Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

barsukov-a

.pdf
Скачиваний:
11
Добавлен:
22.05.2015
Размер:
5.26 Mб
Скачать

Рис. 3.30

Решение. Для нахождения магнитной индукции В в точке А воспользуемся принципом суперпозиции магнитных полей. Для этого определим направления магнитных индукций В1 и В2 полей, создаваемых каждым проводником с током в отдельности, и сложим их геометрически:

B = B1 + B2 .

Модуль вектора В может быть найден по теореме косинусов:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B =

B2

+ B2

+ 2B B cos a ,

(1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

1

2

 

 

где a – угол между векторами В1

и В2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Магнитные индукции В1 и В2

выражаются соответственно через силу тока I и расстояния r1

и r2 от

поводов до точки А:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B

=

m0 I

;

B

=

m0 I

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

2pr1

 

2

 

2pr2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подставляя выражения В и В

в формулу (1) и вынося m0 I

за знак корня, получаем

 

1

2

 

 

 

 

 

 

2p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B = m0I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

+

1

 

+

2

cos a .

(2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r 2

 

r 2

 

r r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

1 2

 

 

 

Вычислим cosa. Заметив, что a = Ð DAC (как углы с соответственно перпендикулярными сторонами), по теореме косинусов запишем

d 2 = r12 + r22 - 2r1r2 cos a ,

где d – расстояние между проводами. Отсюда

 

r 2

+ r 2

- d

2

; cos a =

52 +122 -102

 

23

.

cos a =

1

2

 

 

 

=

 

 

2r1r2

 

2 ×5 ×12

40

 

 

 

 

 

 

Подставив в формулу (2) числовые значения физических величин и произведём вычисления:

 

4 ×3,14 ×10−7 ×60

 

 

 

 

 

 

 

 

B =

 

1

+

1

 

2

 

23

 

= 3,08 ×10−4 =

 

(0,05)2

(0,12)2

0,05 ×0,12 40

2 ×3,14

 

 

 

= 308 мкТл.

Пример 2. По тонкому проводящему кольцу радиусом R = 10 см течёт ток I = 80 А. Найти магнит-

R

ную индукцию B в точке А, равноудалённой от всех точек кольца на расстояние r = 20 см. Решение. Для решения задачи воспользуемся законом Био– Савара– Лапласа:

 

R

 

RR

 

 

 

 

 

[Idl r ]

 

 

 

 

dB =

m0

 

,

 

 

 

4p

 

r 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

R

 

 

 

 

R

в точке, определяемой радиусом-

dB – магнитная индукция поля, создаваемого элементом тока

Idl

вектором r .

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

Выделим на кольце элемент dl и от него в точку А проведём радиус-вектор r (см. рис. 3.31). Век-

 

 

 

 

 

 

 

 

R

тор

R

 

 

 

 

 

 

dB направим в соответствии с правилом буравчика.

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Согласно принципу суперпозиции магнитных полей, магнитная индукция B в точке А определяет-

ся интегрированием:

 

 

 

 

 

 

 

R

 

R

 

 

 

 

В = dB ,

 

 

 

l

где интегрирование ведётся по всем элементам dl кольца.

Разложим вектор dB на две составляющие: dB , перпендикулярную плоскости кольца, и dB|| , параллельную плоскости кольца, т.е.

dB = dB + dB|| .

Рис. 3.31

Тогда

V V V

B = dB + dB|| .

V

Заметив, что dB|| = 0 из соображений симметрии и что векторы dB от различных элементов dl со-

l

направлены, заменим векторное суммирование (интегрирование) скалярным:

B = dB ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

где dB

= dBcosb и dB = m0

Idl

(поскольку dl

 

перпендикулярен r

и, следовательно, sin α =1 ). Таким обра-

 

 

4p r 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

зом,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

I

R

m

I cosb2pR

 

 

 

 

 

0

 

cosb dl =

.

 

 

 

B =

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

4p r

2

 

4pr

2

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

После сокращения на 2p и замены cosb на R / r получим (см. рис. 3.31)

B = m0 IR2 .

2r 3

Проверим, даёт ли правая часть равенства единицу магнитной индукции, Тл

[m

][I ][R2

]

 

1 Гн×1 А ×1 м2

 

1 Гн×1 А2

1 Дж

 

1 Н ×1 м

 

 

0

 

=

 

 

=

 

 

=

 

=

 

 

= 1 Тл.

 

[r 3 ]

 

 

м×1 м3

1 А ×1 м2

1 А ×1 м2

 

1 А × м2

Здесь мы воспользовались определяющей формулой для магнитной индукции:

B = M max .

p

Тогда

1 Тл =

1

Н×1 м

.

 

 

 

1

А×м2

Выразим все величины в единицах СИ и произведём вычисления:

B =

410−7

×80 ×(0,1)2

= 6,28 ×10−5

Тл,

2

×(0,2)3

 

 

 

или В = 62,8 мкТл.

R

Вектор B направлен по оси кольца (пунктирная стрелка на рисунке) в соответствии с правилом буравчика.

Пример 3. На проволочный виток радиусом R = 10 см, помещенный между полюсами магнита, действует максимальный механический момент М = 65 дин×см. Сила тока в витке I = 2 А.

R

Определить магнитную индукцию B поля между полюсами магнита. Действием магнитного поля Земли пренебречь.

R

Решение. Индукцию B магнитного поля можно определить из выражения механического момента M , действующего на виток с током в магнитном поле,

uR .
uR||

M = pmBsin a ,

(1)

где pm – магнитный момент витка с током; B – индукция магнитного поля; a

угол между направле-

нием индукции магнитного поля и нормали к плоскости витка.

 

Если учесть, что максимальное значение механический момент принимает при a = p (sin a = 1) , а так-

 

 

 

 

 

2

 

же, что магнитный момент витка с током имеет выражение pm = IS , то формула (1) примет вид

 

 

M = IBS .

 

 

 

 

Отсюда, учитывая, что S = pR2 , находим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B =

M

.

(2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

pR2 I

 

Подставим числовые значения в формулу (2)

 

 

 

 

 

 

B =

6,5 ×10−6

= 1,04 ×10−4

Тл.

 

3,14 × 2 ×10

−2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 4. Электрон движется в однородном магнитном поле (В = 10 мТл) по винтовой линии, радиус R которой равен 1 см и шаг h = 6 см. Определить период Т обращения электрона и его скорость u.

Решение. Электрон будет двигаться по винтовой линии, если он влетает в однородное магнитное поле под некоторым углом (a ¹ p/2) к линиям магнитной индукции. Разложим, как это показано на рис.

3.32, скорость

R

электрона на две составляющие: параллельную вектору

R

R

) и перпендикулярную

u0

B ( u||

R

 

 

R

в магнитном поле не изменяется и обеспечивает перемещение электрона вдоль

ему ( u ). Скорость

u||

силовой линии. Скорость uR в результате действия силы Лоренца будет изменяться только по направлению (FЛ ^ uV ) (в отсутствие параллельной составляющей ( u|| = 0) движение электрона происходило бы

по окружности в плоскости, перпендикулярной магнитным силовым линиям). Таким образом, электрон будет участвовать одновременно в двух движениях: равномерном перемещении со скоростью и рав-

номерном движении по окружности со скоростью

Рис. 3.32

Период обращения электрона связан с перпендикулярной составляющей скорости соотношением

T = 2pR u .

(1)

Найдём отношение Ru . Для этого воспользуемся тем, что сила Лоренца сообщает электрону нормальное ускорение a n = u2 R . Согласно второму закону Ньютона, можно написать FЛ = man , или

 

 

 

 

 

e

 

υ B = mυ 2 / R ,

(2)

 

 

 

 

 

 

где u = u0 sin a .

 

Сократив (2) на υ , выразим соотношение R u ( R = m / eB ) и подставим его в формулу (1):

 

T = 2p

 

m

.

 

 

 

 

 

 

e

B

 

Убедимся в том, что правая часть равенства даёт единицу времени, с:

[m]

 

 

1 кг

 

1 кг × А × м2

1 кг × с2 × м2

 

=

 

 

=

 

=

 

= 1 с.

[e][B]

 

1 Кл ×1 Тл

1 А × с× Н × м

1 с× кг × м2

Произведём вычисления:

T =

 

2p × 9,1×10−31

 

 

 

 

= 3,57 ×10−9 = 3,57 нс.

1,6 ×10

−19

×10 ×10

−3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Модуль скорости u0 , можно выразить через u и u|| :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

0

=

 

u2

+ u2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

||

 

Из формулы (2) выразим перпендикулярную составляющую скорости:

 

 

 

 

 

υ

 

=

 

e

 

BR

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

Параллельную составляющую скорости

u||

найдём из следующих соображений. За время, равное

периоду обращения Т , электрон пройдёт вдоль силовой линии расстояние, равное шагу винтовой ли-

нии, т.е. h = Tu|| , откуда u|| = h .

T

Подставив вместо Т правую часть выражения (2), получим

u= е Bh

||p .

2 m

Таким образом, модуль скорости электрона

 

 

 

е

 

B

 

 

 

h

2

 

 

 

 

 

 

 

2 2

 

 

2

u0 = u + u||

=

 

 

 

 

R

 

+

 

.

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2p

 

Убедимся в том, что правая часть равенства даёт единицу скорости м/с. Для этого заметим, что R и h имеют одинаковую единицу – метр (м). Поэтому в квадратных скобках мы поставим только одну из величин (например, R ):

 

[e][B] 2

1

 

 

1 Кл×1 Тл 2

1

 

 

1 А× с× Н× м× м 1 Н× с 1 кг× м× с

 

 

[R ]2

=

 

 

(м

)

 

=

 

 

 

=

 

 

=

 

= 1 м/с.

 

 

 

 

2

 

 

[m]

 

1 кг

кг× А× м2

 

1 кг

1 кг × с2

Произведем вычисления:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,6 ×10−19 ×10 ×10−3

 

 

 

 

 

2

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

0,06

2

 

 

 

7

 

 

 

 

u0 =

 

 

 

 

 

 

 

 

(0,01)

 

+

 

 

 

 

 

= 2,46 ×10

 

м/с,

 

 

 

 

 

9,1×10−31

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

или 24,6 Мм/с.

Пример 5. Определить индукцию и напряжённость магнитного поля на оси тороида без сердечника, по обмотке которого, содержащей N = 200 витков, идёт ток силой I = 5 А. Внешний диаметр тороида d1 = 30 см, внутренний – d2 = 20 см.

Решение. Для определения напряжённости магнитного поля внутри тороида вычислим циркуляцию вектора H вдоль силовой линии поля:

Hdl .

Из условия симметрии следует, что силовые линии тороида представляют собой окружности и что во всех точках силовой линии численное значение напряжённости одно и то же. Поэтому в выражении циркуляции напряжённость H можно вынести за знак интеграла, а интегрирование проводить в пределах от нуля до 2πr, где r – радиус окружности, совпадающей с силовой линией, вдоль которой вычисляется циркуляция, т.е.

r

Hdl = H dl = 2prH .

L0

Сдругой стороны, в соответствии с законом полного тока циркуляция вектора напряжённости маг-

нитного поля равна сумме токов, охватываемых контуром, вдоль которого вычисляется циркуляция:

 

n

 

Hl dl = Il .

(2)

L

i =1

 

Приравняв правые части равенства (1) и (2), получим

 

 

 

n

 

2prH = Ii .

(3)

i =1

Силовая линия, проходящая вдоль тороида, охватывает число токов, равное числу витков тороида. Сила тока во всех витках одинакова. Поэтому формула (3) примет вид

rH = NI .

Отсюда

H = NI .

2pr

Для средней линии тороида

r = R1 + R2 = d1 + d 2 .

2 4

Подставив это выражение r в (4), найдём

 

 

 

H =

 

2NI

 

 

 

 

.

 

 

 

p(d + d

2

)

 

 

 

1

 

 

 

 

Индукция В связана с напряжённостью поля соотношением

 

 

 

 

 

 

 

B = mm0 H .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Следовательно,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B =

2mm0 NI

 

 

.

 

 

 

p(d + d

2

)

 

 

 

1

 

 

 

 

Подставляя числовые значения в (5) и (6), получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H =

2 × 200 ×5

= 1370

А/м;

 

 

 

 

 

 

3,14(0,3 + 0,2)

 

 

 

 

 

 

B = 2 × 4p ×10−7 × 200 × 5 = 1,6 ×10−3 Тл. p(0,3 + 0,2)

(4)

(5)

(6)

4. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В ВЕЩЕСТВЕ

КЛАССИФИКАЦИЯ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВ

4.1. НАМАГНИЧЕННОСТЬ МАГНЕТИКОВ

Все вещества, помещённые в магнитное поле, намагничиваются, т.е. приобретают вполне определённые магнитные моменты и сами становятся источниками магнитного поля. При этом полное поле B в веществе (усреднённое) складывается из намагничивающего поля B0 и поля, возникшего в веществе

V

B, т.е. B = B0 + B.

Вещества, способные намагничиваться, называются магнетиками. В зависимости от того, как направлены в каждой точке магнетика поля Bи B0 и как велико B, по сравнению с B0 , все вещества де-

лятся на диамагнетики ( B£ B0 , B′ −↓ B0 ), парамагнетики ( B£ B0 , B-- B0 ) и ферромагнетики ( B³ B0 ,

B-- B0 ).

Действие любого из магнетиков можно формально свести к совокупности замкнутых элементарных токов. Ампер назвал их молекулярными токами (или микротоки). Каждый микроток имеет свое магнит-

ное поле, характеризуемое магнитным моментом R (рис. 4.1)

pm

R

pm = iмикроS ,

где iмикро микроток; S – вектор, численно равный площади, охватываемой микротоком.

В намагниченном веществе магнитные поля микротоков, складываясь, дают результирующее поле B, а магнитные моменты – некоторый результирующий момент.

Магнитное состояние намагниченного вещества характеризуется вектором намагниченности или намагничения.

Рис. 4.1

для неоднородного

Вектор намагниченности J – физическая векторная величина, характеризующая интенсивность намагничивания вещества и равная магнитному моменту единицы объёма вещества.

Для однородного магнетика

 

 

R

 

 

 

 

R

=

pm

,

 

 

J

V

 

 

 

 

V

 

 

 

 

 

 

 

 

pm

 

 

 

 

 

R

 

 

R

= lim

 

V

.

(4.1.1)

 

J

 

 

 

 

 

 

V 0

V

 

Магнетик называется однородным, если его магнитные свойства одинаковы во всех его точках. Магнетик называется изотропным, если его магнитные свойства одинаковы по всем направлениям. Теория и опыт показывают, что в однородной, изотропной неферромагнитной среде, в не очень

сильных полях и при не очень высоких частотах изменения внешнего поля

R

имеет место соотношение

B0

 

 

 

R

 

 

R

=

χ

B0

,

(4.1.2)

J

μ0

 

 

 

 

 

где χ – безразмерный коэффициент, зависящий от природы вещества и называемый магнитной воспри-

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

имчивостью;

B0

и

R

по размерности одинаковы

J

μ0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B0

 

=

Н/Ам

= А/м;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

μ0

 

Н/А2

Между магнитной индукцией поля микротоков связь. Установим её.

J

 

=

Ам2

= А/м.

 

 

 

 

 

 

 

 

м3

 

R

 

R

 

 

и вектором намагниченности

существует

B

J

В

магнитное

поле

с

 

 

 

 

 

 

 

индукцией B0 внесём металлический

стержень, все его микротоки

 

 

 

 

 

 

 

установятся

перпендикулярно

J .

Рассмотрим

поперечное

се-

 

 

 

 

 

 

 

чение цилиндра (рис. 4.2).

 

Смежные

 

 

микротоки

 

 

 

 

 

 

 

компенсируются.

Не

компенсируются

только микротоки во внешнем

 

 

 

 

 

 

 

слое (10–10 м).

 

 

 

Эти

 

токи

дают

 

 

 

 

 

 

 

результирующий

поверхностный

ток,

который и создает поле B. Оно

 

 

 

 

 

 

 

подобно полю соленоида

 

 

B′ = μ0 Iмикро,

 

 

Рис. 4.2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где Iмикро – поверхностный ток,

 

 

 

 

 

 

 

приходящийся на единицу длины, или

поверхностная плотность тока (для соленоида B = μ0 NI ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Микроток i, приходящийся на

отрезок dl цилиндра, равен

i = Iмикроdl ,

его магнитный момент

pm = iS = IмикроdldS ,

где dS сечение

стержня. Поделив магнитный момент на элементарный объём

dV = dldS , получим магнитный момент единицы объёма, т.е. намагниченность

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IмикроdldS

 

= J

= Iмикро ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dldS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B′ = μ0 J ,

 

 

 

(4.1.3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

R

 

 

 

R

 

B0

 

 

 

 

 

R

R

 

 

т.е. векторы

Bи

J

совпадают. Учитывая, что J =

χ

 

(4.1.2),

получим

B′ =

χ B ,

и полное поле в ве-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

μ0

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ществе станет равным

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

V

R

R

R

 

R

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B = B0

+ B

= B0

+ χ B0

= (1 +

χ) B0

= μB0 ,

(4.1.4)

где μ −

относительная магнитная проницаемость вещества. Она показывает, во сколько раз изменяется

поле в веществе, по сравнению с вакуумом μ = B / B0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.2. ЗАКОН ПОЛНОГО ТОКА ДЛЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В ВЕЩЕСТВЕ

 

 

 

 

 

 

 

Установлено, что магнитное поле создается любыми токами, как макроскопическими, так и микротоками. Следовательно, выражение (3.5.1) примет вид

 

 

R

R

= μ0 Iпров + μ0 iмикро .

 

 

 

Bdl

(4.2.1)

 

R

L

 

 

 

Между вектором намагничения

и микротоками iмикро

существует связь. Проведём внутри мате-

J

риала проводника замкнутый контур L (рис. 4.3) и подсчитаем число микротоков, нанизанных на элемент контура dl. Нанизываться будут те токи, центры которых лежат внутри наклонного цилиндра с

площадью основания dS и длиной dl.

При концентрации микротоков n их полное число в цилиндре

 

ndV = ndSdl cos α ,

где α – угол между dl и

R

J . Суммарный ток будет равен iмикроndSdl cos α .

Учитывая, что по определению

 

 

iмикроdSn = pmn = J

 

Риc. 4.3

 

есть вектор намагничения, получаем,

что суммарный микроток, связан-

 

 

 

 

ный с элементом dl контура обхода, равен

 

 

 

R R

 

 

 

iмикроndSdl cos α = Jdl cos α = Jdl ,

 

 

 

R R

 

т.е. полный микроток, охватываемый контуром L, будет iмикро = Jdl

и тогда (4.2.1) примет вид

L

 

 

 

 

 

 

R R

 

R R

 

 

 

 

 

 

Bdl

= μ0 Iпров + μ0 Jdl .

(4.2.2)

 

 

 

 

 

L

 

 

 

L

 

Разделим выражение (4.2.2) на μ0 и объединим интегралы

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

B

R R

= Iпров ,

 

 

 

 

 

 

− J )dl

(4.2.3)

 

 

 

 

 

μ

 

 

 

 

 

L

0

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B

R

R

 

 

 

 

 

 

где выражение

− J

= H

называется напряжённостью магнитного поля. Единицей напряжённости яв-

μ

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

ляется А/м, что следует из (4.2.3) H м = А , откуда Выполнив замену в (4.2.3), получим

R

H = A/м .

R R

= I пров .

 

Hdl

(4.2.4)

L

Выражение (4.2.4) называется законом полного тока или теоремой о циркуляции вектора напряжённости магнитного поля.

Циркуляция вектора напряжённости стационарного магнитного поля равна полному току проводимости, протекающему через любую поверхность, опирающуюся на контур интегрирования.

Таким образом,

R

R

для характеристики магнитного поля введены два вектора B

и H . Основным явля-

ется

R

R

 

B . Поскольку

H зависит от макротоков, то по ним легче следить за изменениями поля.

 

R

 

R

 

H зависит от среды μ, в ограниченных магнетиках – от их формы и размеров.

H не зависит от сре-

ды, когда однородная среда заполняет всё пространство поля или эта среда не пересекается с линиями внешнего поля.

Рассмотрим примеры определения напряженности поля в магнетиках. 1. Напряжённость магнитного поля в вакууме.

 

 

 

R

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Так как для вакуума J = 0 , то и

B = 0 . Следовательно,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

R

 

 

 

 

R

 

 

R

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B =

B0

+

B

′ = B0

и

H0 =

B

− J =

B0

.

 

(4.2.5)

 

 

 

 

 

μ0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

μ0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

делённому на μ0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

Напряжённость магнитного поля в вакууме

H

0 равна B0 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Напряжённость магнитного поля в безграничной однородной изотропной среде.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

R

 

 

 

 

 

Рассмотрим безграничный соленоид. Если в нём сердечника нет,

то H0

= B0 / μ0.

После заполне-

 

 

 

 

 

 

 

R

R

 

 

R

R

R

R

 

 

 

R

 

R

 

ния соленоида однородным изотропным веществом H =

B

 

− J =

B0

+ B

− J , но так как

 

= μ0 J (4.1.3),

 

 

 

 

 

 

μ0

 

μ0

B

 

R

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

то,

H

= B0 / μ0 , т.е. поле в однородном изотропном магнетике равно полю в вакууме

H = H 0 (4.2.5)

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

и

совпадает с напряжённостью внешнего поля. Для изотопной неферромагнитной среды связь между B

R

 

R

R

R

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H

проста, так как B0

= μ0 H ,

то из B = μB0 следует, что

 

 

 

 

 

R

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B = μ0μH.

 

 

 

 

 

(4.2.6)

3. Напряжённость поля в ограниченных магнетиках.

Рассмотрим бесконечно длинный соленоид с однородным, изотропным сердечником. Удалим части А и Б (рис. 4.4).

АБ

Рис. 4.4

 

R

 

 

R

R

R

 

 

 

Тогда индукция B1

станет меньше

B , а так как

B1 <

B , то и напряжённость поля в коротком сер-

R

R

 

 

 

 

 

R R

R

R

дечнике H1

= B1 / μ0μ будет меньше напряжённости поля длинного сердечника

H = B / μ0μ , т.е. H1 <

H , но

R R

 

R

R

 

 

 

 

 

 

H = H0 , следовательно,

H1 <

H0 .

 

 

 

 

 

 

В ограниченных магнетиках напряжённость магнитного поля меньше напряжённости внешнего по-

ля.

4.3. ГРАНИЧНЫЕ УСЛОВИЯ ДЛЯ ВЕКТОРОВ H И B

Для ограниченных магнетиков большое значение приобретают граничные условия, определяющие поведение B и H на границе раздела сред. Эти условия вытекают из теоремы о циркуляции вектора напряжённости и теоремы Гаусса для вектора индукции.

На границе раздела двух магнетиков с магнитными проницаемостями μ1 и μ2 вырежем небольшой цилиндр так, чтобы его образующая была перпендикулярна границе раздела магнетиков (рис. 4.5).

Рис. 4.5

Для рассматриваемого цилиндра по теореме Гаусса поток Ф равен нулю,

 

 

 

 

Ф = Bn

2

S Bn

S = 0 ,

 

 

 

 

 

1

откуда

Bn

2

= Bn

,

 

 

(4.3.1)

 

 

1

 

 

 

нормальные составляющие вектора индукции при переходе границы раздела магнетиков не изменяются.

Выразив вектор индукции через напряжённость поля, получим

μ0μ1Hn1 = μ0μ2 Hn2 ,

откуда

Hn

=

μ

2 .

(4.3.2)

 

1

 

H

 

 

n2

 

μ

 

 

 

 

1

 

Вычислим циркуляцию вектора напряжённости (в проекции на выбранное направление) по прямоугольному контуру, стороны которого параллельны границе раздела магнетиков (рис. 4.6)

Hdl = Hτ1 l Hτ 2 l = I = 0 ,

L

так как контур обхода не охватывает токов.

 

 

Рис. 4.6

 

 

 

 

 

Из последнего равенства получаем

 

 

 

 

 

 

 

 

H τ2 = H τ1 ,

(4.2.3)

 

R

R

 

 

 

 

 

еще раз учитывая, что

B = μ0μH , имеем

 

 

 

 

 

 

 

 

Bτ1

=

μ1

.

(4.2.4)

 

 

 

B

 

 

 

 

 

μ

2

 

 

 

 

 

τ2

 

 

 

 

Таким образом, при переходе через границу раздела двух магнетиков нормальная составляющая

R R

вектора индукции Bn и тангенциальная составляющая вектора напряжённости Hτ не изменяется; тан-

генциальная составляющая вектора индукции Bτ и нормальная составляющая вектора напряжённости Hn изменяются скачкообразно (рис. 4.7).

Рис. 4.7

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА

4.4.МАГНИТНЫЕ МОМЕНТЫ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ

1.Согласно представлениям классической физики электроны в атомах движутся по замкнутым орбитам. Следовательно, каждый электрон создаёт замкнутый микроток, магнитное поле которого можно охарактеризовать магнитным моментом (рис. 4.8).

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

обусловленный движением электрона по

Магнитный

момент pm ,

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L

 

 

 

 

 

орбите,

называется

 

 

 

 

 

 

 

 

 

орбитальным

магнитным

моментом

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

электрона.

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

Величина

орбитального

 

 

 

 

 

 

r

 

магнитного момента электрона равна

 

 

 

 

 

 

 

 

 

υ

 

 

 

 

 

 

 

R

 

e

 

 

 

 

 

 

R

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

pm

 

 

 

 

 

 

 

 

pm = iS ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где i – ток,

создаваемый

 

 

Рис. 4.8

электроном; S

площадь орбиты.

Будем считать орбиту круговой. Через любое сечение электронной орбиты за единицу времени переносится заряд eν , где e – заряд электрона; ν – число оборотов в секунду. Следовательно, созданный электроном ток равен i = eν . Частоту обращения ν можно выразить через линейную скорость υ

ν =

υ

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

где r – радиус орбиты. Площадь орбиты равна S = πr 2 .

 

 

 

 

Таким образом

 

 

 

 

 

 

pm

= iS =

eυr

.

(4.4.1)

 

 

 

 

 

 

2

 

 

Так как заряд электрона отрицателен, направление движения электрона и направление создавае-

мого им тока противоположны. Направление вектора R образует с направлением тока правовинтовую, pm

а с направлением движения электрона левовинтовую систему (рис. 4.8).

Движущийся по орбите электрон обладает моментом импульса, который принято называть орбитальным механическим моментом

 

R

R

(4.4.2)

 

L = [r mυ],

где r – радиус-вектор электрона (рис. 4.8).

 

 

R

 

 

 

Модуль вектора

R

 

 

L равен

 

 

так как угол между r

L = rmυ ,

(4.4.3)

и υ все время прямой.

 

 

R

 

 

 

Отношение модулей векторов орбитального магнитного и орбитального механического моментов

называется орбитальным гиромагнитным отношением электрона

 

 

 

 

 

pm

= g.

(4.4.4)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L

 

Учитывая направления

R

и

R

 

pm

L ,

 

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]