Открытия Эрстеда и Ампера привели к новому и более глубокому представлению о природе магнитных явлений. Опираясь на установленную в этих опытах тождественность магнитных действий магнитов и соответствующим образом подобранных токов, Ампер решительно отказался от представления о существовании в природе особых магнитных зарядов. С точки зрения Ампера, элементарный магнит – это круговой ток, циркулирующий внутри небольшой частицы вещества: атома, молекулы или группы их. При намагничивании большая или меньшая часть таких токов устанавливается параллельно друг другу, как показано на рис. 209 (амперовы токи).
Рис. 209. Упорядоченное расположение амперовых токов в намагниченном железе, помещенном в магнитном поле
Мы видели в § 115, что по своим магнитным свойствам круговой ток вполне подобен короткому магниту, ось которого перпендикулярна к плоскости тока. Поэтому изображенная условно на рис. 209 система ориентированных молекулярных токов совершенно равносильна цепочкам элементарных магнитиков в гипотезе Кулона.
Таким образом, теория Ампера сделала ненужным допущение о существовании особых магнитных зарядов, позволив объяснить все магнитные явления при помощи элементарных электрических токов. Дальнейшее более глубокое изучение свойств намагничивающихся тел показало не только, что гипотеза магнитных зарядов или элементарных магнитиков излишня, но что она неверна и не может быть согласована с некоторыми экспериментальными фактами. Мы позже познакомимся с этими фактами (§ 147).
С точки зрения теории Ампера становится совершенно понятной неотделимость друг от друга северных и южных полюсов, о которой мы говорили в предыдущем параграфе. Каждый элементарный магнит представляет собой круговой виток тока. Мы видели уже, что одна сторона этого витка соответствует северному, другая – южному полюсу. Именно поэтому нельзя отделить друг от друга северный и южный полюсы, как нельзя отделить одну сторону плоскости от другой.
Таким образом, мы пришли к следующему основному результату.
Никаких магнитных зарядов не существует. Каждый атом вещества можно рассматривать в отношении его магнитных свойств как круговой ток. Магнитное поле намагниченного тела слагается из магнитных полей этих круговых токов.
В ненамагниченном теле все элементарные токи расположены хаотически, и поэтому мы не наблюдаем во внешнем пространстве никакого магнитного поля.
Процесс намагничивания тела заключается в том, что под влиянием внешнего магнитного поля его элементарные токи в большей или меньшей степени устанавливаются параллельно друг другу и создают результирующее магнитное поле.
Значение теории Ампера не вызывало сомнения. Однако представления Ампера о существовании элементарных токов, непрерывно циркулирующих внутри частиц веществ, были чрезвычайно смелы и необычны для его времени. Дальнейшее развитие науки сделало эти представления естественным следствием созданной в XX веке теории атома. Атом представляет собой систему из центрального положительно заряженного ядра и электронов, обращающихся около него, подобно тому как планеты обращаются вокруг Солнца. Движение электронов представляет собой круговые токи, циркулирующие внутри атомов. Удалось даже осуществить специальные опыты, показывающие, что намагничивание тел сопровождается ориентировкой осей этих круговых токов, стремящихся расположиться параллельно.
Такие наглядные представления о строении атомов являются слишком грубыми и потому неточными, однако они в общих чертах правильно передают сущность дела.
Магнетизм
Магнитное поле. Действие магнитного поля на рамку с током. Индукция магнитного поля (магнитная индукция). Линии магнитной индукции. Картины линий индукции магнитного поля прямого тока и соленоида. Понятие о магнитном поле Земли.
Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле. Закон Ампера.
Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца.
Магнитные свойства вещества. Гипотеза Ампера. Ферромагнетики
Свойства магнитов ориентироваться относительно Земли в определенном положении было известно давно, равно как взаимодействие магнитов - притяжение разноименных полюсов и отталкивание одноименных. Первое объяснение этому дал У. Гильберт в 1600 г., предположив, что Земля является гигантским магнитом, поэтому стрелка компаса ориентируется определенным образом.
Это предположение он обосновал экспериментально, намагнитив большой железный шар и наблюдая его действие на стрелку компаса.
Количественно взаимодействие магнитов исследовал Кулон с помощью своим крутильных весов. Он высказал предположение, что существуют магнитные заряды подобные электрическим, а неспособность разделить магнит на противоположные магнитные заряды он объяснил неспособность магнитных зарядов внутри молекул вещества свободно переходить от одной молекулы к другой.
Разгадка природы магнетизма пришла значительно позже. Начало положил Х. Эрстед в 1920г., поместив магнитную стрелку вблизи проводника с током и установив, что при прохождении тока по проводнику магнитная стрелка отклоняется.
Открытие Эрстеда подтолкнуло Ампера к объяснению природы магнетизма и к открытию ещё одного типа взаимодействия электрических зарядов. Он установил, что расположенные рядом два проводника с током взаимодействуют, причем при одинаковом направлении токов в проводниках они притягиваются, а при противоположном – отталкиваются.
Если ток идет только по одному из проводников, то магнитного взаимодействия между ними нет; также не будет между двумя проводниками с током, если один из проводников свит из двух.
Объясняя природу магнетизма Ампер, пришёл к заключению, что магнитные свойства вещества объясняются замкнутыми электрическими токами внутри вещества, а магнитное взаимодействие – это взаимодействие токов.
Согласно гипотезе Ампера внутри молекул, из которых состоит вещество, циркулируют элементарные электрические токи. Если эти токи ориентированы хаотично по отношению друг к другу, то их действие взаимно компенсируются и никаких магнитных свойств тело не обнаруживает (рис.4.3 а). В намагниченном состоянии элементарные токи ориентированы строго определённым образом так, что их действия складываются и образуют магнитное свойство тела (рис.4.3 б).
Таким образом, не существует магнитных зарядов, подобных электрическим, а магнитные свойства тел объясняются ориентацией циркуляционных элементарных токов.
Магнитное взаимодействие проявляется на расстоянии, а значит должна быть среда, которая осуществляет это взаимодействие. Эта среда называется магнитным полем. Многочисленные наблюдения убедили ученых в том, что вокруг любого проводника с током, т.е. вокруг движущихся электрических зарядов, в пространстве существует магнитное поле. Если электрическое поле действует и на движущиеся и на неподвижные заряды, то магнитное поле оказывает действие лишь на движущиеся заряды.
Для объяснения намагничения тел Ампер предположил, что в молекулах вещества циркулируют круговые токи (молекулярные токи). Каждый такой ток обладает магнитным моментом и создает в окружающем пространстве магнитное поле. В отсутствие внешнего поля молекулярные токи ориентированы беспорядочным образом, вследствие чего обусловленное ими результирующее поле равно нулю. В силу хаотической ориентации магнитных моментов отдельных молекул суммарный магнитный момент тела также равен нулю. Под действием поля магнитные моменты молекул приобретают преимущественную ориентацию в одном направлении, вследствие чего магнетик намагничивается – его суммарный магнитный момент становится отличным от нуля. Магнитные поля отдельных молекулярных токов в этом случае уже не компенсируют друг друга и возникает поле В
В начале исследования магнетизма для объяснения свойств постоянных магнитов Ампер выдвинул смелую по тем временам гипотезу о существовании так называемых "молекулярных токов", совокупность которых объясняет магнитные свойства вещества. В настоящее время гипотеза Ампера представляется чуть ли не очевидной, физические механизмы, ответственные за магнитные свойства веществ, изучены значительно более глубоко, чем это было возможно во времена Ампера
Гипотеза Ампера. Ампера (1775- 1836г.) выдвинул гипотезу о существовании электрических токов, циркулирующих внутри каждой молекулы вещества. В 1897г. гипотезу подтвердил английский учёный Томсон, а в 1910г. измерил токи американский учёный Милликен. Вывод: движение электронов представляет собой круговой ток, а о том, что вокруг проводника с электрическим током существует магнитное поле.
Магнитное поле - это особый вид материи, специфической особенностью которой является действие на движущийся электрический заряд, проводники с током, тела, обладающие магнитным моментом, с силой, зависящей от вектора скорости заряда, направления силы тока в проводнике и от направления магнитного момента тела.
История магнетизма уходит корнями в глубокую древность, к античным цивилизациям Малой Азии. Именно на территории Малой Азии, в Магнезии, находили горную породу, образцы которой притягивались друг к другу. По названию местности такие образцы и стали называть "магнетиками". Любой магнит в форме стержня или подковы имеет два торца, которые называются полюсами; именно в этом месте сильнее всего и проявляются его магнитные свойства. Если подвесить магнит на нитке, один полюс всегда будет указывать на север. На этом принципе основан компас. Обращенный на север полюс свободно висящего магнита называется северным полюсом магнита (N). Противоположный полюс называется южным полюсом (S).
Магнитные полюсы взаимодействуют друг с другом: одноименные полюсы отталкиваются, а разноименные - притягиваются. Аналогично концепции электрического поля, окружающего электрический заряд, вводят представление о магнитном поле вокруг магнита.
В 1820 г. Эрстед (1777-1851) обнаружил, что магнитная стрелка, расположенная рядом с электрическим проводником, отклоняется, когда по проводнику течет ток, т. е. вокруг проводника с током создается магнитное поле. Если взять рамку с током, то внешнее магнитное поле взаимодействует с магнитным полем рамки и оказывает на нее ориентирующее действие, т. е. существует такое положение рамки, при котором внешнее магнитное поле оказывает на нее максимальное вращающее действие, и существует положение, когда вращающий момент сил равен нулю.
Исто́чник то́ка (в теории электрических цепей) - элемент, двухполюсник, сила тока через который не зависит от напряжения на его зажимах (полюсах). Используются также термины генератор тока и идеальный источник тока.
Магнитная индукция.
Если заряд частицы равен q, ее скорость равна v, а индукция магнитного поля в данной точке пространства равна В, то на частицу в данной точке со стороны магнитного поля действует сила, равная:
Таким образом, В - это вектор, величина и направление которого таковы, что сила Лоренца, действующая на движущийся заряд со стороны магнитного поля равна:
Здесь альфа - это угол между вектором скорости и вектором магнитной индукции. Вектор силы Лоренца F перпендикулярен вектору скорости и вектору магнитной индукции. Его направление для случая движения положительно заряженной частицы в однородном магнитном поле определяется правилом левой руки:
«Если левую руку расположить так, чтобы вектор магнитной индукции входил в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению движения положительно заряженной частицы, то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление силы Лоренца».
Поскольку ток в проводнике является движением заряженных частиц, то магнитную индукцию можно определить и как отношение максимального механического момента, действующего со стороны однородного магнитного поля на рамку с током, к произведению силы тока в рамке на площадь рамки:
Магнитная индукция - фундаментальная характеристика магнитного поля, как напряженность для электрического поля . В системе СИ магнитная индукция измеряется в тесла (Тл), в системе СГС - в гауссах (Гс). 1 тесла = 10000 гаусс. 1 Тл - это индукция такого однородного магнитного поля, в котором на рамку площадью 1 м2, по которой течет ток в 1 А, действует максимальный вращающий механический момент сил, равный 1 Н м.
Кстати, индукция магнитного поля Земли на широте 50° в среднем составляет 0,00005 Тл, а на экваторе - 0,000031 Тл. Вектор магнитной индукции всегда направлен по касательной к магнитной силовой линии.
Контур, помещенный в однородное магнитное поле, пронизывается магнитным потоком Ф, - потоком вектора магнитной индукции. Величина магнитного потока Ф зависит от направления вектора магнитной индукции относительно контура, от его величины, и от площади контура, пронизываемого линиями магнитной индукции. Если вектор В будет перпендикулярен площади контура, то магнитный поток Ф, пронизывающий контур, будет максимальным.
Магнитные силы.
Магнитное поле действует получила название – сила Сила, действующая на проводник тока, длине проводника, магнитной направлением вектора магнитной определить по правилу левой движущиеся заряды широко циклотроне- ускорителе элементарных Хорошо известно, что магнитное постоянными магнитами. Постоянные веществ, но все вещества создают магнитное поле. Согласно микроскопическими токами Закон Фарадея, основной закон э.д.с. индукции в проводнике пересекает магнитные силовые Если замкнутый проводник изменяющемся магнитном проводника в магнитном поле создавая на другом конце проводника проводника возникает разность только тогда, когда проводник проводник удаляют из магнитного Электромагнитная проводник когда Напряжение индуцированным э.д которой углом поля больше перемещается Относительное возникать вследствие перемещения поля или и того, и другого перемещается под прямым углах меньших 90 градусов перемещается параллельно проводник, тем больше индуцированное действует с определенной силой на проводник с током сила Ампера.
FА = I B ∆l sin α.
на проводник, по которому течет ток, прямо пропорциональна проводника, магнитной индукции и синусу угла между направлением вектора магнитной индукции. Направление силы Ампера правилу левой руки. Кроме этого, магнитное поле действует частицу, находящуюся в магнитном поле называют силой Лоренца. Силу Лоренца можно определить по формуле:
FЛ = qυ Bsin α.
На движущуюся частицу со стороны магнитного действует сила Лоренца, которая перпендикулярна и не совершает работы. Действие магнитного широко используется в современной технике, например ускорителе элементарных частиц. магнитное поле создается ни только электрическими магнитами. Постоянные магниты могут быть изготовлены вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются поле. Согласно гипотезе Ампера эти поля порождаются токами, циркулирующими внутри атомов и молекул основной закон электромагнетизма, формулируется проводнике прямо пропорциональна скорости, с которой магнитные силовые линии, т.е. скорости изменения магнитного проводник перемещается в магнитном поле или находится магнитном поле, то в нем возникает электрический ток итном поле электроны перемещаются к одному концу конце проводника дефицит электронов. В результате возникает разность потенциалов. Эта разность потенциалов проводник перемещается относительно магнитного из магнитного поля, свободные электроны возвращаются Электромагнитная индукция имеет место в двух проводник перемещается относительно магнитного когда магнитное поле перемещается относительно апряжение, возникающее в проводнике, называется индуцированным напряжением, или э.д.с индукции э.д.с. определяется величиной магнитного поля которой проводник перемещается относительно углом, под которым находится проводник относительно поля, и длиной проводника. Чем сильнее магнитное больше величина э.д.с. индукции.
Чем быстре перемещается относительно поля, тем больше Относительное движение проводника и магнитного перемещения проводника (но не вдоль самого другого. Максимальное напряжение индуцируется прямым углом по отношению к силовым линиям магнитного градусов индуцируется меньшее напряжение. Если параллельно силовым линиям, э.д.с. индукции не возникает больше индуцированное напряжение.
Магнитные свойства веществ.
Всякое вещество является магнетиком, т.е. способно под действием магнитного поля приобретать магнитный момент (намагничиваться). По величине и направлению этого момента, а также по причинам, его породившим, все вещества делятся на группы. Основные из них – диа- и парамагнетики.
Молекулы диамагнетика собственного магнитного момента не имеют. Он возникает у них только под действием внешнего магнитного поля и направлен против него. Таким образом, результирующее магнитное поле в диамагнетике меньше, чем внешнее поле, правда, на очень малую величину. Это приводит к тому, что при помещении диамагнетика в неоднородное магнитное поле он стремится сместиться в ту область, где напряжение магнитного поля меньше.
Молекулы (или атомы) парамагнетика имеют собственные магнитные моменты, которые под действием внешних полей ориентируются по полю и тем самым создают результирующее поле, превышающее внешнее. Парамагнетики втягиваются в магнитное поле. Так, например, жидкий кислород - парамагнетик, он притягивается к магниту.
Существует ряд веществ, в которых квантовые эффекты межатомных взаимодействий приводят к появлению специфических магнитных свойств.
Наиболее интересное свойство - ферромагнетизм. Оно характерно для группы веществ в твердом кристаллическом состоянии (ферромагнетиков), характеризующихся параллельной ориентацией магнитных моментов атомных носителей магнетизма.
Параллельная ориентация магнитных моментов существует в довольно больших участках вещества - доменах. Суммарные магнитные моменты отдельных доменов имеют очень большую величину, однако сами домены обычно ориентированы в веществе хаотично. При наложении магнитного поля происходит ориентация доменов, что приводит к возникновению суммарного магнитного момента у всего объема ферромагнетика, и, как следствие, к его намагничиванию.
Естественно, что ферромагнетики, как и парамагнетики, перемещаются в ту точку поля, где напряженность максимальная (втягиваются в магнитное поле). Из-за большой величины магнитной проницаемости сила, действующая на них, гораздо больше.
Диапазон температур Кюри для ферромагнетиков очень широк: у радолиния температура Кюри 20 0 C, для чистого железа - 1043 К. Практически всегда можно подобрать вещество с нужной температурой Кюри.
При понижении температуры все парамагнетики, кроме тех, у которых парамагнетизм обусловлен электронами проводимости, переходят либо в ферромагнитное, либо в антиферромагнитное состояние.
Для антиферромагнетиков также существует температура, при которой антипараллельная ориентация спинов исчезает. Эта температура называется антиферромагнитной точкой Кюри или точкой Нееля.
У некоторых ферромагнетиков (эрбин, диоброзин, сплавов марганца и меди) таких температур две (верхняя и нижняя точка Нееля), причем антиферромагнитные свойства наблюдаются только при промежуточных температурах. Выше верхней точки вещество ведет себя как парамагнетик, а при температурах, меньших нижней точки Нееля, становится ферромагнетиком.
Ферримагнетизм - (или антиферромагнетизм нескомпенсированный) совокупность магнитных свойств веществ (ферромагнетиков) в твердом состоянии, обусловленных наличием внутри тела межэлектронного обменного взаимодействия, стремящегося создать антипараллельную ориентацию соседних атомных магнитных моментов. В отличие от антиферромагнетиков, соседние противоположно направленные магнитные моменты в силу каких-либо причин не полностью компенсируют друг друга. Поведение ферримагнетика во внешнем поле во многом аналогично ферромагнетику, но температурная зависимость свойств имеет иной вид: иногда существует точка компенсации суммарного магнитного момента при температуре ниже точки Нееля. По электрическим свойствам ферромагнетики - диэлектрики или полупроводники.
Суперпарамагнетизм - квазипарамагнитное поведение систем, состоящих из совокупности экстремально малых ферро- или ферримагнитных частиц. Частицы этих веществ при определенно малых размерах переходят в однодоменное состояние с однородной самопроизвольной намагниченностью по всему объему частицы. Совокупность таких веществ ведет себя по отношению к воздействию внешнего магнитного поля и температуры подобно парамагнитному газу (сплавы меди с кобальтом, тонкие порошки никеля и т.д.).
Суперпарамагнетизм применяется в тонких структурных исследованиях, в методах неразрушающего определения размеров, форм, количества и состава магнитной фазы и т.п.
Пьезомагнетики - вещества, у которых при наложении упругих напряжений возникает спонтанный магнитный эффект, пропорциональный первой степени величины напряжений. Этот эффект весьма мал и легче всего его обнаружить в антиферромагнетиках.
Магнитоэлектрики - вещества, у которых при помещении их в электрическое поле возникает магнитный момент, пропорциональный значению поля.
21) Гармонические колебания. Условия, характеристики, уравнение, графики .
Гармонические колебания - колебания, при которых физическая (или любая другая) величина изменяется с течением времени по синусоидальному или косинусоидальному закону. Кинематическое уравнение гармонических колебаний имеет вид
где х - смещение (отклонение) колеблющейся точки от положения равновесия в момент времени t; А - амплитуда колебаний, это величина, определяющая максимальное отклонение колеблющейся точки от положения равновесия; ω - циклическая частота, величина, показывающая число полных колебаний происходящих в течение 2π секунд; - полная фаза колебаний, - начальная фаза колебаний.
Обобщенное гармоническое колебание в дифференциальном виде: 
Контрольная работа по теме « Электромагнитные явления» (8 класс.)
Вариант 1.
Из перечисленных примеров укажите связанные с электромагнитными явлениями:
а) взаимодействие параллельных токов,
б) взаимодействие двух магнитов,
в) падение мяча к Земле,
г) скатывание шарика по наклонному желобу,
д) взаимодействие проводника с током и магнитной стрелки.
2. Два магнита обращены друг к другу северными полюсами. Как магниты будут взаимодействовать между собой?
а) Притягиваться. б) Отталкиваться. в) Не будут взаимодействовать. г) Среди ответов нет правильного.
3. При пропускании постоянного электрического тока через проводник вокруг него возникает магнитное поле. Оно обнаруживается по расположению стальных опилок на листе бумаги или магнитной стрелки, находящихся вблизи проводника.В каком случае это поле исчезает?
а) Если убрать стальные опилки. б) Если убрать магнитную стрелку. в) Если убрать стальные опилки и магнитную стрелку. г) Если отключить электрический ток в проводнике.
5 . В чем суть гипотезы Ампера? Как согласуется гипотеза Ампера с современными представлениями о строении вещества?
9 . У вас имеются три предмета – « прибора »:
1) постоянный магнит, 2) стальной ненамагниченный стержень, 3) медный стержень.
В трех « черных ящиках » находятся эти же три предмета. Какими приборами и в какой последовательности лучше воспользоваться, чтобы выяснить, что лежит в каждом из трех «черных ящиков» ?
10. Электродвигатель постоянного тока потребляет от источника с напряжением 42 В ток силой 3 А. Какова механическая мощность мотора, если сопротивление его обмотки равно 5 Ом? Каков его К.П.Д.?
Вариант 2.
Что наблюдалось в опыте Эрстеда?
а) Взаимодействие двух параллельных проводников с током.
б) Взаимодействие двух магнитных стрелок.
в) Поворот магнитной стрелки вблизи проводника при пропускании через него тока.
г) Возникновение электрического тока в катушке при помещении в нее магнита.
2. Как взаимодействуют между собой два параллельных проводника, если по ним протекают токи в одном направлении?
а) Притягиваются. б) Отталкиваются. в) Сила взаимодействия равна нулю. г) Правильный ответ не приведен.
3. При пропускании постоянного электрического тока через проводник вокруг него возникает магнитное поле. Оно обнаруживается по расположению стальных опилок на листе бумаги или повороту магнитной стрелки, находящихся вблизи проводника.Каким образом это магнитное поле можно переместить в пространстве?
а) Переносом стальных опилок. б) Переносом магнита. в) Переносом проводника с током. г) Магнитное поле переместить невозможно.
4. Как расположатся магнитные стрелки, помещенные в точки А и В внутри катушки при размыкании ключа К?
а) Одинаково- северным полюсом вправо по рисунку.
б) Одинаково- северным полюсом влево по рисунку.
в) Стрелки северными полюсами обращены друг к другу.
г) Стрелки южными полюсами обращены друг к другу.
5. Почему устройство двигателей переменного тока проще, чем постоянного? Почему на транспорте используют моторы постоянного тока?
6. Определить полюса электромагнита.
7. Изобразить магнитное поле токов и определить направление силовых линий магнитного поля.
8. Определить направление силы, действующей на проводник с током, помещенный в магнитное поле.
9 . У вас имеются три предмета – « прибора »: деревянный брусок, два стальных гвоздя, не притягивающихся друг к другу, и постоянный магнит.
В трех « черных ящиках » находятся соответственно: магнит, два гвоздя и деревянный брусок. Какими приборами и в какой последовательности лучше воспользоваться, чтобы выяснить, что лежит в каждом из ящиков?
10. Электродвигатель постоянного тока потребляет от источника с напряжением 24 В ток силой 2 А. Какова механическая мощность мотора, если сопротивление его обмотки равно 3 Ом? Каков его К.П.Д.?
