Физика магнитные явления природе природе. Перемещение электронов и электрический ток. Магнитные свойства. Классы веществ

Обобщающий урок физики по теме: "Магнитные явления".

Цели:

Образовательные – обобщить и систематизировать знания учащихся о магнитном поле, о его свойствах; способствовать развитию интереса к изучению физики;

Развивающие – в целях формирования научного мировоззрения подчеркнуть реальность и объективность существования магнитного поля, указать экспериментальные факты, доказывающие это положение; развивать интеллектуальные способности учащихся через умение решать задачи повышенной сложности, анализировать полученный результат, делать выводы; уметь излагать в доступной научной форме свои мысли; уметь обобщать материал; развивать свой кругозор.

Воспитательная – воспитывать умение преодолевать трудности, выслушивать оппонентов, отстаивать свою точку зрения, уважать окружающих, воспитывать чувство коллективизма и умение работать в группе.

Оборудование: интерактивная доска, плакат с кроссвордом, карточки с разноуровневыми заданиями, жетоны.

План урока

1. Организационный момент – (1 мин).
2. Физкультминутка.(2 мин)
3. Объявление темы и целей урока.(1 мин)
4. Актуализация знаний.(5 мин)

4. Видеосюжет «Магнитная стрелка». (1 мин)

5. Разгадывание кроссворда – 4 мин.

6. Групповая работа.

1 задание: 15 минут

Каждой группе дается карточка с шестью разноуровневыми вопросами. Время на подготовку 1 минута.

2 задание: Заполнить таблицу. 5 мин.

3 задание: Игра «Домино». 6 мин

Индивидуальная работа с учащимися (решение задачи – 3 человека) и с остальными учащимися - игра «Домино».

1. Решение задачи у доски с комментариями – 1 человек. (по ходу проверяю решение индивидуальных задач)
2. Видеосюжет «Явление электромагнитной индукции».1 мин
3. Загадки.
4. Подведение итогов.
5. Рефлексия.

Ход урока.

1. Организационный момент.
2. Физкультминутка.
3. Объявление целей урока.

Ребята, сегодня у нас обобщающий урок по разделу «Магнитные явления». Эпиграфом нашего урока являются слова Ф.И.Тютчева:

Не то, что мните вы, природа:

Не слепок, не бездушный лик, -

В ней есть душа, в ней есть свобода

В ней есть любовь, в ней есть язык!

Да у природы есть свой язык, и мы должны его понимать. На каждом уроке физики, при изучении любого явления мы учимся этому языку. Путь познания природы таков:

Открытие – исследование – объяснение – применение.

Цель нашего урока – обобщить и систематизировать ранее полученные знания.

В течении урока ответ каждого учащегося будет оцениваться одним баллом (жетоном) и суммарным количеством баллов в конце урока будет выставляться оценка.

От 1-3 – оценка «3», 4-6 – «4», 7 – и более – оценка «5»

1. Фронтальный опрос.

Учитель: Уважаемые ребята, на сегодняшнем уроке нам предстоит еще раз рассмотреть вопрос о магнитных явлениях и о свойствах магнитного поля.

Что такое магнитное поле?

(Магнитное поле представляет собой особую форму материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами.)

Каковы свойства магнитного поля?

(1. Магнитное поле порождается током.

2. Магнитное поле обнаруживается по его действию на ток или на магнитную стрелку.)

Как называется величина, характеризующая магнитное поле? (Эта величина называется – Магнитная индукция)

Ребята мы уже говорили о том, что магнитное поле возникает в результате электрического поля. А давайте еще раз посмотрим порождение магнитного поля электрическим на интерактивной доске.

5. Видеосюжет «Магнитная стрелка».

Кто из ученых определил величину силы, действующей на проводник с током, помещенный в магнитное поле, и как она называется?

(Величину этой силы определил английский ученый Ампер. Она получила название в честь него как сила Ампера.)

Кто из ученых определил величину силы, действующей со стороны магнитного поля на движущийся заряд?

(Величину силы, действующей на движущийся заряд в магнитном поле, определил Лоренц.)

Приведите примеры использования магнитных полей для различных целей.

(Магнитные поля используются в измерительных электрических приборах, для измерения отклонения электронного пучка в электронно-лучевой трубке или в кинескопе телевизора, для нахождения масс элементарных заряженных частиц, в электромагнитах. В природе магнитное поле Земли предохраняет все живое на земле от потока космических частиц.)

6. Разгадывание кроссворда

- А теперь, ребята, давайте разгадаем кроссворд, который у нас находится на магнитной доске.

Мы по вертикали получили слово «Фарадей». Кто он, какой вклад он внес в развитие физики? Фарадей – первый опытным путем доказал явление электромагнитной индукции.

7. Группа делится на три команды. (парамагнетики, ферромагнетики, диамагнетики)

1 задание: время 15 минут

Каждой группе дается карточка с шестью разноуровневыми вопросами. Время на подготовку 1 минута. (2 группа 4 задание – демонстрация опыта)

2 задание: время 5 мин

Заполнить таблицу.

3 задание: 6 мин (игра «Домино»)

Индивидуальная работа с учащимися и с остальными учащимися - игра «Домино»

1. Видеосюжет «Явление электромагнитной индукции».

Ребята, вначале урока мы с вами просмотрели сюжет того, что магнитное поле возникает в результате электрического. Теперь давайте посмотрим явление, обратное ему, т.е. магнитное поле создает электрическое поле.

1. Подведение итогов.

Командиры выставляют самооценки.

1. Рефлексия.

Дети, понравился ли вам сегодня наш урок?

Чем именно он вам понравился?

Где у вас были затруднения?

Нужно ли проводить такие уроки?

11. Домашнее задание: по тетради повторить основные понятия .

Природа магнетизма

1. Курс физической химии (под. ред. Герасимова Я.И.) М.: Химия, 1969. Т.1.

2. Курс физической химии (под ред. Краснова К.С.) кн.1. М., Высш. шк., 1995.

3. Краткий справочник физико-химических величин под ред. А.А. Равделя и А.М.Пономаревой. Л., Химия, 1983.

4. Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. Л., Химия.

ГЛАВА 1

ФИЗИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МАГНИТНЫХ

ИЗМЕРЕНИЙ

Природа магнетизма

Явление магнетизма было открыто еще в древности как поле постоянных магнитов. Долгое время магнетизм, как особая форма материи, объяснялся моделью Кулона, представляющей совокупность зарядов двух знаков. И до сих пор это открытие находит применение в научных теоретических исследованиях и разработке выводов. После открытия Эрстедом магнитного поля токов и последующих исследований ряда других физиков была установлена полная эквивалентность свойств магнитных полей токов и магнитов. По теореме Ампера, магнитное поле замкнутого постоянного тока можно рассматривать как поле диполя, состоящего из магнитных зарядов положительного и отрицательного знаков. Ампером была высказана мысль о появлении при наличии магнитов электрических молекулярных токов, которые создают магнитное поле. Но это не свободные макроскопические токи, а микроскопические связанные токи, циркулирующие в пределах отдельных молекул вещества. Предположение Ампера в дальнейшем получило подтверждение.

Всякое вещество в природе является магнетиком, оно способно под действием магнитного поля намагничиваться и приобретать собственный магнитный момент. Магнетиками называются вещества, которые при внесении их во внешнее поле изменяются так, что сами становятся источниками дополнительного магнитного поля. Намагниченное вещество создает магнитное поле В 1 , которое накладывается на первичное поле В о. Оба поля в сумме дают результирующее поле

В = В о + В 1. (1.1)

Намагничивание тел Ампер объясняет циркулированием в молекулах вещества круговых токов (молекулярных токов). Токи обладают магнитными моментами, которые создают в окружающем пространстве магнитное поле. В отсутствие внешнего поля молекулярные токи ориентированы беспорядочно, вследствие чего обусловленное ими результирующее поле равно нулю. Суммарный магнитный момент тела в этом случае равен нулю. Под действием внешнего магнитного поля магнитные моменты молекул приобретают преимущественную ориентацию в одном направлении, вследствие чего магнетик намагничивается и его суммарный момент становится отличным от нуля. Магнитные поля отдельных молекулярных токов уже не компенсируют друг друга, и возникает поле В 1 . Это явление открыто экспериментально Фарадеем в 1845 г.

Магнитные свойства молекулы приобретают за счет магнитных свойств составляющих их атомов. Известно, что атом состоит из положительного ядра, окруженного отрицательными электронами. Движущийся электрон по орбите вокруг ядра с постоянной скоростью эквивалентен замкнутому контуру орбитального тока J:

J = e ¦,

где e – абсолютная величина заряда электрона, ¦ – частота его обращения по орбите. Орбитальный магнитный момент Р m электрона равен

Р m = J S n,

где S – площадь орбиты, n – единичный вектор нормали к плоскости орбиты.

Геометрическую сумму орбитальных магнитных моментов всех электронов атома называют орбитальным магнитным моментом μ атома. Кроме того, известно, что электрон еще обладает собственным моментом импульса, который ничего общего не имеет с его движением по орбите. Он ведет себя так, как будто постоянно вращается вокруг собственной оси. Это свойство называется спином электрона. Модуль спина электрона зависит от постоянной Планка h:

С этим внутренним моментом количества движения связан магнитный момент неизменной величины. Направление этого магнитного момента совпадает с направлением, ожидаемым для электрона, если его представить в виде отрицательно заряженного шара, вращающегося вокруг оси. Величина спинового магнитного момента всегда одинакова, внешнее поле может повлиять только на его направление.

Если спиновые моменты электрона могут свободно ориентироваться в веществе, то можно ожидать, что они легко расположатся в направлении приложенного поля В , т.е. сами выберут ориентацию энергии. Можно считать, что магнитные свойства вещества зависят от приложенного индуцированного поля.

В состав ядер атомов различных элементов входят еще и протоны. Их количество в ядре соответствует порядковому номеру элемента в периодической системе Д.И.Менделеева. Протон обладает положительным электрическим зарядом, численно равным заряду электрона. Масса протона в 1836.5 раза превышает массу электрона. В классической модели протон представляется как масса, несущая положительный заряд и вращающаяся вокруг собственной оси. Протон представляется в виде элементарной вращающейся массы, обладающей моментом импульса за счет вращения вокруг собственной оси. Вращение протона, несущего электрический заряд, создает кольцевой ток, который, в свою очередь, обуславливает магнитный момент, называемый собственным магнитным моментом, или спиновым магнитным моментом протона.

Движение элементарных частиц атома вещества в магнитном поле создает суммарный магнитный эффект, который является количественной характеристикой намагниченного состояния вещества. Эта векторная величина называется намагниченностью, она равна отношению магнитного момента макроскопически малого объема вещества υ к величине этого объема:

J = , (1.2)

где – магнитный момент атома, содержащийся в объеме υ . Другими словами, намагниченность есть объемная плотность магнитного момента магнетика.

Вещество, в котором содержится равномерно распределенное во всем объеме большое количество одинаково направленных атомных магнитных диполей, называется равномерно намагниченным. Вектор намагниченности J является произведением числа ориентированных диполей в единице объема и магнитного момента μ каждого диполя.

Рис. 1.1. Магнитное поле вокруг намагниченного цилиндра

Рассмотрим опытные исследования. Магнитное поле около намагниченного стержня, например стрелки компаса, очень похоже на электрическое поле электрически поляризованного стержня, который имеет избыток положительных зарядов на одном конце и избыток отрицательных зарядов – на другом. Получаем, что и магнитное поле имеет свои источники, которые связаны с ним таким же образом, как электрический заряд связан с электрическим полем. Один магнитный заряд можно назвать северным полюсом, а другой – южным.

На рис. 1.1 демонстрируется магнитное поле вокруг намагниченного цилиндра, видимое благодаря ориентации мелких кусочков никелевой проволоки, погруженных в глицерин. Исследования выполнены в физической лаборатории Пальмера Принстонского университета (Э. Парселл) /21/. Опыт показывает, что не удалось получить избытка изолированных магнитных зарядов одного знака, а наоборот, подтверждает, что заряды существуют в паре и между ними есть связь. Исследователи утверждают, что обычное вещество «сделано» из электрических зарядов, а не из магнитных.

Можно сделать вывод, что источником магнитного поля являются электрические токи. Это подтверждает мысль Ампера о том, что магнетизм можно объяснить существованием множества крошечных колец электрического тока, распределенных по всему веществу.

Природа магнитных явлений

Все вещества без исключения реагируют при наложении внешнего магнитного поля. Если рассматривать электронную орбиту как контур с током, то при наложении магнитного поля, в соответствии с правилом Ленца, должна индуцироваться э.д.с., которая в свою очередь создаст магнитное поле, направленное против внешнего. Следовательно, внутри материала напряженность магнитного поля будет уменьшаться. Его относительное уменьшение – диамагнитная восприимчивость – величина порядка 10 -8 . Диамагнетизмом обладают все вещества, и его величина почти не зависит от температуры.

Кроме магнитного момента, возникающего благодаря движению электрона по орбите, электрон, обладая собственным спиновым моментом количества движения, имеет спиновой магнитный момент. Поэтому в общем случае атом вещества может иметь собственный результирующий магнитный момент. В отсутствии магнитного поля магнитный момент тела равен нулю вследствие беспорядочного распределения атомных магнитных моментов. Действие магнитного поля будет сводиться к ориентации магнитных моментов атомов в направлении приложенного поля, и внутри материала напряженность магнитного поля будет увеличиваться – парамагнитный эффект.

Парамагнетизм, как и диамагнетизм, сравнительно слабый эффект, и вещества, в которых имеют место только эти эффекты, носят название слабых магнетиков (). При снятии поля оба эффекта устраняются. Температурная зависимость парамагнитного эффекта опи­сывается законом Кюри – Вейса:

где и Θ p – константы, – парамагнитная восприимчивость.

По своей реакции на внешнее магнитное поле от диа- и парамагнетиков резко отличаются вещества, обладающие магнитноупорядоченным состоянием (ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики). Это вещества, в которых независимо от внешнего поля магнитные моменты спинов электронов выстраиваются параллельно друг другу (ферромагнетизм) или антипараллельно (антиферромагнетизм). Магнигоупорядоченное состояние имеет квантово-механическую природу. Вероятностное определение местонахождения "волны – частицы" электрона, даваемое квантовой механикой, позволило понять, что заставляет магнитные моменты выстраиваться параллельно - это так называемая энергия обменного взаимодействия. Можно сказать, чтоэто электростатическая энергия взаимодействия двух электронов, когда первый электрон находится на месте второго, а второй на месте первого. Вероятность такой ситуации в квантовой механике не равна нулю. При определенном расстоянии между взаимодействующими атомами энергия обменного взаимодействия будет минимальна, если магнитные моменты спинов параллельны (ферромагнетизм) или антипараллельны (антиферромагнетизм).

Итак, упорядоченное выстраивание магнитных моментов спинов электронов есть результат взаимодействия электронов. Встает вопрос, а какое направление выберут магнитные моменты спинов в кристаллической решетке? В этом случае необходимо учесть пространственное расположение орбиты электрона в кристаллической решетке. В силу вступает взаимодействие между магнитными моментами орбит и магнитными моментами спинов. Это взаимодействие, обозначаемое как энергия магнитной кристаллографической анизотропии, и определяет направление, в котором выстроятся магнитные моменты спинов, Возникает магнитная кристаллическая анизотропия (различие в направлениях) спонтанного намагничивания в кристаллической решетке. Для железа, например, направлением, в котором выстраиваются магнитные моменты, является ребро куба элементарной ячейки.

Магнитные явления

Отличие электрического и магнитного взаимодействия проявляется, например, в том, что для разделения электрических зарядов можно натирать разные предметы друг от друга, а для получения магнитов тереть предметы друг о друга бесполезно. Обернув мокрой тканью заряженный предмет, можно уничтожить его электрический заряд. Та же процедура по отношению к магниту не приведет к исчезновению магнитных свойств. Намагничивание магнитных материалов в присутствии других магнитов не приводит к разделению электрических зарядов. Эти два вида взаимодействия предметов на расстоянии не сводятся один к другому.

Экспериментальное исследование магнитов и различных материалов показывает, что некоторые предметы постоянно обладают магнитными свойствами, то есть являются «постоянными магнитами», а другие тела обретают магнитные свойства только в присутствии постоянных магнитов. Существуют также материалы, которые не имеют явно выраженных магнитных свойств, то есть они не притягиваются к сильным постоянным магнитам и не отталкиваются от них. Собственные и индуцированные магнитные свойства предметов приводят к аналогичным эффектам. Например, постоянные полосовые магниты, образцы которых есть обычно в каждом кабинете физики в любой школе, при подвешивании их в горизонтальном положении ориентируются так, что своими концами показывают на север и на юг. Одно это свойство магнитов немало послужило человеку. Компас был придуман очень давно, однако количественное изучение магнитных свойств предметов и математический анализ этих свойств были проведены только в 18-19 веках.

Представим себе, что у нас есть «длинные» магниты, которые имеют сильно разнесенные друг от друга полюса. Если два полюса двух разных магнитов поместить близко друг к другу, а вторые полюса этих же магнитов будут при этом находиться далеко друг от друга, то силовое взаимодействие между близкими полюсами описывается такими же формулами, как и в законе Кулона для электростатического поля. Каждому полюсу магнита можно приписать магнитный заряд, который будет характеризовать его «северность» или «южность». Можно придумать процедуру, включающую измерения сил или моментов сил, которая позволяла бы сравнивать магнитные «заряды» любых магнитов с эталоном. Это мысленное построение позволяет решать практические задачи при условии, что мы пока не задаемся вопросом: а как устроен длинный полосовой магнит, то есть что там внутри магнита в области пространства, соединяющей два магнитных полюса.

Можно ввести единицу магнитного заряда. Самая простая процедура для определения такой единицы – считаем, что сила взаимодействия двух «точечных» магнитных полюсов единичного магнитного заряда, находящихся друг от друга на расстоянии 1 метр, равна 1 Ньютону. Поскольку попытки разделения магнитных полюсов всегда были неудачными, то есть в месте разреза полосового магнита всегда возникали два противоположных магнитных полюса, величины которых в точности равнялись величинам концевых полюсов, был сделан вывод о том, что магнитные полюса всегда существуют только парами. Следовательно, любой длинный полосовой магнит можно представлять в виде составленных в цепочку более коротких магнитов. Аналогично любой магнит конечных размеров может быть представлен в виде большого количества коротких магнитиков, распределенных по пространству.

Для описания силового взаимодействия электрических и магнитных зарядов используется одна и та же идея о существовании в пространстве некоторого силового векторного поля. В «электрическом» случае соответствующий вектор называется вектором напряженности электрического поля Е . Для «магнитного» случая соответствующий вектор называется вектором индукции магнитного поля В . (1)

Поля в обоих случаях можно описывать распределением в пространстве «силовых векторов». Для северного магнитного полюса направление силы, действующей на него со стороны магнитного поля, совпадает с направлением вектора В , а для южного полюса сила направлена противоположно этому вектору. Если величину «магнитного заряда» с учетом его знака («северности» или «южности») обозначит символом N, то сила, действующая на магнитный заряд со стороны магнитного поля равна F =NB .

Аналогично тому, как мы поступили при описании взаимодействия электрических зарядов через поле, мы поступаем и при описании взаимодействия магнитных зарядов. Магнитное поле, созданное точечным магнитным зарядом в окружающем пространстве, описывается в точности такой же формулой, как и в случае электрического поля.

B = К м NR /R 3 .

Константа К м – это коэффициент пропорциональности, который зависит от выбора системы единиц. Для взаимодействия магнитных зарядов тоже справедлив закон Кулона, а также справедлив и принцип суперпозиции.

Напомним, что закон Кулона (или закон Всемирного тяготения) и теорема Гаусса близнецы братья. Поскольку магнитные полюса по отдельности не существуют, а любой магнит может быть представлен в виде комбинации пар полюсов противоположной полярности и с равными величинами, то в случае магнитного поля поток вектора индукции магнитного поля через любую замкнутую поверхность всегда равен нулю.

Мы с вами обсуждаем магнитные явления и пользуемся представлением о магнитных зарядах, как будто они реально существуют. На самом деле это просто один из способов описания магнитного поля в пространстве (описания магнитного взаимодействия). Когда мы выясним свойства магнитного поля подробнее, мы перестанем пользоваться этим способом. Он нам нужен, как строителям леса для возведения здания. После окончания строительства леса разбирают и они больше не видны и не нужны.

Самое интересное, что магнитное поле (статическое) не оказывает никакого действия на покоящийся электрический заряд (или диполь), а электрическое поле (статическое) не оказывает никакого действия на покоящиеся магнитные заряды (или диполи). Ситуация такая, как будто поля существуют независимо друг от друга. Однако покой, как мы знаем, понятие относительное. При выборе другой системы отсчета «покоящееся» тело может стать «движущимся». Выяснилось, что электрическое и магнитное поле – это нечто единое, и каждое из полей представляет собой как бы разные стороны одной медали.

Это сейчас мы с легкостью говорим о родстве электрического и магнитного полей, а вплоть до начала 19 века электрические и магнитные явления не считались связанными. Об этой связи догадывались, искали экспериментальные подтверждения. Например, французский физик Араго собирал сведения о кораблях, сбивавшихся с курса после того, как в корабль ударяла молния. «Молния – испорченный компас» – связь есть, но как повторить эксперимент? Воспроизвести молнию тогда еще не умели, поэтому систематическое исследование провести было невозможно.

Точкой отсчета для начала понимания связи этих явлений послужило открытие, которое довелось сделать в 1820 году датчанину Гансу Христиану Эрстеду. Было установлено влияние электрического тока, протекающего по длинной прямой проволоке, на ориентацию расположенной рядом с проводом подвижной магнитной стрелки. Стрелка стремилась расположиться перпендикулярно проволоке. Обратное явление: влияние магнитного поля на электрический ток было открыто экспериментально Ампером.

Маленький плоский виток с током испытывает в магнитном поле как силовое, так и ориентирующее воздействие. Если магнитное поле однородно, то суммарная сила, действующая на виток с током равна нулю, при этом виток ориентируется (принимает равновесное расположение), при котором его плоскость перпендикулярна направлению вектора индукции магнитного поля. Для установления единицы величины индукции магнитного поля можно использовать и это механическое явление.

За несколько последующих за 1820 годом лет были выяснены основные особенности взаимодействия проводников с током между собой и с постоянными магнитами. Часть из них теперь называется законами. Эти законы связаны с именами физиков Ампера, Био, Савара, Лапласа. Самые общие выводы из установленных законов взаимодействия оказались такими:

1. Заряженные частицы создают в пространстве вокруг себя электрическое поле.
2. Электрическое поле одинаково действует на заряженные частицы, движущиеся или покоящиеся.
3. Движущиеся заряженные частицы создают в пространстве вокруг себя магнитное поле.
4. Магнитное поле оказывает силовое действие на заряженные частицы, находящиеся в движении, и не действует на покоящиеся заряженные частицы.
5. Электрическое и магнитное поля, созданные заряженной частицей, при изменении ее положения и состояния движения не меняются во всем пространстве мгновенно, а имеет место задержка.

Мы с вами, изучая механику, пользовались законами Ньютона, из которых следует, что материальная точка, движущаяся с ускорением в какой-либо одной инерциальной системе отсчета, имеет такое же ускорение во всех других ИСО независимо от выбора. Теперь выяснилось, что магнитное поле действует только на движущиеся заряженные частицы. Представим себе, что в некоторой ИСО заряженная частица движется в магнитном поле, а электрического поля нет. Пересядем в другую инерциальную систему отсчета, в которой в данный момент времени рассматриваемая частица имеет нулевую скорость. Силовое воздействие со стороны магнитного поля пропало, а частица должна таки двигаться с ускорением!!! Что-то неладно в Датском королевстве! Чтобы покоящаяся в данный момент заряженная частица имела ускорение, она должна находиться в электрическом поле!

Вот так – оказывается, что электрическое и магнитное поля не являются абсолютными, а зависят от выбора системы отсчета. Абсолютным является наличие взаимодействия, а вот как оно будет описываться, «электрическим» или «магнитным» способом, зависит от выбора системы отсчета. Следовательно, мы должны понимать, что электрическое и магнитное поля не являются независимыми друг от друга. На самом деле правильно будет рассматривать единое электромагнитное поле. Отметим, что правильное описание полей дано в теории Джеймса Клерка Максвелла. Уравнения в этой теории написаны так, что их вид не меняется при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую. Это первая «релятивистская» теория в физике.

Электрические токи и магнитное поле

Линии индукции замкнуты, и в случае длинного прямого проводника с током эти замкнутые линии имеют форму окружностей, расположенных в плоскостях перпендикулярных проводнику с током. Центры этих окружностей находятся на оси проводника с током. Направление вектора магнитной индукции в заданной точке пространства (касательного к линии магнитной индукции) определяется правилом «правого винта» (буравчика, шурупа, штопора). Направление, в котором смещается штопор, изображенный на рисунке, при вращении вокруг его оси, соответствует направлению тока в длинной прямой поволоке, а направления, в которых движутся крайние точки его ручки, соответствуют направлению вектора магнитной индукции в тех местах, где эти концы ручки находятся.

Для схематического рисунка с концентрическими окружностями заряженные частицы в проволоке, расположенной перпендикулярно к плоскости рисунка, движутся вдоль этой проволоки и если бы двигались положительно заряженные частицы, то они уходили бы «от нас за эту плоскость». Если в проволоке движутся отрицательно заряженные электроны, то они тоже движутся вдоль проволоки, но «к нам из под плоскости рисунка».

Мешающим фактором являлось магнитное поле Земли. Чем большим был ток в проволоке, тем точнее ориентировались стрелки в направлении касательной к окружности с центром в месте нахождения проволоки. Вывод достаточно очевиден – вокруг проводника с током появилось магнитное поле. Магнитные стрелки выстраиваются вдоль вектора индукции магнитного поля.

По третьему закону Ньютона магнитная стрелка (магнит или его магнитное поле) в свою очередь тоже действует на проводник с током. Оказалось, что на прямой участок проводника длиной L, по которому течет ток I, со стороны однородного магнитного поля с индукцией В действует сила, пропорциональная L, I и В, причем направление силы зависит от взаимной ориентации векторов L и В . Вектор L совпадает по направлению с направлением скорости положительных заряженных частиц, которые создают электрический ток в этом отрезке провода. Эта сила получила название по имени одного из активных исследователей магнитных явлений – А.М. Ампера.

F =K I [L ×B ].

Здесь К – это коэффициент пропорциональности. Квадратными скобками обозначено векторное произведение двух векторов. Если проводник не прямой и магнитное поле не является однородным, то в этом случае для нахождения силы, действующей на проводник с током, нужно разбить его (мысленно) на множество небольших отрезков. Для каждого маленького отрезка можно считать, что он находится в однородном поле. Общая сила найдется суммированием сил Ампера по всем этим отрезкам.

Взаимодействие проводников с током

В системе СИ в формуле для силы Ампера коэффициент пропорциональности К выбирается равным единице:

F = I [L ×B ].

Сила Лоренца

F = q [v ×В ].

При наличии в пространстве и электрического, и магнитного поля заряженная частица испытывает действие силы:

F = q [v ×В ] + qЕ .

Силу, действующую на заряженную частицу, в электромагнитном поле называют силой Лоренца. Это выражение для силы справедливо всегда, а не только для стационарных полей.

Если вычислить работу силы Лоренца, которую она совершает при элементарном перемещении частицы, то выражение для силы нужно скалярно умножить на произведение v Δt. Первое слагаемое в формуле для силы Лоренца – это вектор перпендикулярный скорости частицы, поэтому умножение его на v Δt дает нуль.

Таким образом, магнитная составляющая силы Лоренца при перемещении заряженной частицы не совершает работу, поскольку соответствующие элементарные перемещения и магнитная составляющая силы всегда перпендикулярны друг другу.

Какое магнитное поле порождается током?

При выводе (точнее сказать: подборе) общей формулы было сделано предположение, о том, что суммарное поле складывается из отдельных частей, причем выполняется принцип суперпозиции, то есть поля, созданные разными участками проводников с током, складываются как векторы. Каждый участок проводника с током, а фактически каждая движущаяся заряженная частица, создает в окружающем пространстве магнитное поле. Результирующее поле в данной точке возникает как результат сложения векторов магнитной индукции, созданных каждым участком проводника с током.

Элементарная составляющая вектора магнитной индукции ΔВ , созданная малым участком проводника Δl с током I в точке пространства, отличающейся положением от этого участка проводника на вектор R , находится в соответствии с формулой:

ΔВ = (μ 0 /4π) I [Δl ×R ]/R 3 .

Здесь [Δl ×R ] – это векторное произведение двух векторов. Размерный коэффициент (μ 0 /4π) вводится именно в таком виде в системе СИ из соображений удобства, которые, повторимся, в школьной физике никак не проявляются.

Поле, созданное проводником произвольной формы, как обычно, находится суммированием элементарных векторов магнитной индукции, созданных небольшими участками этого проводника. Все экспериментальные результаты с постоянными токами подтверждают предсказания, полученные с помощью написанной выше формулы, которая носит имя: Био – Савара –Лапласа.

Вспомним определение тока, которое мы вводили в прошлом семестре. Ток – это поток вектора плотности тока через выбранную поверхность. В формулу для нахождения плотности тока входила сумма по всем движущимся заряженным частицам:

J = Σq i v i /V, I=(J S )

В формулу Био – Савара –Лапласа, следовательно, входит произведение (Δl S ), а это объем проводника, в котором движутся заряженные частицы.

Можно сделать вывод, что магнитное поле, созданное участком с током, возникает в результате совместного действия всех заряженных частиц этого участка. Вклад каждой частицы, имеющей заряд q и движущейся со скоростью v равен:

В = (μ 0 /4π) q [v ×R ]/R 3 = μ 0 ε 0 [v ×Е ],

Где Е = q R /(4πε 0 R 3).

Здесь R – это радиус вектор, начало которого расположено в точке, где находится частица, а конец вектора находится в той точке пространства, где ищется магнитное поле. Вторая часть формулы показывает, как связаны друг с другом электрическое и магнитное поля, созданные заряженной частицей в одной и той же точке пространства.

Е - электрическое поле, созданное той же частицей в той же точке пространства. μ 0 =

4π×10 -7 Гн/м - магнитная постоянная.

«Нецентральность» сил электромагнитного взаимодействия

Пусть все другие частицы находятся очень далеко от этой пары частиц. Выберем для описания взаимодействия систему отсчета, связанную с центром масс этих частиц.

Сумма внутренних электрических сил, очевидно, равна нулю, так как они направлены в противоположные стороны, расположены вдоль одной прямой и равны друг другу по величине.

Сумма магнитных сил тоже равна нулю:

Qμ 0 ε 0 [v 2 [v 1 ×Е 1 ]] + qμ 0 ε 0 [v 1 [v 2 ×Е 2 ]] = 0

v 2 = – v 1 ; Е 1 = – Е 2 .

А вот сумма моментов внутренних сил может не быть равной нулю:

Qμ 0 ε 0 [R 12 [v 2 [v 1 ×Е 1 ]]] = qμ 0 ε 0 [v 1 ×Е 1 ](R 12 v 2 ).

Может показаться, что найден пример, опровергающий третий закон Ньютона. Однако следует отметить, что сам третий закон сформулирован в модельном виде при условии, что есть только два участника взаимодействия, причем в нем никак не рассматривается природа передачи взаимодействия на расстоянии. В данном случае участников события три: две частицы и электромагнитное поле в пространстве вокруг них. Если система изолирована, то для неё в целом выполняется закон сохранения импульса и момента импульса, поскольку не только частицы, но и само электромагнитное поле обладает этими характеристиками движения. Из этого следует, что рассматривать взаимодействие движущихся заряженных частиц нужно обязательно с учетом изменения в пространстве электромагнитного поля. Мы будем обсуждать (в одном из следующих разделов) возникновение и распространение в пространстве электромагнитных волн при ускоренном движении заряженных частиц.

Если выбрать какую-нибудь другую систему отсчета, в которой модули скоростей этих частиц v 1 и v 2 , то отношение модулей магнитной составляющей силы взаимодействия между частицами и электрической составляющей меньше либо равно, чем величина:

Это означает, что при скоростях движения частиц много меньших скорости света основную роль играет электрическая составляющая взаимодействия.

В тех ситуациях, когда в проволоках электрические заряды компенсируют друг друга, электрическая часть взаимодействия систем, состоящих из большого числа заряженных частиц, становится значительно меньше магнитной части. Это обстоятельство и позволяет изучать магнитное взаимодействие «отдельно» от электрического.

Измерительные приборы и динамики

В измерительных приборах катушка с током расположена так, что на нее со стороны магнитного поля действует механический момент сил. Спиральная пружина, прикрепленная к катушке, создает механический момент сил, действующий на катушку. Положение равновесия достигается при повороте рамки с током на угол, соответствующий протекающему току. На катушке закреплена стрелка, угол поворота стрелки и служит мерой тока.

В приборах магнитоэлектрической системы магнитное поле постоянно. Его создает постоянный магнит. В приборах электромагнитной системы магнитное поле создается током, протекающим по неподвижной катушке. Механический момент сил пропорционален произведению тока подвижной катушки и индукции магнитного поля, которая в свою очередь пропорциональна току в неподвижной катушке. Если, например, токи в обеих катушках прибора электромагнитной системы пропорциональны друг другу, то момент сил пропорционален квадрату величины тока.

Кстати, на основе взаимодействия тока и магнитного поля созданы всеми Вами любимые динамические громкоговорители. В них катушка, по которой пропускается ток, расположена так, что со стороны магнитного поля на нее действует сила вдоль оси динамика. Величина силы пропорциональна току в катушке. Смена направления тока в катушке приводит к перемене направления действия силы.

Гипотеза Ампера

Этот поверхностный ток создает в пространстве, окружающем магнит, точно такое же магнитное поле, как и токи всех молекул магнита при их совместном действии.

Гипотеза Ампера ждала своего экспериментального подтверждения несколько десятилетий и, в конце конов, полностью оправдала себя. По современным представлениям некоторые атомы и молекулы имеют свои собственные магнитные моменты, связанные с движением внутри них заряженных частиц, из которых составлены эти атомы и молекулы. Как оказалось, и сами заряженные частицы, из которых построены атомы и молекулы, имеют магнитные дипольные моменты, связанные с механическим внутренним движением этих частиц. (3)

Гипотеза Ампера позволяет отказаться от модели магнитных зарядов, поскольку вполне адекватно объясняет происхождение магнитного взаимодействия.

Задачи:

1. Два длинных полосовых магнита лежат рядом друг с другом «полюс к полюсу». Северный рядом с северным, а южный рядом с южным. На линии, являющейся продолжением магнитов в точке А, находящейся на расстоянии L от ближних к ней полюсов создано магнитное поле с индукцией В. Вы получили задание увеличить индукцию поля в точке А в 1,414 раза, и изменить направление поля в этой точке на 45°. Разрешается переместить один из магнитов. Как Вы выполните задание?
2. Во время экспедиции к северному магнитному полюсу Земли участники экспедиции расставили на плоской горизонтальной поверхности льда вокруг полюса N = 1000 очень легких штативов каждый высотой L = 1 м и с основанием диаметром D = 10 см и протянули по их верхним точкам металлическую проволоку площадью поперечного сечения S = 1 мм 2 . Получился плоский многоугольник с формой близкой к кольцу радиуса R = 100 м. Какой минимальный по величине постоянный ток нужно пропустить по проволоке, чтобы все штативы упали внутрь образованного их основаниями многоугольника? Величина индукции магнитного поля В вблизи полюса на поверхности Земли равна 10 -4 Тл. Плотность ρ материала проволоки 10 4 кг/м 3 .
3. По двум тонким параллельным проводам текут одинаковые токи противоположных направлений. Провода находятся на расстоянии L друг от друга. В точке А, находящейся на расстоянии L и от одного и от другого провода токами создано магнитное поле с индукцией В. В дном из проводов направление тока изменилось на противоположное, а величина тока осталась прежней. Как изменилась (по величине и по направлению) индукция магнитного поля в этой точке А?
4. На гладком горизонтальном столе лежит круглый проволочный виток из жесткой проволоки. Радиус витка R. Масса витка М. В пространстве имеется однородное горизонтальное магнитное поле с индукцией В. Какой минимальный по величине постоянный ток нужно пропустить по витку, чтобы он перестал лежать неподвижно горизонтально? Опишите его движение после пропускания такого тока.
5. В однородном магнитном поле с индукцией В движется частица, имеющая массу М и заряд Q. Скорость частицы составляет угол & (альфа) с вектором индукции магнитного поля. Опишите характер движения частицы. Какова форма ее траектории?
6. Заряженная частица попала в область пространства, где есть однородные и взаимно перпендикулярные электрическое поле Е и магнитное поле В. Частица движется с постоянной скоростью. Какова её минимально возможная величина?
7. Два протона, движущиеся в однородном магнитном поле В = 0,1 Тл, постоянно находятся на одинаковом расстоянии L = 1 м друг от друга. При каких минимальных скоростях движения протонов это возможно?
8. В области пространства между плоскостями Х = А и Х = С имеется однородное магнитное поле В, направленное вдоль оси Y. Частица с массой М и зарядом Q влетает в эту область пространства, имея скорость V, направленную вдоль оси Z. Какой угол будет составлять скорость частицы с плоскостью Х =const после того, как она выберется из области с магнитным полем? Оси X,Y,Z взаимно перпендикулярны.
9. Из «слабомагнитного» (не ферромагнитного) материала изготовлен длинный (L) однородный стержень. Его подвесили за середину на тонкой длинной нити в лаборатории, расположенной вблизи экватора. В поле тяжести и в магнитном поле Земли стержень расположился горизонтально. Стержень вывели из положения равновесия, повернув его на угол 30 ° вокруг вертикальной оси, совпадающей с нитью. Стержень оставили неподвижным и отпустили. Через 10 секунд стержень прошел положение равновесия. Через какое минимальное время он снова пройдет положение равновесия? Затем стержень разрезали на два равных по длине L/2 стержня. С одним из них проделали такой же эксперимент. С каким периодом укороченный стержень совершает малые колебания вблизи положения равновесия?
10. На оси маленького цилиндрического магнита находится маленький «слабомагнитный» шарик. Расстояние L от шарика до магнита гораздо больше размеров магнита и шарика. Тела притягиваются друг к другу с силой F. С какой силой они будут притягиваться, если расстояние между ними уменьшится в 2 раза? Шарик остается на оси магнита.

1 Исторические названия не отражают адекватно смысла введенных величин, характеризующих электрическую и магнитную составляющие «электромагнитного поля», поэтому мы не будем разбираться с этимологией этих слов.

2 Вспомните: примерно такую же формулировку мы использовали при обсуждении взаимодействия электрических зарядов.

3 В данном случае имеется ввиду такое свойство элементарных частиц, как собственный механический момент количества движения – спин.

Электронный учебник по физике

КГТУ-КХТИ. Кафедра физики. Старостина И.А., Кондратьева О.И., Бурдова Е.В.

Для перемещения по тексту электронного учебника можно использовать:

1- нажатие клавиш PgDn, PgUp,,  для перемещения по страницам и строкам;

2- нажатие левой клавиши «мыши» по выделенному тексту для перехода в требуемый раздел;

3- нажатие левой клавиши «мыши» по выделенному значку @ для перехода в оглавление.

МАГНЕТИЗМ

МАГНЕТИЗМ

1. ОСНОВЫ МАГНИТОСТАТИКИ. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В ВАКУУМЕ

1.1. Магнитное поле и его характеристики.@

1.2. Закон Ампера.@

1.3. Закон Био – Савара – Лапласа и его применение к расчету магнитного поля. @

1.4. Взаимодействие двух параллельных проводников с током. @

1.5. Действие магнитного поля на движущуюся заряженную частицу. @

1.6. Закон полного тока для магнитного поля в вакууме(теорема о циркуляции вектора В). @

1.7. Поток вектора магнитной индукции. Теорема Гаусса для магнитного поля. @

1. 8. Рамка с током в однородном магнитном поле. @

2. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В ВЕЩЕСТВЕ. @

2.1. Магнитные моменты атомов. @

2.2. Атом в магнитном поле. @

2.3. Намагниченность вещества. @

2.4. Виды магнетиков. @

2.5. Диамагнетизм. Диамагнетики. @

2.6. Парамагнетизм. Парамагнетики. @

2.7. Ферромагнетизм. Ферромагнетики. @

2.8. Доменная структура ферромагнетиков. @

2.9. Антиферромагнетики и ферриты. @

3. ЯВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ. @

3.1. Основной закон электромагнитной индукции. @

3.2. Явление самоиндукции. @

3.3. Явление взаимной индукции. @

3.4. Энергия магнитного поля. @

4. УРАВНЕНИЯ МАКСВЕЛЛА. @

4.1. Теория Максвелла для электромагнитного поля. @

4.2. Первое уравнение Максвелла. @

4.3. Ток смещения. @

4.4. Второе уравнение Максвелла. @

4.5. Система уравнений Максвелла в интегральной форме. @

4.6. Электромагнитное поле. Электромагнитные волны. @

МАГНЕТИЗМ

Магнетизм - раздел физики, изучающий взаимодействие между электричес­ки­ми токами, между токами и магнитами (телами с магнитным моментом) и между магнитами.

Долгое время магнетизм считался совершенно независимой от электричества наукой. Однако ряд важнейших открытий 19-20 веков А.Ампера, М.Фарадея и др. доказали связь электрических и магнитных явлений, что позволило считать учение о магнетизме составной частью учения об электричестве.

1. ОСНОВЫ МАГНИТОСТАТИКИ. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В ВАКУУМЕ

1.1. Магнитное поле и его характеристики.@

Впервые магнитные явления были последовательно рассмотрены английским врачом и физиком Уильямом Гильбертом в его работе - «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле». Тогда казалось, что электричество и магнетизм не имеютничего общего. Лишь в началеXIXвека датский ученый Г.Х.Эрстед выдвинул идею о том, что магнетизм может оказаться одной из скрытых форм электричества, что и подтвердил в 1820 г. на опыте. Этот опыт повлек за собой лавину новых открытий, имевших огромное значение.

Многочисленные опыты начала XIXвека показали, что каждый проводник с током и постоянный магнит способны оказывать силовое воздействие через пространство на другие проводники с током или магниты. Это происходит из-за того, что вокруг проводников с током и магнитов возникает поле, которое было названомагнитным .

Для исследования магнитного поля применяют небольшую магнитную стрелку, подвешенную на нити или уравновешенную на острие (Рис.1.1). В каждой точке магнитного поля стрелка, расположенная произвольно, будет п

Рис.1.1. Направление магнитного поля

Рассмотрим ряд опытов, которые позволили установить основные свойства магнитного поля:

На основании данных опытов был сделан вывод о том, что магнитное поле создается только движущимися зарядами или движущимися заряженными телами, а также постоянными магнитами. Этим магнитное поле отличается от электрического поля, которое создается как движущимися, так и неподвижными зарядами и действует как на одни, так и на другие.

Основной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции . За направление магнитной индукции в данной точке поля принимают направление, по которому в данной точке располагается ось магнитной стрелки отS к N (рис.1.1). Графически магнитные поля изображаются силовыми линиями магнитной индукции, то есть кривыми, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора В.

Эти силовые линии можно увидеть с помощью железных опилок: например, если рассыпать опилки вокруг длинного прямолинейного проводника и пропустить через него ток, то опилки поведут себя подобно маленьким магнитикам, располагаясь вдоль силовых линий магнитного поля (рис. 1.2).

Как определить направление вектора около проводника с током? Это можно сделать с помощью правила правой руки, которое иллюстрируется рис. 1.2. Большой палец правой руки ориентируют в направлении тока, тогда остальные пальцы в согнутом положении указывают направление силовых линий магнитного поля. В случае, изображенном на рис.1.2, линиипредставляют собой концентрические окружности. Линии вектора магнитной индукции всегдазамкнуты и охватывают проводник с током. Этим они отличаются от линий напряженности электрического поля, которые начинаются на положительных и кончаются на отрицательных зарядах, т.еразомкнуты . Линии магнитной индукции постоянного магнита выходят из одного полюса, называемого северным (N) и входят в другой - южный (S) (рис. 1.3а). Вначале кажется, что здесь наблюдается полная аналогия с линиями напряженности электрического поля Е, причем полюса магнитов играют роль магнитных зарядов. Однако если разрезать магнит, картина сохраняется, получаются более мелкие магниты со своими северными и южными полюсами, т.е. полюса разделить невозможно, потому что свободных магнитных зарядов, в отличие от электрических зарядов, в природе не существует. Было установлено, что внутри магнитов имеется магнитное поле и линии магнитной индукции этого поля являются продолжением линий магнитной индукции вне магнита, т.е. замыкают их. Подобно постоянному магниту магнитное поле соленоида – катушки из тонкой изолированной проволоки с длиной намного больше диаметра, по которой течет ток (рис.1.3б). Конец соленоида, из которого ток в витке виден идущим против часовой стрелки, совпадает с северным полюсом магнита, другой – с южным. Магнитная индукцияв системе СИ измеряется в Н/(А∙м), этой величине присвоено специальное наименование – тесла .

Согласно предположению французского физика А.Ампера,намагниченное железо (в частности, стрелки компаса) содержит непрерывно движущиеся заряды, т.е. электрические токи в атомном масштабе. Такие микроскопические токи, обусловленные движением электронов в атомах и молекулах, существуют в любом теле. Эти микротоки создают свое магнитное поле и могут сами поворачиваться во внешних полях, создаваемых проводниками с током.Например, если вблизи какого-либо тела поместить проводник с током, то под действием его магнитного поля микротоки во всех атомах определенным образом ориентируются, создавая в теле дополнительное магнитное поле. О природе и характере этих микротоков Ампер в то время ничего не мог сказать, так как учение о строении вещества находилось еще в самой начальной стадии. Гипотеза Ампера была блестяще подтверждена лишь спустя 100 лет, после открытия электрона и выяснения строения атомов и молекул.

Магнитные поля, существующие в природе, разнообразны по масштабам и по вызываемым эффектам. Магнитное поле Земли, образующее земную магнитосферу, простирается на расстоянии 70 – 80 тысяч км в направлении к Солнцу и на многие миллионы километров в обратном направлении. В околоземном пространстве магнитное поле образует магнитную ловушку для заряженных частиц высоких энергий. Происхождение магнитного поля Земли связывают с движениями проводящего жидкого вещества в земном ядре. Из других планет Солнечной системы лишь Юпитер и Сатурн обладают заметными магнитными полями. Магнитное поле Солнца играет важнейшую роль во всех происходящих на Солнце процессах – вспышках, появлении пятен и протуберанцев, рождении солнечных космических лучей.

Магнитное поле широко применяется в различных отраслях промышленности, в частности при очистке муки на хлебозаводах от металлических примесей. Специальные просеиватели муки снабжены магнитами, которые притягивают к себе мелкие кусочки железа и его соединений, которые могут содержаться в муке.