- •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»
21.12. Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле
Р
ассмотрим
контур с током, образованный неподвижными
проводами и способной скользить по ним
подвижной перемычкой длины l
(рис. 21.12.1). Пусть этот контур находится
во внешнем магнитном поле, перпендикулярном
к плоскости контура (вектор
направлен за чертеж).
При
указанных направлениях тока и индукции
магнитного поля сила Ампера, действующая
на перемычку, будет направлена вправо
и равна
.
При перемещении перемычки вправо на dx
эта сила совершит элементарную работу
,
(21.12.1)
где dS – заштрихованная площадь.
Учитывая,
что
,
элементарная работа равна
.
При неизменной силе тока в контуре
работа по перемещению проводника в
магнитном поле равна произведению силы
тока в контуре на изменение магнитного
потока, сцепленного с контуром:
.
(21.12.2)
П
ример
21.12.1. Прямой провод длиной
с током
,
находящийся в однородном магнитном
поле с индукцией
,
расположен перпендикулярно линиям
магнитной индукции. Определить работу
сил поля, под действием которых проводник
переместился на
.
Дано:
,
,
,
.
При
движении провода с током в магнитном
поле, действующая на него сила Ампера
совершает работу (по 21.12.1)
.
Так как ток
постоянный, а поле однородно, то
.
О
твет:
.
П
ример
21.12.2. В однородном магнитном поле с
индукцией
находится квадратный проводящий контур
со стороной
с током
.
Плоскость квадрата составляет с
направлением поля угол
.
Определить работу удаления контура за
пределы поля.
Дано:
,
,
,
.
Решение.
У
гол
между нормалью к плоскости контура и
направлением поля составляет угол
(рис. 21.12.2).
Работа
по перемещению проводника с током в
магнитном поле равна
,
где
изменение магнитного потока сквозь
площадь, ограниченную контуром с током.
Усчитывая, что
,
где
(контур удален за пределы поля),
,
,
получим
.
Ответ:
.
Пример 21.12.3.
Круговой проводящий контур радиусом
и током
находится в магнитном поле, причем
плоскость контура перпендикулярна
направлению поля. Напряженность поля
.
Определить работу, которую необходимо
совершить, чтобы повернуть контур на
угол
вокруг оси, совпадающей с диаметром
контура.
Дано:
,
,
.
,
Работа
при вращательном движении
,
где М– вращающий момент, действующий
на контур,
угол поворота контура.
В
ращающий
момент, действующий на контур с током
в магнитном поле, равен
,
где
собственный
магнитный момент контура,
угол между нормалью к контуру и
направлением вектора индукции магнитного
поля.
Учитывая,
что
,
а
,
искомая работа будет равна:
.
О
твет:
.
Глава 22. Магнитное поле в веществе
22.1. Намагничивание магнетика. Вектор намагниченности
Если
проводники с током находятся не в
вакууме, а в какой-нибудь среде, то
магнитное
поле вокруг них будет отличаться от
магнитного поля, создаваемого этой
же системой проводников в вакууме. Любое
вещество является магнетиком, то есть
под воздействием магнитного поля оно
способно приобретать магнитный момент
(намагничиваться). Намагниченное вещество
создает магнитное поле
,
которое накладывается на созданное
проводниками с током магнитное поле
.
В результате в окружающем пространстве
создается магнитное поле
.
Для объяснения намагничивания тел Ампер предположил, что внутри молекул вещества циркулируют микроскопические токи (гипотеза Ампера). Каждый микроскопический ток обладает магнитным моментом и создает в окружающем пространстве магнитное поле, которое на оси тока равно
,
где
расстояние
от i-ого
молекулярного тока до рассматриваемой
точки на оси,
магнитный
момент тока. Тогда результирующее поле
микротоков
.
Характеристикой степени намагниченности вещества служит вектор намагниченности
,
(22.1.1)
равный магнитному моменту единицы объема вещества. В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты молекул ориентированы хаотически, вследствие этого вектор намагниченности равен нулю. Под действием внешнего магнитного поля происходит ориентация магнитных моментов молекул, и вектор намагниченности становится отличен от нуля.
Вектор
собственного магнитного поля вещества
можно представить в зависимости от
намагничивающего поля:
.
(22.1.2)
Величина
называется магнитной восприимчивостью
вещества. Магнитная восприимчивость –
величина безразмерная, но обычно
пользуются отнесенной к
одному
киломолю киломолярной восприимчивостью,
размерность которой
.
Р
езультирующее
поле в магнетике
,
(22.1.3)
где
магнитная
проницаемость среды. Таким образом,
магнитная проницаемость
показывает, во сколько раз магнитное
поле в веществе больше, чем созданное
теми же проводниками в вакууме.
Для большинства магнетиков (исключение – ферромагнетики) намагниченность связана линейно с напряженностью намагничивающего поля:
.
(22.1.4)
С
учетом этого
. (22.1.5)
Зависимость
магнитной индукции ферромагнетика от
напряженности магнитного поля
нелинейна
и изображается кривой начального
намагничивания
(рис.
22.1.1). Эту
зависимость впервые открыл А. Г. Столетов.
Магнитная
проницаемость ферромагнетика
непостоянна и зависит от напряженности
магнитного поля.
Пример 22.1.1. В
однородное магнитное поле вносится
длинный железный стержень (магнитная
проницаемость железа
).
Определите, какая доля суммарного
магнитного поля в этом стержне определяется
молекулярными токами. Решите эту задачу
для случая, если стержень сделан из
вольфрама (магнитная проницаемость
вольфрама
).
Дано:
,
.
Решение:
Р
езультирующее
поле в магнетике
.
Магнитная индукция поля, определяемая
молекулярными токами
.
Учитывая, что
,
а магнитная восприимчивость
,
.
Таким образом,
.
Для железа
,
для вольфрама
.
Ответ:
;
.
П
ример
22.1.2. Индукция магнитного поля в
ферромагнитном стержне
.
Определить его намагниченность, если
зависимость
для данного ферромагнетика представлена
на рис. 22.1.2.
Дано:
.
Решение.
П
о
графику, представленному на рис. 22.1.2,
находим, что для
напряженность магнитного поля
.
Учитывая, что
,
выразим магнитную проницаемость железа:
.
Следовательно, искомая намагниченность
железного стержня
Ответ:
.
