Тема 8.2. Сила Ампера. Сила Лоренца. Магнітні властивості речовини.( 2 год.)

Мета: з'ясувати залежність сили дії магнітного поля на провідник зі струмом від індукції магнітного поля, сили струму в провіднику, довжини активної частини провідника і кута між напрямом індукції магнітного поля та напрямом провіднику; сформувати понятя про магнітну проникність та магнітні властивості речовини; розвивати вміння спостерігати за фізичними явищами, аналізувати їх і пояснювати, спираючись на вже добуті знання; формувати комунікативні компетентності шляхом вдосконалення вміння ставити запитання; розвивати культуру фізичного мовлення.

План.

1. Сила Ампера.

2. Сила Лоренца.

3. Магнітні властивості речовини.

Вивчення нового матеріалу.

Сила Ампера. Провідники зі струмом взаємодіють між собою через магнітне поле. Закон. Який встановлює силу взаємодії між елементами струму, називають законом Ампера. Таким чином зберігається пам’ять про видатні досягнення ученого. Силу, з якою магнітне поле діє на провідник зі струмом, називають силою Ампера.

У 9 класі було встановлено, що величина сили Ампера залежить від сили магнітного поля, сили струму у провіднику, довжини провідника та кута між напрямком струму і напрямком ліній магнітного поля (вектора магнітної індукції В).

Рис.1

Сформулюємо тепер закон Ампера:

Модуль сили, яка діє на провідник зі струмом з боку магнітного поля пропорційний модулю вектора магнітної індукції поля, силі струму у провіднику. Довжині активної частини провідника та синусу кута між векторами В та І.

F = B│ I │Δl Sinα ( 30).

Напрямок сили Ампера визначається за правилом лівої руки:

Якщо розташувати ліву руку так, щоб лінії індукції магнітного поля входили у долоню, а чотири пальці вказували напрямок струму, то відставлений великий палець вкаже напрямок сили Ампера. ( рис.2)

Дією сили Ампера пояснюється взаємодія паралельних провідників зі струмом, а також орієнтуюча дія магнітного поля на рамку зі струмом. .Обертання рамки зі струмом у магнітному полі знайшло практичне застосування в електровимірювальних приладах (амперметри, вольтметри тощо), електричних двигунах.

Рис.2

Сила Лоренца. Електричний струм уявляє собою сукупність заряджених частинок, які здійснюють упорядкований рух. Тому дія магнітного поля на провідник зі струмом є результатом дії поля на рухомі заряди всередині провідника.

Силу, яка діє на рухому заряджену частинку з боку магнітного поля, називають силою Лоренца на честь голландського фізика Г. Лоренца – засновника теорії будови речовини.

Значення сили Лоренца можна знайти за допомогою закону Ампера. Модуль сили Лоренца дорівнює відношенню модуля сили F, що діє на ділянку провідника довжиною Δl, до кількості N заряджених частинок, які упорядковано рухаються на цій ділянці:

F_Л = F/N

Згідно електронної теорії сила струму у провіднику у провіднику визначається за формулою:

І = qnʋS

Де І – сила струму, q – заряд частинки, яка створює струм,

N = N /V – концентрація заряджених частинок у провіднику

ʋ - швидкість напрямленого руху частинок, S – площа перерізу провідника.

Підставимо у закон Ампера замість сили струму праву частину :

F = q_o nʋSΔlB Sinα

N = nSΔl,

таким чином сила Лоренца :

F = │q_o│ʋB Sinα ,

де α – кут між векторами швидкості та магнітної індукції.

Напрямок сили Лоренца визначається також за правилом лівої руки:

Якщо розташувати ліву руку так, щоб перпендикулярна складова швидкості заряду входила у долоню, а чотири пальці були напрямлені за рухом позитивного заряду ( проти руху негативного), то відігнутий на 90^о великий палець вкаже напрямок сили Лоренца. (рис.3).

Рис.3

Сила Лоренца перпендикулярна до векторів швидкості та магнітної індукції. Вона не змінює модуль швидкості частинки, а тільки її напрямок. Так, якщо вільна заряджена частинка влетить в магнітне поле так, що її швидкість буде перпендикулярною до ліній індукції, то траєкторією її подальшого руху буде коло. Сила Лоренца визначатиме доцентрове прискорення частинки.

Згідно другого закону Ньютона:

mʋ²/R = │q_o│ʋB,

звідси радіус кола:

R = mʋ/│q_o│B

Рух заряджених частинок в однорідних магнітних полях застосовують у багатьох пристроях, наприклад, у мас-спектрографах – апаратах для вимірювання мас заряджених частинок ( іонів, ядер різних атомів тощо).

Важливе значення для розвитку ядерної фізики мають прискорювачі елементарних частинок. Таку назву отримали установки, в яких заряджені частинки розганяються до швидкостей, близьких до швидкості світла ( а значить – до колосальних значень енергії). Такі прискорені пучки заряджених частинок потрібні для бомбардування атомних ядер з метою дослідження їхньої структури, розкриття природи ядерних сил, виявлення нових частинок, що народжуються під час взаємодії частинок високих енергій.

Магнітні властивості речовини.

У свій час Ампер для пояснення магнітних властивостей речовини висунув гіпотезу про молекулярні струми. За сучасними положеннями про будову речовини кожний електрон в атомі має власний спіновий та орбітальний магнітний моменти.

В залежності від кількості електронів в атомі та їх взаємного розташування на електронних оболонках навколо ядра може статися так, що сумарний магнітний момент атома буде дорівнювати нулю.

Дослідами доведено, що магнітне поле взаємодіє з усіма речовинами без виключення. Прояви цієї взаємодії бувають різними.

Візьмемо потужний електромагніт з полюсами у формі конусів та розмістимо між ними маленьку вісмутову кульку, зрівноваживши її на одному з плечей невеликих терезів. При замиканні кола електромагніту рівновага терезів порушиться: кулька буде виштовхуватися з магнітного поля. Так само буде виштовхуватися з магнітного поля полум’я свічки. Ці явища спостерігав що у ХІХ столітті М. Фарадей і назвав їх діамагнітними, а речовини, з якими вони відбуваються – діамагнетиками.

Ретельні дослідження показують, що внаслідок взаємодії діамагнетиків з магнітним полем магнітна індукція всередині їх В_д менше, ніж магнітна індукція зовнішнього поля В_о.

В_д < В_о .

Рівень взаємодії речовини і магнітного поля характеризує фізична величина – магнітна проникність.

Магнітна проникність дорівнює відношенню магнітної індукції поля в речовині В до до магнітної індукції «зовнішнього» поля В_о :

В

µ = ----------

В_о

Для діамагнетиків магнітна проникність дещо менше за одиницю:

µ_д < 1.

Взаємодія речовини і магнітного поля проявляється не тільки як діамагнетизм.

Якщо між полюсами електромагніту закріпити на плечі терезів алюмінієву кульку, то при замиканні кола вона буде втягуватися у простір, де магнітна індукція буде мати більше значення.

Такі явища називають парамагнітними, а самі речовини - парамагнетиками.

Для парамагнетиків В_п > В_о, а µ_п > 1.

Речовини, які сильно взаємодіють з магнітним полем, назвали феромагнетиками.

З простих речовин яскраво виражені феромагнітні властивості мають лише залізо, нікель, кобальт і гадоліній.

Особливістю феромагнетиків є велика магнітна проникність. Наприклад, чисте залізо має магнітну проникність до 340 000. Це пояснюється особливостями їх кристалічної структури. Атоми феромагнетиків об’єднуються так, що вся речовина поділяється на області, всередині яких атоми розміщені упорядковано – домени. Така область нагадує малесенький постійний магнітик. Магнітні поля доменів у не намагніченому феромагнетику напрямлені так, що компенсують одне одного. Якщо ж феромагнетик внести в магнітне поле, то починається перебудова доменів. Під дією зовнішнього магнітного поля з часом відбувається так зване насичення: всі домени зливаються в один великий домен, магнітна індукція якого за напрямком співпадає з індукцією зовнішнього поля.

Кристалічна структура феромагнетику, як і будь-якої речовини, залежить від його температури. При збільшенні внутрішньої енергії температура феромагнетику зростає, і його магнітні властивості змінюються. Температуру, за якої зникають магнітні властивості феромагнетиків, називають температурою, або точкою Кюрі. Значення точки Кюрі для різних феромагнетиків різні.

Речовина	Точка Кюрі, о С
Залізо	768
Нікель	358
Кобальт	1120
Гадоліній	17

Усі феромагнетики мають властивість, яку називають гістерезис( залишкова намагніченість). Прикладом такого збереження намагніченості у відсутності зовнішнього поля є постійні магніти.

Застосування магнітних властивостей речовини.

Під час взаємодії з магнітним полем змінюються не тільки магнітні властивості речовин, але й механічні, теплові, електричні і навіть хімічні.

Одним з цікавих прикладів використання дії магнітного поля на речовину є « омагнічування» води. Така вода не створює накипу в парових котлах, що дозволяє використовувати її без додаткової хімічної обробки. Бетон, замішаний на такій воді, міцніше за звичайний.

Явище підсилення магнітного поля феромагнетиками застосовується в різних електротехнічних пристроях: електромагнітних кранах, реле, електродвигунах, трансформаторах. Для цього використовують спеціальні сорти електротехнічної сталі.

Важко уявити собі сучасну електроніку без елементів, виготовлених зі штучних феромагнетиків – феритів. З них виготовляють антени, осердя коливальних контурів та трансформаторів. Поширені феритові постійні магніти.

Без магнітних матеріалів важко уявити сучасні методи запису інформації. Типовим прикладом пристрою для запису на магнітній плівці є магнітофон ( рис.4). В цьому апараті використовують спеціальну плівку, покриту тонким шаром феромагнітного матеріалу. Змінний електричний струм від підсилювача надходить на записуючу голівку – котушку з феромагнітним осердям, в якому є вузька щілина. При проходженні змінного струму по котушці у щілині голівки з’являється змінне магнітне поле, магнітна індукція якого також змінюється.

Коли плівка проходить над голівкою, на ній залишається ряд намагнічених ділянок, відповідних до електричного струму, що надається у голівку.

Подібний фізичний процес відбувається під час запису інформації на диску вінчестера у сучасному комп’ютері.

Рис.4

При відтворенні записаної інформації плівка здійснює рух над магнітною голівкою. Завдяки явищу електромагнітної індукції виникає змінний електричний струм, який після підсилення електронним підсилювачем подається на гучномовець або інший аналізуючий пристрій.

Запитання для самоперевірки:

1. Яку силу називають силою Ампера?

2. Сформулюйте закон Ампера.

3. Сформулюйте правило лівої руки для визначення напрямку сили Ампера.

4. Яку силу називають силою Лоренца?

5. Формула для розрахунку сили Лоренца.

6. Правило лівої руки для визначення напрямку сили Лоренца.

7. Як рухається вільна заряджена частинка в магнітному полі?

8. Практичне застосування сили Ампера.

9. Практичне застосування сили Лоренца.

10. Формула для обчислення радіуса траєкторії зарядженої частинки в магнітному полі.

11. Чи однаково речовини взаємодіють з магнітним полем?

12. Які речовини називають діамагнітними?

13. Як діамагнетики змінюють зовнішнє магнітне поле?

14. Що характеризує магнітна проникність речовини?

15. Які речовини називають парамагнітними?

16. Як парамагнетики змінюють магнітне поле7

17. Як за магнітною проникністю визначити, до якого класу належить дана речовина за своїми магнітними властивостями?

18. Які речовини відносяться до феромагнетиків?

19. Чому у феромагнетиків велика магнітна проникність?

20. Що таке домени?

21. Які процеси відбуваються під час намагнічування феромагнетиків?

22. Що відбувається з феромагнетиком за температури Кюрі?

23. Як пояснити існування постійних магнітів?

24. Які властивості феромагнетиків використовуються в електромагнітах?

25. Які властивості феромагнетиків використовують під час запису інформації?