. С. , изменяющаяся по гармоническому закону.

Заряд, прошедший по проводнику

Вихревые токи (Токи Фуко) Токи, возникающие в массивных сплошных проводниках и оказывающиеся замкнутыми в толще проводника, называются вихревыми или токами Фуко. Успокоение (демпфирование) подвижных частей различных приборов

Джоулева теплота, выделяемая токами Фуко, используется в индукционных металлургических печах. Скин-эффект Метод поверхностной закалки металлов

Индуктивность контура. Самоиндукция (49. 1) (49. 2) Возникновение Э. Д. С. индукции в проводящем контуре при изменении в нем силы тока называется самоиндукцией. (49. 3)

Токи при размыкании и замыкании цепи (50. 1) Время релаксации – это время, в течение которого какая-либо физическая величина уменьшается в e раз.

(50. 2)

Взаимная индукция (51. 1) Явление возникновение Э. Д. С. в одном из контуров при изменении силы тока в другом называется взаимной индукцией. (51. 2)

Трансформаторы Принцип действия трансформаторов, применяемых для повышения или понижения напряжения переменного тока, основан на явлении взаимной индукции. (52. 1) (52. 2) (52. 3) – коэффициент трансформации

– трансформатор повышающий – трансформатор понижающий Трансформатор, состоящий из одной обмотки, называется автотрансформатором.

Энергия магнитного поля (53. 1) (53. 2) (53. 3)

Магнитные свойства веществ Магнитные моменты электронов и атомов (54. 1) (54. 2) (54. 3) (54. 4)

(54. 5) – гиромагнитное отношение спиновых моментов – магнетон Бора (54. 6)

Парамагнетики и диамагнетики • Почти все вещества подчиняются зависимости могут быть разбиты на два класса: – – парамагнетики, в которых намагниченность вещества увеличивает суммарное магнитное поле; , они втягиваются в область сильного неоднородного магнитного поля. – диамагнетики, в которых намагниченность уменьшает суммарное поле; диамагнетики выталкиваются из области сильного неоднородного поля.

§ 56 Намагниченность. Магнитное поле в веществе Намагниченность – это величина магнитного момента единицы объема вещества (56. 1) (56. 2) (56. 3)

(56. 4) (56. 5) (56. 6) (56. 7) (56. 8) Парамагнетики μ = 1, 000072 Диамагнетики μ = 0, 9999967 Ферромагнетики μ >> 1

(56. 9) (56. 10) Формула (56. 10) представляет собой теорему о циркуляции вектора напряженности магнитного поля.

Условия на границе раздела двух магнетиков (57. 1) (57. 2) (57. 3) (57. 4)

Ферромагнетики и их свойства Ферромагнетики – это вещества, обладающие спонтанной намагниченностью, т. е. они намагничены даже в отсутствии внешнего магнитного поля. 1. Ферромагнетики – это сильномагнитные вещества.

2. Характером зависимости J(H) для ферромагнетиков имеет вид

3. Магнитная проницаемость m зависит от напряженности H внешнего магнитного поля.

4. Гистерезис точка насыщения остаточная индукция коэрцитивная сила точка насыщения 5. Точка Кюри – температура, выше которой ферромагнитные свойства исчезают, и вещество становится парамагнетиком.

Для железа эта температура Кюри равна 768 С, а для никеля – 365 С. Переход ферромагнетиков в парамагнитное состояние является фазовым переходом II рода. 6. Процесс намагничивания ферромагнетиков сопровождается изменением его линейных размеров и объема. Это явление получило название магнитострикции.

Природа ферромагнетизма. Теория ферромагнетизма П. Вейсса Ферромагнетики ниже точки Кюри разбиваются на большое число малых микроскопических областей – доменов, самопроизвольно намагниченных до насыщения. Линейные размеры доменов равны 10 -4 10 -2 см.

J Магнитомягкий материал (сердечник трансформатора) Магнитожесткий материал (постоянный магнит) H

Электромагнитные колебания и волны Свободные гармонические колебания в колебательном контуре Колебательный контур – цепь, состоящая из включенных последовательно катушки индуктивностью L, конденсатора емкостью С и резистора сопротивлением R.

(63. 3) (63. 4) (63. 5) (63. 6)

Цепь переменного тока, содержащая последовательно включенные резистор, катушку индуктивности и конденсатор (66. 9)

Мощность, выделяемая в цепи переменного тока (69. 1) Действующие значения тока и напряжения (69. 2)

Экспериментальное получение электромагнитных волн Частота волны, Гц Источник излучения 103 – 10– 4 3 105 – 3 1012 Колебательный контур Вибратор Герца Массовый излучатель Ламповый генератор Световые волны: Инфракрасное излучение 5 10– 4 – 8 10– 7 6 1011 – 3, 75 1014 Видимый свет 8 10– 7 – 4 10– 7 3, 75 1014 – 7, 5 1014 4 10– 7 – 10– 9 7, 5 1014 – 3 1017 2 10– 9 – 6 10– 12 1, 5 1017 – 5 1019 Вид излучения Радиоволны Ультрафиолетовое излучение Рентгеновское излучение –излучение Длина волны, м <6∙ 10– 12 >5∙ 1019 Лампы Лазеры Трубка Рентгена Космические лучи Радиоактивный распад Ядерные процессы Космические процессы

Дифференциальное уравнение электромагнитной волны (71. 1) (71. 2) (71. 3)

(71. 4) (71. 5) (71. 6) (71. 7) (71. 8) – волновое число

Энергия электромагнитных волн Импульс электромагнитного поля Вектор плотности потока электромагнитной энергии называется вектором Умова-Пойтинга.

Уравнения Максвелла для электромагнитного поля

Из уравнений Максвелла следует, что переменное магнитное поле всегда связано с порождаемым им электрическим полем, а переменное электрическое поле всегда связано с порождаемым им магнитным; т. е. электрическое и магнитное поля неразрывно связаны друг с другом – они образуют единое электромагнитное поле. Теория Максвелла позволила предсказать существование электромагнитных волн – переменного электромагнитного поля, распространяющегося в пространстве с конечной скоростью.