О В Лисенко - Фізика конспект лекцій - страница 9

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59 

Крива намагнічування, як показує дослід, не буде проходити по попередньому шляху A1O, а пройде вище, - по шляху A1C1D1. Якщо далі змінювати поле від - H1 до + H1 то крива намагнічування пройде нижче й повернеться в попередню точку A1 . Вийде замкнута крива A1C1D1F1A1, яка називається петлею гістерезису. Якщо вихідну криву OA, довести до точки A,

1

де намагнічування вже досягло насичення, то описаним вище шляхом можемо отримати найбільшу, або граничну, петлю гістерезису ACDFA. З цієї кривої видно, що при H = 0 індукція B не дорівнює нулю, а зображується відрізком OC = Br . Ця індукція магнітного поля Br отримала назву залишкової. З наявністю такого залишкового намагнічування зв'язане існування сталих магнітів. Для того щоб розмагнітити зразок, необхідно довести криву намагнічування до точки K або K'. Цим точкам відповідає напруженість магнітного поля Hc =| OK |. Цю напруженість

магнітного поля Hc називають коерцитивною силою феромагнетику. Значення залишкової

індукції й коерцитивної сили для різних феромагнетиків змінюється у широких межах. Для м'якого заліза петля гістерезису вузька (коерцитивна сила мала), для сталі й усіх матеріалів, що йдуть на виготовлення постійних магнітів, - широка (коерцитивна сила велика).

Третя відмінність феромагнетиків від парамагнетиків і діамагнетиків полягає в тому, що для довільного феромагнетику існує визначена температура T = TK , яку називають температурою Кюрі, при переході через яку феромагнетик стає парамагнетиком.

2 Якісне пояснення магнітних властивостей речовини. Теорія магнітних властивостей речовини будується на базі квантово-механічних уявлень. Тут ми розглянемо ці властивості наближено з якісної точки зору.

Парамагнетизм спостерігається у речовинах, атоми яких мають ненульові магнітні моменти за умови відсутності зовнішнього магнітного поля. Кожний атом, який має ненульовий магнітний момент створює в навколишньому середовищі додаткове магнітне поле. Коли зовнішнє магнітне поле відсутнє, атоми хаотично рухаються і їх магнітні моменти орієнтовані невпорядковано. Результуюче додаткове магнітне поле, що створюється цими атомами дорівнює нулю. Коли ж парамагнетик вносять у зовнішнє магнітне поле

(B0 Ф 0), то магнітні моменти атомів орієнтуються вздовж вектора індукції цього магнітногополя. Тому результуюче додаткове магнітне поле вже не дорівнює нулю (B' Ф 0). Воно накладається на зовнішнє магнітне поле, а це приводить до зміни загального магнітного поля

в речовині (B = B0 + B' Ф B0 ). Так, виникає намагнічування парамагнетиків. Про цей механізм

намагнічування говорять як про гіпотезу Ампера. Парамагнітні властивості мають такі речовини, як хлорне залізо, кисень, алюміній, платина.

Діамагнетизм спостерігається у таких речовинах, у яких атоми за умови відсутності зовнішнього магнітного поля не мають магнітного моменту. Коли такі атоми розміщують у зовнішньому магнітному полі, то на електрони атома починає діяти магнітна складова сили Лоренца. У результаті цього виникає додатковий рух електрона, що приводить до виникнення додаткового магнітного поля, яке спрямоване у протилежний бік від зовнішнього. Так виникає намагнічування діамагнетиків. Зрозуміло, що цей механізм намагнічування має місце як у парамагнетиків, так і у феромагнетиків. Але їх вклад у намагнічування у порівнянні з іншими механізмами намагнічування у парамагнетиках та феромагнетиках дуже малий. Діамагнітні властивості мають азот, вода, срібло, вісмут.

Феромагнетизм спостерігають у залізі, нікелі, кобальті та деяких інших речовинах у кристалічному стані. Відповідальними за магнітні властивості феромагнетиків є не магнітні моменти орбітального руху електронів як у парамагнетиках і діамагнетиках, а власні магнітні моменти електронів (спінові магнітні моменти). У феромагнітних речовинах взаємодія спінових магнітних моментів є істотною. У результаті цієї взаємодії спінові магнітні моменти орієнтуються паралельно один одному, виникають області спонтанного намагнічування. Ці області називають доменами. Феромагнетик, як правило, має велику кількість доменів. Під час нагрівання вони можуть руйнуватися. За умови відсутності зовнішнього магнітного поля домени орієнтуються хаотично і додаткового магнітного поля не створюють. При внесенні феромагнетику в магнітне поле домени орієнтуються вздовж поля, створюють власне додаткове магнітне поле. Так намагнічується феромагнетик.

 

ТЕМА 3 ЕЛЕКТРОМАГНІТНА ІНДУКЦІЯ§ 16 Досліди Фарадея. Закон Фарадея. Правило Ленца [14]

У 1831 році Фарадей виявив, що у замкненому провідному контурі при зміні потоку магнітної індукції через поверхню, яка обмежена цим контуром, виникає електричний струм. Це явище отримало назву електромагнітної індукції, а електричний струм, що виникає при цьому, - індукційним.

1 Досліди Фарадея. Принципова схема установки Фарадея, наведена на рис. 16.1. На дерев'яний стержень М намотано два довгі ізольовані мідні провідники. Кінці одного з них через ключ K приєднані до батареї гальванічних елементів Б, а кінці іншого - до гальванометра G. При незмінній силі струму в першому колі гальванометр показував відсутність струму в другому електричному колі. Однак при замиканні й розмиканні ключа K стрілка гальванометра злегка відхилялася й потім швидко поверталася в положення рівноваги, що свідчило про виникнення в провіднику 2 короткочасного струму, який Фарадей назвав індукційним струмом. Напрями індукційних струмів при замиканні й розмиканні ключа K були прямо протилежними. Замінивши ключ K реостатом, Фарадей помітив, що при зміні сили струму I1 в першому провіднику, в другому, як і раніше, наводиться індукційний струм, напрям якого залежить від того, зменшується I1 або збільшується.постійний струм Якщо котушку

const. Котушка K2 наближати до K2

І1 =

K1

Зміна струму І1 супроводжувалась одночасною зміною його магнітного поля. Тому незрозуміло було, що ж є причиною виникнення індукційного струму: зміна струму І1 або його магнітного поля у тій частині простору, де знаходиться другий провідник? Відповідь на це питання була отримана Фарадеєм за допомогою таких дослідів. Потрібно взяти дві котушки (рис. 16.2), одна з яких, K1, замикається на батарею Б; у цій котушці проходить

замкнена на гальванометр. , то в останній виникає


 

Б


+_П


 

 

 

 

К2індукційний струм І віддаленні котушки


1


напрям якого показаний на рис. 16.2. При від K2 струм І2 також виникає, але має протилежний напрям.Аналогічна картина спостерігається при віддаленні або наближенні котушки K2


донерухомої котушки змінюється.

S

t

К2

Ці досліди чітко показали, що причиною виникнення індукційного струму І2 є зміна магнітного поля, яке пронизує котушку K2. Щоб остаточно переконатися в цьому, Фарадей провів ще один дослід. Котушка зі струмом була замінена довгим магнітом (рис. 16.3). При переміщенні магніту уздовж осі котушки K2 було виявлене виникнення в ній індукційного струму, напрям якого залежав від того, яким полюсом був повернутий до котушки магніт і віддалявся він від неї або наближався до неї. Результати досліду повністю підтвердили зроблений вище висновок про причину виникнення індукційного струму.

Рисунок 16.3

2 Закон Фарадея (закон електромагнітної індукції). Відкрите Фарадеєм явище, як зазначалося вище, отримало назву електромагнітної індукції. Електричний струм у замкненому колі може виникнути тільки під дією сторонніх сил. Отже, в замкненому контурі, що знаходиться у змінному магнітному полі, з'являються сторонні сили, які індуковані змінним магнітним полем. Енергетичною мірою сторонніх сил, як відомо, є електрорушійна сила (ЕРС), або у випадку, що розглядається, ЕРС електромагнітної індукції Bj.

Подальші дослідження індукційного струму в контурах різної форми й розмірів показали, що ЕРС E електромагнітної індукції в контурі пропорційна швидкості зміни

магнітного потоку Ф, що проходить через поверхню, яка обмежена цим контуром (закон Фарадея):1 = ~df


(16.1)При цьому ЕРС електромагнітної індукції не залежить від того, чим саме викликана зміна магнітного потоку: деформацією контуру, його переміщенням у магнітному полі або зміною самого поля.

3 Правило Ленца. Професор Петербурзького університету Е.Х.Ленц досліджував зв'язок між напрямом індукційного струму й характером зміни магнітного потоку, який був причиною появи такого струму. В 1834 р. він встановив такий закон (правило Ленца): при будь-якій зміні магнітного потоку через поверхню, яка обмежена замкненим контуром, в останньому виникає індукційний струм такого напрямку, що його магнітне поле протидіє зміні магнітного потоку. Правилом Ленца обумовлений знак «—» в законі Фарадея (16.1). При цьому слід взяти до уваги, що вектор нормалі до поверхні, яка обмежена контуром, та напрям обходу цього контуру пов 'язані між собою правилом правого гвинта.Так, при наближенні магніту до котушки, яка замкнена на гальванометр, (див. рис. 16.3) в ній наводиться індукційний струм, що своєю магнітною дією перешкоджає наближенню магніту й пов'язаному з цим зростанню магнітного потоку через витки котушки. При віддаленні магніту від котушки в ній наводиться струм протилежного напрямку, що своєю магнітною дією також перешкоджає руху магніту. Легко перевірити, що усередині котушки вектори магнітної індукції поля магніту й поля індукційного струму в першому випадку спрямовані в протилежні боки, а в другому - в один й той самий бік.

4 Закон Фарадея для складного контуру. Нехай контур, у якому індукується ЕРС, складається не з одного витка, а з N витків, наприклад, являє собою соленоїд. Оскільки витки з'єднуються послідовно, то загальна ЕРС S, у такому складному контурі буде дорівнювати сумі ЕРС, що індукуються у кожному з витків окремо:

«=-2f- І£4 (16.2)

Величину

(16.3)

називають потокозчепленням або повним магнітним потоком. Його вимірюють у тих самих одиницях, що й магнітний потік Ф, тобто у веберах (1 Вб=1 Тл-1 м2). Якщо потік, що пронизує кожний з витків, однаковий, то

Y = NF. (16.4)

ЕРС, яка індукується в такому складному контурі, визначається за формулоюdY

dt


(16.6)§ 17 Електрорушійна сила індукції (механізм виникнення) у рухомих і нерухомих контурах. Максвеллівське трактування закону електромагнітної індукції [5, 9]

(17.1)

dt

1 Електрорушійна сила індукції (механізм виникнення) у рухомих контурах. Можна за допомогою логічних міркувань знайти зв'язок між ЕРС індукції E й швидкістю зміни магнітного потоку Ф, тобто закон Фарадея

 

E =—77

Виконаємо це. Звернемо увагу при цьому на механізм виникнення явища електромагнітної індукції.

Розглянемо контур, який знаходиться в однорідному та постійному магнітному полі, індукція якого є перпендикулярною до площини контуру (див. рис. 17.1). Нехай перемичка 1-2 рухається зі швидкістю u. З тією самою швидкістю переміщуються разом з перемичкою й носії струму -електрони. У результаті цього на кожний електрон із зарядом e діє магнітна сила

Fm = e[u х B ], (17.2)

що спрямована уздовж перемички. Дія цієї сили є


E   B x

n X

dl

4_

1 1'

 

dx

u l

 

X

2 2'

Напрям обходу

Рисунок 17.1 - Перемичка 1-2 довжини l переміщується з сталою швидкістю u. Вибираємо напрям нормалі n так, щоб цей вектор був спрямований за креслення. Напрям

(dl ) обходу контуру вибираємо так,   щоб   він   утворював   з nЕст = Fm I e = [ux В].

Це поле неелектростатичного походження. Його циркуляція по контуру дає значення ЕРС, яка індукується у контурі:

2

E = J Ecmdl = J [ux B]d1 = J [ux B]d1 (17.3)

і

(підінтегральна функція відмінна від нуля лише на ділянці, яка утворена перемичкою 1-2).

Вектори u й В взаємно перпендикулярні, а вектори [uxВ] й dl спрямовані у протилежні боки. Тому формула (17.3) спрощується:

 

S = -f uBdl = -uBl = -—Bl = - . (17.4)

 

Тут ми подали u у вигляді dx I dt, добуток Bldx являє собою збільшення магнітного потоку dF через контур за час dt. У результаті отримуємо з (17.4) закон Фарадея (17.1).

Таким чином, у випадку, коли провідник рухається у постійному магнітному полі, ЕРС індукції виникає за рахунок дії магнітної складової сили Лоренца.

2 Максвеллівське трактування закону електромагнітної індукції. Коли провідник рухається у постійному магнітному полі, індукційний струм викликається магнітною

складовою сили Лоренца Fm = e[u x B]. Яка ж сила збуджує індукційний струм у нерухомому

провіднику, що знаходиться у змінному магнітному полі? Відповідь була дана Максвеллом. Відповідно до трактування Максвелла будь-яке змінне магнітне поле збуджує у навколишньому просторі вихрове електричне поле. Останнє і є причиною виникнення індукційного струму в провіднику. С ила, з якою діє вихрове електричне поле з напруженістю

Ев  на електричний заряд  Fe = qEe, має неелектростатичний характер, тобто вона є

сторонньою силою. Напруженість поля стор онніх сил в цьому випадку буде дорівнювати

напруженості вихрового електричного поля Ест = Fe I q = Ев. Тоді ЕРС вихрового поля буде

дорівнювати  В' = J Естё1 = J Евdl. Підставляємо замість  В,   отриманий вираз у закон

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59 


Похожие статьи

О В Лисенко - Фізика конспект лекцій

О В Лисенко - Прогнозування технологічної спадковості при токарній овроещ