Здавалка
Главная | Обратная связь

Основные законы постоянного тока



1. Закон Ома для однородного участка цепи. Однородность участка означает, что на этом участке нет источника тока, т.е. ε=0.

Þ

2. Закон Ома для полной (замкнутой ) цепи.

где – полное сопротивление

R – внешнее сопротивление – сопротивление цепи

r - внутреннее сопротивление – сопротивление источника тока

3. Закон Ома для неоднородного участка цепи. Там где действует э.д.с. на носители тока кроме электростатических сил действуют еще сторонние силы.

Тогда

Если цепь замкнута , тогда

4. Закон Ома в дифференциальной форме

где - удельная проводимость проводника

- удельное сопротивление проводника

5. Закон Джоуля - Ленца в интегральной форме

6. Закон Джоуля – Ленца в дифференциальной форме

где ωудельная тепловая мощность тока.

 

Законы Ома позволяют рассчитать любую сложную цепь. Однако расчет разветвленных цепей, содержащих несколько замкнутых контуров сложен. Эти задачи можно решить, если пользоваться двумя правилами Кирхгофа.

 

I правило Кирхгофаправило узла

 

I1 Любая точка, в которой сходится не

I5 менее трех проводников называется

I2 узлом. Алгебраическая сумма токов

сходящихся в узле равна нулю.

I4

I3 Для нашего случая

I1 - I2 + I3 - I4 - I5 = 0

II правило Кирхгофаправило контура.

 

1 Ε1 R1 2 В любом замкнутом контуре

(произвольно выбранном в

I1 I1 разветвленной электрической

Ε2 R2 цепи) алгебраическая сумма

A · · B произведений токов на

I2 I2 сопротивление соответствую-

щих участков этого контура

Ε3 R3 равна алгебраической сумме,

4 I3 I3 3 имеющих в контуре э.д.с.

Свободные электроны при обычных температурах практически не покидают металл.Работа, которую нужно затратить для удаления электро -

на из металла в вакуум, называется работой выхода.

Если сообщить электронам в металлах энергию, необходимую для преодоления Авых, то наблюдается явление испускания электронов или электронной эмиссии.

В зависимости от способа сообщения электронам энергии различают:

- термоэлектронную эмиссию

- фотоэлектронную эмиссию

- вторичную электронную эмиссию

- автоэлектронную эмиссию

Термоэлектронная эмиссия – испускание электронов нагретыми телами.

IA

 

А Iнас

 

К UA

 

Зависимость тока I от напряжения U описывается законом

 

I = BU 3/2 - закон Богуславского – Ленгмюра

В – коэффициент, зависящий от формы, размера электродов и взаимного расположения.

При увеличении напряжения на аноде, ток возрастает до некоторого максимального значения Iнас ток насыщения.

Плотность тока насыщения определяется

Jнас = СТ2е A / kTформула Ричардсона – Дешмана

А – работа выхода электронов из катода

Т – температура

С – постоянная, теоретически одинаковая для всех металлов.

Фотоэлектронная эмиссия – это эмиссия электронов из металла под действием света, а также коротковолнового электромагнитного излучения.

Вторичная электронная эмиссия – испускание электронов поверхностью металлов, полупроводников или диэлектриков при бомбардировке их пучком электронов.

Автоэлектронная эмиссия - это эмиссия электронов с поверхности металлов под действием сильного внешнего электрического поля.

Газы при невысоких температурах и при давлениях, близких к атмосферному давлению являются хорошими изоляторами. Это объясняется тем, что в газах нет свободных зарядов, так как при обычных условиях газы состоят из атомов и молекул. Газ становится проводником электричества, когда некоторая часть его молекул ионизируется, т.е. произойдет расщепление нейтральных атомов и молекул на ионы и свободные электроны.

Прохождение электрического тока через газы называется газовым разрядом.

Ионизация газов может происходить под действием различных ионизаторов: сильный нагрев, короткое электромагнитное излучение (ультрафиолетовое, рентгеновское и g-излучения), корпускулярное излучение (поток электронов, диполей, a - частиц).

Для того чтобы выбить из молекулы один электрон, необходимо затратить определенную энергию – энергия ионизации.

Одновременно с процессом ионизации всегда идет обратный процесс – процесс рекомбинации: положительные и отрицательные ионы, положительные ионы и электроны встречаясь, воссоединяются с образованием нейтральных атомов и молекул.

Различают самостоятельный и несамостоятельный разряды.

Разряды, существующие, только под действием внешних ионизаторов называются несамостоятельными.

Разряд в газе, сохраняющийся после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным.

Напряжение, при котором возникает самостоятельный разряд, называется напряжением пробоя.

В зависимости от давления газа, конфигурации электродов, параметров внешней цепи различают 4 типа самостоятельного разряда: тлеющий, искровой, дуговой, коронный.

Тлеющий разряд возникает при низких давлениях. Широко используется в технике (рекламы). Неоновые газоразрядные трубки дают красное свечение, аргоновые – синевато – зеленые.

Искровой разряд возникает при больших напряженностях электрического поля (Е » 3×106В/м) в газе, находящемся под давлением порядка атмосферного. Используется для воспламенения горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания и предохранения электрической линии передачи от перенапряжения (искровые разрядники).

Дуговой разряд. Если после зажигания искрового разряда уменьшать расстояние между электродами, то разряд становится непрерывным – возникает дуговой разряд. Используют для сварки и резки металлов, кварцевые лампы, прожектора, дуговая печь.

Коронный разряд - высоковольтный электрический разряд при высоком давлении в резко неоднородном поле вблизи электродов с большой кривизной поверхности (острие). Используется в электрофильтрах – для очистки промышленных газов от примесей, при нанесении порошковых и лакокрасочных покрытий.

Плазма – сильно ионизованный газ, в котором концентрации положительных и отрицательных зарядов одинаковы. Различают

- высокотемпературную плазму, возникающую при сверхвысоких температурах.

- газоразрядную плазму, возникающую при газовом разряде.

Плазма характеризуется степенью ионизации a - отношением числа ионизованных частиц к полному их числу в единице объема плазмы. В зависимости от величины степени ионизации a говорят о слабо, умеренно и полностью ионизованной плазме.

Плазма обладает следующими свойствами:

- высокая степень ионизации газа

- концентрация положительных и отрицательных частиц в плазме практически одинаковы

- большая электропроводность (ток создается электроном)

- сильное взаимодействие с электрическими и магнитными полями

- колебания электронов в плазме с большой частотой (»108 Гц)

Все эти свойства позволяют считать плазму – четвертым состоянием вещества.

Классическая теория электропроводности металлов столкнулась с рядом трудностей при объяснении различных опытных данных. Это объясняется тем, что классическая электронная теория, развитая Друде, была чрезмерно упрощенной, так как предполагалось, что все электроны имеют одинаковые по модулю скорости теплового движения. В действительности же должно существовать распределение электронов по скоростям, электроны должны подчиняться какой-то статистике.

Однако надо отметить, что классическая электронная теория не утратила своего значения до настоящего времени, так как во многих случаях (при малой концентрации электронов и высокой температуре) она дает правильные и качественные результаты и является простой и наглядной.

Более последовательная теория – зонная теория. Суть теории: электроны в отдельном атоме распределяются только по дискретным энергетическим уровням. По принципу Паули на одном уровне может находиться не более двух электронов.

Согласно зонной теории, твердые тела можно рассматривать как потенциальную яму, электроны которого располагаются на энергетических уровнях.

· · Последний заполненный уровень от дна -

· · уровень Ферми.

· · Совокупность близко расположенных

· · электронных уровней - зоны разрешения.

Последняя заполненная зона – зона валентности. Выше валентной зоны – запрещенная зона, а выше, где имеются свободные уровни – зона проводимости.

 

З о н а п р о в о д и м о с т и

 
 


запрещ.

0,1-1,3 эВ
запрещ. зона

зона ∆W

 
 

 


валентная валентная

зона зона

металл полупроводник диэлектрик

Если к металлу приложить напряжение, электроны начинают перескакивать на верхние свободные зоны, в металле легко возникает электрический ток.

При низких температурах ток в полупроводнике не возникает: полупроводник ведет себя как диэлектрик. Для того, чтобы увеличить проводимость полупроводника, необходимо повысить температуру. Диэлектрики практически не проводят электрический ток: валентная зона полностью заполнена, а запрещенная зона очень широка.

Известно, что в полупроводнике имеются носители зарядов двух типов- электроны и дырки.

Механизм проводимости полупроводников, не содержащих, каких – ли-бо примесей называется собственной проводимостью полупроводника.

Собственная проводимость полупроводника невелика. Проводимость полупроводника резко увеличивается, если добавить небольшое количество примеси (сотые доли % примеси увеличивает проводимость в 100 раз).

Существенная особенность полупроводника состоит в том, что при наличии примесей наряду с собственной проводимостью возникает примесная проводимость. Примеси делятся на донорные и акцепторные .

Если валентность примеси больше на единицу, то примесь является донором, а полупроводник называется - n-типа - электронная проводимость. Если валентность примеси меньше на единицу, то примесь является акцептором, а полупроводник называется - р-типадырочная проводимость.

зона

проводимости Примеси вносят в запрещенную

· · зону, в результате чего шири-

донорные примеси на запрещенной зоны уменьша-

· · ется.

∆W акцепторные

примеси

· ·

· · валентная

· · зона

Фотопроводимость полупроводников – увеличение электропроводности полупроводников под действием электромагнитного излучения.

Воспользуемся зонной теорией.

Рассмотрим контакт двух металлов

+ А1 А2 - с различными работами выхода А1

и А2, т.е. с различными положения-

ми уровня Ферми.

1 2

При контакте металлов, так как А1<A2, электроны с более высоких уровней металла 1 переходят на более низкие уровни металла 2. Следовательно, металл 1 заряжается положительно, а металл 2 -отрицательно. Одновременно происходит смещение энергетических уровней, и процесс происходит до тех пор, пока уровни Ферми не выравняются.

А · · В Следовательно, между точками А

+ - и В (вне металла) устанавливается

разность потенциалов

1 2 - внешняя

контактная разность потенциалов. Внутри металла – внутренняя контактная разность потенциалов.

Причиной возникновения внутренней контактной разности потенциалов является различие концентраций электронов в контактирующих металлах.

- внутренняя контактная разность

потенциалов (вследствие диффузии)

где k – постоянная Больцмана

n1 и n2 – концентрация электронов в 1 и 2 металлах, е – электрон

Тогда - суммарная разность

потенциалов

Итальянский физик Вольта экспериментально изучил контактную разность потенциалов и сформулировал два закона:

1 –ый закон Вольта: При соединении двух проводников из разных металлов между ними возникает внутренняя контактная разность потенциалов, которая зависит только от их химического состава и температуры.

2 – ой закон Вольта: Разность потенциалов между концами цепи, состоящей из последовательно соединенных проводников, находящихся при одинаковой температуре, не зависит от химического состава промежуточных проводников и равна контактной разности потенциалов крайних

проводников. 1 2 3 4

 

j1 - j4

 

Замкнутая цепь из двух разных проводников – термопара – используется для более точного измерения температуры.

Если температура на концах спая одинакова, то тока в цепи не будет. Для того чтобы в цепи был ток, концы должны иметь разную температуру и в цепи появляется термо ЭДС.

 
 

 

 


Тогда e = С (Т1 – Т2)термоЭДС прямо пропорциональна разности температур.

Судельная термоЭДС [C] =

 

Если два различных металла привести в соприкосновение, то между ними возникает разность потенциалов, называемая контактной разностью потенциалов. Большую роль в современной физике полупроводников имеют p-n переходы, которые образуются при контакте полупроводников двух различных типов: p и n – типа

В полупроводнике n - типа имеется избыток

- + электронов, которые диффундируют в р -

р - + n полупроводник, имеющий избыток поло-

- + жительных дырок. Электроны, скапливаясь

около границы раздела, образуют в р- полу-

проводнике отрицательный объемный заряд, а дырки в n – полупроводнике положительный объемный заряд. Совокупность этих зарядов на границе раздела двух полупроводников создает запорный слой.

Если включить p – n – переход в цепь

р n постоянного тока, причем отрицательный

полюс подсоединяется к n -полупроводнику,

то n – полупроводнике, который потерял

+ - электроны в результате диффузии, будет

создаваться их непрерывная «подкачка» и через запорный слой пройдет электрический ток. Такое включение p – n – перехода называется прямым. Если поменять контакты, электрический ток через запорный слой не пойдет. В этом случае p – n – переход имеет обратное, запорное включение. Этим свойством p – n – перехода пользуются для выпрямления переменного тока. На этом основан принцип работы полупроводникового диода. Полупроводниковые диоды имеют преимущество перед ламповыми: малый вес, долговечность, механическая прочность. Также широкое распространение получили триоды – транзисторы.

Они бывают p-n-p и n-p-n- типа и позволяют осуществлять усиление электрического сигнала.

 

 

Тема 10. Магнитное поле в вакууме и в веществе

Основные свойства магнитного поля:

- магнитное поле порождается током (движущимися зарядами);

- магнитное поле обнаруживается по действию на ток.

Важная особенность магнитного поля: оно действует только на движущиеся в этом поле электрические заряды. А электрическое поле действует как на неподвижные, так и движущиеся в нем электрические заряды.

Магнитное поле характеризуется двумя величинами: вектор магнитной индукции и вектор напряженности.

Вектор магнитной индукции В характеризует результирующее магнитное поле, создаваемое всеми макро- и микротоками, т.е. в различных средах вектор магнитной вектор В будет иметь разные значения.

Вектор напряженности Н характеризует магнитное поле макротоков.

[B] = [Тл]

Вектор магнитной индукции В связан с вектором напряженности Н соотношением: В = mm0Н

m0 = 410-7 Гн/ммагнитная постоянная

m - магнитная проницаемость среды, показывающая во сколько раз магнитное поле макротоков вектора напряженности, усиливается за счет поля микротоков среды.

Макротоки – токи, текущие в проводах, микротоки – токи, обусловленные движением электронов в атомах и молекулах. Эти микротоки создают свое магнитное поле и могут поворачиваться в магнитных полях макротоков.

Так, как магнитное поле является силовым, то его по аналогии с электрическим полем изображают с помощью линий магнитной индукции.

Линиями магнитной индукции называются кривые, касательные к которым в каждой точке совпадают, с направлением вектора В. Линии магнитной

индукции всегда замкнуты.

I Направление силовых линий определяется

правилом буравчика: если рукоятку бурав-

чика ввинчивать по направлению тока, то

направление вращения ручки буравчика

указывает направление вектора магнитной

индукции.

Закон Био – Савара - Лапласа для проводника с током I, элемент dl которого создает в некоторой точке А напряженность имеет вид

 
 


Для магнитных полей также соблюдается принцип суперпозиции

       
 
   
 

 

 


Рассмотрим применение закона Био-Савара-Лапласа к расчету магнитных полей:

1.Напряженность магнитного поля для бесконечного прямолинейного проводника с током

2. Напряженность магнитного поля для проводника с конечной длиной

3. Напряженность магнитного поля в центре кругового тока

4. Напряженность магнитного поля на оси кругового тока

где х – расстояние от произвольной точки, лежащей на оси кругового тока.

На проводник с током со стороны магнитного поля действует сила Ампера

FA = IBl sina - сила Ампера

где a - угол между длиной проводника и вектором магнитной индукции.

Направление вектора силы Ампера определяется по правилу левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы в нее входил вектор магнитной индукции В, а четыре вытянутых пальца расположить по направлению тока в проводнике, то отогнутый большой палец покажет направление силы, действующий на ток.

Закон Ампера применяется для определения силы взаимодействия двух параллельных токов.

- закон Ампера

Если токи имеют противоположные направления – отталкиваются, одинаковые направления - притягиваются.

Поток вектора магнитной индукции (магнитный поток) через площадь dS, перпендикулярную полю, численно равен числу силовых линий, пронизывающих эту площадь

B Ф = ВScosa [Вб] - магнитный поток

 

S Поток вектора магнитной индукции Ф через

S произвольную поверхность S равен

 

Для однородного поля и плоской поверхности, расположенных перпендикулярно вектору магнитной индукции

Ф = ВS

Если поверхность замкнута, то полный поток вектора магнитной индукции

 

- теорема Остроградского-Гаусса для магнитного поля

Эта теорема отражает факт отсутствия магнитных зарядов, вследствие чего линии магнитной индукции не имеют ни начала, ни конца и являются замкнутыми.

Выясним, как ведет себя контур с током в магнитном поле. Пусть контур малых размеров со сторонами а и по которому течет ток I.

0

+ - На параллельные полю стороны поле не

действует. На стороны а в соответствии

I с правилом левой руки и формулой Ампе-

B ра действует пара сил, момент которой ра-

j вен M = Fh

а где F = IBa sinb - сила Ампера

I рm b - угол между магнитной индукцией и на-

ℓ правлением тока

0 h – плечо силы h = ℓcosj

j - угол между В и стороной ℓ.

Так, как sinb = 1, сторона а перпенди-

кулярна магнитной индукции В, то

F М = IBaℓcosj

aℓ = S – площадь прямоугольного контура

a B Тогда М = IBScosj

IS = рm - магнитный момент, то

h рm М = рm Bcosj

F

 

Направление вектора рm совпадает с положительным направлением нормали к плоскости контура, которое определяется правилом правого винта: если рукоятка винта вращается по направлению тока в контуре, то поступательное движение винта показывает направление вектора рm.

В случае контура произвольной формы в формулу вводится угол a между векторами магнитного момента рm и магнитной индукции В.

cosj = sin(90-j) = sina и тогда M = pmBsina

a- угол между векторами магнитного момента рm и магнитной индукции В.

Определим работу по перемещению проводника с током в магнитном поле. На проводник с током в магнитном поле действует сила Ампера

F = IBℓ sina

dx I Так, как поле перпендикулярно проте-

+ кающему по проводнику току, то

ℓ F a = 1 и F = IBℓ

Работа по перемещению проводника

1 2 I - dA = Fdx = IBℓ dx

ℓ dx = dS – площадь магнитного поля вектора магнитной индукции В, которую пересек при своем движении отрезок проводника.

Тогда

dA = IB dS

B dS = dФ – поток магнитной индукции сквозь площадь dS.

Таким образом, dA = I dФ

 

т.е. работа по перемещению проводника с током в магнитном поле равна произведению силы тока на изменение потока магнитной индукции сквозь площадь, обтекаемую потоком.

Магнитное поле действует не только на проводник с током, но и на отдельные заряды, движущиеся в магнитном поле.

Сила, действующая на заряд q, движущийся в магнитном поле со скоростью υ называется силой Лоренца.

Мы знаем, что сила, действующая на проводник с током F = IBlsina

Известно, что , то где - путь частицы

 

Тогда Fл = qυBsina - сила Лоренца

Направление силы Лоренца определяется с помощью по правилу левой руки, подразумевая, под направлением тока I направление скорости u и учитывая, что для q>0 (I и u совпадают), а для q<0 (I и u противоположны).

Направления силы F, скорости υ, и магнитной индукции В взаимно перпендикулярны. Сила Лоренца изменяет только направление скорости движения, частицы не изменяя модуля скорости. Следовательно, работа лоренцевой силы равна нулю, т.е. постоянное магнитное поле не совершает работы над движущейся в нем заряженной частицы (не изменяет кинетической энергии частицы). Переменное магнитное поле изменяет энергию и модуль скорости частицы.

Выражение для силы Лоренца позволяет найти ряд закономерностей движения заряженных частиц в магнитном поле.

1) a=0, то есть υВ, тогда сила Лоренца Fл = 0, т.е. магнитное поле на частицу не действует и она движется прямолинейно и равномерно.

2) a=900, то есть υ В, тогда Fл = qυB постоянна по модулю и нормальна к траектории частицы.

Согласно II – закона Ньютона, эта сила создает центростремительное ускорение

Отсюда следует, что частица будет двигаться по окружности радиусом

Период вращения частицы, т.е. время, затрачиваемое на один полный оборот

Вместо R подставим значение и получим

– удельный заряд.

3) 0 a 900 - частица движется по винтовой линии (спирали), ось которой параллельна магнитному полю. Шаг винтовой линии

h = υT = υTcosa

Подставив вместо Т его значение, получим

h =

Если на движущийся заряд помимо магнитного поля действует и электрическое поле, то результирующая сила F, приложенная к заряду

 

F = qE + qυB – формула Лоренца

 

Эффект Холла – это возникновение в металле или полупроводнике с током плотностью j, помещенном в магнитном поле вектора магнитной индукции В электрического поля в направлении, перпендикулярном вектору магнитной индукции В и плотностью тока j.

Металлическую пластину с током

d - - - - - - плотностью j поместим в магнитное

Fл j поле, где вектор магнитной индукции

υ перпендикулярен плотности тока.

a При данном направлении скорость

+ + + + электронов направлена в обратную

сторону.

В

На электроны действует сила Лоренца, которая направлена вверх. Тогда у верхнего края будет избыток электронов (зарядится отрицательно), а у нижнего края – их недостаток (зарядится положительно). В результате этого между пластинами возникает дополнительное поперечное электрическое поле, направленное снизу вверх. Когда напряженность ЕВ этого поперечного поля достигнет такой величины, что его действие на заряды будет уравновешивать силу Лоренца, то установится стационарное распределение зарядов.

F = eEB - электрическая сила

F = eυB - сила Лоренца

Тогда eEB = eυB

 

Известно, что , тогда

или Dj = υB aхолловская разность потенциалов

Учитывая, что I =jS = neυS Þ получим

 
 

 


где S = ad – площадь поперечного сечения,

- постоянная Холла, зависит от вещества

Следовательно - холловская разность потенциалов.

Все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются. Рассмотрим причину этого явления с точки зрения строения атомов и молекул. Мы говорили, что существуют макротоки и микротоки.

Микротоки обусловлены движением электронов в атомах и молекулах. Электрон в атоме движется по круговым орбитам, поэтому он обладает орбитальным магнитным моментом pm = IS = evS

где I = ev – сила тока

n - частота вращения электрона по орбите, S – площадь орбиты

pm Если электрон движется по часовой стрелке,

I то ток направлен против часовой стрелки и

r e вектор pm по правилу правого винта перпен-

дикулярен плоскости орбиты электрона.

u С другой стороны, движущийся по орбите

 

Le электрон обладает механическим моментом

импульса Le

Le = mur = 2mnSорбитальный момент электрона

где u = 2pn r S = p r2

Направление момента импульса Le также подчиняется правилу правого винта.

Направления вектора магнитного момента pm и механического момента импульса Le противоположны, поэтому

 
 


- гиромагнитное отношение орбитальных моментов.

«-» показывает, что вектор магнитного момента pm и механического момента импульса Le противоположны.

Электрон также обладает собственным механическим моментом импульса LeS – спином. Спин является неотъемлемым свойством электрона, подобно его заряду и массе. Спину электрона LeS соответствует собственный (спиновый) магнитный момент

рmS = qSLeS

gS – гиромагнитное отношение спиновых моментов.

Проекция рmS на направление вектора магнитной индукции В

 

 

где h - постоянная Планка

mВ – магнетон Бора – единица магнитного момента электрона.

Тогда общий магнитный момент атома (молекулы)

 
 

 


равен сумме орбитальных и спиновых магнитных моментов, входящих в атом электронов. Таким образом, атомы обладают магнитными моментами.

Всякое вещество является магнетиком, т.е. способно под действием поля намагничиваться или приобретать магнитный момент. По своим магнитным свойствам магнетики подразделяются на три основные группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Всякое вещество при внесении её во внешнее магнитное поле намагничивается в той или иной степени, т.е. создает свое собственное магнитное поле, накладывающееся на внешнее поле.

Количественной характеристикой намагниченного состояния вещества служит векторная величина – намагниченность j, равная отношению магнитного момента малого объема вещества к этому объему DV.

 


pmi – магнитный момент i-го атома из общего числа n атомов, содержащихся в объеме DV. Этот объем DV должен быть столь малым, чтобы в его пределах магнитное поле можно считать однородным.

Диамагнетики – вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении, противоположном направлению вектора магнитной индукции В и ослабляют магнитное поле. В отсутствии внешнего поля магнитный момент pm=m<1. При внесении диамагнетика в магнитное поле атомы приобретают наведенные магнитные моменты, пропорциональные вектору магнитной индукции В и противоположны ему по направлению.

Парамагнетики - вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении вектора магнитной индукции В. Атомы (молекулы или ионы) парамагнетика обладают собственным магнитным моментом рm – намагничивается, усиливает магнитное поле m>1.Процесс намагничивания парамагнетиков состоит в упорядочении расположения магнитных моментов его атомов (молекул) по отношению к направлению вектор магнитной индукции В.

Ферромагнетики – сильномагнитные вещества, обладающие спонтанной намагниченностью, т.е. намагничены даже при отсутствии внешнего поля.

j Для диа- и парамагнетиков зависи-

jнас ферро мость j от Н линейна, то для ферро-

магнетиков по мере возрастания

пара напряженности Н намагниченость

j растет вначале быстро, а потом

Н медленнее и наступает магнитное

насыщение jнас, уже не зависящее

диа от напряженности поля.

j

Если намагнитить ферромагнетик до

jнас 1 насыщения (точка 1), а затем начать

2 уменьшать напряженность намагни-

6 чивающего поля, то уменьшение на-

насс 0 Не Н магниченности описывается кривой

3 Ннас 1-2. При Н = 0, намагниченность не

-jост 5 равна нулю, т.е. наблюдается ос-

таточная намагниченность jост.

4 -jнас

 

магнитный гистерезис

 

В постоянных магнитах намагниченность j обращается в нуль под действием поля Нс, имеющего направление, противоположное полю, вызывающему намагничивание. Напряженность Нс называется коэрцитивной силой. При дальнейшем увеличении противоположного поля ферромагнетик перемагничивается (3-4) и при Н = -Ннас достигается насыщение (точка 4). Затем ферромагнетик можно опять размагнитить (4-5-6) и вновь перемагнитить до насыщения (6-1). Ферромагнетики обладают еще одной особенностью - для каждого ферромагнетика имеется определенная температура, при которой он теряет свои особые магнитные свойства – точка Кюри. Эти свойства ферромагнетиков объясняется особенностью их структуры – доменной структурой. В ферромагнетике имеются небольшие области – домены, которые представляют собой маленькие магнитики, внутри которых магнитные моменты всех молекул направлены в одну сторону. Так, как расположение самих доменов беспорядочно, то суммарный магнитный момент большого куска намагниченного ферромагнетика равен нулю. Когда ферромагнетик помещают в магнитное поле, происходит ориентировка магнитных моментов доменов и в результате возникает макроскопическое намагничение.

Циркуляцией вектора магнитной индукции В в вакууме по замкнутому контуру называется интеграл

где dl – вектор элементарной длины контура, направленной вдоль обхода контура

Bl = Bcosα – составляющая вектора В в направлении касательной к контуру

α – угол между векторами В и dl.

Закон полного тока для магнитного поля в вакууме (теорема о циркуляции вектора В)

 

n – число проводников с током, охватываемых контуром.

В веществе на магнитное поле макротоков В0 (называется внешним) накладывается дополнительное магнитное поле микротоков (внутреннее) - Ввнут.

Таким образом, магнитная индукция В зависит от магнитных свойств магнетика.

В общем случае

Тогда, можно записать

В = В0 + Ввнут

Магнитная индукция В характеризует результирующее магнитное поле в веществе

 
 


Для поля в веществе

 

Тогда закон полного тока для магнитного поля в веществе

 

 

- - напряженность магнитного поля

 

Тогда - закон полного тока для магнитного поля в среде

 

или теорема о циркуляции напряженности Н.

С помощью закона полного тока можно вычислить магнитное поле соленоида и тороида.

Соленоид – цилиндрическая катушка с током, состоящая из большого числа витков проволоки, которые образуют винтовую линию.

- магнитная индукция поля внутри соленоида

N - число витков; - число витков на единицу длины.

Тороид - кольцевая катушка с током, витки которой намотаны на сердечник, имеющий форму тора.

В этом случае , где ℓ = 2πR – длина окружности

 
 


Тогда - магнитная индукция поля тороида.

Тема 11. Явление электромагнитной индукции

Явление электромагнитной индукции - возникновение электрического тока в замкнутом контуре при изменении потока магнитной индукции через поверхность, ограниченную эти контуром. Возникающий ток называется индукционным, который указывает на наличие в цепи э.д.с. индукции.

- закон Фарадея для электромагнитной индукции Знак «-» обусловлен правилом Ленца: индукционный ток в контуре имеет всегда такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот индукционный ток.

Если контур, в котором индуцируется э.д.с., состоит не из одного витка, а из N витков, то электромагнитная индукция равна сумме э.д.с., индуцируемых в каждом витке

 

 

- потокосцепление (полный магнитный поток)

Тогда

Закон электромагнитной индукции является универсальным: εi не зависит от способа изменения магнитного потока.

Явление электромагнитной индукции применяется для преобразования механической энергии в энергию электрического тока. Для этой цели используются генераторы, принцип действия которых можно рассмотреть на примере плоской рамки, вращающейся в однородном магнитном поле.

Предположим, что рамка вращается в однородном магнитном поле

(В = const) равномерно с угловой скоростью ω = cоnst.

Магнитный поток в любой момент

n времени Ф = ВnS = BS cosα

α α = wt – угол поворота в момент

времени t Ф = BS coswt

ω При вращении рамки в ней возни-

кает переменная э.д.с. индукции

 
 


При sin ωt = 1, emax = BSω Тогда ei = emax sinωt,

т.е. в рамке возникает переменная э.д.с., изменяющаяся по гармоническому закону.

Процесс превращения механической энергии в электрическую обратим. Если через рамку, помещенную в магнитное поле пропускать электрический ток, то на нее будет действовать вращающий момент и рамка начнет вращаться. На этом принципе основана работа электродвигателей, предназначенных для превращения электрической энергии в механическую энергию. Индукционный ток возникает не только в линейных проводниках, но и в массивных сплошных проводниках, помещенных в переменное магнитное поле. Эти токи оказываются замкнутыми в толще проводника и называются вихревыми. Их также называют токами Фуко – по имени первого исследователя. Токи Фуко также подчиняются правилам Ленца.

Взаимной индукцией называется возбуждение тока в контуре при изменении тока в другом (соседнем контуре).

В контуре 1 идет ток I1. В магнитном

поле этого контура находится контур 2.

При изменении тока в контуре 1 изме-

I1 I2 няется магнитное поле, пронизываю-

щий контур 2.

1 2 Тогда 2 ~ dI.

или dФ = L dI

где L – взаимная индуктивность контуров.

В результате в этом контуре появится э.д.с. взаимной индукции

 
 


 

[L] = [Гн] – Генри - индуктивность контура

Индуктивность зависит от формы, размеров и магнитной проницаемости среды, где находится контур.

Самоиндукция – возникновение э.д.с. индукции в проводящем контуре при изменении в нем силы тока.При изменении тока в контуре будет меняться магнитный поток, следовательно, в контуре будет индуцироваться э.д.с

Следовательно - э.д.с. самоиндукции

«-» показывает, что наличие индуктивности в контуре приводит к замедлению изменения тока в нем.

Выясним, от чего зависит L. Для этого вычислим индуктивность соленоида.

Полный магнитный поток Ψ = NФ

- число витков на единицу длины, а магнитный поток Ф = BS Тогда Ψ = nℓBS = nℓSμμ0nI = μμ0n2IℓS = μμ0n2 VI

где ℓS = V – объем соленоида.

Мы знаем, что Ψ = L I

Отсюда

- индуктивность соленоида

При всяком изменении силы тока в проводящем контуре возникает э.д.с. самоиндукции и в контуре появляются дополнительные токи - экстратоки самоиндукции. Экстратоки самоиндукции по правилу Ленца всегда направлены так, чтобы препятствовать изменениям тока в цепи. Это приводит к тому, что установление тока при замыкании цепи и убывание тока при размыкании цепи происходит не мгновенно, а постепенно.

Рассмотрим характер изменения тока при размыкании цепи, содержащей источника тока с э.д.с. ε, резистор сопротивлением R и катушку индуктивностью L.

Под действием внешней э.д.с. в цепи течет

L постоянный ток I0 = ε/R

R (внутренним сопротивлением источника

пренебрегаем).

В момент размыкания цепи ток через ка-

ε тушку начнет уменьшаться, что приведет к возникновению э.д.с. самоиндукции

 

препятствующий, по правилу Ленца, уменьшению тока.

В каждый момент времени ток в цепи определяется законом Ома

тогда

Разделим переменные на I

 
 

 


Проинтегрируем

           
     


 

 

- время релаксации

Тогда - ток размыкания

t - время, в течение которого сила тока уменьшается в е раз.

Таким образом, при отключении источника сила тока не обращается мгновенно в нуль, а убывает по экспоненциальному закону и определяется кривой 1.

I Чем больше индуктивность цепи L и

I0 меньше ее сопротивление R, тем

2 больше постоянная времени t и тем

медленнее уменьшается ток в цепи

при её размыкании.

t

Рассмотрим случай замыкания цепи. После подключения источника пока сила тока не достигнет установившего значения I0, в цепи будет действовать э.д.с. самоиндукции

 
 


или

 

Разделим переменные и проинтегрируем

 

в момент t = 0, I = 0

 

здесь ln c = ln I0

           
     
 
 


или Þ

 

Эта функция описывает нарастание тока в цепи после подключения к ней источника э.д.с. и определяется кривой 2.

Проводник, по которому течет электрический ток, всегда окружен магнитным полем, причем магнитное поле появляется и исчезает вместе с появлением и исчезновением тока. Магнитное поле, как и электрическое, является носителем энергии. Энергия магнитного поля равна работе, которая затрачивается током на создание этого поля.

Пусть в контуре с индуктивностью L течет ток, возрастая от 0 до максимального значения I.

Он создает магнитный поток Ф = LI

Изменение тока на малую величину dI, сопровождается изменением магнитного потока dФ = LdI

Для изменения магнитного потока на dФ, необходимо совершить работу

dА = IdФ = LidI

Тогда работа по созданию магнитного потока Ф

       
   
 
 

 

 


Следовательно - энергия магнитного поля.

 

Для соленоида L = mm0n2V Так, как H = In Þ I = H/n

 
 


Тогда ,

 
 


- энергия магнитного поля соленоида

Магнитное поле соленоида однородно и сосредоточено внутри него, по этому энергия заключена в объеме соленоида и распределена в нем с объемной плотностью

 

 

Тема 12. Основы теории Максвелла для электромагнитного поля

Из закона Фарадея следует, что любое изменение сцепленного с контуром потока магнитной индукции приводит к возникновению э.д.с. индукции и вследствие этого появляется индукционный ток. Следовательно, возникновение э.д.с. электромагнитной индукции возможно и в неподвижном контуре, находящемся в переменном магнитном поле. Но, э.д.с. возникает в любой цепи только тогда, когда на заряды действуют сторонние силы. Эти сторонние силы не связаны ни с тепловыми, ни с химическими процессами в контуре. Их возникновение нельзя объяснить силой Лоренца, так как сила Лоренца не действует на неподвижные заряды.

Максвелл высказал гипотезу, что всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле, которое является причиной возникновения индукционного тока в контуре.

 

Таким образом

 

 
 


то

 

Циркуляция напряженности электростатического поля EQ вдоль любого замкнутого контура

 

Следовательно, электрическое поле ЕВ, возбуждаемое магнитном полем, как и само магнитное поле, является вихревым.

Если всякое переменное магнитное поле возбуждает вихревое электромагнитное поле, то должно существовать и обратное явление: всякое изменение электрического поля должно вызывать вихревое магнитное поле. Для установления количественных соотношений между изменяющимся электрическим полем и вызывающим магнитным полем Максвелл ввел понятие тока смещения. Из всех физических свойств, присущих току проводимости Максвелл приписал току смещения лишь одно – способность создать в окружающем пространстве магнитное поле. По своей сути ток смещения – это изменяющееся со временем электрическое поле. Поэтому ток смещения существует не только в вакууме и диэлектриках, но и внутри проводников, по которым течет переменный ток.

Максвелл ввел понятие полного тока равного сумме тока проводимости и тока смещения.

Плотность полного тока j = jпр + jсм

где - плотность тока смещения

D электрическое смещение D = εε0Е

 

Тогда теорема о циркуляции вектора магнитной напряженности Н запишется в виде

- обобщенная теорема о циркуляции

вектора магнитной напряженности

 

В основе теории Максвелла лежит четыре уравнения:

1. - это уравнение показывает, что источниками электрического поля могут быть не только электрические заряды, но и меняющиеся во времени магнитные поля.

2. - это уравнение показывает, что магнитные поля могут возбуждаться либо движущимися зарядами (электрическими токами), либо переменными электрическими полями.

3. - теорема Гаусса для поля диэлектрического смещения

D электростатического поля в диэлектрике

4. - теорема Гаусса для поля В

Итак, полную систему уравнений Максвелла в интегральной форме составляют эти четыре уравнения.

Между величинами, входящими в уравнения Максвелла есть связь

D =εε0E ; B = μμ0H; j = γE

Из уравнения Максвелла вытекает, что источниками электромагнитного поля могут быть либо электрические заряды, либо изменяющееся во времени магнитное поле, а магнитные поля могут возбуждаться либо движущимися электрическими зарядами (электрическими токами), либо переменными электрическими полями.

Среди различных электрических явлений особое место занимают электромагнитные колебания, при которых заряды, токи периодически изменяются и которые сопровождаются взаимными превращениями электрических и магнитных полей.

Для возбуждения и поддерживания электромагнитных колебаний используется колебательный контур, состоящий из катушки индук







©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.