Намагничивание ферромагнетиков.

РИСУНОК

При увеличении напряженности Н индукция очень быстро нарастает, а затем ее рост замедляется, и при достаточно большом Н индукция почти не изменяется при увеличении Н.

ОА – кривая первоначального намагничивания – до тех пор пока идет намагничивание доменов по направлению внешнего поля, индукция быстро растет. Когда ферромагнетик намагнитится до насыщения, дальнейший рост индукции будет происходить за счет увеличения Н. Если уменьшать напряженность, то размагничивание идет по кривой АС, и при Н = 0 ферромагнетик остается намагниченным, и B = ОС.

При размагничивании индукция спадает медленнее, чем нарастала при намагничивании. Это явление называется магнитным гистерезисом. При периодическом перемагничивании ферромагнетика переменным магнитным полем кривая индукции образует замкнутую кривую, которую называют петлей гистерезиса.

Площадь петли гистерезиса пропорциональна энергии, затраченной на процесс перемагничивания ферромагнетика. Эта энергия превращается во внутреннюю энергию ферромагнетика. Следовательно, ферромагнетик нагревается.

Температуру, при которой происходит превращение ферромагнетика в парамагнетик, называют точкой Кюри.

Действие магнитного поля на движущийся заряд.

Сила Лоренца.

Магнитное поле действует на движущиеся заряды в проводнике с током. Поскольку эти заряды вырваться из проводника не могут, то общая сила, действующая на них, оказывается приложенной к проводнику.

Следовательно, сила Ампера является суммой сил, действующих на свободные заряды в проводнике с током.

FЛ= FА/N

N – общее число свободных зарядов в проводнике с током

FА= B*I**sina

I = Ѵ*n0*e*sina

FЛ = (B*I**sina)/N = (B*Ѵ*n0*e*S**sina)/N

S* = V

N = n0*V

FЛ = B*Ѵ*e*sina

FЛ = B*Ѵ*q*sina

Направление FЛ определяется по правилу левой руки

(Если в магнитном поле движется положительный заряд – четыре пальца по направлению скорости, если отрицательный – четыре пальца против направления скорости.)

РИСУНОК

Сила Лоренца всегда перпендикулярна плоскости, в которой находятся вектор индукции и вектор скорости, то есть FЛ перпендикулярно B FЛ перпендикулярно Ѵ

Следовательно FЛ работы не совершает, то есть не может изменить кинетическую энергию свободных зарядов. Она может изменить направление скорости движения свободных зарядов, то есть является центростремительной силой.

1) (FЛ) перпендикулярно (Ѵ).

FЛ = Fц => q*B*Ѵ = (m*Ѵ^2)/r

r = (m*Ѵ)/q*B

2) Заряд влетает под произвольным углом.

РИСУНОК

Ѵпр изменяться не будет,

Ѵн определяет число витков.

3) Заряженная частица влетает в сильное магнитное поле.

Если частица движется в плоскости перпендикулярно линиям индукции, то влетев в магнитное поле и описав дугу, она вылетает из магнитного поля.

Если частица влетает в поле под произвольным углом к линиям индукции, то пролетев в поле какую–то часть витка спирали, она тоже отбрасывается полем.

Таким образом, сильное магнитное поле отбрасывает влетающие в него заряженные частицы.

Электромагнитная индукция.

Опыты Фарадея. Закон электромагнитной индукции.

Электрический ток и его магнитное поле всегда существуют одновременно. Фарадей предположил, что с помощью магнитного поля можно создать в замкнутом проводнике электрический ток. В 1831 году он открыл явление электромагнитной индукции.

Возникновение в замкнутом проводнике электрического тока, обусловленное изменением магнитного поля, называется явлением электромагнитной индукции.

Полученный таким образом ток называется индукционным, а создающую его ЭДС называют ЭДС индукции.

Рассмотрим это явление:

РИСУНОК

Пусть в однородном магнитном поле с индукцией B находится прямолинейный металлический проводник длиной  «эль». Если этот проводнике привести в движение со скоростью Ѵ «вэ» так, чтобы угол α «альфа» между векторами B и Ѵ составлял 90, 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.

С помощью правила левой руки можно установить, что свободные электроны будут смещаться к концу провода A.

Напряжение U, которое возникает при этом между концами провода А и B, создаст в нем электрическую силу Fэл, которое уравновесит силу Лоренца.

Fл = Fэл – смещение свободных электронов прекратится.

Так как Fэл = E*q = (U*q)/

FЛ = B*Ѵ*q*sina =>

(U*q)/ = B*Ѵ*q*sina

U/ = B*Ѵ*sina

U = B*Ѵ**sina

Так как напряжение на полюсах при разомкнутой цепи равно ЭДС, то

εинд = U = B*Ѵ**sina

Сторонними силами, которые создают ЭДС являются магнитные силы, действующие на свободные электроны в движущемся проводнике.

Если этот проводник включить в цепь, то в ней возникает индукционный ток (что можно установить с помощью гальванометра).

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 индуктивного тока в проводнике.

Опыты Фарадея.

Рассмотрим опыты, с помощью которых он открыл явление электромагнитной индукции.

1.

РИСУНОК

Возьмем соленоид, соединенный с гальванометром и будем двигать в него постоянный магнит. При движении магнита стрелка гальванометра отклоняется.

Если магнит останавливать, то стрелка гальванометра возвращается в нулевое положение.

То же самое возникает при выдвижении магнита из соленоида или при надевании соленоида на магнит.

Этот опыт показывает, что индукционных ток возникает в соленоиде только при относительном перемещении соленоида и магнита.

2.

РИСУНОК

Будем опускать в соленоид B катушку с током A.

В этом случае в соленоиде B возникает индукционный ток только при относительном перемещении соленоида B и катушки A.

3.

РИСУНОК

Вставим катушку A в соленоид B и закрепим их неподвижно. При этом тока в соленоиде нет. Но в моменты замыкания или размыкания цепи катушки A в соленоиде B появляется индукционный ток. То же самое получается в моменты усиления или ослабления тока в катушке A с помощью изменения сопротивления R.

Обобщим для всех опытов явление изменения магнитного поля в соленоиде, которое и создает в нем индукционный ток.

Индукционный ток (ЭДС индукции) в замкнутом контуре появляется только в том случае, когда изменяется магнитный поток, который проходит через площадь, охваченную контуром.

Правило Ленца для электромагнитной индукции.

Индукционный ток создает собственное магнитное поле. Связь между направлением индукционного тока в контуре и индуцирующим магнитным полем была установлена Ленцем.

В первом опыте Фарадея индукционный ток в соленоиде создает магнитное поле, полюсы которого указаны в отверстии соленоида.

Проследив взаимодействие между магнитными полюсами соленоида и магнита во всех 4х случаях и сравнив его с направлением движения магнита можно видеть, что взаимодействие между полюсами всегда препятствует движению магнита.

Ленц обобщил эту закономерность на все случаи электромагнитно индукции. Эту связь называют законом Ленца для электромагнитной индукции.

ЭДС индукции создает в замкнутом контуре такой индукционный ток, который своим магнитным полем препятствует причине, вызывающей появление этой ЭДС.

Используя закон Ленца, для определения индукционного тока:

1. Найти причину, создающую индукционный ток, считая, что индукционный ток противодействует этой причине;

2. Найти направление его магнитного поля;

3. Определить направление индукционного тока по направлению его магнитного поля.

Например: (третий рисунок опыта Фарадея). Причиной, вызывающей появление индукционного тока во вторичной катушке при размыкании цепи первичной катушки, является исчезновение поля первичной катушки. Мешая этому исчезновению, индукционный ток во вторичной катушке должен создавать магнитное поле такого же направления, как у поля первой катушки. Следовательно, направление индукционного тока во вторичной катушке будет совпадать с направлением тока, который протекал в первичной катушке до размыкания.

Явлением электромагнитной индукции объясняют диамагнитный эффект. Когда вещество попадает в магнитное поле, на каждый движущийся по орбите электрон начинает действовать сила Лоренца, которая увеличивает или уменьшает центростремительную силу, действующую на электрон. Это приводит к изменению орбиты и частоты обращения электрона, что равносильно уменьшению или увеличению кругового тока, соответствующего движению электрона по орбите (круговые токи усиливаются, если их магнитные поля направлены против внешнего поля, и уменьшаются, если они направлены по полю).

Таким образом, если в отсутствие внешнего поля круговые токи электроны в молекуле диамагнетика уравновешивают друг друга и молекула не имеет магнитного момента, то во внешнем поле это равновесие нарушается и возникает результирующий момент молекулы, направленный против внешнего поля.

Этот результат следует из закона Ленца:

Изменение круговых токов в молекуле является индукционным током, и его магнитное поле должно быть направлено против вызвавшего его внешнего поля.

Диамагнитный эффект возникает во всех веществах, но если молекулы вещества имеют собственные магнитные моменты, которые ориентируются по направлению внешнего магнитного поля и усиливают его, то диамагнитный эффект перекрывается более сильным парамагнитным эффектом, и вещество оказывается парамагнетиком.

ЭДС индукции.

При выполнении опытов Фарадея можно видеть, что стрелка гальваномера отклоняется тем дальше, чем быстрее вдвигается в соленоид магнит или катушка с током.

Из этого следует, что ЭДС индукции, возникающая в цепи прямо пропорционально скорости изменения потокосцепления магнитного поля с той цепью: εинд = –(△ψ/△t)

△t – время, за которое происходит изменение потокосцепления на △ψ.

«–» показывает, что когда △ψ уменьшается (△ψ отрицательно), ЭДС создает индукционный ток, увеличивающий потокосцепление, и наоборот.

Вихревое электрическое поле. Вихревые токи.

Мы рассмотрели явление электромагнитной индукции, которое было объяснено действием силы Лоренца.

Так же это явление было изучено Максвеллом, и он создал теорию электромагнитного поля, которая была подтверждена многими опытами.

По теории Максвелла в пространстве, в котором изменяется магнитное поле, обязательно возникает электрическое поле с замкнутыми линиями напряженности.

РИСУНОК

РИСУНОК

Из рисунка видно, что линии электрических и магнитных полей расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Вектор напряженности (индукции) магнитного поля в каждой точке пространства перпендикулярен вектору напряженности, созданного им электрического поля.

Наибольшая ЭДС индукции в прямолинейном проводнике возникает тогда, когда он движется перпендикулярно к линиям индукции магнитного поля.

Если взять катушку с выступающим сердечником и оденем на него (ВОПРОС 1) кольцо, и включить в цепь переменного тока. Если кольцо держать, то оно сильно нагреется, а если не держать, то при включении катушки с сеть оно соскакивает с сердечника.

Объяснение: Переменное магнитное поле вокруг сердечника создает электрическое поле, поэтому в теле и в кольце возникают сильные индукционные токи. Так как сопротивление тела и кольца очень маленькое, эти токи и нагревают их. Соскакивает кольцо потому, что индукционный ток в кольце направлен противоположно току в катушке, а такие токи отталкиваются друг от друга.

Индукционные токи, которые возникают в (ВОПРОС 2) металлических телах, находящихся в переменном магнитном поле, и замыкаются внутри этих тел, называются вихревыми токами.

Если вихревой ток вызывается движением тела в магнитном поле, то согласно закону Ленца этот ток должен тормозить движение тела.

На опыте: если медную пластинку заставить колебаться при выключенном токе в электромагните, а затем при включенном токе в нем, то будет видно, что во втором случае колебания прекращаются почти мгновенно.

Тормозящее действие вихревых токов используется в измерительных приборах для успокоения колебаний стрелки измерительного механизма.