2.3. Магнетизм
Это раздел физики, изучающий магнитные явления.
2.3.1. Характеристики магнитного поля
Опыт показывает, что вокруг проводников с током и вокруг намагниченных тел существует магнитное поле. Это поле обнаруживается по действию на магнитную стрелку или на другие проводники с током. Токи, протекающие в проводниках, называются макротоками. Токи, циркулирующие в магнитах, называются микротоками. С современной точки зрения микротоки создаются движением электронов вокруг ядра в атомах. Поскольку током называется упорядоченное движение электрических зарядов, то можно сделать вывод, что магнитное поле порождается движущимися электрическими зарядами.
В качестве основной характеристики магнитного поля вводится вектор магнитной индукции. Вектор магнитной индукции  описывает поле, созданное макро- и микротоками. Его используют для описания поля как в вакууме, так и в веществе.
В качестве характеристики магнитного поля, созданного макротоками, вводится векторная величина, называемая напряженностью магнитного поля. Напряженность магнитного поля  используется для описания магнитного поля в вакууме. Это вспомогательная характеристика.
Для однородной изотропной среды вектор магнитной индукции связан с вектором напряженности магнитного поля следующим соотношением
где μ 0 - магнитная постоянная.
В системе СИ:  , где генри (Гн) - единица индуктивности.
Магнитная проницаемость, μ, безразмерная величина. Эта величина показывает, во сколько раз магнитное поле макротоков изменяется за счет микротоков среды (т. е., во сколько раз магнитная индукция в веществе отличается от магнитной индукции в вакууме). Для вакуума μ = 1.
Единица магнитной индукции - тесла (Тл),
 ,
т. е. 1 Тл - магнитная индукция такого однородного магнитного поля, которое действует с силой 1 Н на каждый метр длины прямолинейного проводника, расположенного перпендикулярно направлению поля, если по этому проводнику проходит ток 1 А.
Единица напряженности магнитного поля  .
2.3.2. Магнитное поле в веществе. Классификация магнетиков
Вещество, способное намагничиваться, называется магнетиком. В зависимости от значения магнитной проницаемости μ вещества делятся на три класса: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.
Диамагнетики - это класс веществ, у которых магнитная проницаемость μ лишь немного меньше единицы, т. е. в них магнитное поле незначительно ослабляется. К диамагнетикам относят многие металлы, например, висмут, серебро, золото, медь, а также вода и большинство органических соединений и смол и др. Это слабо магнитные вещества. Например, для воды  , для серебра  , для висмута  .
Для понимания процесса намагничивания диамагнетиков необходимо рассмотреть действие магнитного поля на движущиеся электроны в атоме. Каждый атом диамагнитного вещества в отсутствии магнитного поля не обладает магнитным полем, поскольку магнитные поля отдельных электронов взаимно компенсируют друг друга. Под действием внешнего магнитного поля появляются наведенные составляющие магнитных полей атомов, направленные против внешнего поля, что вызывает эффект диамагнетизма. Диамагнетизм присущ всем телам без исключения, однако в парамагнетиках и ферромагнетиках он перекрывается более сильными эффектами.
К настоящему времени накоплено большое количество опытных фактов, свидетельствующих о влиянии магнитных полей на биологические объекты. Живой организм состоит в основном из диамагнитных веществ. Предполагают, что универсальность действия магнитного поля на все живое обусловлена его влиянием на свойства воды, содержащейся во всех биологических объектах. Опыты показывают, что свойства воды, побывавшей в магнитном поле, сильно изменяются.
Магнитное поле влияет также на свойства крови, интенсивность водного обмена, активность многих ферментов. Поэтому при резком изменении напряженности магнитного поля Земли (магнитные бури) изменяется самочувствие многих людей и поведение животных.
Парамагнетики - это класс веществ, у которых магнитная проницаемость при комнатных температурах μ лишь немного больше единицы. Это вещества, которые слабо намагничиваются в магнитном поле. С понижением температуры магнитная проницаемость парамагнетиков растет. К парамагнетикам относятся, например, кислород, платина, алюминий, редкоземельные металлы и т. д. Приведем примеры значений μ для некоторых парамагнетиков при комнатной температуре. Для кислорода  . Для алюминия  . Для платины  .
У парамагнетиков, в отличие от диамагнетиков, каждый атом обладает собственным магнитным полем. Но в отсутствие внешнего магнитного поля парамагнитное вещество в целом не обладает упорядоченной магнитной структурой. При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле устанавливается некоторая магнитная структура, которая приводит к тому, что внешнее магнитное поле внутри вещества усиливается, и вещество намагничивается. Это явление называется парамагнетизмом.
Ферромагнетики - это класс веществ, способных сильно намагничиваться в магнитном поле. Магнитная проницаемость μ большинства ферромагнетиков при обычных температурах измеряется сотнями и тысячами единиц. Причем μ зависит от напряженности внешнего магнитного поля (рис. 2.10).
Рис.2.10
К ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт и их сплавы и соединения.
Причиной сильного намагничивания ферромагнетиков является наличие в них доменов.
Доменами называются самопроизвольно намагниченные области (их размер  мм). В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные поля отдельных доменов ориентированы хаотически и образец не намагничен. При наложении внешнего магнитного поля границы доменов сдвигаются таким образом, что области, намагниченные вдоль внешнего магнитного поля увеличиваются за счет неблагоприятно ориентированных областей и ферромагнетик намагничивается.
Ферромагнетики широко используются в современной электротехнике. Используя их, например, в качестве сердечников в катушках трансформаторов, электродвигателях и многих измерительных приборах, можно во много раз увеличить магнитное поле, не увеличивая силу тока в катушке. Это экономит электроэнергию. Из ферромагнетиков изготавливают, например, магнитные ленты, которые широко используют для звукозаписи в магнитофонах и для видеозаписи в видеомагнитофонах.
2.3.3. Закон Био - Савара - Лапласа
Три французских ученых в 1820 г. открыли закон, который позволяет рассчитать вектор магнитной индукции, созданный проводником с током. Также можно вычислять напряженность магнитного поля , которая связана с вектором магнитной индукции соотношением (2.33).
Закон Био - Савара - Лапласа записывается для элемента тока. Элементом тока называется вектор, модуль которого равен произведению силы тока в проводнике на длину малого отрезка этого проводника, а направление совпадает с направлением силы тока -  .
Закон Био - Савара - Лапласа в векторной форме формулируется следующим образом.
Вектор магнитной индукции, созданный элементом тока, пропорционален векторному произведению элемента тока на радиус-вектор, проведенный от элемента в точку наблюдения, и обратно пропорционален кубу расстояния от элемента тока до точки наблюдения (рис. 2.11)
Направление вектора  определяется по правилу векторного произведения двух векторов  и  , т. е. перпендикулярен плоскости, в которой лежат перемножаемые вектора, и направлен по правилу правого винта.
Рис.2.11
На рис. 2.11 показана линия магнитной индукции. По касательной к этой линии направлен вектор . Модуль  вектора определяется по закону Био - Савара - Лапласа в скалярной форме
где α - угол между векторами и .
Для напряженности магнитного поля можно записать аналогичные формулы
Изолированный элемент с током создать невозможно. Ток, который создает магнитное поле, всегда течет по проводникам конечных размеров. Поэтому далее надо применять принцип суперпозиции и векторно суммировать (интегрировать) или  , созданные всеми элементами тока ,
|
2015-10-22
751
