Какая величина характеризует магнитные свойства среды
Основная цель урока: изучить новую тему, изучить применение веществ с различной магнитной проницаемостью.
Ссылка на видеоурок:
Конспект урока
1. Магнитные свойства вещества
Все вещества в окружающей нас природе в какой – то мере обладают магнитными свойствами. Среди многих приборов навигации, необходимых для прокладывания курса кораблей или самолётов, обязательно должен быть и магнитный компас. Во многих измерительных приборах основными деталями служат постоянные магниты. Что же происходит с веществом, помещённом в магнитное поле? Вспомним, как магнитные свойства катушки, по которой течёт ток, усиливаются, если в катушку вставлен железный сердечник. Железный сердечник намного увеличивает магнитное поле в катушке с током. Мы знаем, что вокруг катушки с электрическим током возникает магнитное поле, а железный сердечник, создаёт своё магнитное поле и, согласно принципу суперпозиции полей, векторы этих двух полей складываются. Таким образом, мы наблюдаем усиление магнитного поля. Магнитную индукцию, создаваемую электрическим током, обозначим через (В0). Магнитную индукцию поля в веществе обозначим через (В). При введении железного сердечника, появляется магнитная индукция поля, возникающая благодаря намагничиванию вещества (В1). Эти поля складываются по принципу суперпозиции полей. В итоге мы наблюдаем, что вещество может усилить или, возможно ослабить магнитное поле. Магнитная индукция поля, создаваемого этими токами в вакууме, будет меньше, чем магнитная индукция поля в веществе.
Магнитной проницаемостью вещества называется физическая скалярная величина показывающая, во сколько раз индукция магнитного поля в данном веществе отличается от индукции магнитного поля в вакууме
Ферромагнетики – вещества, у которых магнитная проницаемость много больше единицы. К ферромагнетикам относятся, например, железо, никель и кобальт.Из них, как легко заметить, чаще всего и изготавливают постоянные магниты. Здесь стоит отметить, что магнитная проницаемость ферромагнетиков зависит от магнитной индукции внешнего магнитного поля.
Главная особенность ферромагнетиков заключается в том, что им свойственен остаточный магнетизм, то есть будучи намагничен, ферромагнетик остается таковым даже после отключения источника внешнего магнитного поля.
Точка Кюри – температура, при которой ферромагнетики теряют ферромагнитные свойства.
Парамагнетики – вещества, у которых магнитная проницаемость чуть больше единицы. Это алюминий, вольфрам, щелочные металлы, магний, платина.Магнитная проницаемость парамагнетиков также зависит от температуры и уменьшается с повышением.
В отсутствие внешнего магнитного поля парамагнетики не обладают остаточной намагниченностью, то есть не имеют собственного магнитного поля. Из парамагнетиков постоянных магнитов не делают.
Но есть среди магнетиков и такие вещества, которые намагничиваются против приложенного к ним внешнего магнитного поля. Они называются диамагнетиками.
Магнитная проницаемость диамагнетиков практически не зависит ни от индукции прилагаемого к ним магнитного поля, ни от температуры. Когда диамагнетик оказывается вынесен из намагничивающего магнитного поля, он полностью размагничивается и собственного магнитного поля не несет.
К диамагнетикам относятся, например: медь, висмут, кварц, стекло, каменная соль. Идеальными диамагнетиками называют сверхпроводники, ибо внешнее магнитное поле не проникает в них вовсе. Это значит, что можно считать магнитную проницаемость сверхпроводника равной нулю.
Тест для самоконтроля:
1. Какая величина характеризует магнитные свойства среды?
а) магнитная индукция;
б) магнитная проницаемость;
в) магнитное поле.
2. Какие вещества относят к ферромагнетикам?
а) у которых ;
б) у которых ;
в) у которых
3. Температура Кюри – это температура, при которой…
а) ферромагнетик теряет ферромагнитные свойства;
б) плавятся ферромагнетики;
в) магнит становится менее сильным.
4. Гипотеза Ампера:
а) все вещества, проводящие ток, являются магнитами;
б) магнитные свойства тела определяются внутренними токами;
в) все намагниченные тела являются ферромагнетиками.
5. Какие вещества ослабляют магнитное поле?
а) диамагнетики;
б) парамагнетики;
в) ферромагнетики.
6. Все вещества, помещённые в магнитное поле:
а) выталкиваются полем;
б) втягиваются полем;
в) создают собственное поле.
7. Диамагнетики – это вещества, у которых магнитная проницаемость:
а)
б)
в)
8. Можно ли краном, снабжённым электромагнитом, переносить раскалённые стальные болванки?
а) нельзя;
б) можно;
в) в редких случаях.
9. Внутри атомов и молекул циркулируют элементарные электрические токи, образованные:
а) магнитным полем;
б) движением электронов в атомах;
в) электрическим полем.
Источник
Основная цель урока: изучить новую тему, изучить применение веществ с различной магнитной проницаемостью.
Ссылка на видеоурок:
Конспект урока
1. Магнитные свойства вещества
Все вещества в окружающей нас природе в какой – то мере обладают магнитными свойствами. Среди многих приборов навигации, необходимых для прокладывания курса кораблей или самолётов, обязательно должен быть и магнитный компас. Во многих измерительных приборах основными деталями служат постоянные магниты. Что же происходит с веществом, помещённом в магнитное поле? Вспомним, как магнитные свойства катушки, по которой течёт ток, усиливаются, если в катушку вставлен железный сердечник. Железный сердечник намного увеличивает магнитное поле в катушке с током. Мы знаем, что вокруг катушки с электрическим током возникает магнитное поле, а железный сердечник, создаёт своё магнитное поле и, согласно принципу суперпозиции полей, векторы этих двух полей складываются. Таким образом, мы наблюдаем усиление магнитного поля. Магнитную индукцию, создаваемую электрическим током, обозначим через (В0). Магнитную индукцию поля в веществе обозначим через (В). При введении железного сердечника, появляется магнитная индукция поля, возникающая благодаря намагничиванию вещества (В1). Эти поля складываются по принципу суперпозиции полей. В итоге мы наблюдаем, что вещество может усилить или, возможно ослабить магнитное поле. Магнитная индукция поля, создаваемого этими токами в вакууме, будет меньше, чем магнитная индукция поля в веществе.
Магнитной проницаемостью вещества называется физическая скалярная величина показывающая, во сколько раз индукция магнитного поля в данном веществе отличается от индукции магнитного поля в вакууме
Ферромагнетики – вещества, у которых магнитная проницаемость много больше единицы. К ферромагнетикам относятся, например, железо, никель и кобальт.Из них, как легко заметить, чаще всего и изготавливают постоянные магниты. Здесь стоит отметить, что магнитная проницаемость ферромагнетиков зависит от магнитной индукции внешнего магнитного поля.
Главная особенность ферромагнетиков заключается в том, что им свойственен остаточный магнетизм, то есть будучи намагничен, ферромагнетик остается таковым даже после отключения источника внешнего магнитного поля.
Точка Кюри – температура, при которой ферромагнетики теряют ферромагнитные свойства.
Парамагнетики – вещества, у которых магнитная проницаемость чуть больше единицы. Это алюминий, вольфрам, щелочные металлы, магний, платина.Магнитная проницаемость парамагнетиков также зависит от температуры и уменьшается с повышением.
В отсутствие внешнего магнитного поля парамагнетики не обладают остаточной намагниченностью, то есть не имеют собственного магнитного поля. Из парамагнетиков постоянных магнитов не делают.
Но есть среди магнетиков и такие вещества, которые намагничиваются против приложенного к ним внешнего магнитного поля. Они называются диамагнетиками.
Магнитная проницаемость диамагнетиков практически не зависит ни от индукции прилагаемого к ним магнитного поля, ни от температуры. Когда диамагнетик оказывается вынесен из намагничивающего магнитного поля, он полностью размагничивается и собственного магнитного поля не несет.
К диамагнетикам относятся, например: медь, висмут, кварц, стекло, каменная соль. Идеальными диамагнетиками называют сверхпроводники, ибо внешнее магнитное поле не проникает в них вовсе. Это значит, что можно считать магнитную проницаемость сверхпроводника равной нулю.
Тест для самоконтроля:
1. Какая величина характеризует магнитные свойства среды?
а) магнитная индукция;
б) магнитная проницаемость;
в) магнитное поле.
2. Какие вещества относят к ферромагнетикам?
а) у которых ;
б) у которых ;
в) у которых
3. Температура Кюри – это температура, при которой…
а) ферромагнетик теряет ферромагнитные свойства;
б) плавятся ферромагнетики;
в) магнит становится менее сильным.
4. Гипотеза Ампера:
а) все вещества, проводящие ток, являются магнитами;
б) магнитные свойства тела определяются внутренними токами;
в) все намагниченные тела являются ферромагнетиками.
5. Какие вещества ослабляют магнитное поле?
а) диамагнетики;
б) парамагнетики;
в) ферромагнетики.
6. Все вещества, помещённые в магнитное поле:
а) выталкиваются полем;
б) втягиваются полем;
в) создают собственное поле.
7. Диамагнетики – это вещества, у которых магнитная проницаемость:
а)
б)
в)
8. Можно ли краном, снабжённым электромагнитом, переносить раскалённые стальные болванки?
а) нельзя;
б) можно;
в) в редких случаях.
9. Внутри атомов и молекул циркулируют элементарные электрические токи, образованные:
а) магнитным полем;
б) движением электронов в атомах;
в) электрическим полем.
Источник
При проведении опыта с соленоидом, соединенным с баллистическим гальванометром, во время включения тока в нем можно определить значение магнитного потока Φ, который будет пропорционален отбросу стрелки гальванометра. Если делать его дважды с одинаково установленным током I в гальванометре, то в первом опыте соленоид будет без сердечника, а во втором его введут перед включением тока.
Проведение второго опыта дает понять, что наличие магнитного потока значительно больше, чем в первом. Если повторить процесс, но с задействованием сердечника разной толщины, то получаем максимальный поток при полном заполнении соленоида железом, то есть при плотно навитой обмотке на сердечнике. Имеем, что:
где Φ является магнитным потоком в катушке с сердечником, Φ0 – магнитным потоком без сердечника.
Увеличение магнитного потока при введении сердечника в соленоид обусловлено появлением магнитного потока, создаваемого совокупностью ориентированных амперовых молекулярных токов, и присоединение его к уже имеющемуся магнитному потоку от тока обмотки соленоида. Происходит ориентировка молекулярных токов под влиянием магнитного поля, их суммарный момент больше не равняется нулю, потому как происходит возникновение дополнительного магнитного поля.
Магнитная проницаемость. Измерения
Определение 1
Величина μ характеризует магнитные свойства среды и называется магнитной проницаемостью (относительной магнитной проницаемостью).
Она является безразмерной характеристикой вещества. Если происходит увеличение потока Φ в μ раз, это говорит о том, что магнитная индукция B→ в сердечнике во столько же раз больше, чем в вакууме при том же токе в соленоиде. Запись примет вид:
B→=μB0→, где B0→ означает магнитную индукцию поля в вакууме.
Вместе с магнитной индукцией, являющейся основной силовой характеристикой поля, применяют вспомогательную векторную величину – напряженность магнитного поля H→, которая связана с B→ при помощи соотношения:
B→=μH→.
Если формула B→=μH→ применится в опыте с сердечником, тогда при его отсутствии:
B0→=μ0H0→.
Значение μ=1. Если сердечник имеется, то
B→=μμ0H→.
Равенство B→=μB0→ выполняется, поэтому
μμ0H→=μм0H0→→H→=H0→.
Отсюда следует, что напряженность магнитного поля не зависит от характера однородного вещества, которым было заполнено пространство. Большинство веществ имеет магнитную проницаемость, равную 1. Исключениями считаются ферромагнетики.
Магнитная восприимчивость вещества
Обычно связь вектора намагниченности J→ и вектора напряженности в каждой точке магнетика обозначается:
J→=χH→.
Определение 2
χ является магнитной восприимчивостью. Величина безразмерная. Если вещество неферромагтиное и обладает небольшим полем, то χ не зависит от напряженности, является скалярной величиной.
Анизотропные среды предполагают χ в качестве тензора, направления J→ и H→ не совпадают.
Связь между магнитной восприимчивостью и магнитной проницаемостью
Из определения вектора напряженности магнитного поля:
H→=B→μ0-J→.
При подстановке выражения J→=χH→ в H→=B→μ0-J→ получаем:
H→=B→μ0-H→.
Напряженность приобретает вид:
H→=B→μ01+χ→B→=μ0(1+χ)H→.
При сравнении B→=μμ0H→ и H→=B→μ01+χ→B→=μ0(1+χ)H→:
μ=1+χ.
Магнитная восприимчивость может принимать как положительные, так и отрицательные значения. Из μ=1+χ имеем, что μ может быть больше или меньше 1.
Пример 1
Произвести вычисление намагниченности в центре кругового витка с радиусом R=0,1 м и током I=2 А при погружении в жидкий кислород. Значение магнитной восприимчивости жидкого кислорода χ=3,4·10-3.
Решение
Следует применить выражение, которое показывает связь напряженности магнитного поля и намагниченности, то есть:
J→=χH→.
Далее произведем поиск поля в центре витка с током, так как необходимо вычислить намагниченность в этой точке.
Рисунок 1
На проводнике с током необходимо выбрать элементарный участок, показанный на рисунке 1, как основу для решения задания. Применим формулу напряженности элемента витка с током.
Тогда:
dH=14πIdlsin υr2.
Где r→ – является радиус-вектором, проведенным из элемента тока в рассматриваемую точку,
dl→ – элемент проводника с током, υ – угол между dl→ и r→.
Опираясь на рисунок 1, υ=90°, следует упрощение J→=χH→. Так как расстояние от центра окружности элемента проводника с током постоянно и равняется радиусу витка R, получаем:
dH=14πIdlR2.
Направление результирующего вектора напряженности магнитного поля совпадает с осью Х. Его находят как сумму отдельных векторов dH→, потому что все элементы тока создают в центре витка магнитные поля, которые направлены вдоль нормали витка. Используя принцип суперпозиции, полная напряженность магнитного поля находится при переходе к интегралу вида:
H=∮dH.
Произведем подстановку dH=14πIdlR2 в H=∮dH:
H=14πIR2∮dl=14πIR22πR=12IR.
Для нахождения намагниченности, следует подставить значение напряженности из H=14πIR2∮dl=14πIR22πR=12IR в J→=χH→. тогда:
J=χ2IR.
Вычисляем с числовыми выражениями:
J=3,4·10-32·20,1=3,4·10-2 Ам.
Ответ: J=3,4·10-2 Ам.
Пример 2
Произвести вычисление доли суммарного магнитного поля в вольфрамовом стержне, находящегося во внешнем однородном магнитном поле, которую определяют молекулярные токи. Значение магнитной проницаемости вольфрама равняется μ=1,0176.
Решение
Нахождение индукции магнитного поля B’, приходящейся на долю молекулярных токов, представляется:
B’=μ0J, где J – является намагниченностью. Ее связь с напряженностью выражается через соотношение:
J=χH.
Магнитная восприимчивость находится из
χ=μ-1.
Магнитное поле молекулярных токов будет равно:
B’=μ0(μ-1)H.
По формуле находим полное поле в стержне:
B=μμ0H.
Задействовав выражения B’=μ0(μ-1)H, B=μμ0H, найдем соотношение:
B’B=μ0(μ-1)Hμμ0H=μ-1μ.
Подставим числовые выражения:
B’B=1,0176-11,0176=0,0173.
Ответ: B’B=0,0173.
Источник
Подобно тому, как в пространстве, окружающем электрические заряды, возникает электрическое поле, так и в пространстве окружающем токи, возникает особого вида поле, называемое магнитным полем.
Магнитное поле проявляется по силам, действующим на проводники с током, на движущиеся заряды или постоянные магниты.
Неподвижные электрические заряды не создают магнитное поле и постоянное магнитное поле не действует на неподвижные электрические заряды.
Опыт показывает, что неподвижный заряд и магнитная стрелка не влияют друг на друга.
При прохождении электрического тока по проводнику вокруг него возникает магнитное поле, действующее на магнитную стрелку, которая стремится занять положение поперек проводника при взгляде сверху.
Опыт Эрстеда (1820 г.), показывающий действие магнитного поля проводника с током на магнитную стрелку.
Характеристики магнитного поля
I. Вектор магнитной индукции (В) – совпадает по направлению с силой, действующей на северный полюс магнитной стрелки.
II. Линии магнитной индукции – кривые, в каждой точке которых, вектор магнитной индукции В направлен по касательной.
Свойства линий магнитной индукции
1. Линии магнитной индукции всегда замкнуты и охватывают проводники стоком.
2. Вблизи проводника линии магнитной индукции лежат в плоскости перпендикулярной проводнику с током.
3. Направление линий магнитной индукции определяется по правилу буравчика: если ввинчивать буравчик по направлению тока, то направление вращения его рукоятки укажет направление линий магнитной индукции.
Магнитное поле прямолинейного проводника с током.
Правило буравчика обратимо и для круговых токов его удобно применять в следующей формулировке: если вращать рукоятку буравчика по направлению кругового тока, то поступательное движение острия буравчика укажет направление линий магнитной индукции.
Линии магнитной индукции полей постоянного магнита, прямого тока, кругового тока и катушки с током.
Обратите внимание на аналогию магнитных полей постоянного магнита и катушки с током. Линии магнитной индукции всегда замкнуты, они нигде не обрываются. Это означает, что магнитное поле не имеет источников – магнитных зарядов. Силовые поля, обладающие этим свойством, называются вихревыми. Картину магнитной индукции можно наблюдать с помощью мелких железных опилок, которые в магнитном поле намагничиваются и, подобно маленьким магнитным стрелкам, ориентируются вдоль линий индукции.
III. Вектор напряженности магнитного поля H.
Согласно предположению французского физика А. Ампера, в любом теле существуют микроскопические (молекулярные) токи, обусловленные движением электронов в атомах и молекулах. Эти токи создают свое магнитное поле и могут поворачиваться в магнитных полях макроскопических токов (токов, текущих в проводниках). Так, если вблизи какого-то тела (среды) поместить проводник с током, то под действием его магнитного поля микротоки в атомах тела определенным образом ориентируются, создавая тем самым дополнительное магнитное поле. Поэтому вектор магнитной индукции B характеризует результирующее магнитное поле, создаваемое всеми макро- и микротоками, т.е. при одном и том же токе I и прочих равных условиях вектор B в различных средах будет иметь разные значения.
Магнитное поле, создаваемое макротоками, характеризуется вектором напряженности H. Для однородной изотропной среды связь между векторами индукции B и напряженности H магнитного поля определяется выражением
В =μ₀μН, где
магнитная постоянная, μ – магнитная проницаемость среды (безразмерная величина), показывающая, во сколько раз магнитное поле макротоков усиливается за счет поля микротоков данной среды.
Единица напряженности магнитного поля: 1 А/м – напряженность такого поля, магнитная индукция которого в вакууме равна 4π·10-7 Тл.
Источник