Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Магнитный момент тока. Рамка с током.

Магнитный момент тока это произведение площади контура, в котором он протекает на силу тока в нем. Магнитный момент направлен перпендикулярно плоскости контура. Это направление можно определить с помощью правила буравчика. Если буравчик вращать по направлению движения тока в контуре, то его поступательное движение укажет направление магнитного момента.

Для наглядности рассмотрим действие магнитного момента тока на примере. Возьмем прямоугольную рамку с током. Поместим ее в постоянное магнитное поле, так чтобы плоскость рамки была параллельна вектору магнитной индукции.

Как известно на проводник, с током помещённый в магнитное поле действует сила Лоренца. Направление, которой можно определить с помощью правила левой руки. Рассматривая действие силы Лоренца на стороны рамки в отдельности можно прийти к выводу, что на них будут действовать силы равные по величине, но противоположные по знаку.

Поскольку эти силы зависят от длинны проводника силы тока в нем и угла между направлением тока и вектором магнитной индукции. А ток в этом контуре протекает один и тот же. Длинна сторон рамки одинакова. И стороны рамки находятся параллельно магнитному полю. Но ток движется в противоположные стороны. Значит и силы будут направлены противоположно.

Две другие стороны рамки не будут взаимодействовать с полем поскольку ток в них течет параллельно силовым линиям поля. Следовательно, исходя из закона Лоренца сила, действующая на них, будет равна нулю.

Далее если мысленно провести вдоль рамки вертикальную осевую линию. То силы, действующие на ее края, будут стремиться ее развернуть. До тех пор пока рамка не примет такое положение, при котором все силы не уравновесятся. При этом рамка повернется своей плоскостью перпендикулярно силовым линия поля.

Таким образом, вращающий момент можно представить в таком виде

где B вектор магнитной индукции
I сила тока в контуре
S площадь рамки с током
sinb угол между вектором магнитной индукции и плоскостью рамки

Видео:Опыты по физике. Вращение рамки с током в магнитном полеСкачать

Опыты по физике. Вращение рамки с током в магнитном поле

МАГНИТНЫЙ МОМЕНТ. ВЕКТОРЫ ИНДУКЦИИ И НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Практическое значение имеет вращение прямоугольной рамки с током в однородном магнитном поле. Вращение рамки происходит под действием момента пары сил, возникающих, как отмечалось в предыдущем параграфе, за счет непосредственного взаимодействия магнита и проводника с током. Момент вращения для случая контура с током в поле постоянного магнита меняется от нуля до некоторого максимального значения. Конкретное значение его определяется положением рамки относительно полюсов постоянного магнита и его силовых линий. Рассмотрим два крайних варианта компоновки системы рамка—магнит с заданным направлением силы тока в рамке. Вначале плоскость рамки расположена вдоль поля (рис. 11.2). Направление действующей силы на проводник ЛВ с током в магнитном поле можно определить по правилу левой руки. Руку располагают так, чтобы силовые линии постоянного магнита, исходящие из северного полюса к южному, входили в ладонь, а четыре пальца были расположены вдоль тока. Отставленный на 90° большой палец указывает направление действующей на проводник силы.

Применяя правило левой руки, найдем, что на проводник ЛВ рамки действует сила F<, направленная от наблюдателя, к проводнику CD приложена сила F2, направленная к наблюдателю. На участки АС и BD рамки, расположенные вдоль силовых линий поля, силы не действуют. Силы F< и F2 равны, параллельны и противоположны друг другу, так как ЛВ и CD равны и параллельны. К рамке с током, таким образом, приложена пара сил, под действием которых она повернется по часовой стрелке. Момент пары сил будет максимальным, Мтах.

Рассмотрим положение рамки, когда ее плоскость перпендикулярна полю постоянного магнита (рис. 11.3). В таком положении рамки момент вращения, действующий на нее, равен нулю, М = 0. Силы, действующие на рамку в этом случае, только деформируют ее, но не поворачивают. Состояние рамки является равновесным. Однако при рассмотрении ряда последовательных положений рамки с током в магнитном поле легко догадаться, что положение рамки, представленное на рис. 11.3, всего лишь промежуточное состояние, вращающий момент сил в котором равен нулю.

Движение проводника с током, и в том числе вращательное движение контура с током в магнитном поле, имеет широкое применение в электродвигателях, измерительных приборах с вращающейся катушкой и ряде других электротехнических устройств.

Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Важной характеристикой рамки с током является ее магнитный момент рт = Is, А-м 2 (рис. 11.4). Это векторная величина. И совпадает

Вектор индукции магнитного момента рамки с током

она с направлением положительной нормали к плоскости рамки. То есть направление вектора магнитного момента рамки с током определяется по правилу буравчика (,правого винта).

Вращающий момент сил зависит от свойств рамки с током и свойств магнитного поля в данной точке, т.е. прямо пропорционален вектору магнитного момента рамки с током: М = Гд„.я1,

М = Bis, Н • м. Свойства магнитного поля сконцентрированы в коэффициенте пропорциональности В, называемом магнитной индукцией. Чтобы разобраться в его физическом содержании, проделаем следующие рассуждения. Если в фиксированную точку магнитного поля последовательно размещать параллельно полю рамки с различными значениями магнитного момента рт, то естественно, что на них действуют различные вращающие моменты М, в данном случае максимальные. Однако, как показывает опыт, отношение Mmax / рт = const для всех контуров

и поэтому может служить характеристикой магнитного поля в данной точке, называемой магнитной индукцией:

Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Прирт = 1 А • м 2 В = Л/тах, т.е. магнитная индукция в данной точке однородного магнитного поля определяется максимальным вращающим моментом, действующим на рамку с магнитным моментом, равным единице, когда нормаль к рамке перпендикулярна направлению поля. Следовательно, магнитная индукция характеризует способность магнитного поля оказывать силовое действие на прямолинейный или замкнутый проводник с током или движущийся электрический заряд.

Магнитное поле является силовым, и по аналогии с электрическим его изображают с помощью линий магнитной индукции — линий, касательные к которым совпадают с направлением вектора В. Направление силовых линий магнитного поля задается правилом правого винта. Если ввинчивать винт так, чтобы он перемещался по направлению тока, то направление вращения его головки указывает направление силовых линий. Для кольцевых проводников винт вкручивается так, чтобы он продвигался по направлению поля, т.е. вдоль силовой линии, и тогда направление вращения его «шляпки» укажет направление тока в витке. Линии магнитной индукции всегда замкнуты и охватывают проводники с током в отличие от силовых линий электрического поля (рис. 11.5). Поэтому магнитное поле называют вихревым.

Итак, на проводник с током в магнитном поле действует сила. Из изложенного только что известно, от чего зависит направление этой силы. А вот величина ее, как показали опыты А. Ампера, прямо пропорциональна силе тока в проводнике, его длине, напряженности магнитного поля, ориентации относительно силовых линий магнитного поля

Вектор индукции магнитного момента рамки с током

(sina) и зависит от свойств среды (р.0р.), в которой находится проводник:

Вектор индукции магнитного момента рамки с током

где ц0 = 4 л: • 10 -7 Гн/м, Гн = Дж/А 2 — магнитная постоянная; ц — магнитная проницаемость среды.

Эта безразмерная характеристика магнитных свойств вещества показывает, во сколько раз магнитное поле макротоков усиливается за счет микротоков в веществе. Подробно физическое содержание р

будет рассмотрено несколько позже; a = | Ш j — угол между прямолинейным проводником и вектором магнитной индукции. Величину Н называют напряженностью магнитного поля: Н = F/ (p0p//sina), А/м. Это важная характеристика магнитного поля. Она является векторной величиной. Вектор напряженности магнитного поля в фиксированной точке направлен, как и вектор магнитной индукции, по касательной к силовой линии, проходящей через эту точку. Величина напряженности магнитного поля служит его силовой характеристикой, подобно тому, как вектор электрической напряженности служит силовой характеристикой электрического поля. И еще один момент: вектор напряженности Н характеризует магнитное поле, создаваемое макротоками.

Вектор магнитной индукции В характеризует результирующее магнитное поле, создаваемое микро- и макротоками или постоянным магнитом и микротоками. Для однородной изотропной среды связь между векторами магнитной индукции и напряженности следующая:

Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Из последних двух уравнений очевидно, что при всех равных условиях векторы В и Н в различных средах будут иметь разное значение.

Для магнитного поля, как и для электрического, справедлив принцип суперпозиции: магнитная индукция результирующего поля, создаваемого несколькими токами или движущимися зарядами, равна векторной сумме магнитных индукций складываемых полей, создаваемых каждым током или движущимся зарядом в отдельности:

Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Расчет векторов В и Н для конкретных полей будет рассмотрен несколько позже, после изучения законов Био—Савара—Лапласа и полного тока.

Видео:Урок 273. Рамка с током в магнитном полеСкачать

Урок 273. Рамка с током в магнитном поле

Рамка с током. Направление магнитного поля.

Аналогично тому, как при исследовании электростатического поля использовался точечный пробный заряд, при исследовании магнитного поля используется замкнутый плоский контур с током (рамка с током), линейные размеры которого малы по сравнению с расстоянием до токов, образующих магнитное поле.

Ориентация контура в пространстве характеризуется направлением нормали n к контуру.

Вектор индукции магнитного момента рамки с токомВ качестве положительного направле­ния нормали принимается направление, связанное с током правилом правого винта (правилом буравчика):

За положительное направление нормали принимается направление поступательного движения правого винта, головка которого вращается в направлении тока, текущего в рамке.

Магнитное поле оказывает на рамку с током ориентирующее действие, поворачивая её определенным образом. Это свойство используется для выбора направления магнитного поля.

За направление магнитного поля в данной точке принимается направление, вдоль которого располагается положительная нормаль к свободно подвешенной рамке с током, или направление, совпадающее с направлением силы, действующей на северный полюс (N) магнитной стрелки, помещенный в данную точку поля.

3. Вектор магнитной индукции.

Вращающий момент сил зависит как от свойств поля в данной точке, так и от свойств рамки с током и определяется векторным произведением

Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Вектор индукции магнитного момента рамки с токомгде Вектор индукции магнитного момента рамки с током— вектор магнитного момен­та рамки с током, Вектор индукции магнитного момента рамки с током— вектор магнитной индукции — силовая характеристика магнитного поля. По определению векторного произведения скалярная величина момента

Вектор индукции магнитного момента рамки с током

где α — угол между векторами Вектор индукции магнитного момента рамки с токоми Вектор индукции магнитного момента рамки с током.

Для плоского контура с током / магнитный момент определяется как

где Вектор индукции магнитного момента рамки с токомS — площадь поверхности контура (рамки), Вектор индукции магнитного момента рамки с током— единичный вектор нормали к поверхности рамки. В этом случае вращающий момент Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Если в данную точку магнитного поля помещать рамки с различными магнитными моментами, то на них действуют различные вращающие моменты, но отношение Вектор индукции магнитного момента рамки с токомдля всех контуров одно и то же.

Аналогично тому, как силовая векторная характеристика электростатиче­ского поля — напряженность — определялась как сила, действующая на пробный заряд, силовая характеристика магнитного поля — магнитная индукция Вектор индукции магнитного момента рамки с током— определяется максимальным вращающим моментом, действующим на рамку с магнитным моментом, равным единице, когда нормаль к рамке перпендикулярна направлению поля.

Графически магнитное поле, так же как электрическое, изображают с помощью линий магнитной индукции — линий, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Линии магнитной индукции всегда замкнуты и охватывают проводники с током, в то время как линии электростатического поля — разомкнуты (они начинаются на положительных и заканчиваются на отрицательных зарядах).

4. Макротоки и микротоки.

В дальнейшем мы будем различать макроскопические токи, т.е. электрические токи, протекающие по проводникам в электрических цепях и микроскопические токи, обусловленных движением электронов в атомах и молекулах.

Намагниченность постоянных магнитов является следствием существова­нием в них микротоков.

Внешнее магнитное поле оказывает ориентирующее, упорядочивающее действие на эти микротоки. Например, если вблизи какого-то тела поместить проводник с током (макроток), то под действием его магнитного поля микротоки во всех атомах определенным образом ориентируются, создавая в теле дополнительное магнитное поле.

Вектор магнитной индукции Вектор индукции магнитного момента рамки с токомхарактеризует результирующее магнитное поле, создаваемое всеми макро- и микротоками.

Поэтому, при одном и том же макротоке, вектор Вектор индукции магнитного момента рамки с токомв различных средах будет иметь разные значения.

Магнитное поле макротока описывается вектором напряженности магнитного поля Вектор индукции магнитного момента рамки с током

В среде магнитное поле макротоков усиливается за счет поля микротоков среды.

5. Связь между Вектор индукции магнитного момента рамки с токоми Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Для однородной изотропной среды вектор магнитной индукции

Вектор индукции магнитного момента рамки с током

где Вектор индукции магнитного момента рамки с током— магнитная постоянная (см. п.12), Вектор индукции магнитного момента рамки с токоммагнитная проницаемость

среды (п.39), безразмерная величина, показывающая, во сколько раз магнитное поле макротоков Н усиливается за счет поля микротоков среды.

6. Подобие векторных характеристик электростатического и магнитного полей.

Вектор магнитной индукции Вектор индукции магнитного момента рамки с током— аналог вектора напряженности электро­статического поля Вектор индукции магнитного момента рамки с током.Эти величины определяют силовые действия этих полей и зависят от свойств среды.

Аналогомвектора электрического смещения Вектор индукции магнитного момента рамки с токомявляется вектор напряженности Вектор индукции магнитного момента рамки с токоммагнитного поля.

Для магнитного поля, как и для электрического, справедлив принцип суперпозиции: магнитная индукция результирующего поля, создаваемого несколькими токами или движущимися зарядами, равна векторной сумме магнитных индукций полей, создаваемых каждым током или движущимся зарядом.

7. Закон Био-Савара-Лапласа.

Вектор индукции магнитного момента рамки с токомЭлемент проводника Вектор индукции магнитного момента рамки с токомс током Вектор индукции магнитного момента рамки с токомсоздает в некоторой точке А индукцию поля

Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Где Вектор индукции магнитного момента рамки с током— радиус-вектор, проведенный из элемента Вектор индукции магнитного момента рамки с токомпроводника в точку А.

Направление Вектор индукции магнитного момента рамки с токомперпендикулярно Вектор индукции магнитного момента рамки с токоми Вектор индукции магнитного момента рамки с током, и совпадает с касательной к линии магнитной индукции. Модуль вектора Вектор индукции магнитного момента рамки с токомопределяется выражением

Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Вектор индукции магнитного момента рамки с током

где α ­- угол между векторами Вектор индукции магнитного момента рамки с токоми Вектор индукции магнитного момента рамки с током.

8. Магнитное поле прямого тока.

Вектор индукции магнитного момента рамки с токомТок течет по прямому проводу бесконечной длины. В качестве постоянной интегрирования выберем угол а .

Из рисунка Вектор индукции магнитного момента рамки с током, Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Следовательно Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Угол α для всех элементов прямого провода

Вектор индукции магнитного момента рамки с токомизменяется от 0 до Вектор индукции магнитного момента рамки с током. По принципу суперпозиции

Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Если ток течет по отрезку провода (см. рисунок), то

Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Эта формула переходит в формулу для бесконечного длинного проводника при Вектор индукции магнитного момента рамки с током, Вектор индукции магнитного момента рамки с током.

9. Магнитное поле в центре кругового тока.

Вектор индукции магнитного момента рамки с токомВ данном случае сложение векторов можно заменить сложением их модулей, учитывая sin α = 1 и r = R,

Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Можно показать, что на расстоянии r от центра витка вдоль оси витка магнитное поле будет равно Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Напряженность магнитного поля, создаваемого круговым током, на большом расстоянии от витка стоком (r >> R)

Вектор индукции магнитного момента рамки с током

где pm=IS — магнитный момент витка с током.

Вектор индукции магнитного момента рамки с токомСравним эту формулу с формулой для электрического поля диполя (с электрическим дипольным моментом pe) на оси диполя

Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Очевидное подобие этих формул объясняет, почему часто говорят, что контур с током подобен «магнитному диполю», имеющему равный с контуром магнитный момент.

10. Закон Ампера.

Вектор индукции магнитного момента рамки с токомДействие магнитного поля на рамку с током — это пример воздействия магнитного поля на проводник с током. Ампер установил, что сила Вектор индукции магнитного момента рамки с током, с которой магнитное поле действует на элемент проводника с током, находящегося в магнитном поле, равна
Вектор индукции магнитного момента рамки с током,

где Вектор индукции магнитного момента рамки с током— вектор по модулю равный dl и совпадающий по направлению с током, Вектор индукции магнитного момента рамки с током— вектор магнитной индукции.

Наглядно направление силы Ампера принято определять по правилу левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы в нее входил вектор Вектор индукции магнитного момента рамки с током, а четыре вытянутых пальца расположить по направлению тока в проводнике, то отогнутый большой палец покажет направление силы Ампера.

11. Взаимодействие параллельных токов.

Вектор индукции магнитного момента рамки с токомЗакон Ампера применяется для определения силы взаимодействия двух токов.

Два параллельных проводника с токами I1 и I2 находятся на расстоянии R друг от друга. Направление сил Вектор индукции магнитного момента рамки с токоми Вектор индукции магнитного момента рамки с током, с которыми поля Вектор индукции магнитного момента рамки с токоми Вектор индукции магнитного момента рамки с токомдействуют на проводники с токами I1 и I2 определяются по правилу левой руки.

Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Отсюда: Вектор индукции магнитного момента рамки с током. Аналогично Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Вектор индукции магнитного момента рамки с током. Таким образом:

Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Проводники с токами одинакового направления притягиваются, с токами разного направления — отталкиваются.

12. Магнитная постоянная.

В системе СИ единица измерения силы тока — ампер — вместе с килограммом, метром и секундой является основной единицей. По определению «ампер есть сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 метра один от другого в вакууме, вызвал бы между этими проводниками силу, равную 2∙10 -7 ньютона на каждый метр длины».

В вакууме (µ=1) сила взаимодействия на единицу длины проводника

Вектор индукции магнитного момента рамки с током

При Вектор индукции магнитного момента рамки с токомН/м.

Отсюда Вектор индукции магнитного момента рамки с током

где генри (Гн) — единица индуктивности — будет определена позднее.

13. Единицы магнитной индукции и напряженности магнитного поля.

Пусть элемент проводника dl с током I перпендикулярен направлению магнитного поля. Закон Ампера dF = IBdl, откуда

Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Единица магнитной индукции В — тесла (Тл) — магнитная индукция такого однородного магнитного поля, которое действует с силой 1Н на каждый метр длины прямолинейного проводника, расположенного перпендикулярно направлению поля, если по этому проводнику проходит ток 1А: Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Из формулы Вектор индукции магнитного момента рамки с токомв вакууме (µ=1) получим Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Единица напряженности магнитного поля Н — ампер на метр (А/м) —

напряженность такого поля, индукция которого в вакууме равна Вектор индукции магнитного момента рамки с токомТл.

14. Магнитное поле свободно движущегося заряда.

Проводник с током создает вокруг себя магнитное поле. Электрический ток — это упорядоченное движение электрических зарядов. Магнитное поле Вектор индукции магнитного момента рамки с токомточечного заряда q, свободно движущегося с постоянной нерелятивистской скоростью Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Вектор индукции магнитного момента рамки с токомВектор индукции магнитного момента рамки с током

Где Вектор индукции магнитного момента рамки с током— радиус-вектор, проведенный из заряда q к точке наблюдения,α -угол между Вектор индукции магнитного момента рамки с токоми Вектор индукции магнитного момента рамки с током

15. Сила Лоренца.

Так же как и на проводник с током, магнитное поле действует и на отдельный заряд, движущийся в магнитном поле.

Сила, действующая на электрический заряд q, движущийся в магнитном поле Вектор индукции магнитного момента рамки с токомсо скоростью Вектор индукции магнитного момента рамки с токомназывается силой Лоренца

Вектор индукции магнитного момента рамки с токомили Вектор индукции магнитного момента рамки с током

где α- угол между Вектор индукции магнитного момента рамки с токоми Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Сводная таблица. Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Вектор индукции магнитного момента рамки с токомНаправление силы Лоренца, так же как и силы Ампера, определяется по правилу левой руки. Сила Лоренца всегда перпендикулярна скорости движения заряженной частицы. Поэтому она изменяет только направление этой скорости, не изменяя ее модуля. Следовательно, сила Лоренца работы не совершает.

Постоянное магнитное поле не совершает работы над движущейся в нем заряженной частицей и кинетическая энергия этой частицы при движении в магнитном поле не изменяется.

Движение заряда, на который кроме магнитного поля с индукцией Вектор индукции магнитного момента рамки с токомдействует и электрическое поле с напряженностью Вектор индукции магнитного момента рамки с током, описывается формулой Лоренца

Вектор индукции магнитного момента рамки с током

16. Движение заряженных частиц в магнитном поле.

Считаем, что магнитное поле однородно и на частицы не действуют электрические поля. Рассмотрим три возможных случая:

1. Вектор индукции магнитного момента рамки с током— Заряженная частица движется в магнитном поле вдоль линий

магнитной индукции (угол α между векторами Вектор индукции магнитного момента рамки с токоми Вектор индукции магнитного момента рамки с токомравен 0 или Вектор индукции магнитного момента рамки с током). Сила Лоренца равна нулю. Магнитное поле на частицу не действует, и она движется равномерно и прямолинейно.

2. Вектор индукции магнитного момента рамки с током— Заряженная частица движется в магнитном поле перпендику­лярно линиям магнитной индукции (угол Вектор индукции магнитного момента рамки с током).

Сила Лоренца Вектор индукции магнитного момента рамки с током: постоянна по модулю и нормальна к траектории

частицы. Частица будет двигаться по окружности радиуса R с центро­стремительным ускорением Вектор индукции магнитного момента рамки с током. Из второго закона Ньютона Вектор индукции магнитного момента рамки с токомполучаем радиус окружности Вектор индукции магнитного момента рамки с токоми период вращения Вектор индукции магнитного момента рамки с током

3.Заряженная частица движется под углом α к линиям магнитной

Движение частицы можно представить в виде суммы двух движений.

1)равномерного прямолинейного движения вдоль поля со скоростью

Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Вектор индукции магнитного момента рамки с током2)равномерного движения по окружности в плоскости, перпендикулярной полю.

Суммарное движение будет движением по спирали, ось которой параллельна магнитному полю. Шаг винтовой линии Вектор индукции магнитного момента рамки с током, где Вектор индукции магнитного момента рамки с током— период вращения частицы, и Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Если магнитное поле неоднородно и заряженная частица движется под углом к линиям магнитного поля в направлении возрастания поля, то величины R и h уменьшаются с ростом Вектор индукции магнитного момента рамки с током. На этом основана фокусировка заряженных частиц магнитным полем.

17. Эффект Холла.

Эффект Холла — это возникновение электрического поля в проводнике или полупроводнике с током при помещении его в магнитное поле.

Эффект Холла — следствие влияния силы Лоренца на движение носителей тока. В магнитном поле Вектор индукции магнитного момента рамки с токомпри протекании через проводник тока с плотностью Вектор индукции магнитного момента рамки с токомустанавливается электрическое поле с напряженностью

Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Вектор индукции магнитного момента рамки с токомгдеR постоянная Холла.

Пусть, например, металлическая пластинка с током расположена в магнитном поле перпендикулярном току (см. рисунок). Сила Лоренца приводит к повышению концентрации носителей тока — электронов — у верхнего края пластинки.

При этом верхний край зарядится отрицательно, а нижний, соответственно — положительно. Стационарное распределение зарядов будет достигнуто, когда действие созданного таким образом электрического поля уравновесит силу Лоренца: Вектор индукции магнитного момента рамки с током, или Вектор индукции магнитного момента рамки с током, где a — ширина пластинки, е — заряд электрона, Вектор индукции магнитного момента рамки с током— поперечная (холловская) разность потенциалов.

Поскольку сила тока Вектор индукции магнитного момента рамки с током(S = ad — площадь поперечного сечения пластинки толщиной d и шириной a, n — концентрация электронов, Вектор индукции магнитного момента рамки с током— средняя скорость упорядоченного движения электронов), то Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Знак постоянной Холла Вектор индукции магнитного момента рамки с токомсовпадает со знаком носителей тока, поэтому эффект Холла используют для определения природы носителей тока в веществах и определения их концентрации.

18. Теорема о циркуляции вектора Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Вектор индукции магнитного момента рамки с токомЦиркуляцией вектора В по задан­ному замкнутому контуру L называется следующий интеграл по этому контуру: Вектор индукции магнитного момента рамки с током

где Вектор индукции магнитного момента рамки с током— элемент длины контура, направленный вдоль обхода контура; Вектор индукции магнитного момента рамки с током

составляющая вектора Вектор индукции магнитного момента рамки с токомв направлении касательной к контуру, с учетом выбранного направления обхода;α — угол между векторами Вектор индукции магнитного момента рамки с токоми Вектор индукции магнитного момента рамки с током.

Теорема о циркуляции вектора Вектор индукции магнитного момента рамки с током(закон полного магнитного поля в вакууме): циркуляция вектора Вектор индукции магнитного момента рамки с токомпо произвольному замкнутому контуру равна произведению магнитной постоянной Вектор индукции магнитного момента рамки с токомна алгебраическую сумму токов, охватываемых этим контуром

Вектор индукции магнитного момента рамки с током

где n — число проводников с токами, охватываемых контуром L произвольной формы.

Эта теорема справедлива только для поля в вакууме, поскольку для поля в веществе надо учитывать молекулярные токи. Каждый ток учитывается столько раз, сколько он охватывается контуром. Положительным считается ток, направление которого связано с направлением обхода по контуру правилом правого винта.

Вектор индукции магнитного момента рамки с токомПример: магнитное поле прямого тока. Замкнутый контур представим в виде окружности радиуса r.

В каждой точке этой окружности вектор Вектор индукции магнитного момента рамки с токомодинаков по модулю и направлен по касательной к окружности: Вектор индукции магнитного момента рамки с током

отсюда Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Сравним выражения для циркуляций векторов Вектор индукции магнитного момента рамки с токоми Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Принципиальное различие между этими формулами в том, что циркуляция вектора Вектор индукции магнитного момента рамки с токомэлектростатического поля всегда равна нулю. Такое поле является потенциальным. Циркуляция вектора Вектор индукции магнитного момента рамки с токоммагнитного поля не равна нулю. Такое поле называется вихревым или соленоидальным.

19. Магнитное поле соленоида.

Вектор индукции магнитного момента рамки с токомСоленоидом называется свернутый в спираль изолированный проводник по которому течет электрический ток. Рассмотрим соленоид длиной l, имеющий N витков. Циркуляция вектора Вектор индукции магнитного момента рамки с токомпо замкнутому контуру ABCDA, охватывающему все N витков, равна Вектор индукции магнитного момента рамки с током

На участках АВ и CD контур перпендикулярен линиям магнитной индукции, следовательно Вектор индукции магнитного момента рамки с током. Можно показать, что вне бесконечного соленоида магнитное поле В = О (удалив участок СВ на бесконечность, где магнитное поле соленоида равно нулю, поскольку магнитное поле каждого витка соленоида уменьшается с расстоянием

r 3 ). На участке DA контур совпадает с линией магнитной индукции, внутри соленоида поле однородно ( Вектор индукции магнитного момента рамки с током), поэтому

Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Магнитная индукция (бесконечного) соленоида в вакууме

Вектор индукции магнитного момента рамки с током

20. Магнитное поле тороида в вакууме.

Тороидом — называется кольцевая катушка с витками, намотанными на сердечник, имеющий форму тора, по которой течет ток.

Магнитное поле отсутствует вне тороида, а внутри его оно является однородным.

Вектор индукции магнитного момента рамки с токомЛинии магнитной индукции, как следует из соображений симметрии, есть окружности, центры которых расположены на оси тороида.

В качестве контура выберем одну такую окружность радиуса r. По теореме о циркуляции Вектор индукции магнитного момента рамки с током, где N — число витков тороида. Отсюда

Вектор индукции магнитного момента рамки с током

21. Поток вектора магнитной индукции.

Потоком вектора магнитной индукции (магнитным потоком) через площадку dS называется скалярная физическая величина, равная

Вектор индукции магнитного момента рамки с током

где Вектор индукции магнитного момента рамки с током— проекция вектора Вектор индукции магнитного момента рамки с токомна направление нормали Вектор индукции магнитного момента рамки с токомк площадке

dS, α — угол между векторами Вектор индукции магнитного момента рамки с токоми Вектор индукции магнитного момента рамки с током, Вектор индукции магнитного момента рамки с током— вектор, модуль которого равен dS, а направление совпадает с направлением нормали Вектор индукции магнитного момента рамки с токомк площадке.

Поток вектора Вектор индукции магнитного момента рамки с токомможет быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от знака cos α

Поток вектора Вектор индукции магнитного момента рамки с токомсвязывают с контуром по которому течет ток. Положительное направление нормали к контуру связано с направлением тока по правилу правого винта. Поэтому магнитный поток, создаваемый контуром с током через поверхность, ограниченную им самим, всегда положителен.

Поток вектора магнитной индукции через произвольную поверхность S

Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Если поле однородно и перпендикулярно ему расположена плоская поверхность с площадью S, то Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Единица магнитного потока — вебер (Вб): 1В6 — магнитный поток, проходящий сквозь плоскую поверхность площадью 1м 2 , расположенную перпендикулярно однородному магнитному полю, индукция которого равна 1Тл (1 Вб=1 Тлм 2 ).

22. Теорема Гаусса для магнитного поля в вакууме

Поток вектора магнитной индукции сквозь любую замкнутую поверхность равен нулю Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Эта теорема отражает факт отсутствия магнитных зарядов, вследствие чего линии магнитной индукции не имеют ни начала ни конца и являются замкнутыми.

Магнитный поток через поверхность, ограниченную замкнутым контуром, называется потокосцеплением Вектор индукции магнитного момента рамки с токомэтого контура.

Потокосцепление контура, обусловленное магнитным полем тока в самом этом контуре, называется потокосцеплением самоиндукции.

Например, найдем потокосцепление самоиндукции соленоида с сердечником с магнитной проницаемостью µ. Магнитный поток сквозь один

виток соленоида площадью S равен Вектор индукции магнитного момента рамки с током. Полный магнитный поток,

сцепленный со всеми витками соленоида равен

Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Потокосцепление контура, обусловленное магнитным полем тока, идущего в другом контуре, называется потокосцеплением взаимной индукции этих двух контуров.

24. Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле.

Вектор индукции магнитного момента рамки с токомПроводник длиной l (он может свободно перемещаться) с током I находится в однородном магнитном поле (см. рисунок). Поле направлено перпендикулярно плоскости рисунка — из-за чертежа. Сила Ампера F = IBl.

Под ее действием проводник переместился из положения 1 в положение 2.

Работа, совершаемая магнитным полем:

Вектор индукции магнитного момента рамки с током

dS = ldx — площадь, пересекаемая проводником при его перемещении в магнитном поле; BdS=dФ — поток вектора магнитной индукции, пронизывающий эту площадь. Таким образом,

Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле равна произведению силы тока на магнитный поток, пересеченный движущимся проводником.

25. Работа по перемещению контура с током в магнитном поле.

Вектор индукции магнитного момента рамки с токомМагнитное поле направлено перпендикулярно плоскости рисунка — за чертеж. Работа dА сил Ампера при перемещении контура ABCDA равна

сумме работ по перемещению проводников ABC (dAl) и CDA (dА2), т.е.

При перемещении участка CDA силы Ампера направлены в сторону перемещения (образуют с направлением перемещения острые углы), поэтому dА2 >0

Силы, действующие на участок ABC контура, направлены против перемещения (образуют с направлением перемещения тупые углы), поэтому dА1 > R0) ЭДС самоиндукции Вектор индукции магнитного момента рамки с токомможет во много раз превысить Вектор индукции магнитного момента рамки с током, что может привести к пробою изоляции и выводу из строя измерительных приборов.

При замыкании цепи помимо внешней ЭДС Вектор индукции магнитного момента рамки с токомвозникает ЭДС

Самоиндукции Вектор индукции магнитного момента рамки с токомпрепятствующая возрастанию тока. По закону Ома,

Вектор индукции магнитного момента рамки с током, или Вектор индукции магнитного момента рамки с током. Можно показать, что решение этого уравнения имеет вид

Вектор индукции магнитного момента рамки с током(кривая 2)

где Вектор индукции магнитного момента рамки с током— установившийся ток (при Вектор индукции магнитного момента рамки с током).

Таким образом, при включении источника тока сила тока возрастает по экспоненциальному закону (а не мгновенно).

34. Взаимная индукция

Вектор индукции магнитного момента рамки с токомВзаимной индукцией называется явление возбуждения ЭДС электро­магнитной индукции в одной электрической цепи при изменении электрического тока в другой цепи или при изменении взаимного расположения этих двух цепей.

Рассмотрим два неподвижных контура 1 и 2 с токами I1 и I2, расположенных достаточно близко друг от друга. При протекании в контуре 1 тока I1 магнитный поток пронизывает второй контур

Коэффициенты пропорциональности L21 и L12 равны друг другу L12 = L2l = L и называются взаимной индуктивностью контуров.

При изменении силы тока в одном из контуров, в другом индуцируется

Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Взаимная индуктивность контуров зависит от геометрической формы, размеров, взаимного расположения контуров и от магнитной проницаемости окружающей контуры среды.

Для примера рассчитаем взаимную индуктивность двух катушек, намотанных на тороидальный сердечник.

Вектор индукции магнитного момента рамки с токомПервая катушка с числом витков N1 и током I1 создает поле Вектор индукции магнитного момента рамки с током. Магнитный поток сквозь один виток второй катушки Вектор индукции магнитного момента рамки с током

где l — длина сердечника по средней линии. Тогда полный магнитный поток (потокосцепление) сквозь вторичную обмотку, содержащую N2 витков: Вектор индукции магнитного момента рамки с током. Поскольку поток Вектор индукции магнитного момента рамки с токомсоздается током I1, то Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Данное устройство является примером трансформатора.

Принцип действия трансформаторов, применяемых для повышения или понижения напряжения переменного тока, основан на явлении взаимной индукции. Переменный ток I1 создает в первичной обмотке переменное магнитное поле. Это вызывает во вторичной обмотке появление ЭДС взаимной индукции. При этом Вектор индукции магнитного момента рамки с током
где jVj и N2 — число витков в первичной и вторичной обмотках, соответственно.
Отношение Вектор индукции магнитного момента рамки с током, показывающее, во сколько раз ЭДС во вторичной обмотке трансформатора больше (или меньше), чем в первичной, называется коэффициентом трансформации.
Если k> 1, то трансформатор — повышающий, если k 11 — удельный заряд электрона.

Кроме орбитальных моментов, электрон обладает собственным механическим моментом импульса Ls, называемый спином.

Спину электрона соответствует собственный (спиновый) магнитный момент Вектор индукции магнитного момента рамки с током. Проекция спина на направление вектора Вектор индукции магнитного момента рамки с токомможет принимать только одно из следующих двух значений

Вектор индукции магнитного момента рамки с током

где Вектор индукции магнитного момента рамки с током(h — постоянная Планка), μB — магнетон Бора, являющийся

единицей магнитного момента электрона.

Общий магнитный момент атома или молекулы равен векторной сумме магнитных моментов (орбитальных и спиновых) входящих в атом (молекулу) электронов

Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Магнитные моменты атомных ядер в тысячи раз меньше магнитных моментов электронов, поэтому ими как правило пренебрегают.

38.Диа- и парамагнетики.

Вектор индукции магнитного момента рамки с токомВсякое вещество является магнетиком, т.е. способно под действием магнитного поля приобретать магнитный момент (намагничиваться).

На вращающийся по орбите электрон, как на замкнутый ток, в магнитном поле действует вращающий момент сил. В результате электрон получает дополнительное равномерное вращение, при котором вектор Вектор индукции магнитного момента рамки с токомбудет описывать конус вокруг направления индукции Вектор индукции магнитного момента рамки с токомс некоторой угловой скоростью Ω. Такое движение называется прецессией.

Теорема Лармора: действие магнитного поля на электронную орбиту можно свести ксообщению этой орбите прецессии с угловой скоростью Вектор индукции магнитного момента рамки с током

Прецессионное движение электронных орбит эквивалентно круговому микротоку. Так как этот микроток индуцирован внешним магнитным полем, то, согласно правилу Ленца, у атома появляется магнитный момент, направленный против внешнего поля.

Наведенные составляющие магнитных полей атомов складываются и образуют собственное магнитное поле вещества, ослабляющее внешнее магнитное поле. Этот эффект получил название диамагнитного эффекта, а вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле против направления поля, называются диамагнетиками (например, Ag, Au, Си. ).

Так как диамагнитный эффект обусловлен действием внешнего магнитного поля на электроны атомов вещества, то диамагнетизм свойствен всем веществам.

Наряду с диамагнитными веществами существуют и парамагнитные — вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле по направлению поля (пример: редкоземельные металлы, Pt, А1. ).

У парамагнитных веществ при отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты электронов не компенсируют друг друга, и молекулы парамагнетиков всегда обладают магнитным моментом (такие молекулы называются полярными).

Вследствие теплового движения молекул их магнитные моменты ориентированы беспорядочно, поэтому, в отсутствие магнитного поля, парамагнитные вещества магнитными свойствами не обладают.

При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле устанавливается преимущественная ориентация магнитных моментов атомов (молекул) по полю (полной ориентации препятствует тепловое движение атомов).

Дата добавления: 2014-10-31 ; просмотров: 536 ; Нарушение авторских прав

📽️ Видео

Рамка с током в магнитном поле. 8 класс.Скачать

Рамка с током в магнитном поле. 8 класс.

Урок 281. Электромагнитная индукция. Магнитный поток. Правило ЛенцаСкачать

Урок 281. Электромагнитная индукция. Магнитный поток. Правило Ленца

Контур с током в однородном магнитном полеСкачать

Контур с током в однородном магнитном поле

Контур с током в магнитном поле. 10 класс.Скачать

Контур с током в магнитном поле. 10 класс.

Магнитное поле. Опыты. Магнитная индукция. Эксперименты. Рамка с током.Скачать

Магнитное поле. Опыты. Магнитная индукция. Эксперименты. Рамка с током.

Урок 178 (осн). Рамка с током в магнитном поле. ЭлектродвигательСкачать

Урок 178 (осн). Рамка с током в магнитном поле. Электродвигатель

Движение рамки с током в магнитном полеСкачать

Движение рамки с током в магнитном поле

Виток с током в магнитном полеСкачать

Виток с током в магнитном поле

Билет №15 "Магнитное поле"Скачать

Билет №15 "Магнитное поле"

Вращение рамки в магнитном поле.Скачать

Вращение рамки в магнитном поле.

Правило рук 👋 КАК ЛЕГКО определять НАПРАВЛЕНИЕ ЛИНИЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ??Скачать

Правило рук 👋 КАК ЛЕГКО определять НАПРАВЛЕНИЕ ЛИНИЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ??

Физика. Момент сил. Магнетизм.Скачать

Физика. Момент сил. Магнетизм.

Электродинамика | рамка с током в магнитном поле |Скачать

Электродинамика | рамка с током в магнитном поле |

Физика - Магнитное полеСкачать

Физика - Магнитное поле

Урок 270. Магнитное поле и его характеристикиСкачать

Урок 270. Магнитное поле и его характеристики

ИНДУКЦИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ сила Ампера правило левой рукиСкачать

ИНДУКЦИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ сила Ампера правило левой руки

Момент сил. Плоский контур с токомСкачать

Момент сил. Плоский контур с током

Магнитное поле прямого токаСкачать

Магнитное поле прямого тока
Поделиться или сохранить к себе:
Читайте также:

  1. II. Объем и сроки выполнения задач в рамках проекта
  2. VII. Описание учебно-методического и материально-технического обеспечения образовательного процесса по предмету «Технология» (направление «Технический труд»).
  3. Алгоритм позиционирования товаров в рамках формирования товарной линии
  4. Анализ неоднородности магнитного поля над дефектом
  5. Аномалии магнитного поля Земли.
  6. Атеистическо-материалистическое направление философии французского Просвещения XVIII в.
  7. Биологическое действие СВЧ-поля.
  8. Быстропеременные региональные поля или (в других источниках литературы) переменные низкочастотные поля.
  9. В. Консервативное направление. Либеральное направление. Западники и славянофилы
  10. Взаимодействие электромагнитного поля и движущегося заряда.