Лекции по физике. Электричество, страница 7

называется магнитной проницаемостью вещества, - безразмерная величина. Она показывает во сколько раз усиливается магнитное поле в веществе. Напомним, что - диэлектрическая проницаемость показывает во сколько раз элек­трическое поле ослабляется в веществе.

10.3. Теорема о циркуляци вектора напряженности магнитного поля

Ранее было показано (см. 9.1), что для поля в вакууме . (10)

В случае поля в веществе эта теорема о циркуляции запишется так

(11)

где I и I’ соответственно алгебраические суммы макротоков и микротоков, охватываемых контуром L. Можно показать, что . (12)

С учетом этого (11) перепишется в виде , (13)

или, принимая во внимание (7), найдем и , где I= - алгебраическая сумма макротоков.

В итоге имеем . (14)

Выражение (14) представляет собой теорему о циркуляции вектора и гласит: Циркуляция вектора напряженности магнитного поля по любому замкнутому контуру L равна алгебраической сумме макротоков, охватываемых контуром. Вектор напряженности магнитного поля , являясь аналогом электрического смещения , определяется только макротоками. Из (14) следует, что Н измеряется в А/ м.

10.4. Виды магнетиков

В зависимости от знака и величины магнитной восприимчивости все магнетики под­разделяются на три группы:

1. диамагнетики, у которых  отрицательна и мала (10 10 ); для них несколько мень­ше единицы; диамагнетиками являются Zn, Au, Hg, Si, P, С (графит), Bi (висмут)... Диамагнетики незначительно ослабляют внешнее магнитное поле.

2) парамагнетики, у которых  положительна и мала (10 10 ); и с ростом температуры уменьшается по закону Кюри:  ~ 1/T, для них несколько больше единицы; диамагнстиками являются щелочные металлы, кислород... Парамагнетики незначительно усиливают внешнее магнитное поле.

3) ферромагнетики, у которых  положительна и очень велика: может достигать, например, у супермалоя 800000; для Fe магнитная проницаемость = 5000. Таким образом, ферромагнетики являются сильномагнитными веществами.

11.1. Явление электромагнитной индукции

Электрический ток создает вокруг себя магнитное поле. Существует и обратное явление: изменяющееся во времени магнитное поле вызывает (индуктирует) электрический ток. Это явление было открыто Фарадеем в 1831 г. и получило название электромагнитной ин­дукции, а возникающий ток называют индукционным током. Закон электромагнитной индукции гласит: «ПРИ ИЗМЕНЕНИИ МАГНИТНОГО ПОТОКА В КОНТУРЕ ВОЗНИКАЕТ ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА ИНДУКЦИИ, ПРОПОРЦИОНАЛЬНАЯ ВЗЯТОЙ С ОБРАТНЫМ ЗНАКОМ СКОРОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОТОКА» , т.е. . (1)

Знак "-" в (1) объясняет закон Ленца: Индукционный ток всегда направлен так, чтобы противодействовать причине, его вызвавшей. Пусть

Ф = Ф sin( ) = Ф sin(2 ) (2)

т огда = -Ф (3)

где - циклическая частота, v=1/T- частота, t - время, Ф - амплитудное значение

магнит­ного потока, - амплитуда ЭДС индукции, - начальная фаза.

Графики функций (2) и (3) показаны на рис. 1. и рис. 2. Если контур, в кото­ром индуктируется ЭДС, со­стоит из N витков, то ЭДС будет равна сумме ЭДС, ин­дуктируемых в каждом извитков в отдельности, т.е.

. (4)

Величину называют потокосцеплением или полным магнитным пото­ком. так что . (5)

11.2. Явление самоиндукции

Явление электромагнитной индукции наблюдается во всех случаях, когда изменяется магнитный поток, пронизывающий контур. В частности, этот магнитный поток может создаваться током, текущим в самом рассматриваемом контуре. При изменениях тока I в этом контуре изменяется также и полный магнитный поток , вследствие чего в контуре индуктируется ЭДС самоиндукции . Такое явление называется самоиндукцией. Поскольку , а Ф ~ B , B ~ I то , следовательно, ~ I , т.е

(6)

здесь L - называется индуктивностью контура, L = .

За единицу индуктивности в СИ принимается 1 Гн - генри: это индуктивность такого кон­тура, у которого при силе тока в нем в 1А, возникает сцепленный с ним полный магнитный поток , равный 1 Вб;

Можно найти, что в общем случае . (7)

Если при изменении тока индуктивность L контура не изменяется, то

. (8)

Для соленоида , (9)

где V=IS - объем соленоида, n-число витков, приходящееся на единицу длины соленоида.

11.3. Токи при размыкании и замыкании цепи

11.3.1. Токи при размыкании цепи

Поставим переключатель "П", рис. 3, из положения 2 в положение 1, разомкнув цепь,тогда

IR = .

Откуда (10)

Это линейное однородное дифференциальное уравнение первого порядка с разделяющимися переменными .

Решением его будет I = , (11)

где . График изменения тока при размыкании цепи

представлен на рис. 4.

11.3.2. Токи при замыкании цепи

Замкнем цепь (см. рис. 3), поставив переключатель "П" в полжение 2. Для нового состояния цепи имеем в соответствии с законом Ома IR = . Или

(12)

Э то линейное неоднородное дифференциальное уравнение первого порядка. Решением его будет (13)

где I₀= , - ЭДС источника, R - сопротивление нагрузки.

График изменения тока при замыкании цепи, показан на рис. 5.

11.4. Энергия магнитного поля

При возрастании тока в контуре в нем возникает ЭДС самоиндукции и закон Ома за­пишется , где , отсюда .

Полная работа источника тока за время dt dA =

здесь I Rdt - это работа, затрачиваемая на нагревание; LIdI - это работа дополнительная к работе источника тока, обусловленная индукционными явлениями в цепи. Вся работа, совершаемая в цепи для увеличения тока от 0 до I

. (14)

Эта работа и будет равна энергии магнитного поля, т.е. . (15)

Для соленоида индуктивность L определяется по формуле (9), что позволяет найти

. (16)

т.к. В= . Объемная плотность энергии магнитного поля

, (17)

она измеряется в СИ в Дж /м³.

Лекция 12. Основы теории Максвелла для электромагнитного поля

В 60-х годах прошлого века (около 1860 г.) Максвелл, основываясь на идеях Фарадея, обобщил законы электростатики и электромагнетизма: теорему Гаусса – Остроградского для электростатического поля и для магнитного поля ; закон полного тока ; закон электромагнитной индукции , и в результате разработал законченную теорию электромагнитного поля.

Теория Максвелла явилась величайшим вкладом в развитие классической физики. Она позволила с единой точки зрения понять широкий крут явлений, начиная от электро­статического поля неподвижных зарядов и заканчивая электромагнитной природой света.

Математическим выражением теории Максвелла служат четыре уравнения Максвелла. которые принято записывать в двух формах: интегральной и дифференциальной. Дифференциальные уравнения получаются из интегральных с помощью двух теорем векторного анализа – теоремы Гаусса и теоремы Стокса. Теорема Гаусса:

(1)

(2)

- проекции вектора на оси; V - объем, ограниченный поверхностью S.

Теорема Стокса: . (3)

здесь rot - ротор вектора , который является вектором и выражается в декартовых коор­динатах следующим образом: , (4)

S - площадь, ограниченная контуром L.

Уравнения Максвелла в интегральной форме выражают соотношения, справедливые для мысленно проведенных в электромагнитном поле неподвижных замкнутых контуров и поверхностей.

Уравнения Максвелла в дифференциальной форме показывают как связаны между собой характеристики электромагнитного поля и плотности зарядов и токов в каждой точке этого поля.

12.1. Первое уравнение Максвелла

Оно является обобщением закона электромагнитной индукции ,

и в интегральной форме имеет следующий вид (5)

и утверждает.что с переменным магнитным полем неразрывно связано вихревое электри­ческое поле , которое не зависит оттого находятся в нем проводники или нет. Из (3) следует, что . (6)

Из сравнения (5) и (6) находим, что (7)

Это и есть первое уравнение Максвелла в дифференциальной форме.

12.2. Ток смещения. Второе уравнение Максвелла

Максвелл обобщил закон полного тока предположив, что переменное электрическое поле, также как и электрический ток, является источником магнитно­го поля. Для количественной характеристики "магнитного действия" переменного электрического поля Максвелл ввел понятие тока смещения.

По теореме Гаусса - Остроградского поток электрического смещения сквозь замкну­тую поверхность