Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Магнитное поле и его характеристикиСтр 1 из 6Следующая ⇒
Глава 11. Электромагнетизм Магнитное поле и его характеристики Магнитное поле – это один из видов материи, которая проявляется в том, что на помещенный в поле движущийся заряд или проводник с током со стороны магнитного поля действует сила. Основной характеристикой магнитного поля служит вектор магнитной индукции В. Единицей магнитной индукции является тесла (Тл). Другой характеристикой магнитного поля является напряженность Н, которая измеряется в А/м. Эти характеристики связаны между собой соотношением В =μ μ 0 Н, где μ – магнитная проницаемость среды, μ 0 - магнитная постоянная, μ 0=4π ·10-7 Гн/м. Магнитные поля графически изображаются с помощью магнитных силовых линий (рис. 101).
Эти линии представляют собой концентрические окружности, проведенные так, что касательные к ним в каждой точке совпадают по направлению с вектором В. На рис.101 изображено сечение проводника с током I1, текущим за плоскость рисунка, и проводника с током I2, текущим из-за плоскости рисунка. Направление силовых линий определяется по правилу правого винта (буравчика). В произвольных точках 1 и 2 показано направление векторов В1 и В2.
Принцип суперпозиции магнитных полей. Закон Био-Савара-Лапласа Для магнитных полей, создаваемых системой проводников с токами, справедлив принцип суперпозиции (наложения). Каждый из проводников создает собственное магнитное поле, которое не зависит от наличия или отсутствия других проводников. Напряженность же суммарного магнитного поля Н , созданного всеми n проводниками с током в данной точке равно геометрической сумме напряженностей Н i каждого из полей . Пусть магнитное поле создано системой из двух проводников с токами I1 и I2 (рис. 102). Напряженность Н результирующего поля будет равна Н = Н 1 + Н 2. Численное значение вектора Н определяется по теореме косинусов
.
Очевидно, что напряженность (и индукция) магнитного поля должна зависеть от тока в проводнике и расстояния от проводника и некоторых других причин. Закон Био-Савара-Лапласа позволяет вычислять напряженность поля, создаваемого элементом проводника с током в любой точке пространства. Закон утверждает, что элемент dl проводника с током I создает в точке пространства на расстоянии r от него магнитное поле, напряженность которого dH пропорциональна dl, силе тока I, синусу угла α между направлением тока и радиусом-вектором r точки и обратно пропорциональна r2 (рис. 103): . Вектор dH перпендикулярен плоскости, проведенной через элемент dl и радиус-вектор r, а направление его определяется по правилу “буравчика”. Закон Био-Савара-Лапласа в векторном виде записывается следующем образом: Закон Био-Савара-Лапласа позволяет вычислять напряженность магнитных полей от проводников с токами различной формы.
а) Магнитное поле прямолинейного проводника с током.
Определим напряженность поля в точке М на расстоянии r0 от бесконечного проводника. Выделим на проводнике элемент тока Idl (рис. 104), и проведем радиус-вектор r в точку М. Напряженность поля будет определяться по закону Био-Савара-Лапласа. Из рисунка видно, что , и тогда Напряженность поля в точке М будет представлять собой геометрическую сумму напряженностей Нi от всех элементов бесконечного проводника Напряженность магнитного поля, создаваемого прямолинейным проводником конечной длины l (рис. 105) определяется по формуле
б ) Магнитное поле в центре кругового тока. Пусть ток протекает по окружности радиуса r (рис. 106). В этом случае все элементы dl проводника перпендикулярны к радиусу-вектору r, а sin α =1. Поэтому напряженность в центре кругового тока будет
Н направлен в другую сторону!!!!!! Все элементы тока создают магнитное поле одинакового направления и напряженность в центре витка будет определяться интегралом .
Для одного витка ; для N витков .
Электромагнетизм Циркуляция вектора напряженности магнитного поля. Работа по перемещению проводника и контура С током в магнитном поле На проводник с током в магнитном поле действует сила Ампера F = IBl.
Рис.113 Под действием этой силы (если проводник не закреплен и имеет возможность скользить и перемещаться – рис.113) он будет перемещаться в магнитном поле. Следовательно, магнитное поле совершает работу по перемещению проводника с током. Для определения этой работы рассмотрим проводник длиной l с током I, помещенный в однородное магнитное поле, где В перпендикулярен плоскости контура. Под действием силы F проводник переместится параллельно самому себе на отрезок dx из 1 во 2 положение. Работа, совершенная магнитным полем, равна dA = F dx = IBl dx = IB dS = I dФ, dS = l dx – заштрихованная площадь, BdS = dФ - магнитный поток сквозь площадь dS. Таким образом, dA = I dФ, т.е. работа равна произведению тока I на магнитный поток, пересеченный движущимся проводником. Полученная формула справедлива и для произвольного направления вектора В. Вычислим работу по перемещению замкнутого контура с током I в магнитном поле.
Пусть контур М перемещается в магнитном поле из положения 1 в положение 2 в плоскости чертежа (рис.114). Вектор В перпендикулярен плоскости контура и направлен за плоскость чертежа. Контур М мысленно разобьем на два соединенных своими концами проводника: АВС и СДА. Работа dA, совершаемая силами Ампера при перемещении контура в магнитном поле, равна алгебраической сумме работ по перемещению проводников АВС ( dA1) и СДА (dA2), т.е. dA = dA1 + dA2. При этом dA1 < 0, dA > 0, т.к. F1 направлена в сторону противоположную перемещению, а F2 – в сторону перемещения dA2 = I (dФ0 + dФ2 ) dA1 = -I (dФ0 + dФ1 ) dA = I (dФ2 - dФ1 ) dA = I dФ', где dФ'=dФ2–dФ1 – изменение магнитного потока через площадь, ограниченную контуром с током. Интегрируя, получим A = I · Δ Ф, Т.е. работа по перемещению замкнутого контура с током в магнитном поле равна произведению силы тока в контуре на изменение магнитного потока, сцепленного с контуром.
Эффект Холла Эффект заключается в том, что в проводнике с током, помещенном в магнитное поле, возникает разность потенциалов в направлении, перпендикулярном вектору магнитной индукции В и току I, вследствие действия силы Лоренца на заряды, движущиеся в проводнике. Эффект Холла наблюдается у металлов и полупроводников.
Если носители заряда имеют отрицательный знак (электроны в металлах и полупроводниках – рис. 116а), то на верхней грани будет избыток электронов, если же положительный (“дырки” в полупроводниках, рис. 116б), то на верхней грани будет избыток положительных зарядов (недостаток электронов). Сила Лоренца в обоих случаях направлена вверх. По этому признаку, зная направление тока j и поля В, определяют знак носителей тока, а также подвижность носителей заряда (по значению скорости v ). Таким образом, между гранями 1 и 2 возникает разность потенциалов U. Получим выражение для U. Сила Лоренца FЛ, действующая на каждый заряд равна FЛ = QvB. Избыточные заряды, появившиеся на гранях 1 и 2 создадут электрическое поле с напряженностью Это поле будет действовать на каждый заряд с силой FЭ =QE. В какой-то момент установится стационарное (не меняющееся со временем) распределение зарядов вследствие того, что эти две силы уравновесят друг друга QvB = QE или E = vB. Из формулы плотности тока j = n0Qv выразим скорость . Тогда где - постоянная Холла и выражение для U будет U = RdjB
Разность потенциалов между гранями проводника, находящимся в поперечном магнитном поле, прямо пропорциональна толщине проводника d, плотности тока j, магнитной индукции В. Применение эффекта Холла: 1. По знаку эффекта судят о принадлежности полупроводника к n -типу и р – типу. 2. По значению U определяют значение индукции В. 3. По значению U определяют подвижность носителей зарядов в полупроводнике.
Энергия магнитного поля Магнитное поле, подобно электрическому, является носителем энергии. Естественно предположить, что энергия магнитного поля равна работе, которая затрачивается источником тока на создание этого поля. Рассмотрим цепь, содержащую катушку индуктивностью L и сопротивлением Rк, источник тока ε с внутренним сопротивлением r (рис. 125).
Полное сопротивление цепи R = Rк + r. При замыкании цепи энергия источника тока расходуется на преодоление омического сопротивления и преодоление ЭДС самоиндукции ε с, равной
Здесь i – мгновенное значение силы тока, который при включении изменяется от 0 до I. Очевидно, что или ε = iR – ε c = iR + . Умножим обе части равенства на idt ε idt = i2Rdt +Lidi. Здесь ε idt – работа, совершаемая источником тока за время dt; Lidi – энергия, расходуемая на создание магнитного поля катушки, обладающей индуктивностью L, dW = Lidi; i2Rdt – энергия, расходуемая на нагревание проводника. Полная энергия магнитного поля W, запасенная в катушке при нарастании тока от 0 до I будет ;
Если потокосцепление катушки Ψ = LI, то энергия магнитного поля будет . Выразим энергию магнитного поля через его характеристики В и Н. Потокосцепление Ψ = NBS; напряженность поле в катушке Н = nI = , откуда . Тогда , где V =Sl –объем катушки, в котором сосредоточено практически все магнитное поле, энергия которая равна .
Учитывая, что B = μ μ 0H, получим
. Объемная плотность энергии магнитного поля - отношение энергии поля к объему = = . Единица измерения Дж/ м3.
Магнитное поле в веществе. Все вещества в той или иной мере обладают магнитными свойствами. Поэтому все вещества можно назвать магнетиками, т.е. веществами, способными приобретать во внешнем магнитном поле магнитные свойства, иначе говоря, намагничиваться и создавать собственное магнитное поле. Магнитные свойства вещества определяются магнитными свойствами электронов и атомов вещества. Движение электрона в атоме по орбите радиуса r эквивалентно некоторому замкнутому контуру с током. Магнитный момент pm контура с током равен pm = IS. Площадь контура S = π r2, а ток в нем I = e ν, где е – заряд электрона, ν – частота вращения электрона. Тогда pm = IS = eν π r2. Если учесть, что скорость v вращения электрона v = 2 π rν, а Величина ρ m называется орбитальным магнитным моментом электрона. Электрон, движущийся по орбите, обладает орбитальным механическим моментом импульса L = mvr. Отношение орбитального магнитного pm и механического L моментов называют гиромагнитным отношением Знак минус означает, что вектора p m и L противоположны по направлению (рис. 126).
Кроме орбитального электрон обладает собственными магнитным моментом pms и механическим Ls моментами, для которых гиромагнитное отношение равно . Собственный механический момент электрона называют спином. Спин и связанный с ним собственный (спиновый) магнитный момент являются такими же неотъемлемыми свойствами электрона как его масса и заряд. Магнитный момент атома слагается из орбитальных и собственных моментов входящих в его состав электронов (а также ядра). При наложении внешнего магнитного поля напряженностью Н происходит определенная ориентация атомов и молекул вещества, что приводит к упорядоченному направлению векторов р mi отдельных атомов и молекул магнетика, в результате чего объем Δ V магнетика приобретает определенный суммарный магнитный момент, который характеризуется вектором намагничивания J , где n –число атомов (молекул) в объеме Δ V. Единица измерения J [А/м ]. Число ориентированных молекул и степень их ориентации относительно поля будут пропорциональны Н, т.е. J = χ H, где χ – магнитная восприимчивость магнетика. Магнитное поле в веществе создается двумя типами токов – макротоками и микротоками. Макротоки – это токи проводимости, образующиеся вследствие движения свободных зарядов. Микротоки – это токи, обусловленные движением электронов в атомах, молекулах или ионах. При внесении магнетика во внешнее магнитное поле с индукцией В 0 он намагничивается и создает собственное магнитное поле с индукцией В '. Индукция В результирующего поля после наложения внешнего и собственного полей будет равна В = В 0 + В '. В зависимости от значения магнитной проницаемости μ все вещества разделяют на 3 группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Диамагнетики – это вещества, у которых μ < 1 и χ < 0. При наложении внешнего поля в них возникает собственное поле, направленное навстречу основному, т.е. векторы В 0 и В ' имеют противоположное направление. У диамагнетиков атомы вещества не обладают магнитным моментом ( векторная сумма орбитальных и спиновых магнитных моментов электронов в атоме равна нулю ). Однако при наложении на них внешнего магнитного поля в них наводится некоторый магнитный момент, направленный навстречу внешнему полю, что и приводит к ослаблению внешнего магнитного поля в объеме диамагнетика. Парамагнетики – это вещества, у которых суммарный магнитный момент атомов (векторная сумма орбитальных и спиновых магнитных моментов электронов в атоме) отличен от нуля. В таком веществе внешнее магнитное поле не только индуцирует магнитный момент, но и ориентирует магнитные моменты атомов по направлению поля несмотря на то, что тепловое движение стремится разбросать их равномерно по всем направлениям. Возникающий вследствии ориентации атомов положительный магнитный момент оказывается значительно больше, чем отрицательный момент (индуцируемый вследствие прецессии электронов как у диамагнетиков). Поэтому результирующий магнитный момент оказывается положительным, вещество ведет себя как парамагнетик, у которого μ > 1 и χ > 0. Индукция В результирующего поля в парамагнетике будет выше, чем индукция внешнего поля В0. В = В0 + В'. Намагничивание магнетика характеризуется вектором намагничивания J, который имеет такую же размерность [А/м], что и напряженность Н. Поэтому для описания магнитного поля в магнетиках часто пользуются выражением
Вектор намагничивания равен нулю в вакууме, а в веществе он пропорционален Н. J = χ H и откуда Безразмерная величина μ =1+χ называется относительной магнитной проницаемостью среды. Так как χ может быть положительной и отрицательной, то μ может быть меньше единицы (у диамагнетиков) и больше единицы (у парамагнетиков). Ферромагнетики – это особый класс веществ, намагничивание которых во много раз (до 106) превышает намагничивание диа-и парамагнетиков. К ним относятся Fe, Co, Gd и др., а также их сплавы и соединения. Ферромагнитные свойства присущи только кристаллам и объясняются их доменной структурой. В кристаллах возникают области, спонтанного (самопроизвольного) намагничивания – домены. В пределах домена ферромагнетик спонтанно намагничен до насыщения и обладает определенным магнитным моментом. Направление этих моментов у различных доменов ориентированы произвольно, так что в отсутствие внешнего магнитного моля суммарный магнитный момент всего тела равен нулю. При наложении внешнего магнитного поля (В0) магнитные моменты доменов ориентируются по направлению внешнего магнитного поля, создавая собственное магнитное поле, индукция которого В' на много больше В0, а индукция суммарного поля В будет равна В=В'+В0≃ В'. Для каждого ферромагнетика имеется определенная температура Тс, называемая точкой Кюри, при значениях выше которой области спонтанного намагничивания (домены) распадаются, а вещество утрачивает ферромагнитные свойства. При температуре Т > Тс ферромагнетик становится обычным парамагнетиком, магнитная восприимчивость которого χ подчиняется закону Кюри-Вейса , где с – постоянная Кюри. Намагничивание J слабомагнитных диа-и парамагнетиков линейно зависит от напряженности Н внешнего поля. На рис. 127 показана зависимость J(H) для случая, когда J(0) = 0. Намагничение достигает насыщения при некотором значении Ннас для данного магнетика.
У ферромагнетиков сложная зависимость J(H) объясняется особенностью их доменной структуры. По мере нарастания напряженности внешнего магнитного поля увеличивается степень ориентации внешних моментов по направлению внешнего поля. При достижении Н = Ннас векторы магнитных моментов всех доменов ориентированы параллельно полю и намагничение достигает насыщения. Для ферромагнетиков характерно наличие гистерезиса. Увеличивая напряженность Н внешнего поля от Н = 0, можно довести намагничение до насыщения (точка 1 на рис. 128) при Н = Ннас. Если затем уменьшать напряженность Н, то намагничение будет изменяться по кривой 1-2 (а не по кривой 0-1 как при увеличении Н). В результате, когда напряженность внешнего поля Н станет равной нулю (точка 2), намагничение не исчезает и характеризуется величиной Вr, которая называется остаточной индукцией. При этом намагничение имеет значение Jr и называется остаточным намагничением. Намагничение обращается в нуль (точка 3) лишь под действием поля Нс, имеющего направление противоположное вызвавшему намагничение. Напряженность Нс называется коэрцетивной силой. Существование остаточного намагничения дает возможность изготовления постоянных магнитов. Основы теории Максвелла Теорией Максвелла называется теория единого электромагнитного поля, создаваемого произвольной системой зарядов и токов. В теории решается основная задача электродинамики – по заданному распределению зарядов и токов отыскиваются характеристики создаваемых ими электрического и магнитного полей. Теория Максвелла является обобщением важнейших законов, описывающих электрические и электромагнитные явления – теоремы Остроградского-Гаусса для электрического и магнитного полей, закона полного тока, закона электромагнитной индукции и теоремы о циркуляции вектора напряженности электрического поля. Теория Максвелла носит феноменологический характер, т.е. в ней не рассматриваются внутренний механизм явлений, происходящих в среде и вызывающих появление электрического и магнитного полей. В теории Максвелла среда описывается с помощью трех характеристик – диэлектрической ε и магнитной μ проницаемостями среды и удельной электропроводностью γ.
Вихревое электрическое поле Из закона электромагнитной индукции следует, что любое изменение сцепленного с контуром магнитного потока Ф приводит к возникновению ЭДС индукции ε i и появлению индукционного тока i
Возникновение ЭДС индукции возможно и в неподвижном контуре при условии, что существует переменное магнитное поле. Известно, что ЭДС в цепи возникает тогда, когда в ней на носители тока действуют сторонние силы. При электромагнитной индукции эти силы не связаны ни с тепловыми, химическими и другими процессами в контуре. Они не являются силами Лоренца, т.к. на неподвижные заряды сила Лоренца не действует, Для объяснения ЭДС индукции в неподвижных проводниках Максвелл высказал гипотезу, что всякое переменное поле (магнитное), возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле, которое и является причиной возникновения индукционного тока в проводнике. При этом контур, в котором возникает ЭДС, играет второстепенную роль инструмента для обнаружения возникающего электрического поля. Циркуляция вектора Е В напряженности этого поля по любому замкнутому контуру L представляет собой ЭДС индукции . Учитывая, что dФ = ВdS, можно записать = и тогда . Поля, для которых циркуляция вектора по замкнутому контуру не равна нулю, называются вихревыми. Таким образом, электрическое поле напряженностью Е В, возбуждаемое переменным магнитным полем, является вихревым, как и само магнитное поле. Напомним, что циркуляция вектора Е q электростатического поля равна нулю, т.к. электростатическое поле является не вихревым, а потенциальным.
Ток смещения По гипотезе Максвелла всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле. Основная же идея Максвелла заключается в том, что между электрическим и магнитным полями существует и обратное соотношение, т.е. изменяющееся во времени электрическое поле должно приводить к появлению переменного магнитного поля. Для установления количественных соотношений между изменяющимся электрическим и возникающим магнитным полями Максвелл ввел в рассмотрение так называемый ток смещения, плотность которого обозначим jсм. Рассмотрим участок цепи переменного тока, содержащего конденсатор. Движение свободных носителей заряда имеет место во всей цепи, кроме зазора между обкладками конденсатора.
При зарядке конденсатора (рис. 131а) ток течет в направлении к положительно заряженной обкладке, поверхностная плотность заряда на которой +σ. Между обкладками будет существовать электрическое поле с напряженностью Е и индукцией D. D = ε ε 0E; D = σ. При зарядке индукция D в зазоре возрастает, т.е. и по направлению совпадает с направлением j пр плотности тока проводимости в обкладке конденсатора. Величина j пр тока проводимости в обкладке площадью S можно выразить так . По Максвеллу переменное электрическое поле в конденсаторе создает такое магнитное поле, как если бы между обкладками конденсатора существовал ток проводимости плотностью такой же, как в обкладке конденсатора, т.е. jпр = jсм. Из этого следует, что При разрядке конденсатора (рис. 131б) изменяется во времени поверхностная плотность заряда σ на обкладках, а значит, изменяется и индукция D в зазоре. Индукция D убывает, Это значит, что jсм = совпадает по направлению и по величине с jпр как и при зарядке конденсатора. Из сказанного можно заключить, что ток проводимости и ток смещения равны по величине и одинаковы по направлению. Ток смещения следует понимать в том смысле, что переменное электрическое поле в конденсаторе в любой момент времени создает такое же магнитное поле, как если бы между обкладками существовал ток проводимости, имеющий силу, равную силе тока в подводящих проводниках. Из всех физических свойств, присущих току проводимости, Максвелл приписал току смещения лишь одно – способность создавать в окружающем пространства магнитное поле, т.е. ток смещения эквивалентен току проводимости только по способности создавать магнитное поле. Если в проводнике течет переменный ток, то внутри проводника существует переменное электрическое поле, а значит, имеются ток проводимости и ток смещения. Магнитное поле в нем определяется суммой токов, т.е. полным током. При расчетах магнитных полей в формулы нужно подставлять полную плотность тока jполн = jпр + jсм = jпр + В зависимости от электропроводности среды и быстроты изменения поля (частоты тока) оба слагаемых играют разную роль. В хорошо проводящих веществах плотность тока смещения мала и им можно пренебречь. В плохо проводящих средах и при высоких частотах ток смещения играет основную роль. Уравнения Максвелла. Теория электромагнитного поля Максвелла основана на двух основных положениях: - всякое изменение магнитного поля вызывает появление вихревого магнитного поля; - всякое изменение электрического поля вызывает появление вихревого электрического поля. Эта теория в строгой форме выражена в виде уравнений Максвелла. В учении об электричестве и магнетизме эти уравнения играют такую же роль, как законы Ньютона в механике или основные законы в термодинамике. Полная система уравнений Максвелла в интегральной форме: 1. 2. 3. 4. . 1. Электрическое поле может быть потенциальным ( Е Q ) и вихревым ( Е В ), поэтому напряженность суммарного поля Е равна Е = Е Q + Е В. Циркуляция вектора Е Q равна нулю, а циркуляция вектора Е В отражает закон электромагнитной индукции . Из этого уравнения следует, что электрические поля создаются электрическими зарядами и изменяющимися во времени магнитными полями. 2. Это уравнение - закон полного тока в обобщенном виде и показывает, что магнитные поля создаются движущимися зарядами (токами) либо (и) переменными электрическими полями. 3. Это уравнение – есть выражение теоремы Остроградского-Гаусса для электростатического поля в диэлектрике, где ρ – объемная плотность заряда в рассматриваемом объеме V. 4. Теорема Остроградского-Гаусса для потока магнитной индукции означает, что линии магнитной индукции замкнуты. Для решения этих уравнений необходимо знать связь между вхоящими в них величинами D = ε ε 0 E ; B = μ μ 0 H ; j = γ E. Для стационарных полей ( E = const, B = const ) Уравнения Максвелла примут вид:
. В этом случае электрические и магнитные поля независимы друг от друга и могут изучаться отдельно друг от друга. Уравнения Максвелла в дифференциальной форме имеют вид:
. Глава 11. Электромагнетизм Магнитное поле и его характеристики Магнитное поле – это один из видов материи, которая проявляется в том, что на помещенный в поле движущийся заряд или проводник с током со стороны магнитного поля действует сила. Основной характеристикой магнитного поля служит вектор магнитной индукции В. Единицей магнитной индукции является тесла (Тл). Другой характеристикой магнитного поля является напряженность Н, которая измеряется в А/м. Эти характеристики связаны между собой соотношением В =μ μ 0 Н, где μ – магнитная проницаемость среды, μ 0 - магнитная постоянная, μ 0=4π ·10-7 Гн/м. Магнитные поля графически изображаются с помощью магнитных силовых линий (рис. 101).
Эти линии представляют собой концентрические окружности, проведенные так, что касательные к ним в каждой точке совпадают по направлению с вектором В. На рис.101 изображено сечение проводника с током I1, текущим за плоскость рисунка, и проводника с током I2, текущим из-за плоскости рисунка. Направление силовых линий определяется по правилу правого винта (буравчика). В произвольных точках 1 и 2 показано направление векторов В1 и В2.
Популярное:
|
Последнее изменение этой страницы: 2016-03-22; Просмотров: 1348; Нарушение авторского права страницы