Магнитное поле электрического тока

метки: Магнитный, Проводник, Действие, Электрический, Двигатель, Электрон, Момент, Называться

Огромный круг явлений природы определяется магнитными силами. Магнитные силы являются источником многих явлений микромира, т. е. поведения атомов, молекул, атомных ядер и элементарных частиц – электронов, протонов, нейтронов и пр.; магнитные явления характерны и для огромных небесных тел. Солнце и Земля – это огромные магниты. Половина энергии электромагнитных волн (радиоволн, инфракрасного, видимого и ультрафиолетового излучения, рентгеновых и гамма-лучей) является магнитной.

Немагнитных веществ не существует. Любое вещество всегда магнитно, т. е. изменяет свои свойства в магнитном поле. Иногда эти изменения невелики и обнаружить их можно только с помощью очень совершенной аппаратуры; иногда они весьма значительны и обнаруживаются без особого труда с помощью очень простых средств. К слабомагнитным веществам относятся медь, алюминий, вода, ртуть и пр., к сильномагнитным или просто магнитным (при обычных температурах) – железо, никель, кобальт, некоторые сплавы.

Изучение магнитных явлений чрезвычайно важно как с теоретической, так и с практической стороны. Современная электротехника весьма широко использует магнитные свойства вещества для получения электрической энергии, для ее превращения в различные другие виды энергии. В аппаратах проволочной и беспроволочной связи, в телевидении, автоматике и телемеханике употребляются материалы с определенными магнитными свойствами. Магнитные явления играют существенную роль также в живой природе.

Необычайная общность магнитных явлений, их огромная практическая значимость, естественно, приводят к тому, что учение о магнетизме является одним из важнейших разделов современной физики.

В жизни современного человека физика играет особую роль. Глубоко проникая в тайны строения материи, устанавливая закономерности, лежащие в основе различных форм ее движения, разрабатывая необычайно тонкие методы исследования и контроля различных процессов и явлений, физика является основой всех естественных наук и прочным фундаментом современной техники.

В теории магнетизма считается, что электрон обладает квантовым свойством, т.е. спином, вследствие чего ведет себя как стрелка компаса, которая вращается вокруг своей оси и соединяющая южный и северный полюса. Спины электронов могут быть ориентированы в направлениях, которые обычно называют «спин-вверх» (мажорные спины) и «спин-вниз» (минорные спины).

Электрон, участвующий в процессе прохождения электрического тока, совершает квантовые переходы за счёт энергии источника тока. Переход электрона с одного квантового уровня на другой на определенном участке цепи – потребителе тока сопровождается испусканием кванта энергии в виде гравитона. Электроны, не участвующие в процессе электрического тока, не изменяют своего энергетического состояния. Таким образом, в квантовой модели электрического тока гравитон является связывающим звеном между квантом электрического поля и квантом магнитного поля.

Физика» «Работа совершаемая электрическим током

... эти устройства. Работа и мощность электрического тока. Из вышесказанного понятно, что электрический ток совершает определенную работу. При подключении ... работу. Это явление называется работой электрического тока. Для того чтобы переместить больший заряд по электрической цепи за 1 с, электрическое поле должно выполнить большую работу. Исходя из этого, выясняется, что работа электрического тока ...

2 Магнитное поле электрического тока

В 1820 г. датский физик Эрстед обнаружил магнитное действие тока. Это явление заключается в том, что магнитная стрелка, помещенная вблизи проводника с током, отклоняется от плоскости магнитного меридиана и уже, как правило, не указывает с севера на юг.

Над неподвижным проводом 1, расположенным вдоль меридиана, т. е. в направлении север — юг, подвешена на тонкой нити магнитная стрелка 2. Стрелка, как известно, устанавливается также приблизительно по линии север — юг, и поэтому она располагается примерно параллельно проводу. Но как только мы замкнем ключ и пустим ток по проводу 1, мы увидим, что магнитная стрелка поворачивается, стремясь установиться под прямым углом к нему, т. е. в плоскости, перпендикулярной к проводу. Этот фундаментальный опыт показывает, что в пространстве, окружающем проводник с током, действуют силы, вызывающие движение магнитной стрелки, т. е. силы, подобные тем, которые действуют вблизи естественных и искусственных магнитов. Такие силы называют магнитными силами, так же, как силы, действующие на электрические заряды, называют электрическими.

Для изучения конфигурации магнитного поля, создаваемого током, можно использовать способ железных опилок. Если через отверстие в картонной пластинке пропустить прямолинейный проводник достаточной длины и затем насыпать на картон железные опилки и пропустить по проводнику электрический ток, то опилки расположатся в виде концентрических окружностей с центром на оси проводника. Силовые линии магнитного поля прямолинейного тока лежат в плоскости, перпендикулярной току, и представляют собой концентрические окружности с центром на оси тока.

Для определения направления силовых линий можно воспользоваться небольшими магнитными стрелками. Расположение силовых линий магнитного поля прямолинейного тока дает возможность установить правило, по которому всегда легко определить направление силовых линий магнитного поля тока. Правило это называется правилом буравчика или правилом винта: если ввинчивать буравчик по направлению тока, то направление движения рукоятки буравчика укажет направление магнитных силовых линий.

Магнитное поле тока, как и магнитное поле магнита, проявляется очень заметно только вблизи проводника. С удалением же от последнего поле становится все менее и менее заметным.

Магнитное поле характеризуется в каждой точке пространства особой величиной Н, называемой напряженностью магнитного поля. Чем больше напряженность поля, тем сильнее действие его на магнитную стрелку, на стальные или железные предметы. Напряженность поля в каждой его точке выражается определенным числом, причем за единицу напряженности поля принимается особая единица – эрстед, в честь ученого Эрстеда, открывшего магнитное действие тока. Напряженность поля, равная одному эрстеду, создается в воздухе прямолинейным током силой в 5 А на расстоянии 1 см от оси проводника. С увеличением расстояния от проводника напряженность магнитного поля убывает по закону

Н=0.2I/r

где I – сила тока, выраженная в амперах (если силу тока выражать в единицах СГС), то формула примет вид

H = 2I/cr

где с = 3 х 10^10 см/сек, что равно скорости света в вакууме), r – расстояние от оси проводника, выраженное в сантиметрах, Н – напряженность магнитного поля в эрстедах.

Несколько иную конфигурацию имеет магнитное поле кругового тока. Изучить конфигурацию магнитного поля такого тока можно при помощи железных опилок, а направление силовых линий при помощи магнитных стрелок.

Присматриваясь к направлению магнитных силовых линий кругового тока, можно убедиться в применимости и в этом случае правила буравчика. В самом деле, на небольшом участке отрезок кругового проводника с током можно рассматривать как прямолинейный ток. Ввинчивая по направлению тока буравчик, убеждаемся в применимости правила буравчика, так как направление движения рукоятки совпадает с направлением силовых линий кругового тока вблизи данного участка кругового проводника. Напряженность поля в центре кругового тока можно вычислить по формуле

H = 0,2ni/r

где H и n имеют тот же физический смысл, что и в формуле (1), r – радиус круга.

Если навить проводник на стержень или трубку, то получится несколько последовательно соединенных круговых токов. Такая катушка носит название соленоида.

Магнитное поле соленоида подобно магнитному полю полосового магнита. Что касается магнитного поля кругового тока, то оно также подобно магнитному полю полосового, но очень короткого магнита – магнитного листка.

Напряженность поля внутри достаточно длинного соленоида может быть вычислена по формуле

H = 0.4nNi/I

где N – число витков соленоида, Z – его длина.

3 Магнетики в магнитном поле

3.1 Магнитные моменты электронов и атомов

Магнетиками

Рассмотрим движение электрона по орбите в атоме. Его можно считать эквивалентным некоторому замкнутому контуру с током (орбитальный ток).

Такой контур будет обладать магнитным моментом, значение которого будет определяться профилем кон­тура и величиной силы тока. Если поверхность контура площа­дью S плоская (орбита электрона), все нормали к поверхности имеют одинаковое направление. Магнитный момент такого “вит­ка” с током называется орбитальным магнитным моментом электрона. Он равен:

где I = en — сила тока, e – абсолютная величина заряда элек­трона, n — число оборотов электрона по орбите в единицу времени

ни, S — площадь орбиты электрона, n –

единичный вектор нормали к площади

S .

Электрон, движущийся по орбите,

орбитальный момент импульса

L _e

Здесь m – масса электрона. Величина g называется гиромаг­нитным отношением орбитальных моментов.

пропорционален орбитальному момен­ту

p _m

собственным

моментом импульса

Важнейшей особенностью спина электрона является наличие

только двух его проекций на направление вектора B индукции

L _es

g _s

p _msB

Соотношения (1) – (8) справедливы для каждого из Z электро­нов в атоме. Число Z совпадает с порядковым номером химиче­ского элемента в периодической системе Менделеева.

В атоме, содержащем Z электронов, их орбитальные магнит-r r

p _m

Орбитальным магнитным моментом Pm атома называется векторная сумма орбитальныхr магнитных моментов pm всех его электронов:

Орбитальным моментом импульса L атома называется век

моментом импульса L .

торная сумма орбитальных моментов импульса L_e всех Z электронов

Атомные моменты Pm и L связаны соотношением:

где g – гиромагнитное отношение (3).

Все вещества, с которыми нам приходится иметь дело, состоят из атомов. Поведение вещества в целом под воздействием каких-либо физических факторов будет определяться взаимодействием составляющих его частиц, то есть, атомов с этим физическим фактором. Рассмотрим поведение атома, имеющего Z электро­нов, в магнитном поле.

3.2 Атом в магнитном поле

Если вещество находится во внешнем магнитном поле, то в пределах атома можно считать магнитное поле однородным. Это следует из малости линейных размеров атома. Предположим, что электрон в атоме движется по круговой орбите, плоскость которой перпендикулярна к вектору индукции B магнитного поля. Действие на электрон силы Лоренца F_Л приведет к уменьшению силы притяжения электрона к ядру. Центростремительная сила окажется равной разности F_e — F _Л , где F_e — кулоновская сила притяжения электрона к ядру (рис. 2.).

В результате изменится угловая скорость w движение электрона по круговой орбите. Она станет отличной от той, которую электрон имел в отсутствии внешнего магнитного поля.

Если внешнее магнитное поле переменное, то изменение угло­вой скорости движения электрона происходит в процессе нарас­тания магнитного поля, в которое вносится атом. Нарастание магнитного поля, действующего на атом, происходит за конечное время.

При этом возникает индукционное вихревое электрическое поле

действующее на электрон в атоме. Напряженность E этого

поля направлена по касательной к орбите электрона, а сила действующая на электрон, равна F = eE .

При произвольном расположении орбиты электрона относительно вектора B , орбитальный магнитный момент p_m электро­на (1) составляет угол a с направлением магнитного поля (рису­нок 3.).

В этом случае орбита прецессирует вокруг направления вектора B . Это означает, что вектор p_m , перпендикулярный к плоскости орбиты, сохраняя неизменный угол a наклона к полю,

вращается вокруг направления B с угловой скоростью w_L :

p _m

p _m

Прецессионное движение орбиты приводит к появлению до­полнительного орбитального тока D I _орб (рисунок 3) и соответст­вующего ему наведенного орбитального магнитного момента

p _m

где S _^ — площадь проекции орбиты электрона на плоскость,

перпендикулярную к направлению B . Вектор p_m направлен

r

противоположно вектору магнитной индукции B :

Общий, наведенный внешним магнитным полем, орбитальный

P _m

где Z – число электронов в атоме, средняя площадь проекции орбит электронов в атоме на плоскость, перпендикулярную к направлению вектора B .

диамагнетиками

В отсутствие внешнего магнитного поля диамагнетик не­магнитен, поскольку в данном случае магнитные моменты элек­тронов взаимно компенсируются, и суммарный магнитный мо­мент атома равен нулю. Диамагнетиками являются многие ме­таллы ( Bi , Ag , Au , Cu ), большинство органических соединений, смолы, углерод и т.д.

P _m

При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле

магнитные моменты атомов (молекул) прецессируют вокруг век-r

тора B с ларморовской угловой скоростью w_L , устанавливается

преимущественная

3.3 Диамагнетики и парамагнетики в однородном магнитном поле, Диамагнетиками, Парамагнетиками

(или молекулы) в отсутствии внешнего поля обладают некоторым

P _m

Итак, в результате воздействия внешнего магнитного поля у каждого атома возникает наведенный орбитальный магнитный момент (15).

Выделим малый объем D V вещества. Магнитный

момент выделенного объема будет

• магнитный

момент i — го атома (молекулы), N – общее число атомов (моле­кул) в малом объеме V . В пределах выделенного объема V магнитное поле можно считать однородным. Одновременно в этом объеме должно содержатся достаточно большое число час­тиц N , (N >>1), чтобы имело смысл усреднение физических ве­личин, характеризующих систему частиц.

Отношение магнитного момента малого объема V вещества к величине этого объема является характеристикой намагничива­ния вещества. Эта величина называется вектором намагничено-

сти (интенсивность намагничивания)

Поместим изотропный диамагнетик в магнитное поле с индукцией B . В объеме V такого диамагнетика наведенные моменты P_m всех атомов (молекул) одинаковы и будут направлены противоположно вектору B .

Вектор намагниченности J равен:

χ — безразмерная величина, характеризующая магнитные свойства магнетиков. Для всех диамагнетиков χ < 0.

относительной магнитной вос­

c _m

χ c_m Практически для диамагнетиков χ c_m = c_m ў , ибо абсолютная ве­личина χ c_m очень мала: χ c_m »10^-6 .

При внесении парамагнитного вещества в однородное магнит­ное поле постоянные магнитные моменты атомов (молекул) прецессируют вокруг направления вектора B индукции магнитного поля с ларморовской угловой скоростью w_L (12).

Тепловое движение и взаимные столкновения атомов (моле­кул) парамагнетика приведут к постоянному затуханию прецес­сии магнитных моментов и уменьшению углов между направлениями векторов магнитных моментов и вектора B . Совместное

действие межатомных столкновений и магнитного поля приведут

к преимущественной ориентации магнитных моментов атомов по

направлению внешнего поля. Хотя постоянный магнитный мо-

P _m

магнитные моменты всех частиц в единице объема создают на­магничение, значительно превосходящее диамагнитные явления. В парамагнитном веществе, находящемся во внешнем магнитном поле, существует собственное магнитное поле, направленное вдоль внешнего магнитного поля.

Модуль вектора намагниченности в классической теории па

обусловленная наличием теплового движения в парамагнетике.

Его влияние определено значением параметра: Здесь k

• постоянная Больцмана, T – абсолютная температура.При ком­натных температурах и при не очень сильных внешних полях a <<1 и функция L _{( a )} после разложения в ряд упрощается:

При этом вектор намагниченности равен:

Величина χ c_m связана с магнитной восприимчивостью c_m парамагнетика (22).

Значения величин χ c_m для парамагнетиков

положительны и находятся в пределах от 10 ^-5 до 10^-3 , поэтому χ c_m = χ c_m с высокой точностью.

Выражение (26) называется законом Кюри: парамагнитная восприимчивость вещества обратно пропорциональна абсолют­ной температуре.

насыщение на­магниченности

4 Магнитное поле в магнетиках, Макротоки

внутреннего

Первичным источником магнитного поля в магнетиках явля­ются макротоки. Их магнитные поля являются причиной намаг­ничивания вещества, помещенного во внешнее магнитное поле. Закон полного тока для магнитного поля в веществе является обобщением закона о циркуляции магнитного поля в вакууме:

и равен геометрической сумме магнитных индукций внешнего B ₀ и внутреннего B ^r внутр магнитных полей:

I _макро

Алгебраическая сумма сил микротоков связана с вектором на­магниченности:

где L Jdl — циркуляция вектора намагниченности J (16) вдоль

замкнутого контура L , схватывающего микротоки. Подставляя (28) в (27) получаем:

называется напряженностью магнитного поля, а из (29) следует, что циркуляция вектора напряженности магнитного поля вдоль произвольного замкнутого контура равна (или пропорциональна) алгебраической сумме макротоков сквозь поверхность, натяну­тую на этот контур.

Для изотропной среды связь между векторами магнитной ин-

дукции B и намагниченности J (25) приводит для вектора H к выражению:

относительной магнитной проницаемостью

r вещества, для H получим:

5 Ферромагнетики, Ферромагнетиками называются

Ферромагнетизм наблюдается у кристаллов переходных ме­таллов – железа, кобальта и никеля и у ряда сплавов, при условии

выполнения неравенства – диаметр атома, a — диаметр незаполненной электронной оболочки атома. Основные свойства ферромагнитных веществ, отличающие их от других типов магнетиков:

а) Зависимость намагниченности от напряженности H внешнего магнитного поля характеризуется наличием магнит-­

ного насыщения J _н

б) Зависимость магнитной индукции B от H отличается

возрастанием по линейному закону при H і H _н (рис.5).

в) Зависимость относительной магнитной проницаемости m от напряженности H имеет сложный характер (рис.6).

магнитного гистере­

$ _к

При температурах Т ³ *_к тепловое движение разрушает области спонтанной намагниченности и ферромагнетик, теряя свои свой­ства, превращается в парамагнитное вещество. Точка Кюри для железа 1063 К, для никеля 623 К, для кобальта 1423 К, для пермаллоя 823 К.

Н_н

намагниченностью.

коэрцитив­

Перемагничивание ферромагнетика связано с изменением ори­ентации областей спонтанной намагниченности и требует совер­шения работы за счет внешнего магнитного поля. Количество те­плоты, выделяющейся при перемагничивании, пропорционально площади петли гистерезиса.

При температурах ниже точки Кюри ферромагнетик разбива­ется на малые области однородной самопроизвольной (спонтан­ной) намагниченности — домены. Линейные размеры доменов -(10- ¸10^-4 )м. Внутри каждого домена вещество намагничено до на­сыщения. В отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты отдельных доменов ориентированны в пространстве так, что и результирующий магнитный момент всего ферромаг­нитного тела равен нулю.

Под влиянием внешнего поля в ферромагнетике происходит ориентация магнитных моментов не отдельных частиц, как в слу­чае парамагнетиков, а целых доменов. В результате вещество ока­зывается намагниченным.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/deystvie-magnitnogo-polya-na-provodnik-s-tokom-elektricheskiy-dvigatel/

1 Матвеев А. Н. Электричество и магнетизм. – М.: Высш. школа, 1983.

2 Сивухин Д. В. Общий курс физики. – М.: Наука, 1990 Т.3

3 Калашников С. Г. Электричество. – М.: Наука, 1984.

4 Тамм Е. И. Основы теории электричества. – М.: Наука, 1976.

5 Савельев И. В. Курс общей физики. Кн. 2 – М.: Наука, 2003.

6 Фейнман Р. и др. Фейнмановские лекции по физике. – М. – Т. 7.