Суриков В.И., Суриков В.И. Магнетизм - файл n1.docx

приобрести
Суриков В.И., Суриков В.И. Магнетизм
скачать (913.3 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.docx1133kb.10.02.2010 17:11скачать

n1.docx

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11

Министерство образования и науки Российской Федерации


_________________

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Омский государственный технический университет»

_______________________________________________





Вал. И. Суриков, Вад. И. Суриков

МАГНЕТИЗМ

Конспект лекций











Омск


Издательство ОмГТУ

2010

УДК 537(075)

ББК 22.334я73

С90


Рецензенты:

Ю. К.Машков, д-р техн. наук, профессор, зав. каф. физики СибАДИ;

Т. А. Аронова, канд. физ.-мат. наук, доцент каф. физики и химии ОмГУПС


Суриков Вал. И., Суриков Вад. И.

С90 Магнетизм: конспект лекций / Вал. И. Суриков, Вад. И. Суриков. – Омск : Изд-во ОмГТУ, 2010. – 64 с.


Приведено краткое изложение раздела «Магнетизм», являющегося частью изучаемого во втором семестре курса физики.

Предназначен конспект лекций для студентов всех форм обучения.


Печатается по решению редакционно-издательского совета

Омского государственного технического университета





УДК 537(075)

ББК 22.334я73

© ГОУ ВПО «Омский государственный

технический университет», 2010

ПРЕДИСЛОВИЕ





Конспект лекций по разделу курса физики «Магнетизм» представляет собой часть традиционного курса, который читается преподавателями кафедры физики студентам всех форм обучения. Он включает следующие темы:

1. Магнитное поле в вакууме. Рассматриваются закономерности возникновения и описание магнитного поля, некоторые фундаментальные теоремы электромагнетизма.

2. Действие магнитного поля на ток и движущиеся заряды. Определяются силы, действующие на проводники с током, помещенные в магнитное поле, и силы, действующие на электрические заряды, движущиеся в магнитном поле.

3. Магнитное поле в веществе. Рассматривается его поведение на границе раздела двух сред.

4. Магнитные свойства вещества. Описывается деление магнетиков на диа-, пара- и ферромагнитные материалы, выясняется природа магнитных свойств различных материалов.

5. Электромагнитная индукция. Констатируется, каким образом проявляется наличие магнитного поля и его изменение, определяется энергия магнитного поля.

6. Уравнения Максвелла. Приводится полная система уравнений Максвелла, которые играют в электромагнетизме фундаментальную роль.

Необходимость написания конспекта лекций по физике диктуется рядом обстоятельств. Во-первых, в конспекте лекций в сжатой форме излагаются самые необходимые основные теоретические и экспериментальные сведения с учетом существующего государственного образовательного стандарта (ГОС) для соответствующих направлений и специальностей. Во-вторых, методическое обеспечение лабораторного практикума и практических занятий создавалось на кафедре в течение нескольких десятилетий с учетом традиционного изложения курса физики в ОмГТУ, не всегда совпадающего с изложением материала в существующих учебниках и учебных пособиях. В третьих, наличие данного конспекта лекций приближено к более эффективному использованию мультимедийных технологий.

В основу конспекта лекций положен материал, изложенный в учебном телевизионном пособии В.А. Овчинникова «Общая физика. Часть 2», которое стало библиографической редкостью. Безусловно, авторами настоящего конспекта критически переработано содержание пособия, внесены дополнения и изменения. Материал, включенный в конспект лекций, апробирован нами на протяжении многих лет.

Для удобства далее приводится список обозначений, используемых в тексте.

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ


V – объем;

dV – элементарный объем;

S – площадь;

dS – элементарная площадка;

a, b – длина;

dl – элемент длины проводника;

B – индукция магнитного поля;

dB – приращение вектора индукции;

r – радиус-вектор;

dr – приращение радиус-вектора; I – сила тока;

Idl – элемент тока;

?0 – магнитная постоянная;

? – угол;

d? – элементарный угол;

h – высота, расстояние;

r0 – радиус;

Ф – магнитный поток,

потокосцепление;

dФ – элементарное приращение

магнитного потока;

n – нормаль к поверхности;

Bn – проекция вектора индукции

на направление нормали;

E – напряженность электрического

поля;

Q – электрический заряд;

F – сила;

dF – элементарная сила;

? – магнитная проницаемость;

pm – магнитный момент;

A – работа;

dA – элементарная работа;

M – момент силы;

W – энергия;

T – период вращения;

? – потенциал;


J – модуль вектора намагниченности;

? – магнитная восприимчивость;

H – модуль вектора напряженности;

g – гиромагнитное отношение;

gs – спиновое гиромагнитное

отношение электрона;

С – постоянная Кюри;

t – время;

dt – приращение времени;

?i – электродвижущая сила (ЭДС)

индукции;

L – индуктивность;

?s – ЭДС самоиндукции;

? – постоянная времени;

L12; L21 – взаимная индуктивность;

D – индукция электрического поля;

? – объемная плотность заряда.

m – масса;

R – электросопротивление.



1. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В ВАКУУМЕ

1.1. Магнитное поле. Индукция магнитного поля.
Закон Био – Савара – Лапласа


Ранее уже отмечалось, что между электрическими зарядами имеет место электромагнитное взаимодействие. Это взаимодействие можно разделить на электрическое и магнитное. Электрическое взаимодействие зависит от положения зарядов и осуществляется через посредство электрического поля. Магнитное взаимодействие зависит от скорости движения зарядов и осуществляется через посредство магнитного поля. Электрическое и магнитное поля представляют собой две части одной и той же физической реальности – электромагнитного поля.

Рассмотрим два опыта.

Опыт 1. Взаимодействие между неподвижными электрическими зарядами и постоянными магнитами. Если расположить вблизи магнитной стрелки компаса легкий шарик из диэлектрика, подвешенный на изолирующей нити, и сообщить ему заряд, то мы не обнаружим никакого действия со стороны неподвижных электрических зарядов шарика на магнитную стрелку компаса. В свою очередь, магнитное поле стрелки не действует на заряженный шарик. Таким образом, неподвижные электрические заряды не создают магнитного поля, и постоянное магнитное поле не действует на неподвижные заряды.

Подробнее исследуем магнитное взаимодействие движущихся электрических зарядов. Это взаимодействие можно выделить на опыте. Дело в том, что ток проводимости всегда течет по тому или иному проводнику. Но любой отрезок проводника с током электронейтрален: суммарный заряд всех носителей тока, заключенных в этом отрезке, равен по абсолютной величине суммарному заряду всех частиц (электронов, протонов), не принимающих участия в электропроводности. А это значит, что между проводниками с током в системе отсчета, связанной с самими проводниками, электрическое взаимодействие отсутствует, а имеет место только магнитное взаимодействие. Рассмотрим еще один опыт.

Опыт 2. Взаимодействие между постоянным электрическим током и магнитной стрелкой (опыты Эрстеда). Под прямолинейным проводником, расположенным горизонтально, помещается магнитная стрелка, которая может свободно вращаться вокруг вертикальной оси. При пропускании по проводнику постоянного тока магнитная стрелка поворачивается вокруг своей оси, стремясь расположиться перпендикулярно проводнику с током (рис.1.1).




Рисунок 1.1

Из опытов Эрстеда следует, что магнитное поле имеет направленный характер и должно характеризоваться векторной величиной. Эту величину принято называть индукцией магнитного поля или магнитной индукцией и обозначать символом . Выражение для индукции магнитного поля было установлено экспериментально. Био и Савар провели исследование магнитных полей, текущих по тонким проводам различной формы, Лаплас проанализировал экспериментальные данные.


Рисунок 1.2
Выделим в проводнике с током элементарный объем dV = Sdl , где S – площадь поперечного сечения проводника, dl – элемент длины проводника. Элементу длины проводника dl принято приписывать направление, совпадающее с направлением вектора плотности тока в проводнике (рис. 1.2).
Вектор называется элементом тока.

Индукция магнитного поля d, создаваемого элементом тока в произвольной точке М, определяется выражением

d = k [,] / 4 r3, (1.1)

где – радиус-вектор, задающий положение точки М относительно элемента тока.

Выражение (1.1) носит название закона Био – Савара – Лапласа в дифференциальной форме. (Физический смысл магнитной индукции будет устанолен в п. 2.1.)

Опытом установлено, что коэффициент пропорциональности k, входящий в выражение (1.1), в СИ равен 10-7 Г/м (Н/А2) (генри на метр или ньютон на ампер в квадрате). Из соображений рационализации этот коэффициент представляют в виде произведения двух сомножителей: размерного 0 и безразмерного – 1/4, т. е. k = 0 /4. Величину называют магнитной постоянной. Ее числовое значение в СИ равно: Г/м (Н/А2). Таким образом, в рационализованной форме записи закон Био Савара Лапласа в дифференциальной форме имеет вид

d = 0 [,] / 4 r3. (1.2)

Модуль d определяется выражением

dB = 0 Idl sin /4 r2. (1.3)

Направление вектора d (направление магнитного поля) перпендикулярно к плоскости, в которой лежат векторы и .

Если смотреть с конца вектора d, то поворот вектора к вектору должен происходить против часовой стрелки (см. рис. 1.2). Направление магнитного поля можно определить также по ориентации свободной магнитной стрелки: направление от южного полюса к северному такой стрелки совпадает с направлением поля в том месте, где находится стрелка (рис. 1.3).




Рисунок 1.3


Для магнитного поля, так же как и для электрического справедлив принцип суперпозиции: индукция магнитного поля создаваемого током, текущим в проводнике конечных размеров и произвольной формы, равна интегралу индукций d, создаваемых отдельными элементами этого тока:

=  d = 0 [,] / 4 r3. (1.4)

Полученное выражение (1.4) носит название закона Био Савара Лапласа в интегральной форме. Этот закон позволяет найти индукцию магнитного поля, создаваемого токами разной конфигурации.

Магнитное поле может быть изображено графически – линиями . Линия вектора (линия магнитного поля) – линия, проведенная в магнитном поле так, что вектор в каждой ее точке направлен по касательной к ней. Линиям магнитной индукции приписывается направление, совпадающее с направлением вектора . Линии магнитной индукции всегда замкнуты. Они замыкаются вокруг токов, создающих магнитное поле, и связаны с направлением последних правилом правого буравчика: если поступательное движение буравчика совпадает с направлением тока, то вращение рукоятки буравчика указывает направление линий поля (рис. 1.4 а); в случае кольцевого тока вращение рукоятки буравчика удобнее совместить с направлением тока, тогда поступательное движение буравчика укажет направление поля в точках, лежащих в плоскости тока (внутри кольца), как показано на рисунке 1.4 b.
Линии магнитного поля обычно проводят с такой густотой, чтобы число их, пронизывающее единичную площадку, перпендикулярную к вектору , было равно или пропорционально модулю в том месте, где находится площадка.


Рисунок 1.4


Магнитное поле называется однородным, если вектор одинаков во всех его точках.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации