- •Раздел 4. Магнетизм
- •Глава 21. Постоянное магнитное поле
- •21.1. Характеристики магнитного поля
- •Р Дано: , , , . Ешение:
- •21.2. Магнитное поле движущегося заряда
- •21.3. Магнитное поле проводника с током Закон Био – Савара - Лапласа
- •21.4. Принцип суперпозиции магнитных полей
- •21.5. Примеры вычисления магнитных полей
- •Р Дано: , , , , ешение:
- •Р Дано: , . Ешение:
- •21.6. Циркуляция вектора напряженности магнитного поля (закон полного тока)
- •Р Дано: , , , , ешение:
- •2 1.7. Магнитное поле соленоида и тороида
- •Р Дано: , , , . Ешение:
- •21.8. Поток вектора магнитной индукции. Теорема Гаусса для магнитного поля
- •Р Дано: , , . Ешение.
- •21.9. Сила, действующая на элемент тока в магнитном поле. Закон Ампера
- •Р Дано: , , , . Ешение.
- •Р Дано: , , . Ешение.
- •21.10. Сила Лоренца
- •Р Дано: , , , . Ешение.
- •21.11. Закономерности движения заряженных частиц в магнитном поле
- •Р Дано: , . Ешение.
- •21.12. Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле
- •Глава 22. Магнитное поле в веществе
- •22.1. Намагничивание магнетика. Вектор намагниченности
- •22.2. Магнитное поле на границе двух магнетиков
- •22.3. Классификация магнетиков Магнитные моменты атомов и молекул
- •22.4. Электронная теория диамагнетизма и парамагнетизма
- •22.5. Природа ферромагнетизма
- •22.6. Явление электромагнитной индукции
- •22.7. Токи Фуко
- •22.8. Индуктивность контура. Самоиндукция
- •22.9. Токи при размыкании и замыкании цепей
- •Р Дано: , , . Ешение:
- •22.10. Энергия магнитного поля. Объемная плотность энергии магнитного поля
- •Р Дано: , , , . Ешение:
- •22.11. Явление взаимной индукции. Трансформаторы
- •Р Дано: , , , . Ешение:
- •Глава 23. Основы теории Максвелла
- •23.2. Ток смещения
- •23.3. Уравнения Максвелла в интегральной форме
- •Глава 24. Электромагнитные колебания. Переменный ток
- •24.1. Электромагнитные колебания в идеальном колебательном контуре
- •Аналогии между физическими величинами, характеризующими механические колебательные системы и электрические колебательные контуры (цепи)
- •Решение:
- •Р Дано: , . Ешение:
- •Р Дано: , , . Ешение:
- •24.2. Затухающие электромагнитные колебания. Добротность контура
- •Р Дано: . Ешение:
- •24.3. Вынужденные электромагнитные колебания Резонансы напряжений и токов
- •Р Дано: , , , . Ешение:
- •24.4. Переменный ток
- •Приложения Образец теста для промежуточного контроля знаний по теме «Взаимодействие зарядов. Напряженность и потенциал электростатического поля»
- •Образец теста для промежуточного контроля знаний по теме «Проводники и диэлектрики в электростатическом поле. Конденсаторы. Движение заряда в электростатическом поле»
- •Образец теста для промежуточного контроля знаний по теме «Электрический ток. Электрические цепи. Постоянный ток. Работа и мощность тока»
- •Образец теста для промежуточного контроля знаний по теме «Электрический ток в различных средах. Основы квантовой теории проводимости металлов»
- •Образец теста для промежуточного контроля знаний по теме «Постоянное магнитное поле. Магнитное поле в веществе»
- •Образец теста для промежуточного контроля знаний по теме «Электромагнитная индукция. Самоиндукция. Взаимная индукция»
- •Образец теста для промежуточного контроля знаний по теме «Основы теории Максвелла для электромагнитного поля. Электромагнитные колебания. Переменный ток»
22.2. Магнитное поле на границе двух магнетиков
Р
ассмотрим
две параллельные пластины из однородных
магнетиков, находящиеся во внешнем
магнитном поле. Выберем замкнутую
поверхность в виде очень тонкого
цилиндра, основания которого параллельны
поверхности раздела магнетиков и
находятся внутри этих магнетиков (рис.
22.2.1).
И
спользуем
для выбранной цилиндрической поверхности
теорему Гаусса:
.
Потоком вектора
через цилиндрическую поверхность можно
пренебречь, так как цилиндр выбран очень
тонким. После интегрирования получим
(знак минус возник из-за направления
вектора нормали и вектора магнитной
индукции). Следовательно, на границе
раздела двух магнетиков
.
(22.2.1)
Таким образом, нормальные составляющие вектора индукции магнитного поля не терпят разрыва на границе двух магнетиков, а только преломляются.
Используя формулу 22.1.3, получим для нормальных составляющих вектора напряженности магнитного поля:
.
(22.2.2)
Следовательно, нормальные составляющие вектора напряженности магнитного поля терпят разрыв на границе раздела двух магнетиков.
Исследуем поведение на границе раздела тангенциальных составляющих напряженности магнитного поля. Для этого рассмотрим сильно вытянутый прямоугольный контур L очень малого размера, расположенный так, чтобы длинные стороны контура были параллельны границе раздела (рис. 22.2.2).
Применим
к выбранному контуру закон полного тока
для магнитного поля в магнетиках
.
Нуль
в правой части является следствием
отсутствия в магнетиках макроскопических
токов. После интегрирования получим
или
.
(22.2.3)
При выводе это соотношения можно рассматривать поле в пределах длинных сторон прямоугольника как однородное и пренебречь длиной коротких сторон. Для тангенциальных составляющих вектора магнитной индукции получается следующее соотношение:
.
(22.2.4)
Таким образом, тангенциальные составляющие напряженности магнитного поля непрерывны (преломляются), а тангенциальные составляющие индукции магнитного поля терпят разрыв.
П
ример
22.2.1. Железное кольцо имеет зазор
длиной
.
Длина средней линии кольца
.
Сколько витков содержит обмотка на
кольце, если при силе тока
индукция магнитного поля в воздушном
зазоре
?
Рассеянием магнитного потока в зазоре
пренебречь.
Дано:
,
,
.
,
Пренебрегая
рассеянием магнитного потока, принимаем,
что индукция магнитного поля в зазоре
равна индукции поля в железе. На основании
закона полного тока:
П
о
графику (рис. 22.1.1) находим, что при
напряженность магнитного поля в железе
.
Так как для воздуха
,
то напряженность поля в воздушном зазоре
.
Искомое число витков
.
О
твет:
.
22.3. Классификация магнетиков Магнитные моменты атомов и молекул
Природа молекулярных токов Ампера стала понятной после опытов Резерфорда, установившего наличие в центре атома массивного положительного ядра и вращающихся вокруг него по замкнутым орбитам электронов. Круговой ток, создаваемый движущимся электроном, равен
,
где
период
вращения электрона. Орбитальный момент
такого тока равен
,
где
радиус
орбиты электрона,
линейная
скорость его движения.
Э
лектрон
в атоме обладает моментом импульса
(рис. 22.3.1). Модуль момента импульса
,
(учли, что
).
Отношение орбитального магнитного момента к моменту импульса электрона называется гиромагнитным отношением
.
Кроме
орбитального магнитного момента
и механического момента импульса
электроны обладают собственным (спиновым)
магнитным моментом
и собственным механическим моментом
импульса
,
которые не связаны с движением электрона
по орбите. Расчеты показывают, что
.
Проекция собственного магнитного момента на направление вектора внешнего магнитного поля может принимать только одно из следующих двух значений:
,
где
магнетон Бора, являющийся единицей
магнитного момента электрона
Полный
магнитный момент атома складывается
из орбитального и собственного (спинового)
магнитных моментов электронов:
.
В отсутствие внешнего магнитного поля
у атомов некоторых элементов полный
магнитный момент равен нулю
;
у атомов других элементов полный
магнитный момент отличается от нуля
.
Все магнетики можно разделить на три большие группы.
Диамагнетики (инертные газы: He, Ar; многие металлы: Cu, Ag, Au, Zn, Bi, Hg; вода, стекло и некоторые органические соединения).
У
диамагнетиков магнитная восприимчивость
и мала по абсолютной величине
.
Соответственно, магнитная проницаемость
немного меньше единицы
.
В отсутствие внешнего магнитного поля
полный магнитный момент атомов
диамагнетиков равен нулю.
Парамагнетики (газы: О2, H2, N2; металлы: Al, K, Na и др.).
К
парамагнетикам относятся вещества, у
которых магнитная восприимчивость
и мала по абсолютной величине
.
Соответственно, магнитная проницаемость
немного больше единицы
.
В отсутствие внешнего магнитного поля
полный магнитный момент атомов
парамагнетиков отличен от нуля.
Ферромагнетики (Fe, Co, Ni, сплавы на их основе, чугун, сталь).
К
ферромагнетикам относятся вещества, у
которых магнитная восприимчивость и
магнитная проницаемость значительно
больше единицы
,
.
Например, для железа
,
для сплава «супермаллой»
.
Кроме того, в отличие от диамагнетиков
и парамагнетиков, для которых
не зависит от Н,
магнитная восприимчивость ферромагнетиков
является нелинейной функцией от
напряженности магнитного поля. Сначала
растет с увеличением Н,
затем, достигая максимума, начинает
уменьшаться, стремясь в случае сильных
полей к 1
(рис. 22.3.2). Поэтому для ферромагнетика
зависимость J
от Н
(В
от Н),
называемая кривой намагничивания,
нелинейна, в отличие от диамагнетиков
и парамагнетиков (рис. 22.3.3).
