Рамка в магнитном поле своими руками


Рамка в магнитном поле своими руками


Лучшие новости сайта

Ипоследнее. Земля ориентирует не только магнитную стрел­ку в направлении с севера на юг, но и проводники с электри­ческим током — в направлении с запада на восток. Подведем итог изложенному. В пространстве, окружающем электричес­кие токи и постоянные магниты, возникает силовое поле, назы­ваемое магнитным. Магнитное поле непрерывно в пространстве и способно действовать на проводники с током, движущиеся электрические заряды и постоянные магниты. Электрическое поле действует как на неподвижные, так и на движущиеся элект­рические заряды. Характер воздействия магнитного поля на про­водники с током различен и зависит от формы проводника, его расположения и направле­ния тока в нем. За направле­ние магнитного поля в данной точке принимается направле­ние, вдоль которого распола­гается положительная нор­маль к рамке с током, или направление силы, которая действует на северный полюс магнитной стрелки. В каче­стве положительного направления нормали принимается на­правление, связанное с направлением тока правилом правого винта (рис. 11.1). То есть направление поступательного дви­жения винта, головка которого вращается по направлению тока в контуре, и есть положительное направление нормали к рам­ке с током. Магнитное поле принято изображать графически с помощью силовых линий. Для постоянного магнита в виде подковы они выглядят в виде прямых линий, на­ходящих от северного полюса и входящих в южный (рис 11.5).

Итак:

  1. Все магнитные явления объясняются взаимодействием движущихся электрических зарядов.

  2. Источником магнитного поля могут быть:

  • постоянные магниты;

  • макротоки — токи проводимости;

  • микротоки — токи в атоме при движении, в основном, электронов.

Силовой характеристикой магнитного поля является напряженность Н. Чаще всего используется магнитная индукция В: =, Тл.

Принцип суперпозиции: результирующий вектор магнитной индукции в данной точке пространства равен векторной сумме векторов магнитной индукции в данной точке пространства магнитных полей, образующих данное магнитное поле.

Сила Ампера прямо пропорциональна силе тока в проводни­ке, его длине, напряженности магнитного поля, ориентации относительно силовых линий магнитного поля (sina) и зави­сит от свойств среды (), в которой находится проводник

F = H Isina, H,

где 0 =4Гн/м, Гн = Дж/А2 — магнитная постоянная; —-магнитная проницаемость среды. Эта безразмерная харак­теристика магнитных свойств вещества показывает, во сколь­ко раз магнитное поле макротоков усиливается за счет микро­токов в веществе. Подробно физическое содержаниеи будетрассмотрено несколько позже; —угол между прямолиней­ным проводником и вектором магнитной индукции.

  1. Сила Лоренца. Полярные сияния.

Движение того же электрона в однородном магнитном поле, (рис. 12.9) представляет собой электрический ток. Поэтому магнитное поле отклонит частицу вверх от первона­чальной траектории. Согласно закону Ампера сила, отклоняющая электрон на любом участке траекто­рии, равна FA= IBsina . Но так как сила тока I=e/t, где t— время, за которое заряд е проходит участок , то FA= eB(/t) sina. Учитывая, что /t= vив общем случае е =q, получаем

FЛ=FA=qvBsina, a=. (12.7)

Силу FЛ называют силой Лоренца. Направления векторов и взаимно перпендикулярны. Направление силы Ло­ренца, действующей на положительный заряд, можно опреде­лить по правилу левой руки, как и направление силы Ампера, с той лишь разницей, что четыре вытя­нутых пальца сле­дует направить вдоль вектора .

При этом нель­зя забывать, что для положительного заряда направления I и совпадают, а для отрицательного — противоположны. Так как сила Лоренца перпендикулярна вектору скорости, то она изменяет только направление скорости движения заряда, не изменяя модуля этой скорости. Это значит, что работа силы Лоренца равна нулю.

Иными словами, постоянное магнитное поле не совершает работы над движущимся с постоянной скоростью зарядом. Вспомним, что электрическое поле изменяет энергию и мо­дуль скорости движущегося заряда.

Из формулы (12.7) очевидно, что направление силы Лорен­ца и направление вызываемого ею отклонения заряда зависят от взаимного направления векторов и. Возможны сдедующие варианты соотношения направлений векторов и. Первый: ||,a=^=0,sina=0, FЛ= 0 — это значит, что магнитное поле на заряд не действует.

Второй: ,a= 90°, sina = l, аFЛ=qBv= constмаксимальна и нормальна к траектории движения заряда. Траектория заряда является окружностью, на которой заряд удерживает сила Лоренца, играющая роль центростремительной силы. Радиусrэтой окружности можно определить из равенства лоренцевой и центростремительной сил qBv= mv2/ r,откуда r= mv/(qB) = mv/(mqH). Тйким образом, радиус окружности пропорционалён скорости заряда и обратно пропорционален напряженности магнитного поля. Период вращения заряда равен отношению длины окружности к скорости v заряда Т = 2r/v или, учитывая предыдущую формулу, Т = 2pm/(qB) =2pm(mqH). Следовательно, период вращения заряда в магнитном поле не зависит от ее скорости.

Третий: если электрический зарядвходит в магнитное поле со скоростью v, направленной под углом а к вектору (рис. 12.10), то дви­жение его в магнитном поле будет происходить по спирали, ось которой параллельна магнитному полю. Направление, в котором закручивается спираль, зависит от знака заряда.

  1. Контур с током в магнитное поле. Индукция магнитного поля. Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле. Закон Био - Савара - Лапласа.

Практическое значение имеет вращение прямоугольной рамки с током в однородном магнитном поле. Вращение рамки происходит под действием момента пары сил, возникающих 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 АВ 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. Оттопыренный на 90° большой палец указывает , направление действующей на проводник силы.

Применяя правило левой руки, найдем, что на проводник АВ рамки действует сила F1 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 F1 и F2 равны, параллельны и противоположны друг другу, так как АВ 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, Мmах . 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.

Важной характеристикой рамки с током является ее магнит­ный момент рm = Is, А• м2 (рис. 11.4). Это векторная величина. И совпадает 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, то есть прямо пропорционален вектору магнит­ного момента рамки с током: = ,М = BIs, Н·м.

Свойства магнитного поля сконцентрированы в коэффициенте пропорциональности В. 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 рm, то естественно, что на них действуют различные вращающие моменты М, в данном слу­чае максимальные. Однако, как показывает опыт, отношение Mmax/рm = const для всех контуров и поэтому может служить характеристикой магнитного поля в данной точке, называемой магнитной индукцией:

В = Мmax/рm,Н• м/(А• м2)=Н/(А• м)=Тл — тесла.

При рm = 1 А• м2 B=Mmax то есть 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 нaправлением вектора .Haправление 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, то есть 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 (sina) и зави­сит от свойств среды (), в которой находится проводник

F = H Isina, H,

где 0 =4Гн/м, Гн = Дж/А2 — магнитная постоянная; —-магнитная проницаемость среды. Эта безразмерная харак­теристика магнитных свойств вещества показывает, во сколь­ко раз магнитное поле макротоков усиливается за счет микро­токов в веществе. Подробно физическое содержаниеи будетрассмотрено несколько позже; —угол между прямолиней­ным проводником и вектором магнитной индукции. Величину Н называют напряженностью магнитного поля: Н = F /( Isina ),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 характеризует магнитное поле, создаваемое макротоками.

Вектор магнитной индукции 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:

=, Тл. (11.1)

Из последних двух уравнений очевидно, что при всех рав­ных условиях векторы ив 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:

Магнитное поле постоянных токов было изучено французскими учеными Э. Био и Ф. Саваром. Результаты их опытов обобщил знаменитый французский математик и физик П. Лап­лас. Закон Био-Савара—Лапласа для проводника с током I, элемент ко­торого создает в некоторой точке А, (рис. 12.1) пространства индукцию поля dB, записывается в виде

dB= (12.1)

или

Величина dHзависит от элемента тока I, создающего магнитное поле, и от положения рассмат­риваемой точки А в среде с магнитной проницаемостью .

Магнитное поле, напряженность которого везде одинакова, называют однородным. В противоположном случае — поле нео­днородно.

  1. Электромагнитное поле. Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея для электромагнитной индукции. Правило Ленца.

Способность магнитного поля воздействовать на проводник с током привела к мысли о том, а нельзя ли с помощью маг­нитного поля возбудить ток в замкнутом контуре? И эта зада­ча была успешно решена М. Фарадеем в 1831 г. с помощью следующих опытов. В первом из них при введении постоянно­го магнита в соленоид, замкнутый на гальванометр, наблюда­ется отклонение стрелки гальванометра. Противоположное от­клонение стрелки происходит при удалении магнита из ка­тушки. При этом величина отклонения стрелки гальваномет­ра пропорциональна скорости движения магнита относительно катушки, то есть скорости изменения магнитного поля. Воз­никающий ток называют индукционным. Индукционный ток возбуждается и в том случае, когда перемещается соленоид относительно магнита. Этот же опыт можно повторить при замене постоянного магнита катушкой меньшего диаметра, которая питается от источника тока. Открытую М. Фарадеем возможность получения электрического тока с помощью маг­нитного поля называют электромагнитной индукцией. Физи­ческая сущность явления состоит в том, что в замкнутом про­водящем контуре при изменении потока магнитной индукции, пронизывающего контур, возникает электрический ток, назы­ваемый, как уже отмечалось, индукционным. Способ измене­ния потока магнитной индукции при этом не влияет на вели­чину индукционного тока. Так, появления индукционного тока взамкнутом проводящем контуре можно добиться, при пово­роте его в однородном магнитном поле. И этот способ получе­ния индукционного тока реализован в генераторах электри­ческого тока, в которых вращается не один, а ряд витков, со­единенных последовательно. Именно таким образом осуще­ствляется производство электрической энергии. Но при этом необходимо иметь источник механической работы. На тепло­вых и атомных электрических станциях таковыми являются паровые турбины, на гидростанциях — гидравлические. Ори­гинальный способ преобразования механической энергии в электрическую опробован впервые на «Шаттле». Он, к сожа­лению, окончился обрывом проволоки. Суть способа состояла в том, что сверхпрочная проволока длиной 22 км на спутнике, пересекая магнитное поле Земли, должна была дать, как обыч­ная динамо-машина, 5 кВт электроэнергии при токе силой 5 А.

Процесс преобразования механической энергии в электрическую обратим. Если через рамку, размещенную в магнитном июле, пропускать электрический ток, тo на нее будет действовать вращающий момент, и рамка начнет вращаться (см. п. 11.2). На этом принципе построена работа электродвигателей.

Появление индукционного тока указывает на наличие в контуре электродвижущей силы электромагнитной индукции. Значение ЭДС электромагнитной индукции определяется только скоростью изменения магнитного потока

Настоящее соотношение называется законом Фарадея. Знак «минус» указывает на то, что увеличение потока (dФВ/dt)>0 вызывает ei< 0, то есть поле индукционного тока направлено навстречу потоку; уменьшение потока (dФВ/dt)<0 вызывает еi> 0, то есть магнитное поле индукционного тока инаправление первичного магнитного потока совпадают. Таким образом, ЭДС электромагнитной индукции eiв контуре численно равна , и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Фи­зическая же природа ЭДС электромагнитной индукции обус­ловлена действием силы Лоренца, возникающей при движении проводника или контура, а следовательно, и свободных электрических зарядов, находящихся в них в постоянном маг­нитном поле. С позиции электронной теории проводимости по­явление ЭДС индукции происходит следующим образом. Пусть часть контура в виде проводника (рис. 12.14) движется слева направо со скоростью v в однородном магнитном поле, сило­вые линии которого направлены сверху вниз. Вместе с проводником движутся его свободные электроны. Направленное же движение заряженных частиц есть электрический ток. Но на движущиеся заряженные частицы действует магнитное поле в виде сил Лоренца в направлении, определяемом правилом ле­вой руки. Движение отрицательных зарядов в проводнике под действием силы Лоренца происходит так, как это указано на рис. 12.14. В результате в левой части проводника образуется отрицательный заряд, а в правой — избыточный положитель­ный. Между концами проводника, таким образом, возникает напряжение, которое и является мерой ЭДС индукции.

Знак «минус» в законе Фарадея является математическим выражением правила Ленца (1833 г.), позволяющего опреде­лить направление индукционного тока. Индукционный ток в контуре имеет всегда такое направление, при котором создава­емое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего индукционный ток.

  1. Электромагнитная теория света. Интерференция света.

По волновой теории свет представляет собой электромагнитные волны, длинна которых лежит в пределах от 380 нм до 770 нм. Более короткие и более длинные не вызывают в зрительном органе человека световое ощущение, и воспроизводятся только специальной аппаратурой.

По корпускулярной (фотонной) теории световое излучение представляет собой поток особых частиц – фотонов, каждый из которых обладает энергией, массой и импульсом. При помощи электромагнитной теории объясняется отражение, преломление, интерференция, дифракция и другое. При помощи фотонной объясняется взаимодействия между светом и веществом.

Ограничение только одной из этих теорий для объяснения всех явлений излучения, распространение и поглощения света пока не удается. Таким образом в световых явлениях наблюдается дуализм.

Электромагнитная волна в соответствии с теорией Максвелла, распространяется в электромагнитном динамике – это есть распространение взаимосвязанных электронов и магнитных полей. В каждой точке волны происходит периоды изменения напряжения. и . и перпендикулярно распространению волны. Они колеблются в одинаковой фазе одновременно достигают своих максимальных и нулевых значений. В случае монохроматичности волны векторы и совершают гармонические колебания одинаковой цикличности, частоты, описываемыми уравнениями . Из уравнений Максвелла для электромагнитного поля, определяющего связь между и может быть получена формула, связывающая скорость света и электромагнитные волны в веществе с электронными и магнитными свойствами..

Отношение скорости световой волны в вакууме к скорости в некоторой среде называют абсолютным показателем преломления этой среды. Тогда (1).

Равенство (1) и определяет находящуюся связь между показателями преломления и магнитные преломления среды. - формула Максвелла.

Для подавляющего количества веществ M практически не отличающихся от 1 . Значит абсолютный показатель преломления характеризует оптическую плотность среды. Среда с большим n более плотна, чем среда с меньшим n.

Интерференция света – это явление усиления или ослабления колебаний, которое происходит в результате сложения 2-х или нескольких волн с одинаковыми периодами, распределяется в пространстве и зависит от соотношения между фазами, складывающих колебаний. Необходимым условием интерференции волн является когерентность.


Лучшие новости сайта


Рамка в магнитном поле своими руками

Рамка в магнитном поле своими руками

Рамка в магнитном поле своими руками

Рамка в магнитном поле своими руками

Рамка в магнитном поле своими руками

Рамка в магнитном поле своими руками

Рамка в магнитном поле своими руками

Рекомендуем почитать: