Магнитостатика

Магнитостатика


Электрические явления
Глава 4


МАГНИТОСТАТИКА


§1. Магнитные явления


Если по проводнику пропустить электронный ток, то магнитная стрелка, помещенная поблизости проводника, поворачивается.

Направление силы, действующей на стрелку, находится в зависимости от ее положения относительно проводника и от направления тока Магнитостатика, протекающего по проводнику, а величина силы - от силы тока.

В первый раз опыт по взаимодействию проводника с током и магнитной стрелки был поставлен датским физиком Эрстедом в 1820 г. и носит его Магнитостатика имя.

Аналогичным образом на магнитную стрелку действует неизменный магнит. Тут также сила воздействия на стрелку находится в зависимости от ориентации магнита, его параметров, расположения стрелки.

Проводник с током и неизменный магнит Магнитостатика могут действовать с определенной силой не только лишь на магнитную стрелку, да и на другой проводник с током либо крутить рамку с током.

Взаимодействия проводников с током и неизменных магнитов носят заглавие ^ МАГНИТНЫХ Магнитостатика ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ.

Принципиально отметить, что магнитные взаимодействия осуществляются на расстоянии, без прямого контакта взаимодействующих тел посредством^ МАГНИТНОГО ПОЛЯ. Также любопытно, что у неизменных магнитов имеется два полюса, именуемых СЕВЕРНЫМ и ЮЖНЫМ, поделить Магнитостатика которые не удается.

Обобщая результаты опытов по магнетизму, можно сказать, что

Магнитное поле можно получить или при помощи электронного тока, или при помощи неизменных магнитов.

Появляется вопрос: ^ А В Чем все-таки ЗАКЛЮЧАЕТСЯ Принципное Магнитостатика ОТЛИЧИЕ Меж ЭТИМИ Методами ПОЛУЧЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ?

Отвечая на поставленный вопрос, Ампер высказал предположение о том, что это отличие носит чисто наружный нрав, а на самом деле отсутствует. Природа магнетизма едина, он порождается Магнитостатика только передвигающимися зарядами.



Суть догадки Ампера сводится к тому, что снутри неизменных магнитов циркулируют внутренние, либо как он их называл, ^ МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ТОКИ.

На данный момент мы знаем, что в состав атомов Магнитостатика, являющихся "кирпичиками", из которых построены все вещества, входят заряженные частички, находящиеся в неизменном, достаточно сложном движении.

Эти движения заряженных частиц носят устойчивый нрав и полностью могут быть представлены как простые Магнитостатика токи.

Каждый простый ток делает свое магнитное поле. Если простые токи текут в различных направлениях, то магнитные поля, порождаемые ими, друг дружку компенсируют. Все тело в целом магнитных параметров не проявляет.

Если простые токи любым Магнитостатика образом вынудить течь сонаправленно, их магнитные поля складываются и тело становится магнитом.

На базе этих рассуждений становится понятным, почему пробы найти магнитные заряды оказываются безуспешными.



Как уже было сказано, проводники, по которым Магнитостатика текут токи, могут вести взаимодействие меж собой.

При всем этом, если токи текут в одном направлении, проводники притягиваются, если же токи текут в обратных направлениях, проводники отталкиваются.

Закон, устанавливающий Магнитостатика связь меж силой взаимодействия проводников, токами, протекающими по ним, расположением и размерами проводников, был в общем виде получен Ампером.

Этот закон является главным в магнетизме и играет ту же роль, что закон Кулона Магнитостатика в электростатике.

Для 2-ух параллельных проводников, находящихся в вакууме, модуль силы взаимодействия меж элементами токов, на которые можно разложить любые проводники, прямо пропорционален токам, протекающим по проводникам, длинам частей и назад пропорционален квадрату расстояния Магнитостатика меж ними:



Пользуясь законом Ампера, сформулированным в таком виде, можно вычислить силу взаимодействия меж проводниками хоть какой формы методом суммирования сил взаимодействия, возникающих меж отдельными элементами токов.

Коэффициент пропорциональности в Магнитостатика законе Ампера указывает, с какой силой будут вести взаимодействие два параллельно расположенных проводника единичной длины, находящихся на единичном расстоянии друг от друга, если по ним протекают токи единичной силы.

Чтоб получить единицу коэффициента пропорциональности Магнитостатика, его нужно выразить из закона Ампера, и в приобретенное выражение подставить единицы силы, расстояния, длины проводников, силы тока.

Получаем:

Численно коэффициент пропорциональности в законе Ампера связан с коэффициентом пропорциональности Магнитостатика в законе Кулона неизменным множителем: , где – скорость света в вакууме.

Сила магнитного взаимодействия в среде по отношению к вакууму меняется.

Физическая величина, равная отношению силы магнитного взаимодействия в ОДНОРОДНОЙ среде к силе магнитного Магнитостатика взаимодействия в вакууме, именуется МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТЬЮ СРЕДЫ:



Как надо из определяющего уравнения магнитной проницаемости, это величина наименования не имеет.


§2. Магнитное поле


Взаимодействие проводников, по которым текут электронные токи, осуществляется без их прямого контакта, средством Магнитостатика магнитного поля.

  1. Магнитное поле вещественно. Оно существует независимо от нас и наших познаний о нем.

  2. Магнитное поле создается передвигающимися электронными зарядами и находится с помощью передвигающихся электронных зарядов по действию на их Магнитостатика определенной силы.

  3. Магнитное поле распространяется с конечной скоростью c = 300000 км/с.




Потому что одним из главных параметров магнитного поля является его действие на передвигающиеся заряды (токи) с определенной силой, то для введения Магнитостатика количественной свойства поля нужно в исследуемую точку места поместить маленькой проводник, по которому течет ток силой I (пробный элемент тока). На этот элемент тока со стороны магнитного поля будет действовать Магнитостатика сила F.

Если прирастить силу пробного тока либо длину элемента в некое число раз, то в это число раз поменяется и сила, действующая на пробный элемент тока.

Отношение же силы, действующей на пробный Магнитостатика элемент тока, к произведению силы тока на длину элемента остается величиной неизменной, не зависящей ни от силы, ни от величины тока, ни от длины элемента. Это отношение обозначается буковкой В и принимается Магнитостатика за силовую характеристику магнитного поля. Соответственная физическая величина именуется ^ ИНДУКЦИЕЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ.

ИНДУКЦИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ – это векторная физическая величина, равная отношению силы, действующей на элемент длины проводника, помещенный в данную точку поля, к Магнитостатика произведению силы тока на длину элемента.

^ МОДУЛЬ ВЕКТОРА МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ РАВЕН:



Индукция магнитного поля указывает, чему равна сила, действующая на элемент проводника с током единичной длины, если по нему идет Магнитостатика ток единичной силы.

Чтоб получить единицу индукции магнитного поля, нужно в определяющее уравнение индукции подставить единицы силы - 1Н, силы тока - 1А, длины - 1м. Получаем: .

Эта единица имеет собственное наименование 1Тл (1 тесла).



Для наглядности Магнитостатика магнитные поля на чертежах изображаются при помощи силовых линий.

СИЛОВЫЕ Полосы МАГНИТНОГО ПОЛЯ - это полосы, касательные к каждой точке которых совпадают с вектором индукции магнитного поля.



Направление силовых линий магнитного поля определяется по ^ ПРАВИЛУ Магнитостатика БУРАВЧИКА (либо ПРАВОГО ВИНТА): ЕСЛИ БУРАВЧИК Крутить ТАК, Чтоб ОН ПРОДВИГАЛСЯ ПО ТОКУ, ТО НАПРАВЛЕНИЕ ВРАЩЕНИЯ РУЧКИ БУРАВЧИКА СОВПАДАЕТ С НАПРАВЛЕНИЕМ СИЛОВЫХ ЛИНИЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ.

По густоте силовых линий можно Магнитостатика ассоциировать индукции разных магнитных полей.

Величина индукции магнитного поля прямого Нескончаемо Длинноватого тока в данной точке поля прямо пропорциональна силе тока, создающего это поле, и назад пропорциональна расстоянию от этого тока Магнитостатика до данной точки поля:



Чтоб отыскать значение силы (именуемой ^ СИЛОЙ АМПЕРА), действующей на проводник, помещенный в магнитное поле, нужно знать величину индукции магнитного поля, силу тока, протекающего по проводнику, длину проводника и угол меж Магнитостатика направлением силы тока и вектором индукции магнитного поля.







Направление силы Ампера определяется по ПРАВИЛУ ЛЕВОЙ РУКИ: ЕСЛИ ЛАДОНЬ ЛЕВОЙ РУКИ РАСПОЛОЖИТЬ ТАК, Чтоб В НЕЕ ВХОДИЛИ Полосы ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ, ЧЕТЫРЕ ПАЛЬЦА Навести Магнитостатика ПО ТОКУ (Либо ПРОТИВ ДВИЖЕНИЯ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ЗАРЯДОВ), ТО ОТОГНУТЫЙ НА 90 ГРАДУСОВ БОЛЬШОЙ ПАЛЕЦ ПОКАЖЕТ НАПРАВЛЕНИЕ СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩЕЙ НА ПРОВОДНИК

Если сила Ампера - это сила, действующая со стороны магнитного поля на все Магнитостатика заряженные частички, совершающие направленное движение снутри проводника, то сила Лоренца - это сила, действующая со стороны магнитного поля на раздельно взятую передвигающуюся заряженную частичку.

, где N - число заряженных частиц, передвигающихся снутри проводника.

Сила Магнитостатика тока^ I может быть представлена через заряд q всех частиц и время t, в течение которого этот заряд протекает через поперечное сечение проводника: .

Заряд всех частиц, в свою очередь, равен произведению Магнитостатика заряда одной частички q0 на число частиц N: q=q0 N.

Таким макаром:



Направление силы Лоренца так же, как и сила Ампера, определяется по правилу левой руки.



Если магнитное поле в точке создается несколькими токами Магнитостатика, то результирующая индукция находится как векторная сумма индукций полей, создаваемых каждым током независимо от других токов. Это правило носит заглавие ПРИНЦИПА СУПЕРПОЗИЦИИ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ.



Если под действием силы Ампера проводник перемещается в Магнитостатика магнитном поле, то магнитное поле совершает работу. Величина этой работы находится в зависимости от силы тока, протекающего по проводнику и от магнитного потока, пронизывающего площадь, ометаемую передвигающимся проводником.



МАГНИТНЫЙ ПОТОК Магнитостатика определяется как физическая величина, равная произведению перпендикулярной составляющей индукции магнитного поля на площадь, которую оно пронизывает:



Чтоб получить единицу магнитного потока, нужно в его определяющее уравнение подставить единицы индукции - 1Тл и площади – 1 м2. Получаем Магнитостатика:

Эта единица имеет собственное наименование 1 Вб (1вебер).


§3. Вещества в магнитном поле


Понятно, что магнитные поля можно получить при помощи проводников, по которым течет ток, и неизменных магнитов. Материалом, для производства неизменных магнитов Магнитостатика служат особые сорта стали, некие сплавы. Эти же и некие другие вещества могут существенно наращивать индукцию магнитного поля тока.



Появляется вопрос:^ Чем все-таки ВЕЩЕСТВА С ЯРКО ВЫРАЖЕННЫМИ МАГНИТНЫМИ Качествами ОТЛИЧАЮТСЯ ОТ Магнитостатика ДРУГИХ ВЕЩЕСТВ?

Ответить на этот вопрос можно, только разобравшись в природе магнетизма вообщем.

Для этого можно оттолкнуться от догадки Ампера о существовании в любом теле молекулярных, поточнее внутриатомных токов.

Согласно Магнитостатика этой догадке, магнитные характеристики должны быть присущи всем телам без исключения.

Одна из правдоподобных версий, позволяющих представить для себя механизм намагничивания веществ, заключается в предположении, что магнитное поле у атома возникает за счет орбитального движения Магнитостатика электронов.



Если это так, то, возможно, должно существовать два класса веществ с нескомпенсированными и со скомпенсированными магнитными полями у их отдельных атомов.

При попадании веществ, относящихся к первой группе, в магнитное поле Магнитостатика, последнее будет выстраивать атомы так, что векторы индукции наружного поля и каждого атома окажутся сонаправленными. Из-за этого наружное магнитное поле должно уменьшаться.

Магнитная проницаемость таких веществ больше единицы и они Магнитостатика будут слабо втягиваться в магнитное поле.

Опыт указывает, что подобные вещества вправду есть. Они именуются ПАРАМАГНЕТИКАМИ.

У веществ другого класса число электронов в атомах должно быть четным. При всем этом, если на Магнитостатика одной орбите будет находиться два электрона, крутиться они должны в различные стороны.

В данном случае понятно, что векторы индукции магнитного поля, создаваемого каждым таким электроном, будут равны по величине и Магнитостатика обратны по направлению. При хоть какой ориентации атомов, вещества такового типа магнитными качествами владеть не должны.



Если же подобные вещества попадут в магнитное поле, ситуация изменяется.

На крутящиеся электроны будет действовать сила Лоренца Магнитостатика, при этом, так как электроны движутся в различные стороны, сила, действующая на их, также будет ориентирована в различные стороны.

Из-за этого должны поменяться численные значения скоростей электронов. У 1-го электрона скорость возрастет Магнитостатика, у другого – уменьшится.

Соответственно поменяется и индукция магнитных полей, создаваемых электронами. У атома появится собственное магнитное поле и ориентировано оно будет против поля, вызвавшего описанный эффект.

Магнитная проницаемость таких веществ меньше Магнитостатика единицы и они будут слабо выталкиваться из магнитного поля.

Опыт указывает, что есть и такие вещества. Они именуются ДИАМАГНЕТИКАМИ.

Разработанная модель позволяет осознать природу магнетизма и является нужным шагом для ответа на поставленный Магнитостатика сначала вопрос.

Не считая обрисованных ситуаций, можно представить очередной случай, когда в веществе имеются локальные области намагниченности, где магнитные поля множества атомов уже ориентированы в одну сторону.



Суммарное магнитное поле многих Магнитостатика локальных областей может быть равно нулю, если эти области в теле сориентированы по-разному.

С ростом наружного магнитного поля, за счет перестройки атомов, области намагниченностей, не совпадающих с этим полем, будут уменьшаться, а Магнитостатика совпадающих расти.

Магнитная проницаемость таких материалов должна быть очень большой.

Такие вещества именуют ФЕРРОМАГНЕТИКАМИ.

Ферромагнетики находят очень обширное применение в технике. Из их изготовляют неизменные магниты и электромагниты, сердечники трансформаторов и генераторы тока Магнитостатика, ими покрывают пленки для магнитофонов и диски для ЭВМ.



Согласно изложенному механизму, предметы, сделанные из ферромагнетиков можно намагнитить, поместив их во наружное магнитное поле.

Вправду, даже в относительно слабеньком магнитном Магнитостатика поле Земли удается намагнитить металлической стержень, сориентировав его в направлении линий магнитной индукции и ударяя по торцу молотком.

Если ферромагнетики можно намагничивать, то возможно, можно производить и оборотный процесс их размагничивания Магнитостатика, к примеру, за счет роста интенсивности термического движения частиц.



Опыт с нагреванием намагниченной металлической иглы подтверждает это предположение.

Подобные опыты с другими ферромагнетиками демонстрируют, что у всех их при некой температуре, разной для различных Магнитостатика веществ, и именуемой ^ ТОЧКОЙ КЮРИ, пропадают ферромагнитные характеристики.


§4. Некие внедрения магнитных явлений


С магнитными явлениями мы встречаемся и в жизни, обширно используют их и в технике.



Так как магнитным полем обладает Магнитостатика Земля, магнитная стрелка может дать возможность ориентироваться на ее поверхности.


Сильное магнитное поле можно получить при помощи катушки с током, в которую вставлен металлической сердечник. Такое устройство именуется ЭЛЕКТРОМАГНИТОМ.




Намагниченные пленки, покрытые особым составом Магнитостатика, могут очень длительное время хранить на для себя различную информацию.


Но не всегда магнитные явления употребляются на пользу человеку.

Так, в военном деле используют мины, реагирующие на магнитные поля, создаваемые Магнитостатика намагниченными железными корпусами кораблей.

Чтоб не подорваться на таких минах корабли нужно размагничивать. Эту операцию можно выполнить при помощи проводников, по которым пропускается электронный ток определенной силы и направления, зависимо от нрава намагниченности Магнитостатика корабля.

^ ПРИМЕР РЕШЕНИЯ Задачки

В горизонтальной плоскости на параллельно расположенных токопроводящих рельсах, расстояние меж которыми L, лежит проводник.

Вся система помещена в магнитное поле с индукцией В.

Ток какой силы нужно пропускать через Магнитостатика проводник, чтоб он двигался по рельсам с неизменной скоростью?

Коэффициент трения скольжения проводника по рельсам - . Углы меж вектором индукции магнитного поля, направлением тока в проводнике и скоростью его движения - прямые Магнитостатика.


Эту задачку можно отнести к уровню статических, по той причине, что проводник, по условию задачки, должен двигаться с неизменной скоростью.

Тело движется с неизменной скоростью, если сумма сил, действующих на него, равна нулю.

Если Магнитостатика по проводнику, находящемуся в магнитном поле, течет ток силой I, на проводник действует сила Ампера.

Направление этой силы можно найти по правилу левой руки. Для этого нужно левую руку расположить Магнитостатика таким макаром, чтоб силовые полосы входили в ладонь.

Четыре пальца должны быть ориентированы по току, тогда отогнутый на 900 большой палец, покажет направление силы Ампера.

Если проводник движется с неизменной скоростью, то должна существовать сила, направленная Магнитостатика в обратную сторону и равная по величине силе Ампера.






В + + + I +


+ + FА Fтр




+ + + + +


+ + + + +

Потому что меж проводником и рельсами находится трение, то возможно, таковой силой может быть сила трения скольжения.

Сумма сил Магнитостатика, действующих на проводник равна нулю, означает сила Ампера равна силе трения:

Как мы записали это равенство, довольно вспомнить, что сила Ампера равна произведению силы тока, протекающего по проводнику, на длину активной Магнитостатика части проводника, находящегося в магнитном поле, и индукцию магнитного поля:

Так как угол меж вектором магнитной индукции и направлением тока равен 900, то sin900 = 1.

Сила трения равна произведению коэффициента трения на силу обычного Магнитостатика давления:

Если рельсы размещены горизонтально, то сила обычного давления равна силе тяжести:

Подставляем выражение для силы Ампера и силы трения в начальное уравнение и получаем выражение, из которого можно отыскать интересующую нас величину силы Магнитостатика тока: .


^ Задачки ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ


Задачка №1

Пройдя разность потенциалов 2000 В, электрон влетает в однородное магнитное поле с индукцией 150 мТл и движется в нем по дуге окружности радиусом 1 м (в плоскости, перпендикулярной магнитному полю Магнитостатика).

Чему равно отношение заряда электрона к его массе (удельный заряд электрона).


Задачка №2

На 2-ух тонких нитях висит горизонтальный стержень длиной L и массой m. Стержень находится в однородном магнитном Магнитостатика поле, вектор индукции которого ориентирован вертикально вниз. На какой угол отклонится нить, если по стержню пропустить ток силой I?

^ Задачка №3
В горизонтально расположенном проводнике длиной 20 см и массой 4 г сила тока равна 10 А. Найдите индукцию Магнитостатика (модуль и направление) маг­нитного поля, в которое необходимо поместить про­водник, чтоб сила тяжести уравновесилась си­лой Ампера.


Задачка №4

Электрон движется в однородном магнитном по­ле с индукцией В Магнитостатика = 4 мТл. Найдите период обра­щения электрона.


Задачка №5

В проводнике с длиной активной части 8 см сила тока равна 50 А. Он находится в однородном маг­нитном поле. Под действием силы Ампера провод­ник Магнитостатика переместился на 10 см перпендикулярно си­ловым линиям, и при всем этом была совершена работа 8 мДж. Найдите индукцию магнитного поля.





makroekonomicheskoe-ravnovesie-i-ego-narushenie.html
makroekonomicheskoe-ravnovesie-na-tovarnom-i-denezhnom-rinke-v-zakritoj-ekonomike-model-is-lm.html
makroekonomicheskoe-ravnovesie-v-modeli-ad-as.html