Магнитное поле электрического тока

                                           СОДЕРЖАНИЕ 

1   Введение…………………………………………………………....1

2   Магнитное поле электрического тока………………………....4

3   Магнетики в магнитном поле…………………………………..7

3.1 Магнитные моменты электронов и атомов………………......7

3.2 Атом в магнитном поле................................................................10

3.3 Диамагнетики и парамагнетики в однородном магнитном поле.........................................................................................................12

4 Магнитное поле в магнетиках......................................................17

5 Ферромагнетики..............................................................................19

6 Список использованной литературы...........................................21 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

     Огромный  круг явлений природы определяется магнитными силами. Магнитные силы являются источником многих явлений микромира, т. е. поведения атомов, молекул, атомных ядер и элементарных частиц – электронов, протонов, нейтронов и пр.; магнитные явления характерны и для огромных небесных тел. Солнце и Земля – это огромные магниты. Половина энергии электромагнитных волн (радиоволн, инфракрасного, видимого и ультрафиолетового излучения, рентгеновых и гамма-лучей) является магнитной.

     Немагнитных веществ не существует. Любое вещество всегда магнитно, т. е. изменяет свои свойства в магнитном поле. Иногда эти изменения  невелики и обнаружить их можно только с помощью очень совершенной  аппаратуры; иногда они весьма значительны и обнаруживаются без особого труда с помощью очень простых средств. К слабомагнитным веществам относятся медь, алюминий, вода, ртуть и пр., к сильномагнитным или просто магнитным (при обычных температурах) – железо, никель, кобальт, некоторые сплавы.

     Изучение магнитных явлений чрезвычайно важно как с теоретической, так и с практической стороны. Современная электротехника весьма широко использует магнитные свойства вещества для получения электрической энергии, для ее превращения в различные другие виды энергии. В аппаратах проволочной и беспроволочной связи, в телевидении, автоматике и телемеханике употребляются материалы с определенными магнитными свойствами. Магнитные явления играют существенную роль также в живой природе.

     Необычайная общность магнитных явлений, их огромная практическая значимость, естественно, приводят к тому, что учение о  магнетизме является одним из важнейших разделов современной физики.

     В жизни современного человека физика играет особую роль. Глубоко проникая в тайны строения материи, устанавливая закономерности, лежащие в основе различных форм ее движения, разрабатывая необычайно тонкие методы исследования и контроля различных процессов и явлений, физика является основой всех естественных наук и прочным фундаментом современной техники.

     В теории магнетизма считается, что электрон обладает квантовым свойством, т.е. спином, вследствие чего ведет себя как стрелка компаса, которая вращается вокруг своей оси и соединяющая южный и северный полюса. Спины электронов могут быть ориентированы в направлениях, которые обычно называют «спин-вверх» (мажорные спины) и «спин-вниз» (минорные спины).

     Электрон, участвующий в процессе прохождения электрического тока, совершает квантовые переходы за счёт энергии источника тока. Переход электрона с одного квантового уровня на другой на определенном участке цепи – потребителе тока сопровождается испусканием кванта энергии в виде гравитона. Электроны, не участвующие в процессе электрического тока, не изменяют своего энергетического состояния. Таким образом, в квантовой модели электрического тока гравитон является связывающим звеном между квантом электрического поля и квантом магнитного поля. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     2 Магнитное поле электрического тока 
 

     В 1820 г. датский физик Эрстед обнаружил  магнитное действие тока. Это явление заключается в том, что магнитная стрелка, помещенная вблизи проводника с током, отклоняется от плоскости магнитного меридиана и уже, как правило, не указывает с севера на юг.

     Над неподвижным проводом 1, расположенным  вдоль меридиана, т. е. в направлении  север — юг, подвешена на тонкой нити магнитная стрелка 2. Стрелка, как  известно, устанавливается также приблизительно по линии север — юг, и поэтому она располагается примерно параллельно проводу. Но как только мы замкнем ключ и пустим ток по проводу 1, мы увидим, что магнитная стрелка поворачивается, стремясь установиться под прямым углом к нему, т. е. в плоскости, перпендикулярной к проводу. Этот фундаментальный опыт показывает, что в пространстве, окружающем проводник с током, действуют силы, вызывающие движение магнитной стрелки, т. е. силы, подобные тем, которые действуют вблизи естественных и искусственных магнитов. Такие силы называют магнитными силами, так же, как силы, действующие на электрические заряды, называют электрическими.

 

      Для изучения  конфигурации магнитного поля, создаваемого током, можно использовать способ железных опилок. Если через отверстие в картонной пластинке пропустить прямолинейный проводник достаточной длины и затем насыпать на картон железные опилки и пропустить по проводнику электрический ток, то опилки расположатся в виде концентрических окружностей с центром на оси проводника. Силовые линии магнитного поля прямолинейного тока лежат в плоскости, перпендикулярной току, и представляют собой концентрические окружности с центром на оси тока.

     Для определения направления силовых  линий можно воспользоваться  небольшими магнитными стрелками. Расположение силовых линий магнитного поля прямолинейного тока дает возможность установить правило, по которому всегда легко определить направление силовых линий магнитного поля тока. Правило это называется правилом буравчика или правилом винта: если ввинчивать буравчик по направлению тока, то направление движения рукоятки буравчика укажет направление магнитных силовых линий.

     Магнитное поле тока, как и магнитное поле магнита, проявляется очень заметно только вблизи проводника. С удалением же от последнего поле становится все  менее и менее заметным.

     Магнитное поле характеризуется в каждой точке пространства особой величиной Н, называемой напряженностью магнитного поля. Чем больше напряженность поля, тем сильнее действие его на магнитную стрелку, на стальные или железные предметы. Напряженность поля в каждой его точке выражается определенным числом, причем за единицу напряженности поля принимается особая единица – эрстед, в честь ученого Эрстеда, открывшего магнитное действие тока. Напряженность поля, равная одному эрстеду, создается в воздухе прямолинейным током силой в 5 А на расстоянии 1 см от оси проводника. С увеличением расстояния от проводника напряженность магнитного поля убывает по закону  

     Н=0.2I/r 

     где I – сила тока, выраженная в амперах (если силу тока выражать в единицах СГС), то формула примет вид 

     H = 2I/cr 

     где с = 3 х 10^10 см/сек, что равно скорости света в вакууме), r – расстояние от оси проводника, выраженное в сантиметрах, Н – напряженность магнитного поля в эрстедах.

     Несколько иную конфигурацию имеет магнитное поле кругового тока. Изучить конфигурацию магнитного поля такого тока можно при помощи железных опилок, а направление силовых линий при помощи магнитных стрелок.

     Присматриваясь  к направлению магнитных силовых  линий кругового тока, можно убедиться  в применимости и в этом случае правила буравчика. В самом деле, на небольшом участке отрезок кругового проводника с током можно рассматривать как прямолинейный ток. Ввинчивая по направлению тока буравчик, убеждаемся в применимости правила буравчика, так как направление движения рукоятки совпадает с направлением силовых линий кругового тока вблизи данного участка кругового проводника. Напряженность поля в центре кругового тока можно вычислить по формуле

      
    H = 0,2ni/r 

       где H и n имеют тот же физический  смысл, что и в формуле (1), r – радиус круга.

     Если  навить проводник на стержень или  трубку, то получится несколько последовательно  соединенных круговых токов. Такая  катушка носит название соленоида.  
Магнитное поле соленоида подобно магнитному полю полосового магнита. Что касается магнитного поля кругового тока, то оно также подобно магнитному полю полосового, но очень короткого магнита – магнитного листка.

      Напряженность  поля внутри достаточно длинного соленоида может быть вычислена по формуле  

     H = 0.4nNi/I 

     где N – число витков соленоида, Z –  его длина.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      

3 Магнетики в магнитном поле 
 

3.1 Магнитные моменты электронов и атомов 

   Магнетиками называются вещества, способные приобретать во внешнем магнитном поле собственное магнитное поле, т.е., намагничиваться. Магнитные свойства вещества определяются магнитными свойствами электронов и атомами (молекулами) вещества. По магнитным свойствам магнетики подразделяются на три основные группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

  Рассмотрим  движение электрона по орбите в атоме. Его можно считать эквивалентным  некоторому замкнутому контуру с  током (орбитальный ток). Такой контур будет обладать магнитным моментом, значение которого будет определяться профилем контура и величиной силы тока. Если поверхность контура площадью S плоская (орбита электрона), все нормали к поверхности имеют одинаковое направление. Магнитный момент такого “витка” с током называется орбитальным магнитным моментом электрона. Он равен:

  где I = en - сила тока, e – абсолютная величина заряда электрона, n  - число оборотов электрона по орбите в единицу времени

ни, S - площадь орбиты электрона, n –

единичный вектор нормали к площади

S.

Электрон,  движущийся  по орбите,

имеет орбитальный момент импульса

L_e . Орбитальный магнитный момент

  Здесь m – масса электрона. Величина g называется гиромагнитным отношением орбитальных моментов.

пропорционален орбитальному моменту  

  Векторы p_m и L_e направлены в противоположные стороны и перпендикулярны к плоскости орбиты электрона (рисунок 1.).

Кроме названных выше величин электрон обладает собственным                                                                                       

  моментом импульса  L_es , который называется спином электрона. Абсолютная величина спина электрона равна: 
 

Важнейшей особенностью спина электрона является наличие

только  двух его проекций на направление  вектора B индукции

Спину электрона L_es соответствует спиновой магнитный момент p_ms пропорциональный спину и направленный в противоположную сторону:

  Величина  g_s называется гиромагнитным отношением спиновых моментов:

  Проекция  спинового магнитного момента электрона  p_msB на направление магнитного поля

  Соотношения (1) – (8) справедливы для каждого  из Z электронов в атоме. Число Z совпадает с порядковым номером химического элемента в периодической системе Менделеева.