Магнитное поле

Электродинамика

Глава 3. Магнитное поле

Лекция №§ 60 – 65)

Ø  Опыт Эрстеда

Неподвижные заряды создают вокруг себя электрическое поле. Движущиеся заряды создают, кроме того, магнитное поле. Природа магнетизма была выяснена после того, как научились получать электрический ток. Самое важное открытие было сделано датским физиком X. Эрстедом (1777—1851) в 1820 г. Расположив магнитную стрелку параллельно проводу (рис. 4.2), Эрстед обнаружил, что при замыкании цепи она поворачивается.

Открытие Эрстеда натолкнуло на предположение, что магнетизм вызван токами, обтекающими Землю в направлении с запада на восток. Магнитные свойства любого тела определяются замкнутыми электри­ческими токами внутри него.

Ø  Гипотеза Ампера

Согласно гипотезе Ампера внутри молекул, слагающих вещество, циркулируют элементарные электрические токи. Если эти токи расположены хаотически по отношению друг другу, то их действие взаимно компенсируется и никак магнитных свойств тело не обнаруживает (рис. 4.3, а). В намагниченном состоянии элементарные токи в теле ориентированы строго определенным образом, так что их действия складываются (рис. б).

Магнитные взаимодействия обусловлены движением электрических зарядов — током.

Ø  Магнитное поле

Следовательно, магнитное поле — это поле, создаваемое электрическим током. Если концы проводников соединить так, чтобы в проводниках возникли токи противопо­ложного направления, то проводники начнут отталкиваться. В случае токов одного направления между проводниками возникают силы притяжения.

Векторную величину, характеризующую магнитное поле, называют вектором магнитной индукции (обозначают бук­вой В).

Ø  Направление вектора магнитной индукции

1. За направление вектора магнит­ной индукции принимается направ­ление от южного полюса S к север­ному N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном по­ле.

2. Направление вектора магнитной индукции устанавливают с помощью правила буравчика, ко­торое состоит в следующем: если направление поступательного движе­ния буравчика совпадает с направ­лением тока в проводнике, то на­правление вращения ручки буравчи­ка совпадает с направлением векто­ра магнитной индукции. Для определения направления линий магнитного поля соленоида удобнее пользоваться правилом правой руки:

Если охватить соленоид, ладонью правой руки, направив 4 пальца по направлению тока в витках, то отставленный большой палец покажет направление линий магнитного поля внутри соленоида

Ø  Определение модуля вектора магнитной индукции

Магнитной индукцией (точнее, модулем магнитной индукции) назовем величину, пропорциональную отношению максимального момента сил, действующего на рамку, к произведению силы тока в ней на ее площадь:

Единица магнитной индукции получила название тесла (Тл) в честь югославского ученого-электротехни­ка Н. Тесла.

Ø  Силовые линии магнитного поля

Наг­лядную картину магнитного поля можно получить, если построить так называемые линии магнитной индук­ции.

Линии магнитной индукции в данном случае — концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной этому проводнику с током (рис. 130). Центр окружно­стей находится на оси проводника. Стрелки на линиях указывают, в какую сторону направлен вектор магнитной индукции, касательный к данной линии.

Важная особен­ность линий магнитной индукции состоит в том, что они не имеют ни начала, ни конца. Они всегда замкнуты.

Поля с замкнутыми силовыми ли­ниями называют вихревыми. Маг­нитное поле — вихревое поле.

Ø  Силы в магнитном поле

1.

Если левую руку расположить так, чтобы составляющая магнитной индукции В, перпендикулярная скорости заряда, входила в ладонь, а четыре пальца были направлены по направлению тока в проводнике, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление дейст­вующей на заряд силы Ампера.

2.

Если левую руку расположить так, чтобы составляющая магнитной индукции В, перпендикулярная скорости заряда, входила в ладонь, а четыре пальца были направлены по движению положительного заря­да (против движения отрицательно­го), то отогнутый на 90° большой палец покажет направление дейст­вующей на заряд силы Лоренца.

Магнитные свойства вещества

Ø  Об элементарных носителях заряда.

Все вещества обладают в большей или меньшей мере магнитными свойствами (см. гипотезу Ампера). В настоящее время установлено, что магнитные свойства атомов, в основном, определяются входящими в их состав электронами.

Одним из важнейших свойств электрона является наличие у него электрического и магнитного поля. Электрон в весьма грубом приближении можно себе представить как очень маленький шарик, окруженный электрическим и магнитным полями

По магнитным свойствам все вещества делят на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Ø  Магнитная проницаемость

Физическая величина, характеризующая магнитные свойства среды, называют магнитной прони­цаемостью среды.

где - вектор магнитной индукции в однородной среде,

вектор магнитной индукции в той же точке пространства в вакууме.

— магнитная проницаемость данной среды.

Ø  Диа, пара, ферромагнетики

Диамагнетики. Если в межполюсном пространстве сильного электромагнита подвесить на нити стержень из висмута так, чтобы он располагался вдоль линий магнитной индукции, то при включении электромагнита этот стержень, повернется и расположится перпендикулярно линиям магнитной индукции. Вещества, ведущие себя в магнитном поле подобно висмуту, получили название диамагнитных. Диамагнитными свойствами, помимо висмута, обладают азот, гелий, углекислота, вода, серебро, медь, золото, ртуть, бериллий, цинк, кадмий, свинец, сурьма и ряд других веществ. Магнитная про­ницаемость диамагнитных веществ меньше единицы. Например, для висмута 0,999.

Парамагнетики. Если в межполюсном пространстве сильного электромагнита подвесить на длинной нити алюминиевый стержень так, чтобы он располагался перпендикулярно линиям магнитной индукции, то при включении электромагнита этот стержень повернется и встанет вдоль линий магнитной индукции.

Вещества, ведущие себя в магнитном поле таким образом, получили название парамагнитных. Парамагнит­ными свойствами обладают кислород, платина, палладий, соли кобальта, никеля, железа, магний, кальций, хром, молибден, марганец и ряд других веществ. Магнитная проницаемость парамагнитных веществ незначительно больше единицы (например, для алюминия = 1,000023).

Ферромагнетики. К этой группе веществ относятся четыре хими­ческих элемента: железо, никель, кобальт, гадолиний (наибольшей магнитной проницаемостью обла­дает железо). Их магнитные свойства проявляются исключительно сильно и относительная магнитная проницаемость равна по порядку величины 102-105. Например, у стали 8000. Поэтому вся эта группа получила назва­ние ферромагнетиков.

Ферромагнитными могут быть сплавы как из самих ферромагнитных элементов, так и сплавы из ферро­магнитных элементов с неферромагнитными. Широкое приме­нение в технике получили керамические ферромагнит­ные материалы — так называемые ферриты. Все ферро­магнетики являются кристаллическими веществами. Фер­ромагнитных жидкостей или газов не существует.

Для каждого ферромагнитного вещества существует определенная температура, выше которой его ферромагнитные свойства исчезают и вещество становится парамагнетиком. Эта температура называется температурой (точкой) Кюри. Для стали температура Кюри около 700 °С. Поэтому стальное лезвие бритвы, нагретое до 700—800 °С, не притягивается к магниту.

Ø  Группы ферромагнитных материалов

Ферромагнитные материалы делятся на две группы: на магнитомягкие и магнитожесткие материалы. Магнитомягкие ферромагнитные материалы почти пол­ностью теряют намагниченность, когда их выносят из магнитного поля. Магнитомягкими материалами явля­ются чистое железо, электротехническая сталь, пермал­лой.

Магнитомягкие материалы применяются в тех при­борах, аппаратах и машинах, в которых происходит непрерывное их перемагничивание (трансформаторы, электродвигатели и генераторы переменного тока и т. д.).

Магнитожесткие материалы сохраняют в значительной мере свою намагниченность и после их удаления из магнитного поля. Магнитожесткие материалы исполь­зуются в основном для изготовления постоянных маг­нитов. Магнитожесткими материалами являются угле­родистая сталь, хромистая сталь и специальные сплавы.

2