Презентация лекции №3 по теме Магнетизм (2)

1. Магнитное поле

Явление электромагнитной индукции
II.
Закон Ленца
III. Явление самоиндукции. Индуктивность
IV. Экстратоки замыкания и размыкания
V.
Энергия системы проводников с током
VI. Магнитное поле в веществе
VII. Типы магнетиков
I.

2. Явление электромагнитной индукции

3. Явление электромагнитной индукции

В 1831 году Фарадей открыл, что во всяком
замкнутом проводящем контуре при
изменении потока магнитной индукции через
поверхность, ограниченную этим контуром,
возникает электрический ток.
Это явление называется электромагнитной
индукцией.
Возникающий ток называется
индукционным.

4. Закон Фарадея

Закон электромагнитной индукции (закон
Фарадея): ЭДС электромагнитной индукции
εi в контуре пропорциональна скорости
изменения магнитного потока сквозь
площадь поверхности, ограниченную этим
контуром
εi = -dФm/dt
Знак минус соответствует правилу Ленца

5. Правило Ленца

С помощью правила Ленца можно найти
направление индукционного тока.
Правило Ленца: индукционный ток всегда
направлен так, чтобы противодействовать
причине, его вызывающей, т.е. собственное
магнитное поле противодействует
изменению магнитного потока,
вызывающего индукционный ток.

6. Применение правила Ленца для определения направления индукционного тока

7. Токи Фуко

Индукционные токи возникают не только в
тонких контурах, но и в массивных
проводниках, пронизываемых
изменяющимся магнитным полем.
Такие токи называются токами Фуко.
Токи Фуко являются вихревыми.
Они замыкаются в толще самого
проводника.

8. Токи Фуко

9. Потокосцепление

Если замкнутый контур содержит N
последовательно соединенных одинаковых
витков (представляет собой соленоид), то
магнитный поток Фm заменяется на
потокосцепление Ψ .
Потокосцеплением контура называется
величина
Ψ = Σ Фm

10. Явление самоиндукции

Электрический ток I , текущий в любом
контуре, создает пронизывающий этот
контур полный магнитный поток
(потокосцепление ψ) .
При изменениях I будет меняться и ψ,
следовательно, в контуре будет
индуцироваться ЭДС.
Это явление называется самоиндукцией.

11. Закон самоиндукции

Из закона Фарадея следует, что при
изменениях силы тока в контуре возникает
ЭДС самоиндукции
εс = - dψ / dt = - d (LI) / dt
L – индуктивность контура (виток, катушка)
Для недеформируемого (жесткого) контура,
находящегося в неферромагнитной среде
L = const
Поэтому
εс = - L dI / dt

12. Индуктивность контура

Коэффициент пропорциональности L
между силой тока и полным магнитным
потоком называется индуктивностью
контура. [ L ] = [ Гн ]
Индуктивность L зависит от геометрии
контура (формы и размеров) и от магнитных
свойств среды, окружающей контур.
Индуктивность является мерой
инертности контура по отношению к
изменению в нем силы тока.

13. Энергия системы проводников с током

При нарастании электрического тока
работа совершается против ЭДС
самоиндукции и идет на создание
магнитного поля.
Энергия магнитного поля равна Wm = ψ I /2
Работа, которую затрачивает ЭДС самого
источника на нагревание проводников, не
учитывается.

14. Объемная плотность энергии магнитного поля

Объемной плотностью энергии
магнитного поля называется величина
wm = dW /dV
Силовой характеристикой магнитного поля
является напряженность магнитного поля
H = B /μμo
Тогда объемная плотность энергии
магнитного поля
wm = BH/2

15. Магнитное поле в веществе

Некоторые вещества, помещенные в
магнитное поле, приобретают магнитные
свойства, намагничиваются.
Они меняют внешнее магнитное поле.
Одни вещества ослабляют внешнее
магнитное поле, другие – усиливают.

16. Магнитное поле в веществе

Ампер предположил, что в молекулах
вещества циркулируют круговые
(молекулярные токи).
Каждый такой ток обладает
магнитным моментом и создает в
окружающем пространстве магнитное
поле.
В отсутствие внешнего магнитного
поля молекулярные токи
ориентированы беспорядочным
образом, следовательно суммарный
магнитный момент равен 0.

17. Микро и макротоки

В веществе различают 2 вида токов: микро
и макротоки.
Макротоками называются токи
проводимости, т.е. токи, текущие по
проводникам.
Микротоками (молекулярными токами)
называются токи, обусловленные
движением электронов в атомах,
молекулах и ионах.

18. Вектор намагниченности

Характеристикой намагничивания вещества
является вектор намагниченности
(интенсивность намагничивания) J.
Вектор намагниченности это отношение
суммарного магнитного момента всех
молекул малого объема вещества к величине
N
этого объема
P
i 1 m i
J
V

19. Магнитная проницаемость вещества

Магнитная проницаемость среды (μ) это безразмерная физическая величина,
показывающая, во сколько раз магнитное
поле макротоков Н усиливается за счет
микротоков среды
В = μ μо Н
μ зависит только от свойств среды.

20. Магнитная проницаемость вещества

Все магнетики делятся на 3 группы:
Диамагнетики μ ≤ 1
(медь, вода, висмут и др.)
Парамагнетики μ ≥ 1
(алюминий, платина, воздух и др.)
Ферромагнетики μ >> 1
(железо, никель, кобальт и др.)

21. Диамагнетики

Каждому орбитальному току соответствует
определенный магнитный момент Рm .
Электрон обладает собственным
(спиновым ) магнитным моментом
Рms элек
Собственным магнитным моментом
обладает ядро атома Рms ядра
(Рms элек >> Рms ядра )
В отсутствии внешнего поля суммарный
магнитный момент атома (молекулы)
равен 0.

22. Диамагнетики

Под влиянием внешнего
магнитного поля плоскость
электронных орбит начинает
прецессировать вокруг силовых
линий магнитного поля,
проходящих через ядро атома
(вращение волчка).
Прецессионное движение
электронных орбит эквивалентно
круговому току.

23. Диамагнетики

Так как круговой ток индуцирован
внешним полем, то, согласно правилу
Ленца, его собственное магнитное поле, а,
следовательно, и его магнитный момент
направлен противоположно внешнему
полю.
Диамагнетик сохраняет
намагниченность пока существует
внешнее магнитное поле.

24. Парамагнетики

У парамагнетиков суммарный магнитный момент
атома отличен от 0, т.е. орбитальные, спиновые и
ядерные магнитные моменты не компенсируют
друг друга.
Атомы парамагнетика являются маленькими
магнитами.
Внешнее магнитное поле стремится установить
магнитные моменты атомов вдоль поля
Т.о.намагниченность возрастает.
Намагниченность сохраняется только во внешнем
магнитном поле.

25. Ферромагнетики

Ферромагнетиками называются вещества,
которые обладают намагниченностью в
отсутствии внешнего магнитного поля.
У ферромагнетиков внутреннее магнитное
поле в тысячи раз превышает вызвавшее его
внешнее магнитное поле.
Ферромагнетизм наблюдается у переходных
металлов: железо, кобальт, никель и ряда
сплавов.

26. Основные свойства магнетиков

1. Зависимость
намагниченности J
от внешнего
магнитного поля
нелинейная и
характеризуется
наличием магнитного
насыщения Jнас.
наступающего при
Н ≥ Нн

27. Магнитная проницаемость

2. Зависимость
относительной магнитной
проницаемости μ от
напряженности внешнего
магнитного поля Н имеет
сложный характер, причем
значение μ очень велики
от 103 до 106

28. Магнитный гистерезис

3. Существование магнитного
гистерезиса ферромагнетиков –
отставание изменения намагниченности
J от изменения напряженности Н
внешнего магнитного поля по величине и
направлению

29. Основы ферромагнетизма

Ферромагнетик состоит из областей самопроизвольной
(спонтанной) намагниченности – доменов.
Внутри каждого домена вещество намагничено до
насыщения.
Под влиянием внешнего поля в ферромагнетике происходит
ориентация магнитных моментов.

30. Магнитный гистерезис

3. Jнас –
намагниченность
насыщения ( при
увеличении
напряженности
внешнего поля,
намагниченность не
увеличивается)
JR – остаточная
намагниченность
Нк – коэрцитивная
сила (напряженность
внешнего магнитного
поля, когда
намагниченность
равна 0.

31. Магнитный гистерезис

4. Для каждого ферромагнетика
существует определенная температура
(точка Кюри) выше которой вещество
утрачивает ферромагнитные свойства.
Выше температуры Кюри ферромагнетик
превращается в парамагнетик.

32. Магнитный гистерезис

33. Магнитный гистерезис

Петли гистерезиса для различный материалов
1,2 – магнитомягких;
3 – магнитотвердых.

34. Магнитный гистерезис

Семейство петель гистерезиса