Магнетизм

Это раздел физики, изучающий магнитные явления.

Характеристики магнитного поля

Опыт показывает, что вокруг проводников с током и вокруг намагниченных тел существует магнитное поле. Это поле обнаруживается по действию на магнитную стрелку или на другие проводники с током. Токи, протекающие в проводниках, называются макротоками. Токи, циркулирующие в магнитах, называются микротоками. С современной точки зрения микротоки создаются движением электронов вокруг ядра в атомах. Поскольку током называется упорядоченное движение электрических зарядов, то можно сделать вывод, что магнитное поле порождается движущимися электрическими зарядами.

В качестве основной характеристики магнитного поля вводится вектор магнитной индукции. Вектор магнитной индукции описывает поле, созданное макро- и микротоками. Его используют для описания поля как в вакууме, так и в веществе.

В качестве характеристики магнитного поля, созданного макротоками, вводится векторная величина, называемая напряженностью магнитного поля. Напряженность магнитного поля  используется для описания магнитного поля в вакууме. Это вспомогательная характеристика.

Для однородной изотропной среды вектор магнитной индукции связан
с вектором напряженности магнитного поля следующим соотношением

где μ₀ — магнитная постоянная.

В системе СИ: 

 где генри (Гн) — единица индуктивности.

Магнитная проницаемость, μ, безразмерная величина. Эта величина показывает, во сколько раз магнитное поле макротоков изменяется за счет микротоков среды (т. е., во сколько раз магнитная индукция в веществе отличается от магнитной индукции в вакууме). Для вакуума μ = 1.

Единица магнитной индукции — тесла (Тл),

т. е. 1 Тл — магнитная индукция такого однородного магнитного поля, которое действует с силой 1 Н на каждый метр длины прямолинейного проводника, расположенного перпендикулярно направлению поля, если по этому проводнику проходит ток 1 А.

Единица напряженности магнитного поля

Магнитное поле в веществе. Классификация магнетиков

Вещество, способное намагничиваться, называется магнетиком. В зависимости от значения магнитной проницаемости μ   вещества делятся на три класса: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Диамагнетики — это класс веществ, у которых магнитная проницаемость μ  лишь немного меньше единицы, т. е. в них магнитное поле незначительно ослабляется. К диамагнетикам относят многие металлы, например, висмут, серебро, золото, медь, а также вода и большинство органических соединений и смол и др. Это слабо магнитные вещества. Например, для воды 

  для серебра

  для висмута

Для понимания процесса намагничивания диамагнетиков необходимо рассмотреть действие магнитного поля на движущиеся электроны в атоме. Каждый атом диамагнитного вещества в отсутствии магнитного поля не обладает магнитным полем, поскольку магнитные поля отдельных электронов взаимно компенсируют друг друга. Под действием внешнего магнитного поля появляются наведенные составляющие магнитных полей атомов, направленные против внешнего поля, что вызывает эффект диамагнетизма. Диамагнетизм присущ всем телам без исключения, однако в парамагнетиках и ферромагнетиках он перекрывается более сильными эффектами.

К настоящему времени накоплено большое количество опытных фактов, свидетельствующих о влиянии магнитных полей на биологические объекты. Живой организм состоит в основном из диамагнитных веществ. Предполагают, что универсальность действия магнитного поля на все живое обусловлена его влиянием на свойства воды, содержащейся во всех биологических объектах. Опыты показывают, что свойства воды, побывавшей в магнитном поле, сильно изменяются.

Магнитное поле влияет также на свойства крови, интенсивность водного обмена, активность многих ферментов. Поэтому при резком изменении напряженности магнитного поля Земли (магнитные бури) изменяется самочувствие многих людей и поведение животных.

Парамагнетики — это класс веществ, у которых магнитная проницаемость при комнатных температурах μ  лишь немного больше единицы. Это вещества, которые слабо намагничиваются в магнитном поле. С понижением температуры магнитная проницаемость парамагнетиков растет. К парамагнетикам относятся, например, кислород, платина, алюминий, редкоземельные металлы и т. д. Приведем примеры значений μ  для некоторых парамагнетиков при комнатной температуре.
Для кислорода

Для алюминия

 Для платины

У парамагнетиков, в отличие от диамагнетиков, каждый атом обладает собственным магнитным полем. Но в отсутствие внешнего магнитного поля парамагнитное вещество в целом не обладает упорядоченной магнитной структурой. При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле устанавливается некоторая магнитная структура, которая приводит к тому, что внешнее магнитное поле внутри вещества усиливается, и вещество намагничивается. Это явление называется парамагнетизмом.

Ферромагнетики — это класс веществ, способных сильно намагничиваться в магнитном поле. Магнитная проницаемость μ  большинства ферромагнетиков при обычных температурах измеряется сотнями и тысячами единиц. Причем μ  зависит от напряженности внешнего магнитного поля.

К ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт и их сплавы и соединения.

Причиной сильного намагничивания ферромагнетиков является наличие в них доменов.

Доменами называются самопроизвольно намагниченные области (их размер мм). В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные поля отдельных доменов ориентированы хаотически и образец не намагничен. При наложении внешнего магнитного поля границы доменов сдвигаются таким образом, что области, намагниченные вдоль внешнего магнитного поля увеличиваются за счет неблагоприятно ориентированных областей и ферромагнетик намагничивается.

Ферромагнетики широко используются в современной электротехнике. Используя их, например, в качестве сердечников в катушках трансформаторов, электродвигателях и многих измерительных приборах, можно во много раз увеличить магнитное поле, не увеличивая силу тока в катушке. Это экономит электроэнергию. Из ферромагнетиков изготавливают, например, магнитные ленты, которые широко используют для звукозаписи в магнитофонах и для видеозаписи в видеомагнитофонах.

Сила Лоренца.

Магнитное поле не только порождается движущимися электрическими зарядами, но действует на движущиеся заряды.

Силой Лоренца называется сила, действующая на движущийся электрический заряд со стороны магнитного поля. Сила Лоренца равна произведению заряда q на векторное произведение скорости движения заряда  и вектора магнитной индукции , т. е.

Модуль силы Лоренца равен

где α — угол между векторами v и B.

Сила Ампера

Поскольку ток — это упорядоченное движение электрических зарядов, то на проводник с током в магнитном поле тоже действует сила, которая называется силой Ампера.

Сила Ампера равна произведению силы тока на векторное произведение элемента проводника  и вектора магнитной индукции

Модуль силы Ампера равен

где α   — угол между векторами    .

С помощью измерения силы можно найти модуль вектора магнитной индукции. Сила будет максимальной, если sinα = 1. Тогда по формуле

Отсюда:

Тогда единица магнитной индукции тесла (Тл) равна ньютон (Н), деленный на ампер и на метр , т. е.

Поток вектора магнитной индукции

Магнитное поле можно изобразить графически с помощью линий магнитной индукции.

Линиями магнитной индукции называются линии, касательные к которым направлены также, как и вектор магнитной индукции в данной точке поля.

Из рисунка видно, что линии магнитной индукции прямого тока а) и кругового б) представляют собой концентрические окружности в плоскостях, перпендикулярных току. Линии магнитной индукции всегда замкнутые. Это означает, что магнитное поле не имеет источников, подобных электрическим зарядам.

Хотя линии магнитной индукции всегда замкнутые, однако, на отдельных участках магнитное поле может быть однородным, т. е. линии, его изображающие, параллельны друг другу и их густота одинакова (например, поле внутри соленоида).

Важной характеристикой поля является магнитный поток или поток вектора магнитной индукции.

Магнитным потоком Ф через поверхность площади S называют величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции на площадь поверхности и на косинус угла между вектором    и   — нормалью к поверхности, т. е.

Магнитный поток наглядно можно истолковать как величину, пропорциональную числу линий магнитной индукции, пронизывающих площадь поверхности S.

Единицей магнитного потока является вебер, 

Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея — Ленца

Явление электромагнитной индукции было обнаружено опытным путем в 1831 г. английским физиком М. Фарадеем. Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в замкнутом электропроводящем контуре при изменении магнитного потока через площадь, ограниченную этим контуром. Этот ток называется индукционным.

Изменение магнитного потока можно производить разными способами (см. формулу (2.46)). Можно изменять:

1) модуль вектора магнитной индукции B;

2) направление вектора (т. е. изменять угол α );

3) перемещать проводники, составляющие контур (т. е. изменять площадь контура S).

Основываясь на законе сохранения энергии, петербургский профессор Э.Х. Ленц предложил правило, по которому определяется направление индукционного тока.

Согласно правилу Ленца, индукционный ток имеет такое направление, при котором его магнитное поле противодействует изменениям внешнего магнитного потока.

Опыты по изучению электромагнитной индукции показали, что чем быстрее изменяется магнитный поток, тем большая сила тока возникает в контуре. Известно, что в проводнике появляется электрический ток в том случае, когда на свободные заряды проводника действуют сторонние силы. Работу этих сил по перемещению единичного положительного заряда называют электродвижущей силой (ЭДС).

Закон электромагнитной индукции, закон Фарадея — Ленца, формулируется следующим образом.

ЭДС индукции в контуре равна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего поверхность, охваченную контуром, взятой с обратным знаком, т. е.

Знак минус отражает соответствие направления индукционного тока правилу Ленца. Формула (2.47) справедлива для всех возможных случаев изменения магнитного потока, так как вывод этой формулы основан на универсальном законе природы — законе сохранения энергии.

При изучении явления электромагнитной индукции установлена теснейшая взаимосвязь между электрическими и магнитными полями. Изменяющееся по времени магнитное поле порождает электрическое поле, а изменяющееся электрическое поле порождает магнитное. Это открытие послужило базой для создания единой теории электромагнитного поля и впоследствии стало одной из основ электротехники.

Задачи:

1. Магнитный поток внутри контура, площадь поперечного сечения которого 60 см², равен 0,3 мВб. Найти индукцию поля внутри контура. Поле считать однородным и перпендикулярным плоскости проводника.
2. Какой магнитный поток пронизывает плоскую поверхность площадью 50 см² при индукции поля 0,4 Тл, если эта поверхность: а) перпендикулярна вектору индукции поля; б) расположена под углом 45° к вектору индукции; в) расположена под углом 30° к вектору индукции?
3. Какова индукция магнитного поля, в котором на проводник с длиной активной части 5 см действует сила 50 мН? Сила тока в проводнике 25 А. Проводник расположен перпендикулярно вектору индукции магнитного поля.
4. С какой силой действует магнитное поле индукцией 10 мТл на проводник, в котором сила тока 50 А, если длина активной части проводника 0,1 м? Линии индукции поля и ток взаимно перпендикулярны.
5. Сила тока в горизонтально расположенном проводнике длиной 20 см и массой 4 г равна 10 А. Найти индукцию (модуль и направление) магнитного поля, в которое нужно поместить проводник, чтобы сила тяжести уравновесилась силой Ампера.
6. Какой заряд а пройдет через поперечное сечение витка, сопротивление которого R = 0,03 Ом, при уменьшении магнитного потока внутри витка на 12 мВб?
7. В магнитное поле индукцией 0,1 Тл помещен контур, выполненный в форме кругового витка радиусом R = 3,4 см. Виток сделан из медной проволоки, площадь поперечного сечения которой S = 1 мм^2. Нормаль к плоскости витка совпадает с линиями индукции поля. Какой заряд пройдет через поперечное сечение витка при исчезновении поля?

Задания и вопросы для самоконтроля

1. Назовите характеристики магнитного поля. Как они связаны?
2. Как классифицируются магнетики?
3. Что называется силой Лоренца? Силой Ампера?
4. Что называется потоком вектора магнитной индукции (или магнитным потоком)?
5. В чем состоит явление электромагнитной индукции?