«Электродинамика» (часть 2)

1. ЛЕКЦИИ ПРЕЗЕНТАЦИИ ПО РАЗДЕЛУ 3 «ЭЛЕКТРОДИНАМИКА» (ЧАСТЬ 2)

2.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТОКОВ.
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ. ГРАФИЧЕСКОЕ
ИЗОБРАЖЕНИЕ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ.
ПОСТОЯННЫЕ МАГНИТЫ.
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ТОКА.
СИЛА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ТОКОВ.
МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ.

3.

Первыми экспериментами (проведены
в 1820 г.), показавшими, что между
электрическими и магнитными
явлениями имеется глубокая связь,
были опыты датского физика
Х. Эрстеда. Эти опыты показали, что
на магнитную стрелку, расположенную
вблизи проводника с током, действуют
силы, которые стремятся ее повернуть.
В том же году французский физик
А. Ампер наблюдал силовое
взаимодействие двух проводников с
токами и установил закон
взаимодействия токов.

4.

По современным представлениям,
проводники с током оказывают силовое
действие друг на друга через
окружающие их магнитные поля.
Магнитное поле создается
движущимися электрическими зарядами
или переменным электрическим полем.
Магнитное поле возникает в
пространстве, окружающем проводники
с током и обнаруживается по действию
на движущиеся заряды или проводники
с током.

5.

6.

Проводники с токами одного
направления притягиваются, а
противоположного отталкиваются.
Магнитные поля различных токов могут
как усиливать друг друга. Так и
ослаблять.
Магнитные поля токов одинакового
направления усиливают друг друга, а
разных направлений – ослабляют.
Магнитное поле постоянных магнитов
также создается электрическими
микротоками, циркулирующими внутри
молекул вещества (гипотеза Ампера).

7.

Наибольшая сила притяжения у концов
магнитов – полюсов.
Одноименные полюса отталкиваются, а
разноименные притягиваются.
За направление магнитного поля
принимают направление, куда
указывает северный полюс магнитной
стрелки.

8.

Магнитное поле изображают при
помощи магнитных силовых линий.
Их свойства:
1.Магнитная стрелка располагается по
касательной к магнитной силовой
линии
2. Магнитные силовые линии нигде не
пересекаются
3. Они всегда замкнуты и охватывают
проводник с током
Поле, силовые линии которого всегда
замкнуты называют вихревым.

9.

Правило буравчика:
1. (для прямолинейного тока) если
расположить головку винта в плоскости
магнитных силовых линий и
поворачивать его по их направлению, то
поступательное движение винта укажет
направление тока в проводнике;
2. (для кругового тока) если головку
винта поворачивать по направлению
тока в контуре, то поступательное
движение винта укажет направление
магнитного поля внутри контура.

10.

Магнитное поле прямолинейного
проводника с током

11.

Магнитное поле прямолинейного
проводника с током и витка с током

12.

Магнитное поле кругового тока

13.

Магнитное поле можно наблюдать с
помощью мелких железных опилок,
которые в магнитном поле
намагничиваются и, подобно
маленьким магнитным стрелкам,
ориентируются вдоль линий индукции.

14.

где
- направление тока в проводнике
на нас перпендикулярно плоскости
листа,
- направление тока в проводнике
от нас перпендикулярно плоскости
листа.

15.

1.Как взаимодействуют между собой 2
катушки с током?
2. Как направлены токи в проводах,
если силы взаимодействия направлены
так, как на рисунке?
3. Два проводника расположены
параллельно друг другу. Укажите
направление тока в проводнике СД.

16.

СИЛА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ТОКОВ. МАГНИТНАЯ
ПРОНИЦАЕМОСТЬ
Магнитное взаимодействие параллельных и
анти параллельных токов
Если по двум параллельным проводникам
электрические токи текут в одну и ту же
сторону, то наблюдается взаимное
притяжение проводников. В случае, когда
токи текут в противоположных
направлениях, проводники отталкиваются.

17.

Взаимодействие токов вызывается их
магнитными полями: магнитное поле
одного тока действует на другой ток и
наоборот.
Опыты показали, что модуль силы,
действующей на отрезок длиной Δl
каждого из проводников, прямо
пропорционален силам тока I1 и I2 в
проводниках, длине отрезка Δl и
обратно пропорционален расстоянию
R между ними:
k I1 I2 Δl
F=
R

18.

В Международной системе единиц СИ
коэффициент пропорциональности k
принято записывать в виде: k = μμ0/2π,
где μ – относительная магнитная
проницаемость, μ0 – постоянная
величина, которую называют
магнитной постоянной. Магнитная
проницаемость среды:
μс = μμ0
Введение магнитной постоянной в СИ
упрощает запись ряда формул. Ее
численное значение равно:
Н
-7
μ0 = 4π· 10
А2

19.

Относительная магнитная
проницаемость μ показывает во сколько
раз сила взаимодействия токов в среде
больше или меньше, чем в вакууме
(величина безразмерная, берут из
таблиц).
Подставляя k, получим:
μ0μI1 I2 Δl
F=
2πR
Для двух параллельных одинаковых
токов в вакууме:
μ0μI2Δl
F0 =
2πR

20.

1 Ампер – сила постоянного тока,
который при прохождении по двум
бесконечно длинным параллельным
проводникам, расположенным на
расстоянии 1 м друг от друга в
вакууме, вызывает между этими
проводниками силу магнитного
взаимодействия, равную 2· 10-7Н на
каждый метр длины проводника.
2πRF0 2π·1м 2·10−7Н
Н
-7
μ0 = 2
=
= 4π·10 2
2
I Δl
А
1А ·1м

21.

ДЕЙСТВИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА
ПРЯМОЛИНЕЙНЫЙ ПРОВОДНИК С
ТОКОМ. СИЛА АМПЕРА. ВЕКТОР
ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ.
НАПРЯЖЕННОСТЬ МАГНИТНОГО ПОЛЯ.

22.

СИЛА АМПЕРА
На проводник с током, находящийся в
магнитном поле, действует сила,
равная
FА =B I·ℓ·sin α
I - сила тока в проводнике;
B - модуль вектора индукции магнитного
поля;
ℓ - длина проводника, находящегося в
магнитном поле;
α - угол между вектором магнитного поля
и направлением тока в проводнике.

23.

Силу, действующую на проводник с
током в магнитном поле, называют
силой Ампера.
Максимальная сила Ампера равна:
FАмах = B I·ℓ,
ей соответствует α = 900.

24.

Направление силы Ампера
определяется по правилу левой руки:
если левую руку расположить так,
чтобы перпендикулярная
составляющая вектора магнитной
индукции В входила в ладонь, а четыре
вытянутых пальца были направлены
по направлению тока, то отогнутый на
90 градусов большой палец покажет
направление силы, действующей на
отрезок проводника с током, то есть
силы Ампера.

25.

ВЕКТОР ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
Магнитная индукция В (силовая
характеристика магнитного поля)векторная физическая величина,
характеризующая магнитное поле. Вектор
магнитной индукции всегда направлен по
касательной к магнитной силовой линии
по ее направлению.
Расчетная формула:
FАмах
В=
I·ℓ
Единица измерения магнитной
индукции поля в СИ:
1Н
[B]=[
= 1Тл ( тесла)]
1А ·1м

26.

При магнитной индукции 1 Тл на
проводник с током в 1 А длиной 1м,
расположенный перпендикулярно
магнитным силовым линиям, действует
сила 1 Н.
Число линий магнитной индукции
пронизывающих единичную площадку,
перпендикулярную магнитному полю в
данной точке, пропорционально
значению В.

27.

Если векторы магнитной индукции
одинаковы во всех точках поля по
величине и направлению, поле
называется однородным (магнитное
поле внутри соленоида, между
полюсами магнитов).

28.

МАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ ПРЯМОГО,
КРУГОВОГО ТОКА И СОЛЕНОИДА
Пусть магнитное поле создается
прямолинейным проводником с током и
действует на параллельный ему проводник
с током такого же направления,
находящийся на расстоянии r от него. Тогда
действующая на него сила
будет максимальной:
FАмах = В1I2ℓ,
отсюда:
FАмах
В1 =
I2ℓ

29.

Сила взаимодействия двух параллельных
токов по своей природе является FАмах :
μμ0I1I2
FАмах =
,
2πr
μμ0I1I2ℓ
В1 =
,
I2 ℓ 2πr
μμ0I1
В1 =
2πr
Магнитная индукция прямолинейного
μμ0I
проводника с током: В = 2πr
Магнитная индукция в центре кругового
μμ0I
витка с током: В = 2r
Магнитная индукция внутри соленоида:
μμ0Iω
В=
ℓ

30.

НАПРЯЖЕННОСТЬ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
В
Н=
μμ0
Напряженность магнитного поля вектор,
направление которого определяется так
же как и вектора магнитной индукции (по
касательной к силовой линии по ее
направлению).
Напряженность магнитного поля
I
прямолинейного тока: Н =
2πr
Напряженность магнитного поля кругового
I
тока: Н =
2r
Напряженность магнитного поля внутри
Iω
соленоида: Н =
ℓ

31.

За единицу напряженности магнитного
поля принимают напряженность поля,
созданную прямолинейным
проводником с током 1А на расстоянии
1
(м) от него.
2π
1А
А
[H]=[
=1 ]
м
2π(1/2π) м
Для магнитных полей справедлив
принцип суперпозиции: магнитное поле,
созданное несколькими проводниками с
током определяется как геометрическая
сумма магнитных полей, созданных
каждым током.

32.

ДЕЙСТВИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА
ДВИЖУЩИЙСЯ ЗАРЯД.
СИЛА ЛОРЕНЦА. ПРИМЕНЕНИЕ
СИЛЫ ЛОРЕНЦА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ
УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА

33.

СИЛА ЛОРЕНЦА
Сила Ампера, действующая на отрезок
проводника длиной ℓ с силой тока I,
находящийся в магнитном поле B
является суммарной силой,
действующей на все носители заряда в
проводнике и приложена к проводнику.
FА = IBℓ sin α
Можно найти силу, действующую на
отдельный носитель заряда в
проводнике разделив силу Ампера на
число носителей заряда в проводнике.

34.

Пусть концентрация носителей
свободного заряда в проводнике есть
n, а q – заряд носителя. Тогда
произведение nqϑS, где ϑ – модуль
скорости упорядоченного движения
носителей по проводнику, а S –
площадь поперечного сечения
проводника, равно току, текущему по
проводнику:
I = qnϑS
Выражение для силы Ампера можно
записать в виде:
FА = qnSℓ ϑB sin α

35.

Так как полное число N носителей
свободного заряда в проводнике длиной
ℓ и сечением S равно: N = nSℓ, то сила,
действующая на одну заряженную
частицу, равна:
q(nSℓ )ϑB sinα
FЛ =
= q ϑ B sin α
N
FЛ = q ϑ B sin α
Эту силу называют силой Лоренца. Угол
α в этом выражении равен углу между
скоростью ϑ и вектором магнитной
индукции B.

36.

Направление силы Лоренца,
действующей на положительно
заряженную частицу, так же, как и
направление силы Ампера, может быть
найдено по правилу левой руки (если
частица положительная четыре пальца
направлены по скорости движения
частицы, если частица отрицательная –
против скорости).
Сила Лоренца направлена
перпендикулярно векторам ϑ и B.

37.

Если заряженная частица движется в
однородном магнитном поле под
действием силы Лоренца, а ее скорость
лежит в плоскости, перпендикулярной
вектору B то частица будет двигаться по
окружности. Сила Лоренца в этом случае
играет роль центростремительной силы:
FЛ = Fцс
m ϑ2
qϑB=
R
mϑ
R=
Bq

38.

Если скорость частицы имеет
составляющую вдоль направления
магнитного поля, то такая частица будет
двигаться в однородном магнитном поле
по спирали. При этом радиус спирали R
зависит от модуля перпендикулярной
магнитному полю составляющей ϑ┴
вектора а шаг спирали p – от модуля
продольной составляющей ϑ║.

39.

ϑ┴ = ϑ sin α
m ϑ sin α
R=
Bq
р = ϑ║ · T
р = ϑ (cos α) Т
Таким образом, траектория заряженной
частицы как бы навивается на линии
магнитной индукции. Это явление
используется в технике для магнитной
термоизоляции высокотемпературной
плазмы, то есть полностью
ионизированного газа при температуре
порядка 106 K.

40.

Вещество в таком состоянии получают в
установках типа «Токамак» при изучении
управляемых термоядерных реакций.
Плазма не должна соприкасаться со
стенками камеры. Термоизоляция
достигается путем создания магнитного
поля специальной конфигурации. В
качестве примера на рисунке
изображена траектория движения
заряженной частицы в магнитной
«бутылке» (или ловушке).

41.

Аналогичное явление происходит в
магнитном поле Земли, которое
является защитой для всего живого от
потоков заряженных частиц из
космического пространства.
Радиационные пояса Земли.
Быстрые заряженные частицы от
Солнца (в основном электроны и
протоны) попадают в магнитные
ловушки радиационных поясов, в
которых частицы перемещаются туда и
обратно по спиралеобразным
траекториям между северным и южным
магнитными полюсами за времена
порядка долей секунды.

42.

Частицы могут покидать пояса в
полярных областях и вторгаться в
верхние слои атмосферы, вызывая
полярные сияния. Радиационные пояса
Земли простираются от расстояний
порядка 500 км до десятков земных
радиусов. Природа земного магнетизма
до сих пор не изучена.

43.

РАМКА С ТОКОМ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ.
РАБОТА ПО ПЕРЕМЕЩЕНИЮ
ПРОВОДНИКА С ТОКОМ В МАГНИТНОМ
ПОЛЕ. МАГНИТНЫЙ ПОТОК.

44.

РАМКА С ТОКОМ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ
Рамка с током в однородном поле
устанавливается так, чтобы плоскость ее
была перпендикулярна к линиям поля; а)
вид сбоку; б) вид сверху

45.

М мах = ВIS
Рмаг = IS
Магнитный момент контура с током
характеризует его магнитные свойства,
направление определяется по правилу
буравчика
М мах = В Рмаг

46.

М = В Рмаг sinα,
где
α – угол между В и Рмаг (нормалью к
контуру)

47.

Электродвигатель, или электрический
двигатель — это электрическая
машина, в которой электрическая
энергия преобразуется в механическую
работу.
Мощность электродвигателей
варьируется от десятых долей Вт до
десятков МВт.
Две основные части электродвигателя это статор и ротор. Статор неподвижная часть электрической
машины. Статор состоит из станины и
сердечника с уложенной в нем обмоткой.
Статор в электродвигателе играет роль
несущей конструкции и магнитопровода.

48.

Ротор - подвижная вращающаяся часть
электродвигателя. В статоре возникает
переменное магнитное поле с
меняющимся вектором магнитной
индукции. Это поле воздействует на
рамку с током (ротор), вследствие
такого воздействия рамка начинает
вращаться.

49.

Питание двигателей осуществляется
постоянным и переменным током.
Двигатели переменного тока - наиболее
распространенный вид двигателей в
связи с тем, что основная электросеть в
стране питает переменным током.
Электродвигатели используются в
различных отраслях промышленности,
в том числе и нефтяной.
Преобразование электрической энергии
в механическую с помощью
электродвигателей позволяет легко и
экономически выгодно приводить в
движение разнообразные рабочие
механизмы:

50.

насосы, вентиляторы, компрессоры,
подъемно-транспортное оборудование
и пр.
Электрические двигатели находят
широкое применение в технике,
особенно на таких видах транспорта,
как электровозы, троллейбусы и
трамваи. С помощью специального
электродвигателя постоянного тока
(стартера) производится запуск
двигателя внутреннего сгорания в
автомобилях.

51.

ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
Вращение рамки с током в магнитном
поле используется и в таких
электроизмерительных приборах, как
амперметр и вольтметр. Устройство
одного из них показано на рисунке.

52.

Между полюсами постоянного магнита
(или электромагнита) 1 располагается
легкая рамка 2, на которую намотана
катушка из нескольких витков провода.
Внутри рамки находится неподвижный
железный сердечник 3. Ток в катушку
поступает по металлическим пружинкам
4. При отсутствии тока пружинки
удерживают рамку в таком положении,
что соединенная с ней стрелка 5
указывает на нулевое деление шкалы.

53.

При включении прибора в цепь по
катушке начинает идти ток, и под
действием магнитного поля рамка со
стрелкой поворачивается.
Их вращение продолжается до тех
пор, пока момент сил упругости со
стороны пружинок не уравновесит
момент сил Ампера, действующих со
стороны магнитного поля. Чем больше
сила тока в цепи, тем больше будет
момент сил Ампера и потому на
больший угол повернется стрелка,
перемещаясь по шкале прибора.

54.

РАБОТА ПО ПЕРЕМЕЩЕНИЮ
ПРОВОДНИКА С ТОКОМ В МАГНИТНОМ
ПОЛЕ
Рассмотрим контур с током,
образованный неподвижными проводами
и скользящей по ним подвижной
перемычкой длиной ℓ. Этот контур
находится во внешнем однородном
магнитном поле В, перпендикулярном к
плоскости контура. При
показанном на рисунке
направлении
тока I, вектор В
сонаправлен с n.

55.

На элемент тока I (подвижный провод)
длиной ℓ действует сила Ампера,
направленная вправо:
F=IℓB
Пусть проводник ℓ переместится
параллельно самому себе на
расстояние dx.
При этом совершится работа:
A = F dх = I B ℓ dх = I B ∆S = I ∆Ф
ℓ dх = ∆S – изменение площади,
охваченной проводником с током,

56.

B ∆S = ∆Ф – изменение потока
магнитной индукции, пронизывающего
эту площадь.
A = I ∆Ф
Работа, совершаемая проводником с
током при перемещении, численно
равна произведению тока на изменение
магнитного потока.
Формула остаётся справедливой, если
проводник любой формы движется под
любым углом к линиям вектора
магнитной индукции.

57.

МАГНИТНЫЙ ПОТОК
В однородном магнитном поле, модуль
вектора индукции которого равен В,
помещен плоский замкнутый контур
площадью S. Нормаль n к плоскости
контура составляет угол α с
направлением вектора магнитной
индукции В.

58.

Магнитным потоком через поверхность
называется величина Ф, определяемая
соотношением:
Φ = B · S · cos α
Единица измерения магнитного потока в
систем СИ - 1 Вебер (1 Вб).
1 Вб = 1 Тл · 1 м2
Магнитный поток через контур
максимален, если плоскость контура
перпендикулярна магнитному полю.
Значит угол α равен 00.

59.

Тогда магнитный поток рассчитывается
по формуле:
Φmax = B · S
Магнитный поток через контур равен
нулю, если контур располагается
параллельно магнитному полю.
Значит угол α равен 900.

60.

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА.

61.

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА
ДИАМАГНЕТИКИ
Диамагнетиками называются
вещества, которые намагничиваются
во внешнем магнитном поле в
направлении, противоположном
направлению вектора магнитной
индукции поля. К диамагнетикам
относятся вещества, магнитные
моменты атомов, молекул или ионов
которых в отсутствие внешнего
магнитного поля равны нулю.

62.

Диамагнетиками являются инертные
газы, молекулярный водород, цинк,
медь, золото, висмут, парафин и
многие другие органические и
неорганические соединения.
В случае отсутствия магнитного поля
диамагнетик немагнитен, поскольку в
данном случае магнитные моменты
электронов взаимно компенсируются, и
суммарный магнитный момент атома
равен нулю.

63.

Так как диамагнитный эффект
обусловлен действием внешнего
магнитного поля на электроны атомов
вещества, то диамагнетизм
свойственен всем веществам.
Магнитная проницаемость у
диамагнетиков µ<1. Например, у
золота µ=0,999961, у меди
µ=0,9999897 и т.д.
Диамагнетики выталкиваются из
внешнего магнитного поля.
Намагничивание возрастает линейно
при увеличении магнитного поля.

64.

ПАРАМАГНЕТИКИ
Наряду с диамагнитными веществами
существуют и парамагнитные
вещества, – вещества,
намагничивающиеся во внешнем
магнитном поле по направлению поля.
У парамагнитных веществ при
отсутствии внешнего магнитного поля
магнитные моменты электронов не
компенсируют друг друга, и атомы
(молекулы) парамагнетиков всегда
обладают магнитным моментом.

65.

Однако вследствие теплового
движения молекул их магнитные
моменты ориентированы
беспорядочно, поэтому парамагнитные
вещества магнитными свойствами не
обладают. При внесении
парамагнетиков во внешнее магнитное
поле устанавливается
преимущественная ориентация
магнитных моментов атомов по полю
(полной ориентации препятствует
тепловое движение атомов).
Парамагнетики втягиваются во
внешнее магнитное поле.

66.

Парамагнетик намагничивается,
создавая собственное магнитное поле,
совпадающее по направлению с
внешним полем и усиливающее его. При
ослаблении внешнего магнитного поля
до нуля ориентация магнитных моментов
вследствие теплового движения
нарушается и парамагнетик
размагничивается. У парамагнетиков
µ>1. Парамагнетиками являются: азот,
воздух, алюминий, вольфрам, кислород,
олово, марганец. Например:
относительная магнитная
проницаемость алюминия µ=1,000023;
воздуха µ=1,00000038.

67.

ФЕРРОМАГНЕТИКИ
Особый класс магнетиков образуют
вещества, способные обладать
намагниченностью в отсутствии
внешнего магнитного поля. По своему
наиболее распространенному
представителю (железу) их называют
ферромагнетиками.
К ферромагнетикам относятся так же:
сталь, чугун, никель, кобальт.
Относительная магнитная
проницаемость ферромагнетиков во
много раз больше единицы.

68.

Ферромагнетиками называются твердые
вещества, обладающие при не слишком
высоких температурах
самопроизвольной (спонтанной)
намагниченностью, которая сильно
изменяется под влиянием внешних
воздействий – магнитного поля,
деформации, изменения температуры.
Ферромагнетики в отличие от
слабомагнитных диа- и парамагнетиков
являются сильномагнитными средами:
внутреннее магнитное поле в них может
в сотни и тысячи раз превосходить
внешнее поле (300, 500, 1000 раз).

69.

Ферромагнетики очень сильно
втягиваются во внешнее магнитное
поле.
Магнитные свойства ферромагнитных
материалов сохраняются до тех пор,
пока их температура не достигнет
значения, называемого точкой Кюри.
При температуре Кюри происходит
разрушение доменов.
Точка Кюри для различных материалов
различна:
для железа +770 0С;
для никеля +365 0С;
для кобальта +1130 0С.

70.

При температурах выше точки Кюри
ферромагнетик ведет себя во внешнем
магнитном поле как парамагнитное
вещество. Он не только теряет свои
ферромагнитные свойства, но у него
изменяется теплоемкость,
электропроводимость и некоторые
другие физические характеристики.
Ферромагнетик ниже точки Кюри
разбивается на большое число малых
микроскопических областей – доменов,
самопроизвольно намагниченных до
насыщения.

71.

При отсутствии внешнего магнитного
поля магнитные моменты отдельных
доменов ориентированы хаотически и
компенсируют друг друга, поэтому
результирующий магнитный момент
ферромагнетика равен нулю, т.е.
ферромагнетик не намагничен.
Внешнее магнитное поле ориентирует
по полю магнитные моменты не
отдельных атомов, как в
парамагнетике, а целых областей
спонтанной намагниченности.

72.

Поэтому с ростом H намагниченность J
и магнитная индукция B уже в слабых
полях растет довольно быстро.
Намагничивание такого образца
(ферромагнетик) в магнитном поле,
напряженность H которого медленно
увеличивается, происходит за счет двух
процессов: смещения границ доменов и
вращения магнитных моментов
доменов. Процесс смещения границ
доменов приводит к росту размеров тех
доменов, которые самопроизвольно
намагничены в направлениях, близких к
направлению вектора H.

73.

74.

Процесс вращения магнитных моментов
доменов по направлению H играет
основную роль только в области, близкой
к насыщению .
Существование доменов в
ферромагнетиках доказано
экспериментально. Прямым
экспериментальным методом их
наблюдения является метод порошковых
фигур. На тщательно отполированную
поверхность ферромагнетика наносятся
водная суспензия мелкого
ферромагнитного порошка (магнетит).

75.

Частицы оседают преимущественно в
местах максимальной неоднородности
магнитного поля, т.е. на границах
между доменами. Поэтому осевший
порошок очерчивает границы доменов.
В настоящий момент установлено, что
магнитные свойства ферромагнетиков
определяются спиновыми магнитными
моментами электронов.
Зависимость намагниченности
ферромагнетика от внешнего поля
имеет вид петли гистерезиса.

76.

При расчете магнитных цепей,
содержащих ферромагнетики,
применяют снятые экспериментально
кривые намагничивания B(H) магнитных
материалов.

77.

Гистерезис – запаздывание,
наблюдается из-за существования
дефектов, неоднородностей
ферромагнетика, так как домены не
успевают разъориентироваться.
Площадь петли гистерезиса прямо
пропорциональна энергии,
затраченной на перемагничивание
ферромагнетика.
По виду петли гистерезиса
ферромагнетики делят на:
магнитожесткие, магнитомягкие,
ферриты.

78.

а) магнитожесткие ферромагнетики
(постоянные магниты); б)
магнитомягкие ферромагнетики
(сердечники трансформаторов,
электромагнитов)

79.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ.
ВИХРЕВОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

80.

Как известно, электрические токи
порождают вокруг себя магнитное
поле. Связь магнитного поля с током
дала толчок к многочисленным
попыткам возбудить ток в контуре с
помощью магнитного поля. Эта
фундаментальное открытие было
блестяще сделано в 1831 г. английским
физиком М. Фарадеем, который открыл
явление электромагнитной индукции.

81.

Возникновение в замкнутом
проводящем контуре электрического
тока, обусловленное изменением
магнитного поля называется явлением
электромагнитной индукции, а
возникающий электрический ток индукционным.
ОПЫТЫ ФАРАДЕЯ
1. Возьмем соленоид, соединенный с
гальванометром, и будем вдвигать в
него постоянный магнит. Оказывается,
что при движении магнита стрелка
гальванометра отклоняется.

82.

Если же магнит останавливается, то
стрелка гальванометра возвращается в
нулевое положение. То же самое
получается при выдвижении магнита
из соленоида или при надевании
соленоида на неподвижный магнит.
Такие опыты показывают, что
индукционный ток возникает в
соленоиде только при относительном
перемещении соленоида и магнита.

83.

84.

2. Будем опускать в соленоид В
катушку с током А. Оказывается, что и
в этом случае в соленоиде В возникает
индукционный ток только при
относительном перемещении
соленоида В и катушки А.

85.

3. Вставим катушку А в соленоид В и
закрепим их неподвижно. При этом
тока в соленоиде нет. Но в моменты
замыкания или размыкания цепи
катушки А в соленоиде В появляется
индукционный ток.

86.

То же самое получается в моменты
усиления или ослабления тока в
катушке А с помощью изменения
сопротивления R.
В дальнейшем цепь катушки А,
соединенную с источником
электрической энергии, будем
называть первичной, а цепь соленоида
В, в которой возникает индукционный
ток, – вторичной. Эти же названия
будем применять и к самим катушкам.

87.

4. Включим первичную катушку в сеть
переменного тока, а вторичную катушку
соединим с лампой накаливания.
Оказывается, лампа непрерывно горит,
пока в первичной катушке течет
переменный ток.
Нетрудно заметить, что общим для всех
описанных опытов является изменение
магнитного поля в соленоиде, которое и
создает в нем индукционный ток.

88.

Выясним теперь, всякое ли изменение
магнитного поля вокруг замкнутого
контура наводит в нем индукционный
ток. Возьмем плоский контур в виде
рамки, соединенной с гальванометром.
Поместим рядом с рамкой магнит так,
чтобы его линии индукции не
проходили внутри рамки, а находились
в ее плоскости (рис. 5а).

89.

Оказывается, что при перемещении
рамки или магнита вдоль плоскости
рисунка стрелка гальванометра не
отклоняется. Если же рамку
поворачивать вокруг оси 00' (рис. 5б),
то в ней возникает индукционный ток.
На основании описанных опытов
можно сделать следующий вывод:
индукционный ток (и э. д. с. индукции)
в замкнутом контуре появляется
только в том случае, когда
изменяется магнитный поток,
который проходит через площадь,
охваченную контуром.

90.

С помощью этого явления может
получится электрический ток
практически любой мощности, а это
позволяет широко использовать
электрическую энергию в
промышленности. Получается она в
основном с помощью индукционных
генераторов, принцип работы которых
основан на явлении электромагнитной
индукции. Поэтому Фарадей по праву
считается одним из основателей
электротехники.

91.

Рассмотрим подробнее явление
электромагнитной индукции.
Пусть в однородном магнитном поле с
индукцией В находится прямолинейный
металлический проводник длиной ℓ.
Приведем этот проводник в движение
со скоростью так, что бы угол между
векторами В и ϑ составлял 90 градусов,
то вместе с проводником будут
направленно двигаться и его
собственные электроны, так как их
движение происходит в магнитном поле,
то на них должна действовать сила
Лоренца.

92.

93.

С помощью правила левой руки можно
установить, что свободные электроны
будут смещаться к концу А. И тогда
между А и В возникает напряжение U,
которое создаст в нем электрическую
силу Fэл., которая уравновесит Fл.
Fэл.= Fл., в этом случае смещение
электронов прекратится.
Uq
Fэл.= Еq =
, а Fл.= Вq ϑ sinα,
ℓ
но напряжение на полюсах при
разомкнутой цепи = Е.
Еинд.= В ϑ ℓ sin α

94.

А если проводник включить в цепь, то в
ней возникает индукционный ток.
Направление индукционного тока,
возникающего в прямолинейном
проводнике при его движении в
магнитном поле, определяется по
правилу правой руки: если правую руку
расположить вдоль проводника так,
чтобы линии магнитной индукции
входили в ладонь, а отогнутый большой
палец показывал направление
движения проводника, то четыре
вытянутых пальца укажут направление
индукционного тока в проводнике.

95.

96.

ЗАКОН ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

97.

Вернемся к опыту. Стрелка гальванометра
отклоняется тем дальше, чем быстрее
вдвигается в соленоид магнит или
катушка с током.
∆Ф
Еинд = (для одного витка)
∆t
Э.д.с. индукции, возникающая в какойлибо цепи, прямо пропорциональна
скорости изменения магнитного потока
∆t – время, за которое происходит
изменение магнитного потока.
∆ψ
Если витков ω, то Еинд = , где
∆t
∆ψ = ψ2 – ψ1 = ωФ2 - ωФ1 = ω(Ф2 - Ф1) = ω∆Ф

98.

ψ – собственное потокосцепление
характеризует связь магнитного потока с
замкнутой цепью, сквозь которую он
проходит (единица измерения 1 Вб
(Вебер).
Знак минус показывает, что когда
магнитный поток (потокосцепление)
уменьшается (∆Ф или ∆ψ – отрицательно),
э.д.с. создает индукционный ток,
увеличивающий магнитный поток
(потокосцепление) и наоборот. Исходя из
∆Ф
формулы: Еинд = ∆t
│∆Ф│=│Еинд ∆t│
[1 Вб = 1В х 1с]

99.

ПРАВИЛО ЛЕНЦА (1831 г.)
Возникающий в замкнутом контуре
индукционный ток имеет такое
направление, что созданный им поток
магнитной индукции, через площадь,
ограниченную контуром, стремится
компенсировать то изменение потока
магнитной индукции, которое вызывает
данный ток.

100.

Алгоритм определения направления
индукционного тока.
1. Определить направление линий
индукции внешнего поля В (выходят из
N и входят в S).
2. Определить, увеличивается или
уменьшается магнитный поток через
контур (если магнит вносят в кольцо, то
∆Ф>0, если выносят, то ∆Ф<0).

101.

3. Определить направление линий
индукции магнитного поля В′,
созданного индукционным током (если
∆Ф>0, то линии В и В′ направлены в
противоположные стороны; если ∆Ф<0,
то линии В и В′ сонаправлены).
4. Пользуясь правилом буравчика,
определить направление
индукционного тока.

102.

Возникновение индукционного тока в
соленоиде при приближении к нему
постоянного магнита
Будем приближать к одному из его
концов постоянный магнит, например,
северным полюсом. В соленоиде
возникнет электрический ток, который
обнаружится по отклонению стрелки
гальванометра.

103.

Направлен индукционный ток против
часовой стрелки, если смотреть на
соленоид со стороны магнита. При
приближении магнита к соленоиду
поток вектора магнитной индукции,
пронизывающий витки соленоида,
возрастает, так как увеличивается
магнитная индукция поля магнита.
Магнитное поле индукционного тока в
соленоиде направлено из соленоида
наружу (правило буравчика), то есть
компенсирует нарастание поля магнита.

104.

Возникновение индукционного тока в
соленоиде при удалении от него
постоянного магнита
При удалении магнита от соленоида
поток вектора магнитной индукции,
пронизывающий витки соленоида,
убывает, так как уменьшается
магнитная индукция поля магнита.

105.

Магнитное поле индукционного тока в
соленоиде направлено внутрь
соленоида (правило буравчика), то есть
компенсирует убывание поля магнита.
Очевидно, что результат опытов не
изменится, если магнит будет
неподвижен, а соленоид перемещаться.
Анализируя результаты этих двух
опытов, можно сделать еще один вывод:
при приближении северного полюса
магнита к соленоиду индукционный ток
создает магнитное поле, индукция
которого направлена навстречу

106.

индукции магнитного поля магнита, и,
следовательно, магнит и соленоид
отталкиваются, то есть между ними
возникает сила противодействующая
движению магнита, которое вызывает
возникновение индукционного тока.
При удалении магнита магнит и
соленоид притягиваются, то есть снова
между ними возникает сила
противодействующая движению
магнита.

107.

ВИХРЕВОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ
Постулаты Максвелла
1. Переменное магнитное поле создает
в окружающем пространстве вихревое
электрическое поле.
2. Переменное электрическое поле
создает в окружающем пространстве
вихревое магнитное поле.
Эти поля расположены в двух взаимно
перпендикулярных плоскостях.

108.

Причина возникновения
электрического тока в неподвижном
проводнике - электрическое поле.
Всякое изменение магнитного поля
порождает индукционное
электрическое поле независимо от
наличия или отсутствия замкнутого
контура, при этом если проводник
разомкнут, то на его концах возникает
разность потенциалов; если проводник
замкнут, то в нем наблюдается
индукционный ток.

109.

Индукционное электрическое поле
является вихревым.
Направление силовых линий вихревого
электрического поля совпадает с
направлением индукционного тока и
определяется по правилу Ленца.
В
В
Е
Е
Вувел.
Вумен.

110.

ВИХРЕВЫЕ ТОКИ
Индукционные токи в массивных
проводниках называют токами Фуко.
Токи Фуко могут достигать очень
больших значений, т.к. сопротивление
массивных проводников мало. Поэтому
сердечники трансформаторов и
электромагнитов делают из
изолированных пластин.
В ферритах - магнитных изоляторах
вихревые токи практически не
возникают.

111.

Использование вихревых токов
- сварка, пайка, индукционный нагрев
и плавка металлов в вакууме,
демпферы в электроизмерительных
приборах, поверхностная закалка
токами высокой частоты, в устройстве
магнитного тормоза диска
электрического счетчика.
Вредное действие вихревых токов
- это потери энергии в сердечниках
трансформаторов и генераторов из-за
выделения большого количества тепла.

112.

ЯВЛЕНИЕ САМОИНДУКЦИИ.
ИНДУКТИВНОСТЬ.
ЭНЕРГИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
ТОКА.

113.

Явление самоиндукции - частный
случай электромагнитной индукции и,
следовательно, для него справедливы
все закономерности явления
электромагнитной индукции. При этом
изменяющееся магнитное поле
индуцирует ЭДС индукции в том же
самом проводнике, по которому течет
ток, создающий это поле.
Вихревое магнитное поле препятствует
нарастанию тока в проводнике.
При уменьшении тока вихревое поле
поддерживает его.

114.

В момент замыкания ключа ЭДС
самоиндукции в катушке препятствует
нарастанию тока I: Л2 загорается
позжеЛ1.
При отключении катушки индуктивности
от источника тока лампа, включенная
параллельно катушке, дает
кратковременную вспышку.

115.

Опыт иллюстрирует, что для изменения
тока требуется время, т.е. явление
самоиндукции аналогично явлению
инерции в механике.
Возникновение ЭДС индукции в цепи,
которое вызвано изменением
магнитного поля тока, текущего в
этой же цепи, называют явлением
самоиндукции.

116.

Учёт ЭДС самоиндукции в технике
Масляные выключатели; при
размыкании цепи с большой
индуктивностью параллельно включают
конденсатор с большой
электроемкостью и высоким
напряжением. При замыкании и
размыкании цепи возникают экстра токи
замыкания (размыкания) тем большие
по величине, чем быстрее происходит
процесс.

117.

ИНДУКТИВНОСТЬ
Если через катушку пропускать ток, то ψ ~
I. Следовательно,
ψ =LI,
где L — индуктивность катушки,
характеризующая ее магнитные свойства
зависит от конфигурации цепи и
окружающей среды:
ψ
L=
I
Индуктивность показывает, какое
потокосцепление возникает в цепи при
прохождении по ней тока силой 1 А.
1 Вб
[L ] = [
= 1Гн (Генри)]
1А

118.

ИНДУКТИВНОСТЬ СОЛЕНОИДА
ψсол ωФсол
Lсол =
=
Iсол
Iсол
μ0μIсол ω S
Фсол = Всол S =
ℓ
μ0μω2S
Lсол =
ℓ
Таким образом индуктивность
соленоида определяется средой, его
линейными размерами и числом
витков.

119.

ЭДС САМОИНДУКЦИИ
∆ψ
Еинд = ,
∆t
∆ψ = L ∆ I,
∆I
Ес = - L
∆t
ЭДС самоиндукции прямо
пропорциональна скорости изменения
силы тока в этой цепи.
Знак «минус» указывает, что ЭДС
препятствует изменению силы тока в цепи.
ЭНЕРГИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
Энергия магнитного поля равна работе по
преодолению ЭДС самоиндукции.

120.

Wмаг = - Ec q
Знак «минус» означает, что заряды
движутся противоположно ЭДС
самоиндукции.
∆I
q
Ес = - L
, Wмаг = L ∆ I ( )
∆t
∆t
Так как ток возрастает от 0 до I, то
∆ I = I - 0 = I,
q
– средняя сила тока за время его
∆t
нарастания,
q 0+I I
=
= , отсюда:
∆t
2
2
L I2
Wмаг =
2