Шпаргалка по "Физике"

№21. Магнитная проницаемость. Магнитный поток и магнитная индукция.

Магнитная проницаемость — физическая величина, характеризующая связь между магнитной индукцией B и напряжённостью магнитного поля H в веществе.

   Магнитный поток - поток вектора магнитной индукции В через какую-либо поверхность. Магнитный поток через малую площадку dS, в пределах которой вектор В неизменен, равен dФ = ВndS, где Bn - проекция вектора на нормаль к площадке dS. Магнитный поток Ф через конечную поверхность равен интегралу от dФ по этой поверхности. Для замкнутой поверхности магнитный поток равен нулю, что отражает отсутствие в природе магнитных зарядов - источников магнитного поля.

   Магнитная индукция - векторная физическая величина, характеризующая магнитное поле.

Вектор магнитной индукции всегда направлен по касательной к магнитной линии.

, где F- сила, действующая со стороны магнитного поля на проводник с током ( H );

I - сила тока в проводнике ( A );

l - длина проводника ( м ).

Единица измерения индукции магнитного поля в СИ:

[ B ] = 1Тл ( тесла).

№22. Магнитное поле прямолинейного проводника с током. Правило Буравчика.

   Для получения спектра магнитного поля прямого проводника с током проводник пропускают сквозь лист картона. На картон насыпают тонкий слой железных опилок, и опилки слегка встряхивают. Под действием магнитного поля железные опилки располагаются по концентрическим окружностям. По касательным к ним расположатся и магнитные стрелки вокруг такого проводника с током.

   Таким образом, линии магнитной индукции магнитного поля прямолинейного тока представляют собой концентрические окружности, расположенные в плоскости, перпендикулярной к проводнику, с центром на оси проводника. Направление линий индукции определяется правилом правого винта: если поворачивать головку винта так, чтобы поступательное движение острия винта происходило вдоль тока в проводнике, то направление вращения головки указывает направление линий магнитной индукции поля прямого проводника с током.

   На рисунке 1, а прямолинейный проводник с током расположен в плоскости рисунка, линии индукции — в плоскости, перпендикулярной рисунку. На рисунке 1, б изображено сечение проводника, расположенного перпендикулярно плоскости рисунка, ток в нем направлен от нас (это обозначается крестиком "х"), линии индукции располагаются в плоскости рисунка.

Как показывают расчеты, модуль магнитной индукции поля прямолинейного тока может быть рассчитан по формуле:

, где μ — магнитная проницаемость среды, μ0 = 4π·10-7 H/A2 — магнитная постоянная, I — сила тока в проводнике, r — расстояние от проводника до точки, в которой вычисляется магнитная индукция.

   Пра́вило бура́вчика (пра́вило винта́), или пра́вило правой руки — варианты мнемонического правила для определения направления векторного произведения и тесно связанного с этим выбора правого базиса[1] в трехмерном пространстве, соглашения о положительной ориентации базиса в нем, и соответственно — знака любого аксиального вектора, определяемого через ориентацию базиса.

   В частности, это относится к определению направления таких важных в физике аксиальных векторов, как вектор угловой скорости, характеризующий скорость вращения тела, вектор магнитной индукции B и многих других, а также для определения направления таких векторов, которые определяются через аксиальные, например, направление индукционного тока при заданном векторе магнитной индукции.

Для многих из этих случаев кроме общей формулировки, позволяющей определять направление векторного произведения или ориентацию базиса вообще, имеются специальные формулировки правила, особенно хорошо приспособленные к каждой конкретной ситуации (но гораздо менее общие).

   В принципе, как правило, выбор одного из двух возможных направлений аксиального вектора считается чисто условным, однако он должен происходить всегда одинаково, чтобы в конечном результате вычислений не оказался перепутан знак. Для этого и служат правила, составляющие предмет этой статьи (они позволяют всегда придерживаться одного и того же выбора).

   Под названием правила правой руки существует несколько достаточно различающихся правил. Существует также несколько вариантов правила левой руки.

   В принципе можно ограничиться выбором из всего набора этих правил в разных формулировках (или из им подобных) какого-то одного, относящегося к универсальному типу (определению знака векторного произведения или ориентации базиса). Это минимально необходимый выбор (хотя бы один вариант правила нужен: без него вообще не только в принципе невозможно следовать общепринятым соглашениям, но и крайне трудно быть последовательным даже в собственных вычислениях). Но в принципе этого и достаточно: вместо всех правил, упоминаемых в этой статье или других им подобных в принципе[3] можно пользоваться всего одним, если только знать порядок сомножителей в формулах, содержащих векторные произведения.

№23. Магнитное поле катушки с током. Магнитное поле земли.

   Магнитное поле Земли (геомагнитное поле) — магнитное поле, генерируемое внутриземными источниками. Предмет изучения геомагнетизма. На небольшом удалении от поверхности Земли, порядка трёх её радиусов, магнитные силовые линии имеют диполеподобное расположение. Эта область называется плазмосферой Земли.

   По мере удаления от поверхности Земли усиливается воздействие солнечного ветра: со стороны Солнца геомагнитное поле сжимается, а с противоположной, ночной стороны, оно вытягивается в длинный «хвост».

№24. Электромагнитная индукция. Определение и физическая сущность.

   Индукция электромагнитная, возникновение электродвижущей силы (эдс индукции) в проводящем контуре, находящемся в переменном магнитном поле или движущемся в постоянном магнитном поле. Электрический ток, вызванный этой эдс, называется индукционным током. И. э. была открыта М. Фарадеем в 1831. Согласно закону Фарадея, эдс индукции Ei в контуре прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока (потока вектора магнитной индукции) Ф через поверхность S, ограниченную этим контуром:

   Здесь DФ — изменение магнитного потока через контур за время Dt; коэффициент пропорциональности k в системе СИ равен k = 1, а в системе СГС (Гаусса) k = 1/c, c — скорость света в вакууме. Знак минус определяет направление индукционного тока в соответствии с Ленца правилом: индукционный ток имеет такое направление, что создаваемый им поток магнитной индукции через площадь, ограниченную контуром, стремится препятствовать тому изменению потока Ф, которое вызывает появление индукционного тока.

   В постоянном магнитном поле эдс индукции возникает лишь при таком движении контура, при котором магнитный поток через поверхность, ограниченную контуром, изменяется во времени (т. е. контур при своём движении должен пересекать линии магнитной индукции; при движении вдоль линий поток Ф меняться не будет и эдс не возникнет). В этом случае эдс индукции равна работе магнитной части Лоренца силы по перемещению единичного заряда вдоль замкнутого контура. Если же неподвижный проводник находится в переменном магнитном поле, то эдс индукции равна работе по перемещению единичного заряда вдоль замкнутого контура, совершаемой силами вихревого электрического поля, которое, согласно Максвелла уравнениям, порождается в пространстве при изменении магнитного поля со временем. В системе отсчёта, относительно которой контур покоится, именно это вихревое электрическое поле вызывает движение заряженных частиц, т. е. появление индукционного тока. И. э. лежит в основе работы генераторов электрического тока, в которых механическая энергия преобразуется в электрическую; на этом же явлении основано действие трансформаторов и т. д.

№25. ЭДС в прямолинейном проводнике при движении его в магнитном поле.

   Если поместить в магнитное поле проводник и перемещать его так, чтобы он при своем движении пересекал силовые линии поля, то в проводнике возникнет электродвижущая сила, называемая ЭДС индукции.

   ЭДС индукции возникнет в проводнике и в том случае, если сам проводник останется неподвижным, а перемещаться будет магнитное поле, пересекая проводник своими силовыми линиями.

   Если проводник, в котором наводится ЭДС индукции, замкнуть на какую-либо внешнюю цепь, то под действием этой ЭДС по цепи потечет ток, называемый индукционным током.

   Явление индуктирования ЭДС в проводнике при пересечении его силовыми линиями магнитного поля называется электромагнитной индукцией.

   Электромагнитная индукция — это обратный процесс, т. е. превращение механической энергии в электрическую.

   Явление электромагнитной индукции нашло широчайшее применение в электротехнике. На использовании его основано устройство различных электрических машин.

Величина и направление ЭДС индукции

   Рассмотрим теперь, каковы будут величина и направление индуктированной в проводнике ЭДС.

Величина ЭДС индукции зависит от количества силовых линий поля, пересекающих проводник в единицу времени, т. е. от скорости движения проводника в поле.

   Величина индуктированной ЭДС находится в прямой зависимости от скорости движения проводника в магнитном поле.

   Величина индуктированной ЭДС зависит также и от длины той части проводника, которая пересекается силовыми линиями поля. Чем большая часть проводника пересекается силовыми линиями поля, тем большая ЭДС индуктируется в проводнике. И, наконец, чем сильнее магнитное поле, т. е. чем больше его индукция, тем большая ЭДС возникает в проводнике, пересекающем это поле.

   Итак, величина ЭДС индукции, возникающей в проводнике при его движении в магнитном поле, прямо пропорциональна индукции магнитного поля, длине проводника и скорости его перемещения.

   Зависимость эта выражается формулой Е = Blv, где Е — ЭДС индукции; В — магнитная индукция; I — длина проводника; v — скорость движения проводника.

   Следует твердо помнить, что в проводнике, перемещающемся в магнитном поле, ЭДС индукции возникает только в том случае, если этот проводник пересекается магнитными силовыми линиями поля. Если же проводник перемещается вдоль силовых линий поля, т. е. не пересекает, а как бы скользит по ним, то никакой ЭДС в нем не индуктируется. Поэтому приведенная выше формула справедлива только в том случае, когда проводник перемещается перпендикулярно магнитным силовым линиям поля.

   Направление индуктированной ЭДС (а также и тока в проводнике) зависит от того, в какую сторону движется проводник. Для определения направления индуктированной ЭДС существует правило правой руки.

   Если держать ладонь правой руки так, чтобы в нее входили магнитные силовые линии поля, а отогнутый большой палец указывал бы направление движения проводника, то вытянутые четыре пальца укажут направление действия индуктированной ЭДС и направление тока в проводнике.

№26. ЭДС индукции, наведённая в контуре. Правило Ленца.

   Правило Ленца, правило для определения направления индукционного тока: Индукционный ток, возникающий при относительном движении проводящего контура и источника магнитного поля, всегда имеет такое направление, что его собственный магнитный поток компенсирует изменения внешнего магнитного потока, вызвавшего этот ток. Сформулировано в 1833 г. Э. Х. Ленцем.

Если ток увеличивается, то и магнитный поток увеличивается.

Если индукционный ток направлен против основного тока.

Если индукционный ток направлен в том же направлении, что и основной ток.

Индукционный ток всегда направлен так, чтобы уменьшить действие причины его вызывающей.

В обобщенной формулировке правило Ленца гласит, что индукционный ток всегда направлен так, чтобы противодействовать вызвавшей его первопричине.

№27. ЭДС индукции в катушке. Потокосцепление.

   При движении внутри катушки постоянного магнита в ней индуктируется ЭДС за счет того, что магнитный поток магнита пересекает витки катушки, т. е. точно так же, как это было при движении прямолинейного проводника в поле магнита.

   Если магнит опускать в катушку медленно, то возникающая в ней ЭДС будет настолько мала, что стрелка прибора может даже не отклониться. Если же, наоборот, магнит быстро ввести в катушку, то отклонение стрелки будет большим. Значит, величина индуктируемой ЭДС, а следовательно, и сила тока в катушке зависят от скорости движения магнита, т. е. от того, насколько быстро силовые линии поля пересекают витки катушки. Если теперь поочередно вводить в катушку с одинаковой скоростью сначала сильный магнит, а затем слабый, то можно заметить, что при сильном магните стрелка прибора будет отклоняться на больший угол. Значит, величина индуктируемой ЭДС, а следовательно, и сила тока в катушке зависят от величины магнитного потока магнита.

   И, наконец, если вводить с одинаковой скоростью один и тот же магнит сначала в катушку с большим числом витков, а затем со значительно меньшим, то в первом случае стрелка прибора отклонится на больший угол, чем во втором. Значит, величина индуктируемой ЭДС, а следовательно, и сила тока в катушке зависят от числа ее витков. Те же результаты можно получить, если вместо постоянного магнита применять электромагнит.

   Направление ЭДС индукции в катушке зависит от направления перемещения магнита. О том, как определять направление ЭДС индукции, говорит закон, установленный Э. X. Ленцем.

   Общий магнитный поток, сцепляющийся со всеми витками катушки, называется потокосцеплением и численно равен сумме потоков, сцепляющихся с отдельными витками, т.е. Y = 2(Ф1+ Ф2+ Ф3+ Ф4) = 48              

№55.

   Рассмотрим процесс перемагничивания ферромагнетиков.

   Допустим, что кольцевой магнитопровод из ферромагнитного материала  не намагничен и тока в витках катушки нет, т.е. B=0 и H=0 . При  постепенном  увеличении  намагничивающего  тока,  т.е.   МДС

(магнито-движущая сила), а следовательно, и напряженности поля  от  нуля  до

некоторого наибольшего значения магнитная индукция увеличивается по кривой  начального  намагничивания

(Оа) и достигает соответствующего максимального значения Ba. Если затем  ток и напряженность поля уменьшаются, то и магнитная индукция  уменьшается,  при соответствующих  значениях  напряженности   магнитная   индукция   несколько больше,  чем  при  увеличении  напряженности.  Кривая  изменения   магнитной индукции располагается  выше  кривой  начального намагничивания. При нулевых значениях тока и  напряженности  поля  магнитная индукция  имеет  некоторое  значение  Br,  называемое  остаточной  индукцией.