Буравихин В.А., Шелковников В.Н., Карабанова В.П. Практикум по магнетизму: Учебное пособие (Документ)

Maxwell J.C. A Treatise on Electricity and Magnetism. Vol. 1 (на англ. яз) (Документ)

Формулы по физике (Документ)

Шпоры по элетричеству, матнетизму и механике (Документ)

Бушок Г.Ф., Левандовський В.В., Півень Г.Ф. Курс фізики: навчальний посібник, Книга 1. Фізичні основи механіки. Електрика і магнетизм (Документ)

Лекции - Клинические лекции по факультетской терапии 1 и 2 части (Лекция)

Макаревич А.Э. Избранные лекции по кардиологии (Документ)

Брилл А.А. Лекции по психоаналитической психиатрии (Документ)

Губко М.В. Лекции по принятию решений в условиях нечеткой информации (Документ)

Лекции по тифхмо (Лекция)

Лекции по теории геофизических приоров (Документ)

n1.doc

МАГНЕТИЗМ

Электронный учебник по физике

КГТУ-КХТИ. Кафедра физики. Старостина И.А., Кондратьева О.И., Бурдова Е.В.
Для перемещения по тексту электронного учебника можно использовать:

1- нажатие клавиш PgDn, PgUp,,  для перемещения по страницам и строкам;

2- нажатие левой клавиши «мыши» по выделенному тексту для перехода в требуемый раздел;

3- нажатие левой клавиши «мыши» по выделенному значку @ для перехода в оглавление.
ОГЛАВЛЕНИЕ

МАГНЕТИЗМ

МАГНЕТИЗМ

1. ОСНОВЫ МАГНИТОСТАТИКИ. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В ВАКУУМЕ

1.1. Магнитное поле и его характеристики.@

1.2. Закон Ампера.@

1.3. Закон Био – Савара – Лапласа и его применение к расчету магнитного поля. @

1.4. Взаимодействие двух параллельных проводников с током. @

1.5. Действие магнитного поля на движущуюся заряженную частицу. @

1.6. Закон полного тока для магнитного поля в вакууме(теорема о циркуляции вектора В). @

1.7. Поток вектора магнитной индукции. Теорема Гаусса для магнитного поля. @

1. 8. Рамка с током в однородном магнитном поле. @

2. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В ВЕЩЕСТВЕ. @

2.1. Магнитные моменты атомов. @

2.2. Атом в магнитном поле. @

2.3. Намагниченность вещества. @

2.4. Виды магнетиков. @

2.5. Диамагнетизм. Диамагнетики. @

2.6. Парамагнетизм. Парамагнетики. @

2.7. Ферромагнетизм. Ферромагнетики. @

2.8. Доменная структура ферромагнетиков. @

2.9. Антиферромагнетики и ферриты. @

3. ЯВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ. @

3.1. Основной закон электромагнитной индукции. @

3.2. Явление самоиндукции. @

3.3. Явление взаимной индукции. @

3.4. Энергия магнитного поля. @

4. УРАВНЕНИЯ МАКСВЕЛЛА. @

4.1. Теория Максвелла для электромагнитного поля. @

4.2. Первое уравнение Максвелла. @

4.3. Ток смещения. @

4.4. Второе уравнение Максвелла. @

4.5. Система уравнений Максвелла в интегральной форме. @

4.6. Электромагнитное поле. Электромагнитные волны. @

МАГНЕТИЗМ

Магнетизм - раздел физики, изучающий взаимодействие между электричес­ки­ми токами, между токами и магнитами (телами с магнитным моментом) и между магнитами.

Долгое время магнетизм считался совершенно независимой от электричества наукой. Однако ряд важнейших открытий 19-20 веков А.Ампера, М.Фарадея и др. доказали связь электрических и магнитных явлений, что позволило считать учение о магнетизме составной частью учения об электричестве.

1. ОСНОВЫ МАГНИТОСТАТИКИ. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В ВАКУУМЕ

1.1. Магнитное поле и его характеристики.@

Впервые магнитные явления были последовательно рассмотрены английским врачом и физиком Уильямом Гильбертом в его работе - «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле». Тогда казалось, что электричество и магнетизм не имеютничего общего. Лишь в начале XIX века датский ученый Г.Х.Эрстед выдвинул идею о том, что магнетизм может оказаться одной из скрытых форм электричества, что и подтвердил в 1820 г. на опыте. Этот опыт повлек за собой лавину новых открытий, имевших огромное значение.

Многочисленные опыты начала XIX века показали, что каждый проводник с током и постоянный магнит способны оказывать силовое воздействие через пространство на другие проводники с током или магниты. Это происходит из-за того, что вокруг проводников с током и магнитов возникает поле, которое было названо магнитным .

Для исследования магнитного поля применяют небольшую магнитную стрелку, подвешенную на нити или уравновешенную на острие (Рис.1.1). В каждой точке магнитного поля стрелка, расположенная произвольно, будет п
Рис.1.1. Направление магнитного поля
оворачиваться в определенном направлении. Это происходит из-за того, что в каждой точке магнитного поля на стрелку действует вращающий момент, который стремится расположить ее ось вдоль магнитного поля. Осью стрелки называется отрезок, соединяющий ее концы.

Рассмотрим ряд опытов, которые позволили установить основные свойства магнитного поля:

На основании данных опытов был сделан вывод о том, что магнитное поле создается только движущимися зарядами или движущимися заряженными телами, а также постоянными магнитами. Этим магнитное поле отличается от электрического поля, которое создается как движущимися, так и неподвижными зарядами и действует как на одни, так и на другие.

Основной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции . За направление магнитной индукции в данной точке поля принимают направление, по которому в данной точке располагается ось магнитной стрелки от S к N (рис.1.1). Графически магнитные поля изображаются силовыми линиями магнитной индукции, то есть кривыми, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора В.

Эти силовые линии можно увидеть с помощью железных опилок: например, если рассыпать опилки вокруг длинного прямолинейного проводника и пропустить через него ток, то опилки поведут себя подобно маленьким магнитикам, располагаясь вдоль силовых линий магнитного поля (рис. 1.2).

Как определить направление вектора около проводника с током? Это можно сделать с помощью правила правой руки, которое иллюстрируется рис. 1.2. Большой палец правой руки ориентируют в направлении тока, тогда остальные пальцы в согнутом положении указывают направление силовых линий магнитного поля. В случае, изображенном на рис.1.2, линии представляют собой концентрические окружности. Линии вектора магнитной индукции всегда замкнуты и охватывают проводник с током. Этим они отличаются от линий напряженности электрического поля, которые начинаются на положительных и кончаются на отрицательных зарядах, т.е разомкнуты . Линии магнитной индукции постоянного магнита выходят из одного полюса, называемого северным (N) и входят в другой - южный (S) (рис. 1.3а). Вначале кажется, что здесь наблюдается полная аналогия с линиями напряженности электрического поля Е, причем полюса магнитов играют роль магнитных зарядов. Однако если разрезать магнит, картина сохраняется, получаются более мелкие магниты со своими северными и южными полюсами, т.е. полюса разделить невозможно, потому что свободных магнитных зарядов, в отличие от электрических зарядов, в природе не существует. Было установлено, что внутри магнитов имеется магнитное поле и линии магнитной индукции этого поля являются продолжением линий магнитной индукции вне магнита, т.е. замыкают их. Подобно постоянному магниту магнитное поле соленоида – катушки из тонкой изолированной проволоки с длиной намного больше диаметра, по которой течет ток (рис.1.3б). Конец соленоида, из которого ток в витке виден идущим против часовой стрелки, совпадает с северным полюсом магнита, другой – с южным. Магнитная индукция в системе СИ измеряется в Н/(А∙м), этой величине присвоено специальное наименование – тесла .

Согласно предположению французского физика А.Ампера, намагниченное железо (в частности, стрелки компаса) содержит непрерывно движущиеся заряды, т.е. электрические токи в атомном масштабе. Такие микроскопические токи, обусловленные движением электронов в атомах и молекулах, существуют в любом теле. Эти микротоки создают свое магнитное поле и могут сами поворачиваться во внешних полях, создаваемых проводниками с током. Например, если вблизи какого-либо тела поместить проводник с током, то под действием его магнитного поля микротоки во всех атомах определенным образом ориентируются, создавая в теле дополнительное магнитное поле. О природе и характере этих микротоков Ампер в то время ничего не мог сказать, так как учение о строении вещества находилось еще в самой начальной стадии. Гипотеза Ампера была блестяще подтверждена лишь спустя 100 лет, после открытия электрона и выяснения строения атомов и молекул.

Магнитные поля, существующие в природе, разнообразны по масштабам и по вызываемым эффектам. Магнитное поле Земли, образующее земную магнитосферу, простирается на расстоянии 70 – 80 тысяч км в направлении к Солнцу и на многие миллионы километров в обратном направлении. В околоземном пространстве магнитное поле образует магнитную ловушку для заряженных частиц высоких энергий. Происхождение магнитного поля Земли связывают с движениями проводящего жидкого вещества в земном ядре. Из других планет Солнечной системы лишь Юпитер и Сатурн обладают заметными магнитными полями. Магнитное поле Солнца играет важнейшую роль во всех происходящих на Солнце процессах – вспышках, появлении пятен и протуберанцев, рождении солнечных космических лучей.

Магнитное поле широко применяется в различных отраслях промышленности, в частности при очистке муки на хлебозаводах от металлических примесей. Специальные просеиватели муки снабжены магнитами, которые притягивают к себе мелкие кусочки железа и его соединений, которые могут содержаться в муке.

Тема урока: МАГНЕТИЗМ И ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

Обучающийся должен:

знать: основные законы электротехники, электротехнические материалы

уметь: применять законы электротехники.

Цель урока:

Образовательная: изучить законы электротехники, свойства электротехнических материалов, используя учебную и справочную литературу

Развивающая : развивать навыки самостоятельной работы; развивать умения анализировать рабочую документацию; организовывать, оценивать и корректировать собственную деятельность; нести ответственность за результаты своей работы; осуществлять поиск информации.

Воспитательная: воспитывать ответственность, трудолюбие, аккуратность.

Ход урока:

Объяснение нового материала

Магниты и их свойства

Магнетизм - это особое проявление движения электрических зарядов внутри атомов и молекул, которое проявляется в том, что некоторые тела способны притягивать к себе и удерживать частицы металлов . Эти тела называются магнитными.

В зависимости от назначения магнитам придают различную форму: прямоугольную, ромбическую, круглую и т. д. Магнит любой формы имеет два полюса - северный ( N ) и южный ( S ).

Вокруг всякого намагниченного тела возникает магнитное поле, являющееся материальной средой, в которой обнаруживается действие магнитных сил. На рисунках магнитное поле изображается в виде магнитных линий, направленных от северного полюса к южному (рис. 1). Любая магнитная линия не имеет ни конца, ни начала и представляет собой замкнутую кривую, так как северный и южный полюсы магнита неотделимы один от другого.

Рис. 26. Магнитное поле постоянного магнита

При внесении в магнитное поле какого-либо тела оно пронизывается магнитными линиями, которые определенным образом воздействуют на поле. При этом различные материалы по-разному воздействуют на магнитное поле.

В зависимости от взаимного расположения магнитных полей они могут складываться или вычитаться. В первом случае атом будет обладать магнитным полем или магнитным моментом, а во втором - не будет.

Диамагнитными материалами называются материалы, атомы которых не имеют магнитного момента и намагнитить которые невозможно, К ним относятся абсолютное большинство веществ, встречающихся в природе, и некоторые металлы (медь, свинец, цинк, серебро и другие).

Парамагнитными материалами называются материалы, атомы которых обладают некоторым магнитным моментом и могут намагничиваться. К ним относятся алюминий, олово, марганец и др.

Ф ерромагнитными материалами называются материалы, атомы которых обладают большим магнитным моментом и которые легко поддаются намагничиванию. К таким материалам относятся железо, сталь, чугун, никель, кобальт, гадолиний и их сплавы.

Магнитное поле электрического тока

Вокруг проводника с током образуется магнитное поле. В этом легко убедиться, проделав следующий опыт. В отверстие горизонтально положенного листа картона вставляют прямолинейный проводник и пропускают через него ток. Насыпают на картон железные опилки и убеждаются в том, что они располагаются концентрическими окружностями, имеющими общий центр в точке пересечения проводником картонного листа (рис. 27 , а).

Магнитная стрелка, подвешенная на нити вблизи этого проводника, займет положение, указанное на рисунке. При изменении направления тока в проводнике магнитная стрелка повернется на угол 180°.

В зависимости от направления тока в проводнике направление магнитных линий образуемого им магнитного поля определяется правилом буравчика, которое формулируется следующим образом:

если поступательное движение буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то вращательное движение его рукоятки указывает направление магнитных линий поля, образующегося вокруг этого проводника .

Если по проволоке, согнутой в виде кольца, пропустить ток, то под действием его также возникнет магнитное поле. Проволока, согнутая спирально и состоящая из нескольких витков, расположенных так, что оси их совпадают (рис. 27, б), называется соленоидом . При прохождении тока через обмотку соленоида или один виток проволоки возбуждается магнитное поле. Направление этого поля также определяется правилом буравчика. Если расположить ось буравчика перпендикулярно плоскости кольцевого проводника или вдоль оси соленоида и вращать его рукоятку по направлению тока, то поступательное движение этого буравчика укажет направление магнитных линий поля кольца или соленоида.

Магнитное поле, возбужденное током обмотки соленоида, подобно магнитному полю постоянного магнита, т. е. конец соленоида, из которого выходят магнитные линии, является его северным полюсом, а противоположный конец - южным.

Направление магнитного поля зависит от направления тока и при изменении направления тока в прямолинейном проводнике или в катушке изменится также направление магнитных линий поля, возбуждаемого этим током.

В однородном магнитном поле во всех точках поле имеет одинаковое направление и одинаковую интенсивность. В противном случае поле называется неоднородным. Графически однородное магнитное поле изображают параллельными линиями с одинаковой плотностью, например, в «воздушном» зазоре между двумя разноименными параллельно расположенными полюсами магнита.

Контрольные вопросы на закрепление и обобщение материала:

Что такое магниты?

Какими свойствами обладают магнитные материалы?

Как определить направление магнитного поля, возбужденного вокруг проводника с током?

Выполнить работу:

Схематично нарисовать магнитное поле и направление магнитных линий поля проводника с током.

Кратко изложены основные представления о магнитных свойствах вещества, а также основы учения о природе самопроизвольной упорядоченности в ферро- и антиферромагнетиках и технической кривой намагничивания. Даны краткие сведения о взаимодействии магнетиков с электромагнитным излучением: ядерном и электронном парамагнитном резонансах, ферро- и антиферромагнитном резонансах, о гамма-резонансе (эффекте Мессбауэра). Предполагается, что читатель знает основы термодинамики и знаком с квантовой теорией в объеме курса атомной физики.
Для студентов, специализирующихся в области магнетизма и изучающих общий курс физики в объеме, соответствующем программе физических факультетов университетов.

Простая планетарная модель сложных атомов.
При расчёте модели сложных атомов следует учесть взаимодействие электронов не только с ядром, но и друг с другом, т. е. решить механическую задачу со многими взаимодействующими телами. Между тем даже задача трёх тел не может быть решена точно.

Таким образом, при решении задачи о структуре сложного атома приходится прибегать к приближённым методам. Один из простейших методов заключается в следующем. Предполагается, что возможные квантовые состояния электрона в сложном атоме такие же, как в атоме водорода, а его состояние определяется тройкой квантовых чисел (n, l, ml). В основном, невозбуждённом состоянии атома электроны находятся на наинизших возможных квантовых уровнях. При этом для получения результатов, отвечающих опыту, пришлось предположить, что в одном квантовом состоянии, определяющемся тройкой квантовых чисел п, I, ml, может находиться не более двух электронов. Последняя закономерность была указана Паули и носит название принципа (или запрета) Паули. Энергия квантовых состояний по-прежнему в основном определяется главным квантовым числом п, но, в отличие от атома водорода, состояния с различными l обладают разной энергией из-за электрического взаимодействия между электронами. Минимальную энергию имеют состояния с малыми l. Состояния с большими l отвечают большей энергии. При Н = 0 состояния с различными ml обладают одинаковой энергией. В табл. 1.1 приведено количество мест для электронов в различных квантовых состояниях.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие
Глава 1. Магнитные свойства электронной оболочки атома
§1.1. Планетарная модель атома
§1.2. Модель атома Бора-Зоммерфельда. Атом водорода
§1.3. Пространственное квантование
§1.4. Простая планетарная модель сложных атомов
§1.5. Экспериментальные факты, не объясняемые простой планетарной моделью
§1.6. Спин. Собственный магнитный момент электрона
§1.7. Векторная модель атома
§1.8. Магнитный момент атома. Фактор Ланде
§1.9. Эффект Зеемана
§1.10. Диамагнетизм электронной оболочки атома
Глава 2. Термодинамика магнитных явлений
§2.1. Общие закономерности
§2.2. Идеальные магнетики
§2.3. Магнето-термические и магнето-калорические соотношения
§2.4. Теплоёмкость
§2.5. Особенности термодинамического поведения некоторых магнетиков
§2.6. Вычисление магнитного момента тела
Глава 3. Экспериментальные методы исследования магнитной восприимчивости
§3.1. Источники магнитного поля
§3.2. Макроскопические характеристики магнитных свойств вещества
и основные методы их измерения
§3.3. Методы измерения восприимчивости слабомагнитных тел
§3.4. Методы исследования тел с большой восприимчивостью
Глава 4. Парамагнитные вещества
§4.1. Классическая теория Ланжевена
§4.2. Свойства парамагнетиков в малых полях
§4.3. Сравнение с экспериментом. Пары щелочных металлов. Соли
редкоземельных элементов
§4.4. Магнитные свойства ионов переходных элементов и влияние
поля кристаллической решётки
§4.5. Некоторые парамагнитные молекулы
§4.6. Свойства парамагнетиков в сильных полях
§4.7. Адиабатическое размагничивание и свойства парамагнетиков при температурах меньше 1 К
Глава 5. Диамагнитные вещества
§5.1. Диамагнитная восприимчивость атомов и ионов
§5.2. Свойства химических соединений
Глава 6. Магнитные свойства металлов
§6.1. Свойства электронов проводимости в металле
§6.2. Парамагнетизм свободных электронов
§6.3. Диамагнетизм свободных электронов
§6.4. Экспериментальные данные о магнитной восприимчивости металлов. Сравнение с теорией
§6.5. Свойства переходных металлов
Глава 7. Ферромагнетизм: основные опытные факты и формальная теория Вейсса
§7.1. Кривая намагничивания и особенности свойств ферромагнетиков
§7.2. Формальная теория ферромагнетизма
§7.3. Гиромагнитные опыты
Глава 8. Природа ферромагнитного состояния
§8.1. Основные идеи
§8.2. Некоторые сведения из квантовой механики
§8.3. Молекула водорода и обменная энергия
§8.4. Обменное взаимодействие и критерий ферромагнетизма
§8.5. Зависимость свойств ферромагнетиков от температуры. Атомные магнитные моменты ферромагнитных элементов
Глава 9. Антиферромагнетизм и ферримагнетизм
§9.1. Антиферромагнетизм
§9.2. Ферримагнетики
Глава 10. Энергия ферромагнитного состояния
§10.1. Характеристики технической кривой намагничивания
§10.2. Энергия естественной, или кристаллографической, магнитной анизотропии
§10.3. Энергия магнитострикционной деформации
§10.4. Экспериментальное определение констант магнитной анизотропии и их зависимость от температуры и состава ферромагнетика
§10.5. Энергия упруго деформированного ферромагнетика
§10.6. Энергия взаимодействия ферромагнетика с магнитным полем
Глава 11. Магнитострикция
§11.1. Магнитострикция поликристаллических ферромагнетиков
§11.2. Экспериментальные методы измерения магнитострикции
§11.3. Упругие напряжения и магнитострикция
Глава 12. Доменная структура ферромагнетиков
§12.1. Причина образования доменов
§12.2. Переходные слои между доменами
§12.3. Доменная структура в одноосном ферромагнитном кристалле
§12.4. Экспериментальное изучение ферромагнитных областей
§12.5. Доменная структура в магнитно-многоосном кристалле
§12.6. Тонкая структура доменной границы
§12.7. Цилиндрический магнитный домен
§12.8. Однодоменная структура
§12.9. Сверхпарамагнетизм
Глава 13. Кривые намагничивания
§13.1. Два типа процессов намагничивания
§13.2. Начальный участок кривой намагничивания
§13.3. Обратимые и необратимые процессы смещения границ
§13.4. Обратимые процессы вращения. Теория Акулова
§13.5. Влияние упругих напряжений на намагничивание ферромагнетиков
§13.6. Эффект Гопкинсона
Глава 14. Магнитный гистерезис
§14.1. Причины и типы гистерезиса
§14.2. Гистерезис, обусловленный задержкой смещения границ между доменами
§14.3. Гистерезис, обусловленный задержкой роста зародышей перемагничивания
§14.4. Гистерезис, обусловленный необратимым процессом вращения
§14.5. Магнитная анизотропия у антиферромагнетиков и смещённая петля гистерезиса
Глава 15. Ферромагнетики в нестационарных магнитных полях
§15.1. Магнитная вязкость (магнитное последействие)
§15.2. Ферромагнетики в переменных магнитных полях
§15.3. Определение комплексной магнитной проницаемости и тангенса угла потерь
§15.4. Дисперсия магнитной проницаемости
Глава 16. Магнитные свойства ядер атомов
§16.1. Обнаружение магнитных свойств ядер
§16.2. Энергия взаимодействия ядра с электронной оболочкой
§16.3. Эффект Зеемана для сверхтонкой структуры
§16.4. Правила перехода
§16.5. Методы определения величины магнитных моментов ядер
§16.6. Измерение магнитного момента нейтронов
§16.7. Основные результаты измерения магнитных моментов ядер.
§16.8. Магнитные моменты нечётно-чётных ядер
Глава 17. Электронный и ядерный парамагнитный резонанс
§17.1. Открытие парамагнитного резонанса
§17.2. Теория ядерного парамагнитного резонанса
§17.3. Экспериментальные методы наблюдения ЯПР
§17.4. Применение ЯПР
§17.5. Теория электронного парамагнитного резонанса
§17.6. Методы наблюдения ЭПР
§17.7. Применение ЭПР в химии и биологии
§17.8. Влияние внутрикристаллического поля и анизотропия q-фактора
§17.9. Квантовые парамагнитные усилители
Глава 18. Ферромагнитный резонанс
§18.1. Введение
§18.2. Влияние формы образца на резонансную частоту
§18.3. Влияние магнитной анизотропии на резонансную частоту
§18.4. Влияние доменной структуры на резонансную частоту
§18.5. Фактор Ланде
§18.6. Ферромагнитный резонанс ферримагнетиков
§18.7. Ширина линий ферромагнитного резонансного поглощения.
Глава 19. Ядерный гамма-резонанс (эффект Мёссбауэра)
§19.1. Резонансная флюоресценция гамма-квантов ядрами свободных атомов. Аналогия с оптической флюоресценцией
§19.2. Флюоресценция ядер в кристалле - эффект Мёссбауэра
§19.3. Разрешающая способность, значение эффекта Мёссбауэра. Схема опыта
§19.4. Применение эффекта Мёссбауэра к проблемам физики твёрдого тела
§19.5. Экспериментальные методы исследования эффекта Мёссбауэра
§19.6. Результаты экспериментальных исследований магнитоупорядоченных кристаллов методом ядерного гамма-резонанса
Глава 20. Стационарные магнитные структуры и влияние на них внешнего поля
§20.1. Нейтронографические исследования магнитоупорядоченных кристаллов и типы их магнитных структур
§20.2. Магнитная симметрия
§20.3. Теоретические методы отыскания магнитных структур
§20.4. Влияние внешнего магнитного поля на магнитную структуру кристалла
§20.5. Экспериментальное исследование опрокидывания магнитных подрешёток
Глава 21. Динамика магнитной решётки. Спиновые волны
§21.1. Общие представления о спиновых волнах
§21.2. Полуклассическая теория спиновых волн в ферромагнетике
§21.3. Спиновые волны в антиферромагнетике
§21.4. Спектр спиновых волн в области малых квазиимпульсов
§21.5. Экспериментальная проверка теории спиновых волн. Термодинамические свойства антиферромагнетиков
§21.6. Неупругое рассеяние нейтронов в магнитоупорядоченных кристаллах
Глава 22. Антиферромагнитный резонанс и взаимодействие антиферромагнетиков со светом
§22.1. Антиферромагнитный резонанс - метод определения энергетической щели в спин-волновом спектре антиферромагнетика
§22.2. Поглощение света в антиферромагнетиках. Исследование спинволнового спектра вблизи границы зоны Бриллюэна
§22.3. Рассеяние света в магнитоупорядоченных кристаллах
Глава 23. Магнитные материалы для статического и низкочастотного режима эксплуатации
§23.1. Введение
§23.2. Железо - мягкий магнитный материал
§23.3. Электротехническая железо-кремнистая сталь
§23.4. Железоникелевые сплавы
§23.5. Мягкие магнитные материалы с особыми магнитными свойствами
Глава 24. Высокочастотные магнитные материалы и их применение
§24.1. Ферриты
§24.2. Магнитные свойства ферритов
§24.3. Некоторые магнито-оптические явления в ферритах
§24.4. Некоторые применения высокочастотных ферромагнетиков
§24.5. Основные типы ферритов, применяемых в технике высоких частот
Глава 25. Материалы для постоянных магнитов
§25.1. Характеристики постоянных магнитов
§25.2. Магнитножесткие сплавы
§25.3. Материалы из порошков и ферритов
Глава 26. Динамика магнитных доменов и их применение для записи информации
§26.1. Предельная скорость доменной границы
§26.2. Вынужденное движение доменных границ
§26.3. Излучение звука при движении доменной границы
§26.4. Динамика цилиндрического магнитного домена
Глава 27. Применение магнитных материалов
§27.1. Запись информации в магнитофоне
§27.2. Запись информации на ЦМД
§27.3. Технологические основы ЦМД-устройств
§27.4. Перспективы развития магнитной памяти
Приложение
Список литературы.

План: 1. Закон Кулона. Напряженность электрического поля. 2. Работа электрического поля. Электрический потенциал. 3. Сила и плотность тока. 4. Магнитное поле. Индукция магнитного поля. 5. Закон Био-Савара-Лапласа. 6. Закон Ампера. Сила Лоренца.

Закон Кулона. Напряженность электрического поля Электрическое поле – особая форма поля, существующая вокруг тел или частиц, обладающих электрическим зарядом, а также в свободном виде в электромагнитных волнах. Электрическое поле – поле, созданное электрическим зарядом.

Напряженность электрического поля – сила, действующая на единичный заряд в электрическом поле. [E]=В/м=Н/Кл напряженность поля точечного заряда

Работа электрического поля. Электрический потенциал (1 – 2) = = U = A/q, =1 В Разностью потенциалов между двумя точками поля называют отношение работы, совершаемой силами поля при перемещении точечного положительного заряда из одной точки поля в другую, к этому заряду. Работа сил электростатического поля

Теоретически считают равным нулю потенциал бесконечно удаленных точек, поэтому Потенциалы в различных точках наглядно можно представить в виде поверхностей одинакового потенциала, которые называются эквипотенциальными поверхностями.

Электроемкость. Энергия электрического поля электроемкость (емкость) уединенного проводника Конденсатор + d + + + - E - C=q/U C = 0 S / d

Магнитное поле. Индукция магнитного поля Создается вокруг движущихся зарядов, например, проводников с током. Это вид материи, посредством которой осуществляется силовое воздействие на движущиеся электрические заряды, помещенные в поле, и другие тела, обладающие магнитным моментом. Магнитное поле характеризуется специальной векторной величиной индукцией магнитного поля (В) ([B] =1 Тл=1 Н/А).

где векторное произведение, r – расстояние, на котором создано магнитное поле проводником с током I, µ 0– магнитная постоянная, µ – магнитная проницаемость (µ = 1 – в вакууме) µ > 1 – парамагнетики (незначительно усиливают внешнее магнитное поле), µ >> 1 – ферромагнетики (усиливают внешнее магнитное поле), µ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

им. проф. М. А. БОНЧ-БРУЕВИЧА»

А.Д. Андреев Л.М. Черных

МАГНЕТИЗМ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

УДК 532.6(075.8)

ББК В334я73

Андреев, А.Д.

А65 Физика. Магнетизм: конспект лекций / А.Д. Андреев, Л.М. Черных; ГОУВПО СПбГУТ. – СПб., 2009. – 56 с.

Содержит теоретический материал по разделу «Магнетизм» дисциплины «Физика».

Предназначен для оказания помощи студентам технических специальностей всех форм обучения в самостоятельной работе, а также при подготовке к упражнениям, коллоквиумам и экзаменам.

УДК 537.6 (075.8)

ББК В334я73

© Андреев А.Д., Черных Л.М., 2009

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А.Бонч-Бруевича», 2009

ВВЕДЕНИЕ

В 1820 г. профессор университета в Копенгагене Ганс Христиан Эрстед читал лекции по электричеству, гальванизму и магнетизму. В то время электричеством называли электростатику, гальванизмом назывались явления, вызываемые постоянным током, получаемым от батарей, магнетизм был связан с известными свойствами железных руд, со стрелкой компаса, с магнитным полем Земли.

В поисках связи между гальванизмом и магнетизмом Эрстед проделал опыт с пропусканием тока через проволоку, подвешенную над стрелкой компаса. При включении тока стрелка отклонялась в сторону от меридионального направления. Если изменялось направление тока или стрелка помещалась над током, она отклонялась в другую сторону от меридиана.

Открытие Эрстеда явилось мощным стимулом для дальнейших исследований и открытий. Прошло немного времени и Ампер, Фарадей и другие провели полное и точное исследование магнитного действия электрических токов. Открытие Фарадеем явления электромагнитной индукции произошло через 12 лет после опыта Эрстеда. На основе этих экспериментальных открытий была построена классическая теория электромагнетизма. Максвелл придал ей окончательный вид и математическую форму, а Герц в 1888 г. блестяще подтвердил, экспериментально доказав существование электромагнитных волн .

1. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В ВАКУУМЕ

1.1. Взаимодействие токов. Магнитная индукция

Электрические токи взаимодействуют между собой. Как показывает

				опыт, два прямолинейных параллель-
				ных проводника, по которым текут то-
				ки, притягиваются,	если токи
				I 2 имеют одинаковое	направление,
				талкиваются, если токи противополож-
				ны по направлению (рис. 1). При этом
				сила их взаимодействия на единицу
				длины проводника прямо пропорцио-
				нальна силе тока в каждом из проводни-
				ков и обратно пропорциональна рассто-

янию между ними. Закон взаимодействия токов был установлен Андре Мари Ампером в 1820 г. экспериментально.

В металлах суммарный заряд положительно заряженной ионной решетки и отрицательно заряженных свободных электронов равен нулю. Заряды распределены в проводнике равномерно. Таким образом, электрическое поле вокруг проводника отсутствует. Именно поэтому проводники при отсутствии тока не взаимодействуют друг с другом.

Однако при наличии тока (упорядоченного движения свободных носителей заряда) между проводниками возникает взаимодействие, которое принято называть магнитным.

В современной физике магнитное взаимодействие токов трактуется как релятивистский эффект, возникающий в системе отсчета, относительно которой имеет место упорядоченное движение зарядов . В данном пособии будем использовать понятие магнитного поля как свойство пространства, окружающего электрический ток. Существование магнитного поля тока проявляется при взаимодействии с другими проводниками с током (закон Ампера), или при взаимодействии с движущейся заряженной частицей (сила Лоренца, подразд. 2.1), или при отклонении магнитной стрелки, помещенной вблизи проводника с током (опыт Эрстеда).

Для характеристики магнитного поля тока введем понятие вектора магнитной индукции. Для этого, аналогично тому как при определении характеристик электростатического поля использовалось понятие пробного точечного заряда , при введении вектора магнитной индукции будем использовать пробный контур с током. Пусть это будет плоский замкнутый

контур произвольной формы и малых размеров. Настолько малых, что в точках места его расположения магнитное поле можно считать одинаковым.

Ориентацию контура в пространстве
	характеризовать			вектором
			связанным
направлением тока в нем				правилом
правого винта (буравчика): при вра-
щении ручки буравчика в направле-
нии тока i (рис. 2) поступательное
движение кончика буравчика опреде-
ляет направление единичного вектора
нормали n к плоскости контура.
Характеристикой				пробного
является		магнитный			pm i s n,
где s – площадь пробного контура.
Если поместить пробный контур с током
в выбранную точку рядом с прямым током, то
токи будут взаимодействовать. При этом на
пробный контур с током будет действовать
вращательный момент пары сил М (рис. 3). Ве-
личина этого момента,			как показывает

зависит от свойств поля в данной точке (контур мал по размеру) и от свойств контура (его магнитного момента).

На рис. 4, представляющем собой								1 M 0
сечение рис. 3 горизонтальной плоско-
стью, показаны несколько положений
пробного контура с током в магнитном
поле прямого тока I . Точка в кружке обо-
значает направление тока к наблюдате-
лю. Крест обозначает направление тока
за рисунок. Положение 1 соответствует
устойчивому	равновесию
(М = 0), когда силы растягивают его. По-
ложение 2 соответствует неустойчивому
равновесию (М = 0). В положении 3 на
пробный контур с током действует мак-								3 M Mmax
симальный вращающий момент сил. В

зависимости от ориентации контура величина вращающего момента может принимать любые значения от нуля до максимального M max . Как показывает опыт, в любой точкеM max i s , т. е. максимальное значение механического

момента пары сил зависит от величины магнитного момента пробного контура и не может служить характеристикой магнитного поля в исследуемой точке. Отношение максимального механического момента пары сил к магнитному моменту пробного контура не зависит от последнего и может служить характеристикой магнитного поля. Эта характеристика называется магнитной индукцией (индукцией магнитного поля)

B M max. i s

Введем ее как векторную величину. За направление вектора магнитной

индукции B будем принимать направление магнитного момента пробного контура с током, помещенного в исследуемую точку поля, в положении устойчивого равновесия (положение 1 на рис. 4). Это направление совпадает с направлением северного конца магнитной стрелки, помещенной в эту точ-

ку. Из сказанного следует, что B характеризует силовое действие магнитного поля на ток и, следовательно, является аналогом напряженности поля в электростатике. Поле вектораB можно представить при помощи линий маг-

нитной индукции. В каждой точке линии вектор B направлен по касательной к ней. Так как вектор магнитной индукции в любой точке поля имеет определенное направление, то и направление линии магнитной индукции – единственное в каждой точке поля. Следовательно, линии магнитной индукции, так же как и силовые линии электрическогополя, не пересекаются. На рис. 5 представлено несколько линий индукции магнитного поля прямого тока, изображенных в плоско-

сти, перпендикулярной току. Они имеют вид

замкнутых окружностей с центрами на оси тока.

Следует отметить, что линии индукции магнитного поля всегда замкнуты. Это отличительная черта вихревого поля, в котором поток вектора магнитной индукции через произвольную замкнутую поверхность равен нулю (теорема Гаусса в магнетизме).

1.2. Закон Био–Савара–Лапласа. Принцип суперпозиции в магнетизме

Био и Савар провели в 1820 г. исследование магнитных полей токов различной формы. Они установили, что магнитная индукция во всех случаях пропорциональна силе тока, создающего магнитное поле. Лаплас проанализировал экспериментальные данные, полученные Био и Саваром, и нашел, что магнитное поле тока I любой конфигурации может быть вычислено как векторная сумма (суперпозиция) полей, создаваемых отдельными элементар-

ными участками тока.
Длина dl
мым отрезком, расстояние от которого до
точки наблюдения много больше dl . Удобно
ввести понятие	элемента				Idl ,
направление вектора dl совпадает с направ-
лением тока I , а его модуль равенdl
Для индукции магнитного поля dB , со-
здаваемого элементом тока Idl ,						находящейся на расстоянии r от него
(рис. 6), Лаплас вывел формулу, справедливую для вакуума:
				I dl r

Формула закона Био–Савара–Лапласа (1.1) написана в системе СИ, в

которой постоянная 0 4107 Гнм называется магнитной постоянной.

Уже отмечалось, что в магнетизме, как и в электричестве, имеет место принцип суперпозиции полей, т. е. индукция магнитного поля, создавае-

мого системой токов, в данной точке пространства равна векторной сумме индукций магнитных полей, создаваемых в этой точке каждым из токов в отдельности:

B Bi ,	B dB.

			На рис. 7 приведен пример по-
			строения вектора магнитной индукции
			B в поле двух параллельных и проти-
			воположных по направлению токов I 1
			и I 2 :B B 1 B 2 .

1.3. Применение закона Био–Савара–Лапласа. Магнитное поле прямого тока

Рассмотрим отрезок прямого тока. Элемент тока Idl создает магнитное поле, индукция которого в точкеА (рис. 8) по закону Био–Савара– Лапласа находится по формуле:

							0 Idl r
								4r 3
				– угол между направлением тока и
			вектором r , характеризующим положение
			точки А относительно					dl .
							представлен фрагмент
			рис. 8. Опустив перпендикуляр из точки С
			на сторону ОА ,			получим два прямоуголь-
				треугольника. Из треугольника ODC
			следует, что СD =dl sin , а из треугольни-
			ка CDA следует, чтоCD =r dr sind .
				Учитывая,				dr иd бесконечно
малые величины, получим
			dl sin r d.
После подстановки (1.4) в (1.3) получим:
				0 Id

Из рис. 8 следует, что b r sin , гдеb – расстояние от прямого тока до рассматриваемой точкиА . Следовательно,

	dB 0 I sin d.
	принципу	суперпозиции

B dB . В точкеА всеdB от различных

элементов отрезка прямого тока имеют одинаковое направление. Величина магнитной индукции в точке А равна алгебраической суммеdB от всех элементов прямого тока:

dl D

dB 0 I

d 0 I cos

0 I cos

Таким образом, для индукции магнитного поля отрезка прямого тока

конечной длины (рис. 10) получаем формулу

0 I cos cos

В случае бесконечно длинного прямого про-

Следовательно,

cos 1 1,

cos 2 1,

cos 1 cos2 2.

следует, что индукция магнитного поля бесконечно

длинного прямого проводника с током находится по

2 b.

1.4. Применение закона Био–Савара–Лапласа. Магнитное поле кругового тока

Рассмотрим проводник в форме окружности радиуса R , по которому протекает токI (рис. 11). Разобьем круговой ток на элементы токаIdl , каждый из которых создает в центре кругового тока (точкаО ) магнитное поле

dB . По закону Био–Савара–Лапласа (1.1), с учетом, чтоr R , магнитная индукция, создаваемая элементом тока в точкеО B dB . В точкеО все

от разных

элементов кругового тока имеют одина-

O dB

ковое направление. Следовательно,

B dB

2R 0 I .

4 R 2

Таким образом, для индукции

магнитного поля в центре кругового тока

получаем

2 R.

Рассмотрим магнитное поле, создаваемое круговым током в других

точках на оси z (рис. 12).

Любая пара равных по величине элементов тока (I

положенная симметрично относительно оси z , создает в точках на оси магнитное поле:dB dB 1 dB 2 (dB 1 dB 2 ). ВекторdB 1 в соответствии с за-

коном Био–Савара–Лапласа направлен перпендикулярно плоскости, содержащей вектораdl 1 иr 1 . ВекторdB 2 направлен перпендикулярно плоскости,

которого представляет вектор dB , направленный вдоль осиОz . Как следует из рис. 12,

dB 2dB 1 sin .