Лекция по теме "Магнитное поле (экспериментальные свидетельства). Опыт Эрстеда"

Магнитное поле (экспериментальные свидетельства). Опыт Эрстеда

Магнитное поле

Экспериментальные факты:

1. магнитное поле действует на движущиеся заряды; 2. движущиеся заряды создают магнитное поле.

Пучок электронов

Постоянный магнит

2

Магнитное поле

Магнитным полем называют вид материи, посредством которой осуществляется силовое воздействие на движущиеся электрические заряды, помещенные в поле, и другие тела, обладающие магнитным моментом.

Магнитное     поле    есть     одна    из  форм      проявления электромагнитного поля.

Магнитное поле не действует на покоящиеся заряды.

3

Рамка с током в магнитном поле

Если по рамке с током, помещенной в магнитное поле пропускать ток, то она поворачивается.

На рамку с током в магнитном поле действует момент силы М, зависящий от ряда факторов, в том числе и от ориентации рамки.

Максимальное значение момента силы М_mах зависит от магнитного поля, в котором находится контур, и от самого контура: силы тока I, протекающего по нему, и площади контура S, то есть действие магнитного поля на контур с током определяется величиной:

𝒑_𝒎=𝑰𝑺

где 𝒑_𝒎 – магнитный момент рамки с током.

Магнитный момент

Магнитный момент 𝒑𝒎 – это вектор, направление которого перпендикулярно плоскости контура с током (по правилу  «правого винта»),  а    значение определяется формулой:                                                                                                      𝒑𝒎=𝑰𝑺,        [А·м2] где I – сила тока, протекающего через контур; S – площадь контура.

Характеристики магнитного поля

Силовая характеристика магнитного поля – вектор магнитной индукции 𝑩

Магнитные силовые линии

Магнитное поле графически изображается с помощью магнитных силовых линий. Касательные к силовым линиям показывают направление вектора магнитной индукции в соответствующих точках, а густота линий пропорциональна величине В. Линии магнитной индукции не имеют начала или конца и являются замкнутыми.

                               Магнитные силовые линии - примеры                           

Принцип суперпозиции магнитного полей

8

Пример

Закон Ампера

Закон Ампера: сила 𝑭, с которой магнитное поле действует на элемент прямого проводника длины l с током I, находящегося в магнитном поле с индукцией 𝑩, равна: F  I l B[ , ]                                                                                                                                                                    F  I l B  sin  - угол между  и l В Направление 𝒍Ԧ совпадает с направлением тока I.

             Левая рука!            Правая рука!

Взаимодействие параллельных токов

Закон  Ампера      применяется   для определения   силы взаимодействия двух токов. Два   параллельных   проводника   с   токами   I1    и   I2    находятся   на расстоянии R друг от друга. Направление сил 𝑭𝟏 и 𝑭𝟐, с которыми поля 𝑩𝟏и 𝑩𝟐действуют на проводники с токами I2 и I1, определяются законом Ампера.

Взаимодействие параллельных токов

По формуле для магнитного поля бесконечного прямого провода:                              0 2I                                                                                  B         4 R Тогда проводник с током I1создает в месте расположения проводника с током I2магнитное поле с индукцией: B1  0  2I1 4 R По  закону   Ампера на   проводник   с     током I2 будет действовать сила со стороны проводника с током I1:                        F  I2  l B1F1  40  2I IR1 2 l 1 Аналогично для второго проводника:                                     F2  I l B1  2  0  2I I1 2  l     F1 4 R

Проводники с токами одинакового направления притягиваются, с токами разного направления — отталкиваются.

Магнитное поле свободно движущегося заряда

Сила Лоренца

Движение заряженных частиц в однородном магнитном поле

Пусть      в      однородное      магнитное      поле перпендикулярно вектору индукции 𝑩 влетает со скоростью υ положительно заряженная частица. На нее действует сила Лоренца 𝑭л, которая вызовет центростремительное ускорение 𝒂ц, и, по второму закону Ньютона: где q и m — заряд и масса частицы, R — радиус траектории, по которой она будет двигаться.

Период вращения:

T 2R 2

                                                                                                                                                                                                                                      (q m B/                                                                            )

Радиус траектории остается постоянным, а сама траектория есть окружность.

Движение заряженных частиц в магнитном и электрическом полях

Если действуют электрическое поле с напряженностью 𝑬 и магнитное поле с магнитной индукцией 𝑩, то результирующая сила равна

Находясь в магнитном поле, вещества сами становятся источниками такого поля. В этом смысле все вещества являются магнетиками.

Будем считать, что электрон в атоме равномерно вращается вокруг ядра со скоростью 𝝊 по круговой орбите радиусом r. Такое движение аналогично круговому току и характеризуется магнитным моментом .

Так как макроскопические различия магнетиков обусловлены их строением, то целесообразно рассмотреть магнитные характеристики электронов, ядер, атомов и молекул, а также поведение этих частиц в магнитном поле.

Магнитный момент электрона

Магнитное поле воздействует на ориентацию частиц вещества, имеющих магнитные моменты, в результате чего вещество намагничивается (приобретает макроскопический магнитный момент). Степень намагничивания вещества характеризуется намагниченностью 𝑱Ԧ. Среднее значение вектора намагниченности 𝑱Ԧ равно отношению суммарного магнитного момента  всех частиц, расположенных в объеме магнетика, к его объему V: Намагниченность является средним магнитным моментом единицы объема магнетика. Единицей намагниченности служит ампер на метр (А/м).

Магнетики

Алюминий, платина, кислород, оксид азота, оксид марганца и др…

Инертные газы, азот, водород, кремний, висмут, золото, серебро, цинк, медь и др…

21 Железо, кобальт, никель, гадолиний и др…

Парамагнетики

Парамагнетики

Если стержень из парамагнетика подвесить в вакууме в однородном магнитном поле, то в положении равновесия он установится вдоль линий магнитной индукции (рис. вид сверху), что соответствует ориентации J по направлению В.

Магнитное поле, созданное парамагнетиком, усиливает, хотя и незначительно, внешнее магнитное поле, поэтому индукция В результирующего поля больше магнитной индукции В₀ поля вне парамагнетика (В > В₀).

Магнитная   проницаемость:

Электрон, вращающийся по орбите, характеризуется орбитальным магнитным моментом . Поэтому на него, как на контур с током, со стороны магнитного поля действует момент силы. Таким образом, создаются условия для возникновения прецессии электронной орбиты. Это приводит к появлению добавочного магнитного момента электрона 𝒑доб , направленного противоположно индукции  внешнего магнитного поля, что ослабляет поле. Так возникает диамагнетизм. Диамагнетизм присущ всем вещества, но парамагнетиках диамагнетизм перекрывается более сильным парамагнетизмом. Если магнитный момент молекул равен нулю, то диамагнетизм преобладает над парамагнетизмом; вещества, состоящие из таких молекул, относят к диамагнетикам.

Диамагнетики

Диамагнетики

Магнитная проницаемость:

Магнитное      поле,   созданное  диамагнетиком, ослабляет внешнее  магнитное     поле,   поэтому    индукция  В результирующего поля меньше магнитной индукции В₀ поля вне парамагнетика (В < В₀).

Ферромагнетики

Ферромагнетики, подобно парамагнетикам, создают намагниченность, направленную по индукции поля; их магнитная проницаемость много больше единицы (μ » 1, B >> B₀). Феррромагнетики имеют доменную структуру.

Ферромагнитные свойства присущи не отдельным атомам или молекулам, а лишь некоторым веществам, находящимся в кристаллическом состоянии. Намагниченность ферромагнетиков зависит не только от магнитной индукции внешнего магнитного поля, но и от их предыдущего состояния.

Ферромагнитные   свойства     вещества    сохраняются       лишь    ниже определенной температуры, называемой точкой Кюри.

                                                               B₀=0                                             B₀0

Ферромагнетики. Кривая намагничивания (Гистерезис)

Ферромагнетики. Применение в медицине

Применения в медицине: •        исправление грудной клетки у детей (Ю. Ф. Исаков, Э. А. Степанов и др.), •        магнитные   заглушки    для    предотвращения выделений из искусственного наружного свища ободочной кишки (В. Д. Федоров и др.), •        удаление ферромагнитных пылинок и опилок из глаза.

Магнитные свойства биотканей

Ткани организма в значительной степени диамагнитны. Однако в организме имеются и парамагнитные вещества (например, свободные радикалы).

На действие магнитного поля реагируют все клеточные органеллы, особенно митохондрии. К магнитному влиянию чувствительны нервная ткань, сердечно-сосудистая система, система крови и др.

Магнетизм биологических объектов, т. е. их магнитные свойства и магнитные поля, создаваемые ими, получили название биомагнетизма.

Магнитодиагностика

В основе магнитодиагностики лежит регистрация собственных магнитных полей биотканей, возникающих в результате протекающих в них физиологических процессов.

Регистрация временной зависимости индукции магнитного поля сердца (биотоков сердца) – магнитокардиография (диагностический метод). Магнитокардиография в отличие от электрокардиографии является бесконтактным методом.

Магнитное поле оказывает воздействие на биологические системы, которые в нем находятся. Это воздействие изучает раздел биофизики, называемый магнитобиологией.

В настоящее время физическая природа воздействия магнитного поля на биологические объекты еще не установлена!!!

Электромагнитная индукция

Явлениеэлектромагнитнойиндукции:

В замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, охватываемого этим контуром, возникает электрический ток, получивший название индукционного.

Открытие явления электромагнитной индукции: 1) показало взаимосвязь между электрическим и магнитным полем;

2) предложило способ получения электрического тока с помощью магнитного поля.

Магнитный поток

Для однородного магнитного поля магнитный поток Ф равен: Ф = 𝑩 · 𝑺 · cosα где В – индукция магнитного поля; S – площадь плоской поверхности; α – угол между вектором магнитной индукции 𝑩 и перпендикуляром к поверхности. Единицы измерения магнитного потока – Вебер [Вб].

Закон Фарадея

Возникновение индукционного тока указывает на наличие в цепи электродвижущей силы (ЭДС). Эта ЭДС называется электродвижущей силой электромагнитной индукции

Закон Фарадея: ЭДС электромагнитной индукции в контуре εi численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока (производной от потока по времени) сквозь поверхность, ограниченную этим контуром: dФ i  dt ЭДС электромагнитной индукции выражается в вольтах [B].

Правило Ленца

Направление индукционного тока определяется по правилу

Ленца

Правило Ленца:

При всяком изменении магнитного потока сквозь поверхность, натянутую на замкнутый проводящий контур, в последнем возникает индукционный ток такого направления, что его магнитное поле противодействует изменению магнитного потока.

Токи Фуко

Индукционный ток возникает не только в линейных проводниках, но и в массивных сплошных проводниках, помещенных в переменное магнитное поле. Эти токи замкнуты в толще проводника и называются вихревыми или токами Фуко, протекание которых сопровождается выделением теплоты.

Пример: Проводящий диск можно рассматривать как «набор» вложенных друг в друга замкнутых контуров. При изменении магнитного поля меняется и магнитный поток. Поэтому в каждом контуре индуцируется ток, изображенный стрелкой. Совокупность всех таких токов называют токами Фуко.

Импульсная магнитотерапия - лечебное применение импульсного магнитного поля при невысокой частоте следования импульсов (0,125-1000 имп/с).

Здесь используются нетепловые эффекты. Токи Фуко значительной плотности способны вызвать возбуждение волокон периферических нервов и ритмические сокращения миофибрилл скелетной мускулатуры, гладких мышц сосудов и внутренних органов. Вихревые токи низкой частоты способны блокировать афферентную импульсацию из болевого очага (купирование болевого синдрома).

Расположение индуктора при низкочастотной магнитотерапии нижней

конечности

Количество теплоты Q, выделяющейся за единицу времени в единице объема проводника, определяется формулой:                         k B2 2 kν –- коэффициентчастота ЭМ поля Q                                         . поля  В – индукция магн ρ – удельное сопротивление ткани Основное тепловое воздействие оказывается на ткани с малым удельным сопротивлением. Поэтому сильнее нагреваются ткани, богатые сосудами, например мышцы. В меньшей степени нагреваются такие ткани, как жир.

Высокочастотная магнитотерапия - лечебное применение магнитной составляющей гармонического электромагнитного поля высокой частоты (от 10 МГц) (устаревшее название этого метода - индуктотермия).

В результате явления электромагнитной индукции в проводящих тканях образуются вихревые токи Фуко, нагревающие объект.

Высокочастотная магнитотерапия - лечебное применение магнитной составляющей гармонического электромагнитного поля высокой частоты.

Для проведения физиотерапевтических процедур используют переменные магнитные поля с частотой 10-15 МГц. При этом используют кабельные индукторы различной формы : а - плоская продольная петля (чаще на спине); б - плоская круглая спираль (на туловище); в - цилиндрическая спираль (на конечностях).