Электродинамика. Магнитное поле.

Муниципальное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №72»

Электродинамика Магнитное поле

(3-я часть)

Презентацию подготовил

учитель физики – информатики

В.С.Дубовик

г.Саратов

2009

Магнитное поле

1

На этом занятии Вы должны изучить следующие вопросы:

• магнитное поле,
• вектор магнитной индукции,
• сила Ампера,
• сила Лоренца,
• магнитные свойства вещества,
• домены,
• гистерезис,
• точка Кюри.
• Закон Био-Савара.

В результате Вы должны научиться:

• определять направление вектора магнитной индукции;
• силу Ампера;
• силу Лоренца.

Для этого:

• Изучите материалы учебника [11, § 1-7]; 
• Ответьте на вопросы для самоконтроля;
• Рассмотрите методику решения задач данного типа [11, стр.24-25];

Взаимодействие токов

2

1820 г . X. Эрстед — датский физик, открыл магнитное действие тока.

1. Магнитное поле порождается током, т. е. движущимися электрическими зарядами.

2. Магнитное поле обнаруживается по действию на магнитную стрелку и на движущиеся электрические заряды (токи).

3. Магнитное поле вихревое.

!

1820 г. А. Ампер — французский ученый, открыл механическое взаимодействие токов и установил закон этого взаимодействия.

Для двух параллельных бесконечно длинных проводников Ампер установил:

где k — коэффициент пропорциональности: k=2*10  -7 Н/А 2

Магнитное поле

3

Взаимодействие проводников с током называют магнитным взаимодействием .

Вид материи посредством которого осуществляется магнитное взаимодействие называют магнитным полем .

В

Вектор магнитной индукции

Основной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции.

Для исследования магнитного поля используют легкоподвижную рамку с током.

В

Направление вектора

За направление вектора магнитной индукции в том месте, где расположена рамка с током принимают направление которое укажет острие буравчика с правой нарезкой, если его рукоятку вращать по току в ней. 

Направление  совпадает с направлением свободной магнитной стрелки от южного полюса S к северному N.

Магнитное поле

4

В

Модуль вектора

За модуль вектора магнитной индукции в том месте где расположена рамка с током принимают отношение максимального момента сил, действующих на рамку к произведению площади рамки на силу тока в ней

Выражается магнитная индукция в теслах:

Модуль вектора магнитной индукции для поля прямого тока определяют по формуле:

где r — расстояние от данной точки поля до проводника с током, μ — магнитная проницаемость окружающей проводник среды.

μ 0 — магнитная постоянная,   μ 0 = 4π10 -7 Н/А 2

Магнитное поле

5

Магнитное поле

6

Магнитное поле

7

Правило правой руки

Магнитное поле

8

Модуль B для поля кругового тока в его центре находят:

,где r — радиус витка .

Модуль B для соленоида внутри его:

B=μμ 0 In , где n —  число витков на единице длины соленоида.

Магнитный поток

9

Ф=ВS cosα .

Вcosa представляет собой проекцию вектора на нормаль к плоскости контура.

Выражается магнитный поток в веберах.

Так как Ф = В Н S, то 1 Вб=1 Тл× 1 м 2 .

Задачи

10

B

S

N

S

N

Задачи

11

Задачи

12

Задачи

13

Сила Ампера

14

Сила действия однородного магнитного поля на проводник с током прямо пропорциональна силе тока, длине проводника, модулю вектора индукции магнитного поля, синусу угла между вектором индукции магнитного поля и проводником:

F=IBl sin α

Направление силы Ампера (правило левой руки)

Если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная составляющая вектора входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению тока, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление , действующей на проводник с током

Задачи

15

Задачи

16

Сила Лоренца

17

Сила, действующая на заряженную движущуюся частицу в магнитном поле, называется силой Лоренца:

Так как I=qnvS, V=D lS , то

F Л =qvB sinα

Направление силы Лоренца (правило левой руки)

Если ладонь левой руки расположить так, чтобы перпендикулярная скорости составляющая вектора магнитной индукции входила в ладонь, а 4 вытянутых пальца были направлены по направлению скорости движения положительно заряженной частицы, то отогнутый на 90 градусов большой палец укажет направление силы Лоренца

Сила Лоренца

18

Если вектор  частицы перпендикулярен вектору , то частица описывает траекторию в виде окружности: F=ma, F=F Л ,

Период обращения частицы в магнитном поле не зависит от скорости его движения::

Задачи

19

Задачи

20

Применение силы Ампера и силы Лоренца

21

Электроизмерительные приборы

Магнитоэлектрическая система

Электромагнитная система

1 — рамка с током; 2 — постоянный магнит; 3 — спиральные пружины; 4 — клеммы; 5 — подшипники и ось; 6 — стрелка; 7 — шкала (равномерная)

1 — неподвижная катушка; 2 — щель (магнитное поле); 3 — ось с подшипниками; 4 — сердечник; 5 — стрелка; 6 — шкала; 7 — спиральная пружина

Принцип действия: взаимодействие рамки с током и поля магнита.

Принцип действия: взаимодействие магнитного поля катушки со стальным сердечником, где F МАГ ~I.

Угол поворота рамки и стрелки ~I.

Применение силы Ампера и силы Лоренца

22

Циклотрон

В циклотроне магнитное поле управляет движением иона, возвращая его  в ускоряющий промежуток.

Период обращения частицы в циклотроне:

Масс-спектрограф

Для выделения частиц с одинаковой скоростью используют взаимно перпендикулярные магнитные B 1 и электрические E поля в селекторе скорости:

F Л =F Э

B 1 qv=Eq

Задачи

23

Задачи

24

Задачи

25

Задачи

26

Закон Био–Савара.

27

Магнитное поле постоянных токов различной конфигурации изучалось экспериментально французскими учеными Жаном Батистом Био и Феликсом  Саваром (1820 г.). Они пришли к выводу, что индукция магнитного поля токов, текущих по проводнику, определяется совместным действием всех отдельных участков проводника. Магнитное поле подчиняется принципу суперпозиции:

Если магнитное поле создается несколькими проводниками с током, то индукция результирующего поля есть векторная сумма индукций полей, создаваемых каждым проводником в отдельности.

Закон Био–Савара определяет вклад ΔВ в магнитную индукцию В результирующего магнитного поля, создаваемый малым участком Δl проводника с током I.

11

Закон Био–Савара.

28

Если просуммировать (проинтегрировать) вклады в магнитное поле всех отдельных участков прямолинейного проводника с током, то получится формула для магнитной индукции поля прямого тока:

11

Теорема о циркуляции.

29

Расчеты магнитного поля токов часто упрощаются при учете симметрии в конфигурации токов, создающих поле. В этом случае расчеты можно выполнять с помощью теоремы о циркуляции вектора магнитной индукции.

Теорема о циркуляции утверждает, что циркуляция вектора магнитного поля постоянных токов по любому контуру L всегда равна произведению магнитной постоянной μ 0 на сумму всех токов, пронизывающих контур:

11

Теорема о циркуляции.

30

где N – полное число витков, а I – ток, текущий по виткам катушки .

Величина n = N / 2πr представляет собой число витков на единицу длины катушки. В этом случае:

B = μ 0 In

11

Магнитное поле в веществе.

31

Физическая величина, показывающая, во сколько раз индукция  магнитного поля в однородной среде отличается по модулю от индукции магнитного поля в вакууме, называется магнитной проницаемостью:

Магнитные свойства веществ определяются магнитными свойствами атомов или элементарных частиц (электронов, протонов и нейтронов), входящих в состав атомов. В настоящее время установлено, что магнитные свойства протонов и нейтронов почти в 1000 раз слабее магнитных свойств электронов. Поэтому магнитные свойства веществ в основном определяются электронами, входящими в состав атомов.

11

 1, а у диамагнетиков μ Примеры парамагнетиков: алюминий, хлористое железо (FeCl 3 ), платина, воздух и многие другие вещества Примеры диамагнетиков: медь, вода, висмут. Образцы из пара- и диамагнетика, помещенные в неоднородное магнитное поле между полюсами электромагнита, ведут себя по-разному – парамагнетики втягиваются в область сильного поля, диамагнетики – выталкиваются 11" width="640"

32

Магнитное поле в веществе.

Слабо-магнитные вещества

При внесении во внешнее магнитное поле парамагнитные образцы намагничиваются так, что их собственное магнитное поле оказывается направленным по внешнему полю, а диамагнитные образцы намагничиваются против внешнего поля.

Парамагнетики

Диамагнетики

У парамагнетиков μ  1, а у диамагнетиков μ 

Примеры парамагнетиков: алюминий, хлористое железо (FeCl 3 ), платина, воздух и многие другие вещества

Примеры диамагнетиков: медь, вода, висмут.

Образцы из пара- и диамагнетика, помещенные в неоднородное магнитное поле между полюсами электромагнита, ведут себя по-разному – парамагнетики втягиваются в область сильного поля, диамагнетики – выталкиваются

11

Магнитное поле в веществе.

33

Вещества, способные сильно намагничиваться в магнитном поле, называются ферромагнетиками.

Магнитная проницаемость ферромагнетиков по порядку величины лежит в пределах 10 2 –10 5 . Например, у стали μ ≈ 8000, у сплава железа с никелем магнитная проницаемость достигает значений 250000.

Магнитная проницаемость μ ферромагнетиков не является постоянной величиной; она сильно зависит от индукции B 0 внешнего поля. Типичная зависимость μ (B 0 )

Непостоянство магнитной проницаемости приводит к сложной нелинейной зависимости индукции B магнитного поля в ферромагнетике от индукции B 0 внешнего магнитного поля, которая называется петлей гистерезиса .

11

Магнитное поле в веществе.

34

Для каждого ферромагнетика существует определенная температура (так называемая температура или точка Кюри), выше которой ферромагнитные свойства исчезают, и вещество становится парамагнетиком. У железа, например, температура Кюри равна 770 °C, у кобальта 1130 °C, у никеля 360 °C.

Природа ферромагнетизма может быть до конца понята только на основе квантовых представлений. Качественно ферромагнетизм объясняется наличием собственных (спиновых) магнитных полей у электронов. В кристаллах ферромагнитных материалов возникают условия, при которых, вследствие сильного взаимодействия спиновых магнитных полей соседних электронов, энергетически выгодной становится их параллельная ориентация. В результате такого взаимодействия внутри кристалла ферромагнетика возникают самопроизвольно намагниченные области размером порядка 10 –2 –10 –4  см. Эти области называются доменами . Каждый домен представляет из себя небольшой постоянный магнит.

11

Творческое задание

35

• Разработать модели приборов для демонстрация опыта Эрстеда, Ампера. Наблюдения действия силы Ампера, силы Лоренца.

Примечание: допускаются как действующие модели так и компьютерные.