2. Магнитные свойства веществ. Магнитная проницаемость. Ферромагнетики.

– относительная магнитная проницаемость среды. Она показывает, во сколько раз величина индукции магнитного поля В в данной точке однородной изотропной среды больше (или меньше) величины индукции магнитного поля в вакууме В₀.

Вещества, в которых магнитное поле меньше, чем в вакууме, т.е. μ<1, называются диамагнетиками (μ=0,999987 для стекла, μ=0,9999904 для меди).

Вещества, усиливающие внешнее магнитное поле, называются парамагнетиками с μ>1 (μ=1,00026 для платины, μ=1,000024 для алюминия).

Такие вещества как железо, никель, кобальт и др. обладают большой магнитной проницаемостью μ = 10³÷10⁵. Эти вещества называются ферромагнетиками ((μ = 50000 для железа, μ = 300 для никеля).

Ферромагнетики делятся на две группы:

1. магнитомягкие материалы (химически чистое железо, электротех­ническая сталь).

Эти вещества почти полностью теряют намагниченность после удаления их из внешнего поля. Используются магнитомягкие материалы в устройствах, где про­исходит непрерывное перемагничивание сердечников (трансформаторы, генераторы переменного тока, электродвигатели).

2. магнитожесткие материалы (углеродистая сталь, хромистая сталь и специальные сплавы).

Из магнитожестких материалов в основном изготовляются постоян­ные магниты.

Для каждого ферромагнетика существует определенная температура, называемая точкой Кюри Т_к, при нагревании выше которой данные вещества теряют ферромагнитные свойства и превращаются в парамагнетик (Т_к = 1043К для Fe и Т_к = 631К для Ni).

3. М агнитный поток. Явление электромагнитной индукции. Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца. Явление самоиндукции. Индуктивность. Энергия магнитного поля.

Магнитный поток – скалярная физическая величина, характеризующая число линий магнитной индукции через площадь, ограниченную контуром.

Магнитный поток численно равен произведению нормальной состовляющей вектора магнитной индукции ( ) на площадь поверхности, ограниченной контуром: ,

угол α – это угол между внешней нормалью к поверхности ΔS и направлением вектора магнитной индукции .

Единица магнитного потока в SI вебер:

Вебер – магнитный поток, который пронизывает перпендикулярную линиям индукции поверхность в 1м² при индукции магнитного поля 1Тл.

Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении ЭДС индукции в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.

Закон электромагнитной индукции Фарадея: ЭДС электромагнитной индукции в контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока сквозь поверхность, опирающуюся на данный контур: , при Δt→0 .

Если в контуре N витков, то .

Знак минус в законе электромагнитной индукции определяет правило Ленца: индуцированный ток в замкнутом контуре имеет всегда такое направление, что создаваемый им вторичный магнитный поток стремится скомпенсировать изменение первичного магнитного потока, вызвавшего данный ток.

Если (магнитный поток возрастает), то (ЭДС индукции отрицательна), если (поток убывает), то (ЭДС положительна).

Индукционные токи, возникающие в сплошных металлических телах, находящихся в переменном магнитном поле и замыкающиеся внутри этих тел, называются вихревыми токами или токами Фуко.

ЭДС индукции в движущемся проводнике.

П ри движении проводника в магнитном поле со скоростью v на его заряды действует сила Лоренца, под действием которой проис­ходит разделение зарядов в проводнике: положительные и отрицательные заряды накапливаются на противоположных концах проводника. Эти заряды создают внутри проводника кулоновское поле. На концах проводника возникает разность потенциалов (ЭДС):

,

где α – угол между и , l – длина активной части проводника.

Сила Лоренца здесь сторонняя сила, а электрическое поле, характеристикой которого является ЭДС индукции – стороннее электрическое поле. Если проводник замкнуть другим проводником (образовать электрическую цепь), то по ней пойдет индукционный ток, направление которого можно определить по правилу правой руки: если расположить правую руку так, чтобы линии вектора магнитной индукции входили в ладонь, а отогнутый большой палец совпадал с направлением скорости движения проводника, то остальные четыре пальца укажут направление индукционного тока в движущемся источнике.

Явление самоиндукции. Индуктивность.

Возникновение ЭДС индукции в цепи, вызванное изменением магнитного поля изменяющегося тока, текущего в этой цепи, называют явлением самоиндукции, а появляющуюся электродвижущую силу – ЭДС самоиндукции. Ток, возникающий при этом – ток самоиндукции.

Влияние явления самоиндукции очевидно при замыкании и размыкании цепи с током (экстратоки замыкания и размыкания):

Магнитный поток, изменение которого вызывает ЭДС самоиндукции, пропорционален току: ,

где L – индуктивность проводника.

Если : , ;

при Δt→0: .

Индуктивность проводника численно равна ЭДС самоиндукции, возникающей в данном проводнике при изменении в нем тока на единицу тока за единицу времени:

Единица индуктивности в SI генри: .

Индуктивность контура зависит от его формы, размеров, числа витков и магнитной проницаемости среды (сердечника).

Индуктивность длинного соленоида:

,

где V – объем катушки, N – полное число витков, – число витков на единицу длины, S – площадь сечения катушки.

Энергия магнитного поля.

Для создания в проводнике с индуктив­ностью L тока нужно совершить работу против ЭДС самоиндукции, т.е. против сил вихревого электрического поля, появляющегося в про­воднике с током при изменении его магнитного поля. Эта работа совершается за счет энергии источника тока, создающего ток в данном проводнике. Величина, численно равная этой работе, называется собственной энергией W_m тока: .

В длинном соленоиде энергия магнитного поля сосредоточена главным образом в объеме V соленоида и равна: ,

где п – число витков на единицу длины соленоида l, , N – общее число витков соленоида.

Объемной плотностью энергии магнитного поля называется энергия, заключенная в единице объема поля: .

Тогда для длинного соленоида:

Энергия однородного магнитного поля в объеме V изотропрой неферромагнитной среды:

Объемная плотность энертгии магнитного поля равна:

Если одновременно существуют электрические и магнитные поля, то объемная плотность энергии электромагнитного поля в изотропной среде равна: .

8