Магнитное поле кругового тока центре витка. Магнитное поле в центре кругового проводника с током

Напряженность магнитного поля на оси кругового тока (рис. 6.17-1), создаваемого элементом проводника Idl , равна

поскольку в данном случае

Рис. 6.17. Магнитное поле на оси кругового тока (слева) и электрическое поле на оси диполя (справа)

При интегрировании по витку вектор будет описывать конус, так что в результате «выживет» только компонента поля вдоль оси 0z . Поэтому достаточно просуммировать величину

Интегрирование

выполняется с учетом того, что подынтегральная функция не зависит от переменной l , а

Соответственно, полная магнитная индукция на оси витка равна

В частности, в центре витка (h = 0) поле равно

На большом расстоянии от витка (h >> R ) можно пренебречь единицей под радикалом в знаменателе. В результате получаем

Здесь мы использовали выражение для модуля магнитного момента витка Р m , равное произведению I на площадь витка Магнитное поле образует с круговым током правовинтовую систему, так что (6.13) можно записать в векторной форме

Для сравнения рассчитаем поле электрического диполя (рис. 6.17-2). Электрические поля от положительного и отрицательного зарядов равны, соответственно,

так что результирующее поле будет

На больших расстояниях (h >> l ) имеем отсюда

Здесь мы использовали введенное в (3.5) понятие вектора электрического момента диполя . Поле Е параллельно вектору дипольного момента, так что (6.16) можно записать в векторной форме

Аналогия с (6.14) очевидна.

Силовые линии магнитного поля кругового витка с током показаны на рис. 6.18. и 6.19

Рис. 6.18. Силовые линии магнитного поля кругового витка с током на небольших расстояниях от провода

Рис. 6.19. Распределение силовых линий магнитного поля кругового витка с током в плоскости его оси симметрии.
Магнитный момент витка направлен по этой оси

На рис. 6.20 представлен опыт по исследованию распределения силовых линий магнитного поля вокруг кругового витка с током. Толстый медный проводник пропущен через отверстия в прозрачной пластинке, на которую насыпаны железные опилки. После включения постоянного тока силой 25 А и постукивания по пластинке опилки образуют цепочки, повторяющие форму силовых линий магнитного поля.

Магнитные силовые линии для витка, ось которого лежит в плоскости пластинки, сгущаются внутри витка. Вблизи проводов они имеют кольцевую форму, а вдали от витка поле быстро спадает, так что опилки практически не ориентируются.

Рис. 6.20. Визуализация силовых линий магнитного поля вокруг кругового витка с током

Пример 1. Электрон в атоме водорода движется вокруг протона по окружности радиусом а B = 53 пм (эту величину называют радиусом Бора по имени одного из создателей квантовой механики, который первым вычислил радиус орбиты теоретически) (рис. 6.21). Найти силу эквивалентного кругового тока и магнитную индукцию В поля в центре окружности.

Рис. 6.21. Электрон в атоме водорода а B = 2,18·10 6 м/с. Движущийся заряд создает в центре орбиты магнитное поле

Этот же результат можно получить с помощью выражения (6.12) для поля в центре витка с током, силу которого мы нашли выше

Пример 2. Бесконечно длинный тонкий проводник с током 50 А имеет кольцеобразную петлю радиусом 10 см (рис. 6.22). Найти магнитную индукцию в центре петли.

Рис. 6.22. Магнитное поле длинного проводника с круговой петлей

Решение. Магнитное поле в центре петли создается бесконечно длинным прямолинейным проводом и кольцевым витком. Поле от прямолинейного провода направлено ортогонально плоскости рисунка «на нас», его величина равна (см. (6.9))

Поле, создаваемое кольцеобразной частью проводника, имеет то же направление и равно (см. 6.12)

Суммарное поле в центре витка будет равно

Дополнительная информация

http://n-t.ru/nl/fz/bohr.htm - Нильс Бор (1885–1962);

http://www.gumer.info/bibliotek_Buks/Science/broil/06.php - теория Бора атома водорода в книге Луи де Бройля «Революция в физике»;

http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1922/bohr-bio.html - Нобелевские премии. Нобелевская премия по физике 1922 г. Нильс Бор.

Все элементы кругового проводника с током создают в центре магнитные поля одинакового направления – вдоль нормали от витка. поэтому все элементы витка перпендикулярны радиус-вектору, то ; так как расстояния от всех элементов проводника до центра витка одинаково и равно радиусу витка. Поэтому:

Поле прямого проводника.

В качестве постоянной интегрирования выберем угол α (угол между векторами dB и r ), и выразим через него все остальные величины. Из рисунка следует, что:

Подставим эти выражения в формулу закона Био-Савара-Лапласа:

И - углы, под которыми видны концы проводника из точки, в которой измеряется магнитная индукция. Подставим и в формулу:

В случае бесконечно длинного проводника ( и ) имеем:

Применение закона Ампера.

Взаимодействие параллельных токов

Рассмотрим два направленных в одну сторону бесконечных прямолинейных параллельных тока I 1 и I 2 , расстояние между которыми равно R. Каждый из провод­ников создает магнитное поле, которое действует по закону Ампера на другой провод­ник с током. Ток I 1 создает вокруг себя магнитное поле, линии магнитной индукции которого представляют собой концентрические окружности. На­правление вектора В , определяется правилом правого винта, его модуль равен:

Направление силы dF 1 , с которой поле B 1 действует на участок dl второго тока, определяется по правилу левой руки. Модуль силы с учетом того, что угол α между элементами тока I 2 и вектором B 1 прямой, равен

Подставляя значение B 1 . получим:

Аналогично рассуждая, можно доказать, что

Отсюда следует, что , то есть два параллельных тока притягиваются друг к другу с одинаковой силой. Если токи имеют противоположное направление, то используя правило левой руки, можно показать, что между ними действует сила отталкивания.

Сила взаимодействия на единицу длины:

Поведение контура с током в магнитном поле.

Внесем квадратную рамку со стороной l с током I в магнитное поле B, на контур будет действовать вращательный момент пары сил Ампера:

Магнитный момент контура,

Магнитная индукция в точке поля, где находится контур

Контур с током стремится установиться в магнитном поле так, чтобы поток сквозь него был максимален, а момент минимален.

Магнитная индукция в данной точке поля численно равна максимальному вращательному моменту, действующему в данной точке поля на контур с единичным магнитным моментом.

Закон полного тока.

Найдем циркуляцию вектора В по замкнутому контуру. В качестве источника поля возьмем длинный проводник с током I, в качестве контура – силовую линию радиуса r.

Распространим этот вывод на контур любой формы, охватывающий любое количество токов. Закон полного тока:

Циркуляция вектора магнитной индукции по замкнутому контуру пропорциональна алгебраической сумме токов, охваченных этим контуром.

Применение закона полного тока для расчета полей

Поле внутри бесконечно длинного соленоида:

где τ – линейная плотность намотки витков, l S – длина соленоида, N – число витков.

Пусть замкнутый контур – прямоугольник длиной х, который оплетает витков, тогда индукция В по этому контуру:

Найдем индуктивность этого соленоида:

Поле тороида (провод, намотанный на каркас в виде тора).

R – средний радиус тора, N – число витков, где – линейная плотность намотки витков.

В качестве контура возьмем силовую линию радиусом R.

Эффект Холла

Рассмотрим металлическую пластину, помещенную в магнитное поле. По пластине пропускается электрический ток. Возникает разность потенциалов. Так как магнитное поле воздействует на движущиеся электрические заряды (электроны), то на них будет действовать сила Лоренца, перемещающая электроны к верхнему краю пластины, и, следовательно, у нижнего края пластины будет образовываться избыток положительного заряда. Таким образом, между верхним и нижним краями создается разность потенциалов. Процесс перемещения электронов будет продолжаться до тех пор, пока сила, действующая со стороны электрического поля не уравновесится силой Лоренца.

где d – длина пластинки, а – ширина пластинки, - холловская разность потенциалов.

Закон электромагнитной индукции.

Магнитный поток

где α – угол между В и внешним перпендикуляром к площади контура.

При всяком изменении магнитного потока во времени. Таким образом, ЭДС индукции возникает как при изменении площади контура, так и при изменении угла α. ЭДС индукции – первая производная магнитного потока по времени:

Если контур является замкнутым, то по нему начинает протекать электрический ток, называемый индукционным током:

где R – сопротивление контура. Ток возникает из-за изменения магнитного потока.

Правило Ленца.

Индукционный ток всегда имеет такое направление, что создаваемый этим током магнитный поток препятствовал изменению магнитного потока, вызвавшего этот ток. Ток имеет такое направление, чтобы препятствовать причине, вызвавшей его.

Вращение рамки в магнитном поле.

Предположим, что рамка вращается в магнитном поле с угловой скоростью ω, так что угол α равен . в этом случае магнитный поток:

Следовательно, вращающаяся в магнитном поле рамка является источником переменного тока.

Вихревые токи (токи Фуко).

Вихревые токи или токи Фуко возникают в толщине проводников, которые находятся в переменном магнитном поле, создающем переменный магнитный поток. Токи Фуко приводят к нагреванию проводников и, следовательно, к электрическим потерям.

Явление самоиндукции.

При всяком изменении магнитного потока возникает ЭДС индукции. Предположим, что имеется катушка индуктивности, по которой протекает электрический ток. Согласно формуле в этом случае в катушке создается магнитный поток . При всяком изменении тока в катушке магнитный поток изменяется и, следовательно, возникает ЭДС, называемая ЭДС самоиндукции ():

Система уравнений Максвелла.

Электрическое поле представляет собой совокупность взаимно связанных и взаимно изменяющихся магнитных полей. Максвелл установил количественную взаимосвязь между величинами, характеризующими электрическое и магнитные поля.

Первое уравнение Максвелла.

Из закона электромагнитной индукции Фарадея следует, что при всяком изменении магнитного потока появляется ЭДС. Максвелл предположил, что появление в окружающем пространстве ЭДС связано с возникновением в окружающем пространстве вихревого электромагнитного поля. Проводящий контур играет роль прибора, который фиксирует появление в окружающем пространстве этого электрического поля.

Физический смысл первого уравнения Максвелла: всякое изменение во времени магнитного поля приводит к появлению в окружающем пространстве вихревого электрического поля.

Второе уравнение Максвелла. Ток смещения.

Конденсатор включен в цепь постоянного тока. Предположим, что цепь, содержащую конденсатор подключают к источнику постоянного напряжения. Конденсатор заряжается, и ток в цепи прекращается. Если конденсатор включить в цепь переменного напряжения, то ток в цепи не прекращается. Это связано с процессом непрерывной перезарядки конденсатора, в результате которой между обкладками конденсатора возникает изменяющееся во времени электрическое поле. Максвелл предположил, что в пространстве между обкладками конденсатора возникает ток смещения, плотность которого определяется скоростью изменения электрического поля во времени. Из всех свойств, присущих электрическому току, Максвелл приписал току смещения одно-единственное свойство: способность создавать в окружающем пространстве магнитное поле. Максвелл предположил, что на обкладках конденсатора линии тока проводимости не прекращаются, а непрерывно переходят в линии тока смещения. Таким образом:

Таким образом, плотность тока:

где - плотность тока проводимости, - плотность тока смещения.

Согласно закону полного тока:

Физический смысл второго уравнения Максвелла: источником магнитного поля являются как токи проводимости, так и изменяющееся во времени электрическое поле.

Третье уравнение Максвелла (теорема Гаусса).

Поток вектора напряженности электростатического поля через замкнутую поверхность равен заряду, заключенному внутри этой поверхности:

Физический смысл четвертого уравнения Максвелла: линии электростатического поля начинаются и заканчиваются на свободных электрических зарядах. То есть, источником электростатического поля являются электрические заряды.

Четвертое уравнение Максвелла (принцип непрерывности магнитного потока)

Физический смысл четвертого уравнения Максвелла: линии вектора магнитной индукции нигде не начинаются и не заканчиваются, они непрерывны и замкнуты сами на себя.

Магнитные свойства веществ.

Напряженность магнитного поля.

Основной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции, определяющий силовое воздействие магнитного поля на движущиеся заряды и токи, вектор магнитной индукции зависит от свойств среды, где создано магнитное поле. Поэтому вводится характеристика, зависящая только от токов, связанных с полем, но не зависящая от свойств среды, где существует поле. Эта характеристика называется напряженностью магнитного поля и обозначается буквой H .

Если рассматривается магнитное поле в вакууме, то напряженность

где - магнитная постоянная вакуума. Единица напряженности Ампер/метр.

Магнитное поле в веществе.

Если все пространство, окружающее токи, заполнить однородным веществом, то индукция магнитного поля изменится, но при этом не изменится распределенное поле, то есть, индукция магнитного поля в веществе пропорциональна магнитной индукции в вакууме. - магнитная проницаемость среды. Магнитная проницаемость показывает, во сколько раз магнитное поле в веществе отличается от магнитного поля в вакууме. Величина может быть как меньше, так и больше единицы, то есть магнитное поле в веществе может быть как меньше так и больше магнитного поля в вакууме.

Вектор намагниченности. Всякое вещество является магнетиком, то есть способно приобретать под действием внешнего магнитного поля магнитный момент – намагничиваться. Электроны атомов под действием взаимного магнитного поля совершают прецессионное движение – такое движение, при котором угол между магнитным моментом и направлением магнитного поля остается постоянным. При этом магнитный момент вращается округ магнитного поля с постоянной угловой скоростью ω. Прецессионное движение эквивалентно круговому току. Так как микроток индуцирован внешним магнитным полем, то, согласно правилу Ленца, у атома появляется составляющая магнитного поля, направленная противоположно внешнему полю. Наведенная составляющая магнитных полей складывается и образует собственное магнитное поле в веществе, направленное противоположно внешнему магнитному полю, и, следовательно, ослабляющее это поле. Этот эффект получил название диамагнитного эффекта, а вещества, в которых возникает диамагнитный эффект, называют диамагнитными веществами или диамагнетиками. В отсутствии внешнего магнитного поля диамагнетик немагнитен, поскольку магнитные моменты электронов взаимно компенсируются и суммарный магнитный момент атома равен нулю. Так как диамагнитный эффект обусловлен действием внешнего магнитного поля на электроны атомов вещества, то диамагнетизм свойственен ВСЕМ ВЕЩЕСТВАМ.

Парамагнетиками называют вещества, у которых даже в отсутствии внешнего магнитного поля атомы и молекулы имеют собственный магнитный момент. Однако, в отсутствии внешнего магнитного поля, магнитные моменты разных атомов и молекул ориентированы хаотически. При этом магнитный момент любого макроскопического объема вещества равен нулю. При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле, магнитные моменты ориентируются по направлению внешнего магнитного поля, и возникает магнитный момент, направленный вдоль направления магнитного поля. Однако, суммарное магнитное поле, возникающее в парамагнетике существенно перекрывает диамагнитный эффект.

Намагниченностью вещества называется магнитный момент единицы объема вещества.

где - магнитный момент всего магнетика, равный векторной сумме магнитных моментов отдельных атомов и молекул.

Магнитное поле в веществе складывается из двух полей: внешнего поля и поля , создаваемого намагниченным веществом:

(читается «хи» ) – магнитная восприимчивость вещества.

Подставим формулы (2), (3), (4) в формулу (1):

Коэффициент - безразмерная величина.

Для диамагнетиков (это означает, что поле молекулярных токов противоположно внешнему полю).

Для парамагнетиков (это означает, что поле молекулярных токов совпадает со внешним полем).

Следовательно, диамагнетиков , а для парамагнетиков . и Н .

Петля гистерезиса.

Зависимость намагниченности J от напряженности внешнего магнитного поля H образует так называемую «петлю гистерезиса». Вначале (участок 0-1) ферромагнетик намагничивается, причем намагничивание происходит не линейно, и в точке 1 достигается насыщение, то есть, при дальнейшем увеличении напряженности магнитного поля рост тока прекращается. Если начать увеличивать напряженность намагничивающего поля, то уменьшение намагниченности идетпо кривой 1-2 , лежащей выше кривой 0-1 . При наблюдается остаточное намагничивание (). С наличием остаточной намагниченности связано существование постоянных магнитов. Намагниченность обращается в ноль в точке 3, при отрицательном значении магнитного поля , которое называется коэрцитивной силой. При дальнейшем увеличении противоположного поля ферромагнетик перемагничивается (кривая 3-4). Затем ферромагнетик можно опять размагнитить (кривая 4-5-6) и вновь намагнитить до насыщения (кривая 6-1). Ферромагнетики с малой коэрцитивной силой (с малыми значениями ) называются мягкими ферромагнетиками, и им соответствует узкая петля гистерезиса. Ферромагнетики, имеющие большое значение коэрцитивной силы называются жесткими ферромагнетиками. Для каждого ферромагнетика существует определенная температура, называемая точкой Кюри, при которой ферромагнетик теряет свои ферромагнитные свойства.

Природа ферромагнетизма.

Согласно представлениям Вейсса. ферромагнетики при температуре ниже точки Кюри имеют доменную структуру, а именно ферромагнетики состоят из макроскопических областей, называемых доменами, каждый из которых имеет свой собственный магнитный момент, представляющий собой сумму магнитных моментов большого количества атомов вещества, ориентированных в одном направлении. В отсутствие внешнего магнитного поля домены ориентированы хаотично и результирующий магнитный момент ферромагнетика в целом равен нулю. При приложении внешнего магнитного поля магнитные моменты доменов начинают ориентироваться в направлении поля. При этом намагниченность вещества возрастает. При некотором значении напряженности внешнего магнитного поля все домены оказываются ориентированы вдоль направления поля. При этом рост намагниченности прекращается. При уменьшении напряженности внешнего магнитного поля намагниченность вновь начинает уменьшаться, однако, не все домены разориентируются одновременно, поэтому уменьшение намагниченности идет медленнее, и при равной нулю напряженности магнитного поля между некоторыми доменами остается достаточно сильная ориентирующая связь, которая приводит к наличию остаточной намагниченности, совпадающей с направлением магнитного поля, существовавшего ранее.

Чтобы разрушить эту связь, необходимо приложить магнитное поле в противоположном направлении. При значениях температуры выше значения точки Кюри увеличивается интенсивность теплового движения. Хаотическое тепловое движение разрывает связи внутри доменов, то есть теряется преимущественная ориентация самих доменов. Таким образом, ферромагнетик теряет свои ферромагнитные свойства.

Экзаменационные вопросы:

1) Электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона.

2) Напряженность электрического поля. Физический смысл напряженности. Напряженность поля точечного заряда. Силовые линии электрического поля.

3) Два определения потенциалов. Работа по перемещению заряда в электрическом поле. Связь напряженности и потенциала. Работа по замкнутой траектории. Теорема о циркуляции.

4) Электроемкость. Конденсаторы. Последовательное и параллельное соединение конденсаторов. Емкость плоского конденсатора.

5) Электрический ток. Условия существования электрического тока. Сила тока, плотность тока. Единицы измерения силы тока.

6) Закон Ома для однородного участка цепи. Электрическое сопротивление. Зависимость сопротивления от длины сечения материала проводника. Зависимость сопротивления от температуры. Последовательное и параллельное соединение проводников.

7) Сторонние силы. ЭДС. Разность потенциалов и напряжение. Закон Ома для неоднородного участка цепи. Закон Ома для замкнутой цепи.

8) Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля-Ленца. Мощность электрического тока.

9) Магнитное поле. Сила Ампера. Правило левой руки.

10) Движение заряженной частицы в магнитном поле. Сила Лоренца.

11) Магнитный поток. Закон электромагнитной индукции Фарадея. Правило Ленца. Явление самоиндукции. ЭДС самоиндукции.

Все элементы (dl) кругового тока создают в центре круга индукцию (dB);

откуда (61)

(62)

Закон Ампера устанавливает силу, действующую на проводник с током (модуль силы) в магнитном поле:

Направление силы Ампера определяется с помощью правила левой руки.

Взаимодействие двух проводников. Рассмотрим взаимодействие двух бесконечных прямолинейных параллельных проводников с токами и , находящихся на расстоянии R.

Используя закон Ампера (63) и формулу для магнитной индукции (60), учитывая, что для силы взаимодействия двух токов получим

(64)

Сила Лоренца – сила, действующая на заряд, движущийся в магнитном поле:

(65) или (66)

Направление силы определяется с помощью правила левой руки (на положительный заряд).

Радиус вращения r найдем из равенства

(67)

Период обращения:

(68), отсюда (69) т.е. период движения частиц не зависит от их скорости. Это используется в ускорителях элементарных частиц – циклотронах.

Ускорители делятся на: линейные, циклические и индукционные. Для ускорения релятивистских частиц используют: фазотрон – увеличивается частота переменного электрического поля, синхротрон – увеличивается магнитное поле, синхрофазотрон – увеличивается частота и магнитное поле.

Потоком вектора магнитной индукции (магнитным потоком) через площадку dS называется скалярная физическая величина, равная

(70)

(71) где - проекция вектора на направление нормали ,

α – угол между и

Cуммарное значение потока:

. (72)

Рассмотрим в качестве примера магнитное поле бесконечного прямолинейного проводника с током I , находящегося в вакууме. Циркуляция вектора вдоль произвольной линии магнитной индукции – окружности радиуса r:
Т.к. во всех точках линии индукции равен по модулю и направлен по касательной к линии, так что , следовательно:
Т.е. циркуляция вектора магнитной индукции в вакууме одинакова вдоль всех линий магнитной индукции и равна произведению магнитной постоянной на силу тока. Таков вывод справедлив для любого произвольного замкнутого контура, если внутри его протекает ток. Если контур не охватывает ток, то циркуляция вектора вдоль этого контура равна 0. Если токов много, то берется алгебраическая сумма токов.

Теорема: Циркуляция магнитной индукции поля в вакууме вдоль произвольного замкнутого контура L равна произведению магнитной постоянной на алгебраическую сумму токов, охватываемых этим контуром. Этот закон можно также записать:

(73)

Лекция 9

3.2.(2часа) Магнитные свойства вещества. Молекулярные токи. Диа -, пара – и ферромагнетики. Вектор намагниченности. Магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость. Представление о ядерном магнитном резонансе и электронном парамагнитном резонансе.

Магнитные моменты электронов и атомов. Все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются. С точки зрения строения атомов, электрон, движущийся по круговой орбите обладает орбитальным магнитным моментом:

(74) его модуль

(75) где - сила тока,

Частота вращения,

S – площадь орбиты.

Направление вектора определяется правилом буравчика. Электрон, движущийся по орбите, обладает также механическим моментом импульса , модуль которого

- орбитальный механический момент электрона. (76) где ,

.

Направления и противоположные, т.к. заряд электрона отрицательный. Из (75) и (76) получим

(77) где - гиромагнитное отношение. (78)

Формула справедлива и для некруговых орбит. Экспериментально величину g определили Эйнштейн и де Гааз (1915). Оно оказалось равным , т.е в два раза большим, чем (78). Тогда было предположено, а в последствии доказано, что кроме орбитальных моментов электрон обладает собственным механическим моментом импульса , называемым спином. Спину электрона соответствует собственный (спиновый) магнитный момент : . Величина называется гиромагнитным отношением спиновых моментов. Проекция собственного магнитного момента на направление вектора может принимать только одно из следующих двух значений ±еħ/2m= , где ħ= , h – постоянная Планка, - магнетон Бора, являющийся единицей магнитного момента электрона. Общий магнитный момент атома (молекулы) равен векторной сумме магнитных моментов (орбитальных и спиновых) электронов: .

Диа – и парамагнетизм. Всякое вещество является магнетиком , т.е. оно способно под действием магнитного поля приобретать магнитный момент, т.е. намагничиваться.

Если орбита электрона ориентирована относительно вектора внешнего поля произвольным образом, составляя с ним ےα, то орбита и вектор придут во вращение, которое называется прецессией (движение волчка). Прецессионное движение эквивалентно току. Наведенные составляющие магнитных полей атомов складываются и образуют собственное магнитное поле вещества, которое накладывается на внешнее магнитное поле и внутри магнетика образуется результирующее магнитное поле.

Диамагнетики – это такие вещества, в которых уменьшается магнитное поле. Для них магнитная проницаемость немного меньше 1 составляет μ ≈ 0,999935. (Объясняется действием правила Ленца). Диамагнетизм свойственен всем веществам.

Парамагнетики – вещества, в которых увеличивается магнитное поле при действии внешнего поля, для них μ больше 1, например, μ ≈ 1,00047. К парамагнетикам относятся редкоземельные элементы: Pt, Al, CuSO 4 и т.д. Объясняется ориентацией орбитальных и спиновых магнитных моментов атомов в магнитном поле. При прекращении действия внешнего магнитного поля ориентация разрушается тепловым движением атомов и парамагнетик размагничивается. Магнитная проницаемость парамагнетиков превышает таковую для диамагнетиков.

Для количественного описания намагничивания магнетиков вводят векторную величину – намагниченность , определяемую магнитным моментом единицы объема магнетика:

(79) где - магнитный момент магнетика, представляющий собой векторную сумму магнитных моментов отдельных молекул. Вектор результирующего магнитного поля в магнетике равен векторной сумме магнитных индукций внешнего поля и поля микротоков (молекулярных токов) : , отсюда В несильных полях намагниченность пропорциональна напряженности поля, вызывающего намагничивание, т.е. , где χ –магнитная восприимчивость вещества. Для диамагнетиков она отрицательна, для парамагнетиков – положительна. Из вышеприведенных формул: Здесь , используя эту формулу придем к известной формуле

Явление электронного парамагнитного резонанса было открыто в Казани в 1945 году ученым Е.К.Завойским, сотрудником Казанского университета. Сущность явления заключается в резонансном поглощении высокочастотного электромагнитного поля при его воздействии на парамагнитное вещество, которое находится в постоянном магнитном поле. При этом частота Ларморовой процессии спинов электронов совпадает с частотой внешнего электромагнитного поля и электрон поглощает эту энергию.

Магнитные моменты ядер атомов значительно слабее магнитных моментов электронов, поэтому ядерный магнитный резонанс был открыт позже, чем электронный, 1949 году в США. Процесс аналогичен электронному, но получил более широкое применение для исследования веществ. Вершиной этого применения является создание ЯМР – томографов.

Ферромагнетики. К ним относятся: железо, кобальт, никель, гадолиний, их сплавы и соединения. μ>>1, составляет несколько тысяч.

I нас – магнитное насыщение.

При насыщении ориентируется все большее количество магнитных моментов.

Характерной особенностью ферромагнетиков является то, что для них зависимость I от Н (а следовательно В от Н) имеет вид петли, которая получила название петли гистерезиса: 0 – размагниченный; 1 – насыщение (); 2 – остаточная намагниченность (), постоянные магниты; 3 – размагничивание ( – коэрцитивная сила); дальше – повторяется.

Ферромагнетики с малой коэрцитивной силой называются 1)мягкими, а с большой коэрцитивной силой – 2)жесткими. Первые применяются для сердечников трансформаторов и электрических машин (двигателей и генераторов), вторые – для постоянных магнитов. Точка Кюри – температура, при которой ферромагнетик теряет магнитные свойства и превращается в парамагнетик. Процесс намагничивания ферромагнетиков сопровождается изменением их линейных размеров и объема. Это явление получило название магнитострикция. Ферромагнетики имеют доменную структуру: микроскопические объемы, в которых магнитные моменты ориентированы одинаково. В ненамагниченном состоянии магнитные моменты доменов направлены хаотично и результирующее поле равно нулю. При намагничивании ферромагнетика магнитные моменты доменов скачкообразно поворачиваются и устанавливаются вдоль поля и ферромагнетик намагничивается. Как только сориентируются все домены, так намагниченность достигает насыщения. При остаточной намагниченности () – ориентированы часть доменов.

Существуют антиферромагнетики (соединения MnO, MnF 2 , FeO, FeCl 2).

В последнее время большое значение приобрели ферриты – полупроводниковые ферромагнетики, химические соединения типа , где Ме – ион двухвалентного металла (Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Fe). Они обладают заметными ферромагнитными свойствами и большим удельным электрическим сопротивлением (в миллионы раз больше чем у металлов). Нашли широкое применение в электротехнике и радиотехнике.

Рассмотрим поле, создаваемое током, текущим по тонкому проводу, имеющему форму окружности радиуса R (круговой ток). Определим магнитную индукцию в центре кругового тока (рис. 47.1).

Каждый элемент тока создает в центре индукцию, направленную вдоль положительной нормали к контуру. Поэтому векторное сложение сводится к сложению их модулей. По формуле (42.4)

Проинтегрируем это выражение по всему контуру:

Выражение в скобках равно модулю дипольного магнитного момента (см. (46.5)).

Следовательно, магнитная индукция в центре кругового тока имеет величину

Из рис. 47.1 видно, что направление вектора В совпадает с направлением положительной нормали к контуру, т. е. с направлением вёктора Поэтому формулу (47.1) можно написать в векторном виде:

Теперь найдем В на оси кругового тока на расстоянии от центра контура (рис. 47.2). Векторы перпендикулярны к плоскостям, проходящим через соответствующий элемент и точку, в которой мы ищем поле. Следовательно, они образуют симметричный конический веер (рис. 47.2, б). Из соображений симметрии можно заключить, что результирующий вектор В направлен вдоль оси контура. Каждый из составляющих векторов вносит в результирующий вектор вклад равный по модулю Угол а между и b прямой, поэтому

Проинтегрировав по всему контуру и заменив на получим

Эта формула определяет величину магнитной индукции на оси кругового тока. Приняв во внимание, что векторы В и имеют одинаковое направление, можно написать формулу (47.3) в векторном виде:

Это выражение не зависит от знака г. Следовательно, в точках оси, симметричных относительно центра тока, В имеет одинаковую величину и направление.

При формула (47.4) переходит, как и должно быть, в формулу (47.2) для магнитной индукции в центре кругового тока.

На больших расстояниях от контура в знаменателе можно пренебречь по сравнению с Тогда формула (47.4) принимает вид

аналогичный выражению (9.9) для напряженности электрического поля на оси диполя.

Расчет, выходящий за рамки данной книги, дает, что любой системе токов или движущихся зарядов, локализованной в ограниченной части пространства, можно приписать магнитный дипольный момент (ср. с дипольным электрическим моментом системы зарядов). Магнитное поле такой системы на расстояниях, больших по сравнению с ее размерами, определяется через по таким же формулам, по каким определяется через дипольный электрический момент поле системы зарядов на больших расстояниях (см. § 10). В частности, поле плоского контура любой формы на больших расстояниях имеет вид

где - расстояние от контура до данной точки, - угол между направлением вектора и направлением от контура в данную точку поля (ср. с формулой (9.7)). При формула (47.6) дает для модуля вектора В такое же значение, как и формула (47.5).

На рис. 47.3 изображены линии магнитной индукции поля кругового тока. Показаны лишь линии, лежашие в одной из плоскостей, Проходящей через ось тока. Подобная же картина имеет место в любой из этих плоскостей.

Из всего сказанного в предыдущем и в данном параграфах вытекает, что дипольный магнитный момент является весьма важной характеристикой контура с током. Этой характеристикой определяется как поле, создаваемое контуром, так и поведение контура во внешнем магнитном поле.

Магнитное поле тока:

Магнитное поле создается вокруг электрических зарядов при их движении. Так как движение электрических зарядов представляет собой электрический ток, то вокруг всякого про­водника с током всегда существует магнитное поле тока .

Чтобы убедиться в существовании магнитного поля тока, поднесем сверху к проводнику, по которому протекает электрический ток, обыкновенный компас. Стрелка компаса тотчас же отклонится в сторону. Поднесем компас к проводнику с током снизу - стрелка компаса отклонится в другую сторону (рисунок 1).

Применим закон Био–Савара–Лапласа для расчета магнитных полей простейших токов. Рассмотрим магнитное поле прямого тока.

Все векторы dB от произвольных элементарных участков dl имеют одинаковое направление. Поэтому сложение векторов можно заменить сложением модулей.

Пусть точка, в которой определяется магнитное поле, находится на расстоянии b от провода. Из рисунка видно, что:

;

Подставив найденные значения r и dl в закон Био–Савара–Лапласа, получим:

Для конечного проводника угол α изменяется от , до. Тогда

Для бесконечно длинного проводника , а , тогда

или, что удобнее для расчетов, .

Линии магнитной индукции прямого тока представляют собой систему концентрических окружностей, охватывающих ток.

21. Закон Био-Савара-Лапласа и его применение к расчету индукции магнитного поля кругового тока.

Магнитное поле кругового проводника с током.

22. Магнитный момент витка с током. Вихревой характер магнитного поля.

Магнитный момент витка с током это физическая величина, как и любой другой магнитный момент, характеризует магнитные свойства данной системы. В нашем случае систему представляет круговой виток с током. Этот ток создает магнитное поле, которое взаимодействует с внешним магнитным полем. Это может быть как поле земли, так и поле постоянного или электромагнита.

Рисунок - 1 круговой виток с током

Круговой виток с током можно представить в виде короткого магнита. Причем этот магнит будет направлен перпендикулярно плоскости витка. Расположение полюсов такого магнита определяется с помощью правила буравчика. Согласно которому северный плюс будет находиться за плоскостью витка, если ток в нем будет двигаться по часовой стрелке.

Рисунок- 2 Воображаемый полосовой магнит на оси витка

На этот магнит, то есть на наш круговой виток с током, как и на любой другой магнит, будет воздействовать внешнее магнитное поле. Если это поле будет однородным, то возникнет вращающий момент, который будет стремиться развернуть виток. Поле буде поворачивать виток так чтобы его ось расположилась вдоль поля. При этом силовые линии самого витка, как маленького магнита, должны совпасть по направлению с внешним полем.

Если же внешнее поле будет не однородным, то к вращающему моменту добавится и поступательное движение. Это движение возникнет вследствие того что участки поля с большей индукцией будут притягивать наш магнит в виде витка больше чем участки с меньшей индукцией. И виток начнет двигаться в сторону поля с большей индукцией.

Величину магнитного момента кругового витка с током можно определить по формуле.

Где, I ток протекающий по витку

S площадь витка с током

n нормаль к плоскости в которой находится виток

Таким образом, из формулы видно, что магнитный момент витка это векторная величина. То есть кроме величины силы, то есть ее модуля он обладает еще и направлением. Данное свойство магнитный момент получил из-за того что в его состав входит вектор нормали к плоскости витка.