Какие взаимодействия называют магнитными? Какие силы называются магнитными? Как взаимодействуют между собой полюсы магнитов?
1 1. Какие взаимодействия называют магнитными? Какие силы называются магнитными? Как взаимодействуют между собой полюсы магнитов? Взаимодействие движущихся зарядов называется магнитным. Магнитные силы - это силы, с которыми проводники с током действуют друг на друга. Как взаимодействуют между собой полюсы магнитов: они либо притягивают, либо отталкивают друг друга в зависимости от взаимного расположения их полюсов, причем это взаимодействие осуществляется без непосредственного соприкосновения магнитов друг с другом. 2. Чем обусловлено существование магнитного поля? Какими приспособлениями пользуются для исследования свойств магнитного поля? Магнитное поле создается только движущимися зарядами. какими приспособлениями пользуются для исследования свойств магнитного поля 3. Как графически может быть изображено магнитное поле? Что называют линиями магнитной индукции? Как можно сделать линии магнитной индукции «видимыми»? Для графического изображения магнитных полей используются линии магнитной индукции. Линия магнитной индукции это линия, в каждой точке которой вектор магнитной индукции направлен по касательной к ней. Линии магнитной индукции - линии, касательные к которым направлены также как и вектор магнитной индукции в данной точке поля. Магнитные поля, так же как и электрические, можно изображать графически при помощи линий магнитной индукции. Наглядную картину магнитного поля можно получить, если построить так называемые линии магнитной индукции. Линиями магнитной индукции называют линии, касательные к которым в любой их точке совподают с вектором в данной точке поля (рис. 1.10). Линии вектора магнитной индукции аналогичны линиям вектора напряженности электростатического поля.
2 Для магнитного поля прямолинейного проводника с током из приведенных ранее опытов следует, что линии магнитной индукции концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной этому проводнику с током (см. рис. 1.9). Центр окружностей находится на оси проводника. Стрелки на линиях указывают, в какую сторону направлен вектор магнитной индукции, касательный к данной линии. 4. Как можно размагнитить магнит? Три способа размагнитить постоянный магнит: 1) Нагреть его до температуры Кюри и потом охладить в отсутствии внешних магнитных полей. 2) Поместить его в переменное магнитное поле убывающей амплитуды с частотой 50Гц. 3) Облучить магнит сильным ультразвуком. (Или просто бить по нему молотком сильно и долго, но полного размагничивания так можно не достигнуть. ) 5. О чем свидетельствует опят Эрстеда? Опыт Эрстеда свидетельствует о существовании вокруг проводника с током магнитного поля. 6. Как взаимодействуют проводники с токами одного (противоположного) направления? Как осуществляется это взаимодействие? Если близко один к другому расположены проводники с токами одного направления, то магнитные линии этих проводников, охватывающие оба проводника, обладая свойством продольного натяжения и стремясь сократиться, будут заставлять проводники притягиваться (рис. 90, а). Магнитные линии двух проводников с токами разных направлений в пространстве между проводниками направлены в одну сторону. Магнитные линии, имеющие одинаковое направление, будут взаимно отталкиваться. Поэтому проводники с токами противоположного направления отталкиваются один от другого (рис. 90, б).
3 7. Какое действие оказывает магнитное поле на помещенную в него рамку с током? Магнитную стрелку? Проведем опыт. Подключим к источнику тока проволочную рамку прямоугольной формы (рис. 69). Поместив слева и справа от нее магниты, замкнем цепь. Мы увидим, что рамка повернется. Это означает, чтомагнитное поле оказывает на рамку с током вращающее действие. Вращение рамки с током в магнитном поле объясняется действием на нее сил Ампера. Эти силы действуют как на левую, так и на правую сторону рамки, но в противоположных направлениях. Под действием этих сил и происходит вращение. Магнитная стрелка в МП повернется так, что из Севера будут выходить линии магнитной индукции. 8. Как устанавливается в магнитном поле рамка с током? Почему провода, подводящие ток к рамке, служащей индикатором магнитного поля, располагаются близко друг от друга или сплетаются вместе? Какие должны быть размеры этой рамки? Провода, проводящие ток к рамке, служащей индикатором магнитного поля, располагаются близко друг к другу или сплетаются вместе для того, чтобы результирующая со стороны магнитного поля на эти проводники, была равна нулю. Рамка с током в магнитном поле должна быть намного меньше размером, чем расстояние до токов, образующих магнитное поле. 9. Что называют положительной нормалью к плоскости рамки с током? В качестве положительного направления нормали принимается направление, связанное с током правилом правого винта (буравчика): головку винта проворачивают по направлению тока в контуре, поступательное движение острия винта указывает направление положительной нормали. 10. Какова картина линий магнитной индукции прямого тока? катушки с током? Как определяют их направление? От чего зависит модуль магнитной индукции?
4 Картина линий магнитного поля кругового витка с током: Линии магнитной индукции полей постоянного магнита и катушки с током. Индикаторные магнитные стрелки ориентируются по направлению касательных к линиям индукции: Определение направления линий магнитной индукции: Правило буравчика: «Если направление поступательного движения буравчика (винта) совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции». Определяет направление индукционного тока в проводнике, движущемся в магнитном поле Правило правой руки: «Если ладонь правой руки расположить так, чтобы в нее входили силовые линии магнитного поля, а отогнутый большой палец направить по движению проводника, то 4 вытянутых пальца укажут направление индукционного тока». Для соленоида оно формулируется так: «Если обхватить соленоид ладонью правой руки так, чтобы четыре пальца были направлены вдоль тока в витках, то отставленный большой палец покажет направление линий магнитного поля внутри соленоида». Магнитная индукция не зависит ни от силы тока, ни от длины проводника, она зависит только от магнитного поля. То есть, если мы, например, уменьшим силу тока в проводнике, не меняя больше ничего, то уменьшится не индукция, с которой сила тока связана прямо пропорционально, а сила воздействия магнитного поля на проводник. Величина же индукции останется постоянной. В связи с этим индукцию можно считать количественной характеристикой магнитного поля. 11. Какой характер имеет магнитное поле внутри и вне катушки с током? Как определяют полюсы такой катушки? Как влияет железный сердечник, вставленный в катушку с током, на магнитное поле, создаваемое катушкой?
5 Катушка вообще не выпускает поле наружу: вне катушки магнитное поле отсутствует. Внутри такой катушки поле всюду является однородным. Полярность конца катушки электромагнита можно определить, как и полярность постоянного магнита, при помощи магнитной стрелки. К северному полюсу она поворачивается южным концом. Железный сердечник, введенный внутрь катушки с током усиливает магнитное поле катушки. 12. В чем состоит принцип суперпозиции магнитных полей? Принцип суперпозиции магнитных полей: если магнитное поле создано несколькими проводниками с токами, то вектор магнитной индукции в какой-либо точке этого поля равен векторной сумме магнитных индукций, созданных в этой точке каждым током в отдельности:. 13. Как определяют направление силы, действующий на прямолинейный проводник с током в магнитном поле? От чего зависит модуль этой силы? Направление механической силы, действующей на помещенный в магнитное поле проводник с током, определяет правило левой руки: если расположить ладонь левой руки так, чтобы силовые линии магнитного поля входили в нее, а вытянутые пальцы указывали направление тока, то отставленный большой палец укажет направление силы, действующей на проводник. Модуль силы Лоренса зависит от направления тока в проводнике находящемся в магнитном поле и конечно же от вектора самого магнитного поля. меняя один из этих параметров на 180 градусов соответственно будет меняться на 180 градусов вектор силы Лоренса. 14. Есть ли различие между взаимодействиями двух электронных пучков и двух параллельных проводников с токами, проходящими в одном направлении? Два параллельных электронных пучка отталкиваются. Здесь электрическое взаимодействие. Электрон -отрицательная частица. Одноименно заряженные частицы взаимно отталкиваются. Оба электронных пучка это поток движущися отрицательных электронов. Два параллельных проводника, по которым текут токи в одном направлении, притягиваются. Здесь магнитное взаимодействие. Элетрический ток- это направленный поток движужихся заряженных частиц. Вокруг проводника с током существует магнитное поле. Магнитное поле первого проводника действует с силой Ампера на второй проводник с током, магнитное поле второго проводника действет с силой Ампера на первый проводник с током. Направление силы Ампера определяют по правилу "Левой руки".
6 15. Какое явление лежит в основе устройства электроизмерительного прибора магнитоэлектрической системы? Электроизмерительные приборы каких систем вы знаете? В магнитоэлектрическом приборе используется явление взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и проводника, по которому проходит ток. электроизмерительные приборы каких систем вы знаете 16. Какую силу называют силой Лоренца? От чего зависит ее направление и по какому правилу ее определяют? Сила Лоренца сила, с которой электромагнитное поле согласно классической электродинамике действует на точечную заряженную частицу. Иногда силой Лоренца называют силу, действующую на движущийся со скоростью заряд лишь со стороны магнитного поля, нередко же полную силу со стороны электромагнитного поля вообще, иначе говоря, со стороны электрического и магнитного полей. Направление силы Лоренца можно определить по правилу левой рука: «если левую руку расположить так, чтобы составляющая вектора магнитной индукции B, перпендикулярная скорости заряда, входила в ладонь, а четыре пальца были направлены по движению положительного заряда (против движения отрицательного), то отогнутый на 90 большой палец покажет направление действующей на заряд силы Лоренца. 17. Чему равна работа, совершаемая силой Лоренца? Изменяется ли кинетическая энергия заряженной частицы, движущейся в магнитном поле? Работа силы Лоренца будет равна нулю, поскольку векторы силы и скорости всегда ортогональны. Поскольку магнитная сила всегда направлена перпендикулярно к скорости заряженной частицы, она работы над частицей не совершает. Следовательно, действуя на заряженную частицу постоянным магнитным полем, изменить её энергию нельзя. Кинетическая энергия заряженной частицы, движущейся в магнитном поле остается неизменной. 18. По каким траекториям может двигаться заряженная частица в магнитном поле? Заряженная частица в магнитном поле может двигаться по спирали параметры которой зависят от заряда скорости частицы угла между вектором входа заряда и вектором магнитного поля а также величиной напряжённости магнитного поля. 19. Какой факт свидетельствует о существовании магнитного поля Земли? Где находятся магнитные полюсы Земли? Известно, что магнитная стрелка, подвешенная на нити (или укрепленная на острие), устанавливается в каждой точке вблизи земной поверхности определенным образом. Этот факт свидетельствует о том, что вокруг Земли существует магнитное поле
7 После открытия Америки, уже в XIX веке, исследователи земного магнетизма установили, что на севере Гудзонова залива, в точке, находящейся приблизительно на 73 северной широты и 96 западной долготы, северный полюс иглы для грубых определений наклонения оказался направлен точно вниз, указывая, что северный магнитный полюс Земли находится непосредственно в этой точке. Южный магнитный полюс Земли находится в Антарктиде на 72 южной широты и 155 восточной долготы. Через точки, расположенные на половине расстояния между магнитными полюсами, проходит магнитный экватор. Оба магнитных полюса связывает линия, опоясывающая глобус и называемая линией нулевого склонения, в точках которой концы стрелки компаса показывают на север и юг. Часть этой линии проходит в общем направлении с севера на юг через Канаду, США, пересекает западную границу штата Мичиган и выходит в Атлантический океан, на берегу штата Джорджиа. К востоку от этой линии компас показывает на северо-запад; к западу от нее стрелка компаса устанавливается в северо-восточном направлении. Угол, на который стрелка компаса отклоняется от направления на географический или истинный север и юг, называется магнитным склонением компаса, или вариацией. Если склонение происходит к западу от севера, оно называется западным склонением, если же к востоку от севера - то восточным склонением. 20. На чем основана возможность ориентации на местности с помощью компаса? В каком месте земного шара магнитная стрелка обоими концами показывает на юг? Ориентация на местности при помощи компаса основана на том, что магнитные линии выходят из северного полюса. Расположение северного магнитного полюса не совпадает с географическим северным полюсом. Примерно с начала XVII века полюс располагается под паковыми льдами в границах нынешней канадской Арктики. Это приводит к тому, что стрелка компаса показывает на север не точно, а лишь приблизительно. Каждый день полюс движется по эллиптической траектории, и, кроме того, смещается в северном и северо-западном направлении со скоростью около 10 км в год, поэтому любые его координаты являются временными и неточными. Противоположностью северного магнитного полюса является южный магнитный полюс, который расположен в Антарктике. Если провести условную линию от одного полюса до другого, то она не пройдёт точно через центр Земли. Это связано с тем, что магнитное поле Земли не совсем симметрично. Традиционно, конец магнита, указывающий направление на север называется северным полюсом магнита, а противоположный конец южным. Известно, что одинаковые полюса отталкиваются, а не притягиваются. Из этого следует, что северный магнитный полюс на самом деле физически является
8 южным. Вот - где стрелка компаса обоими концами показывает на юг 21) В чем основное различие в действиях электрического и магнитного полей на заряженную частицу. Электрическое поле действует на неподвижные заряженные частицы Магнитное поле на движущиеся (на проводники, постоянные магниты)
9 22) Зависит ли период обращения заряженной частицы по окружности в магнитном поле от скорости частицы, от радиуса окружности? Где это используется? В случае, если заряженная частица движется в магнитном поле со скоростью v, которая перпендикулярна вектору В, то сила ЛоренцаF=Q[vB] постоянна по модулю и перпендикулярна к траектории частицы. По второму закону Ньютона, сила Лоренца создает центростремительное ускорение. Значит, что частица будет двигаться по окружности, радиус r которой находится из условия QvB=mv 2 /r, следовательно (1) Период вращения частицы, т. е. время Т, за которое она совершает один полный оборот, Подствавив (1), получим т. е. период вращения частицы в однородном магнитном поле задается только величиной, которая обратна удельному заряду (Q/m) частицы, и магнитной индукцией поля, но при этом не зависит от ее скорости (при v<<c). На этом соображении основано действие циклических ускорителей заряженных частиц(циклотрон, синхрофазатрон итд). 23) Как по движения заряженной частицы в магнитном поле можно определить ее удельный заряд. Принцип действия масс-спектрографа. Ионы образуются за счет ионизации молекул газа, происходящей в объеме, имеющем заметную протяженность. Возникая в разных местах этого объема, ионы проходят затем неодинаковую разность потенциалов, вследствие чего их скорости бывают различными. Таким образом, методы, которыми был определен удельный заряд электронов, к ионам неприменимы. В 1907 г. Томсоном был разработан «метод парабол», который позволил обойти отмеченное затруднение. В опыте Томсона тонкий пучок положительных ионов проходил через область, в которой на него одновременно воздействовали параллельные друг другу электрическое и магнитное поля (рис. 75.1). Оба поля были практически однородными и образовывали с первоначальным направлением пучка прямой угол. Они вызывали отклонения ионов: магнитное в направлении оси х, электрическое вдоль оси у. Согласно формулам (73.4) и (73.3) эти отклонения равны
10 где v скорость данного иона с удельным зарядом протяженность области, в которой поля действуют на пучок, h расстояние от границы этой области до фотопластинки, регистрировавшей попадавшие на нее ионы. Выражения (75.1) представляют собой координаты точки, в которую попадает на пластинку ион, имеющий данные значения удельного заряда и скорости v. Рис Рис Ионы с одинаковым удельным зарядом, но различными скоростями попадали в разные точки пластинки. Исключив из формул (75.1) скорость v, получим уравнение кривой, вдоль которой располагались следы ионов с одним и тем же значением Из (75.2) следует, что ионы с одинаковым удельным зарядом и различными v оставляли на пластинке след в виде параболы. Ионы с различными удельными зарядами располагались вдоль разных парабол. Зная параметры прибора (т. е. Е, В, l1,l2) и измеряя смещения х и у, можно было по формуле (75.2) находить удельный заряд ионов, соответствующих каждой параболе.
11 При изменении направления одного из полей соответствующая координата изменяла знак на обратный, так что получались параболы, симметричные первоначальным. Деля пополам расстояние между аналогичными точками симметричных парабол, можно было находить х и у. След, оставляемый на пластинке пучком при выключенных полях, давал начало координат. На рис показаны первые параболы, полученные Томсоном. Произведя опыт с химически чистым неоном, Томсон обнаружил, что этот газ давал две параболы, соответствующие относительным атомным массам, равным 20 и 22. Этот результат послужил основанием для предположения о том, что существуют две химически неразличимые разновидности атомов неона (по современной терминологии два изотопа неона). Доказательство этого предположения было дано Астоном, усовершенствовавшим метод определения удельного заряда ионов. Прибор Астона, названный им масс-спектрографом, имел следующее устройство (рис. 75.3). Рис Пучок ионов, выделенный системой щелей, пропускался последовательно через электрическое и магнитное поля, направленные так, что они вызывали отклонения ионов в противоположные стороны. При прохождении электрического поля ионы с данным удельным зарядом отклонялись тем сильнее, чем с меньшей скоростью они двигались. Поэтому из электрического поля ионы выходили в виде расходящегося пучка. В магнитном поле траектории ионов также искривлялись тем сильнее, чем меньше была их скорость. Поскольку направления, в которых отклонялись ионы полями, были противоположны, после выхода из магнитного поля ионы образовывали пучок, сходящийся в одной точке. Ионы с другими значениями удельного заряда фокусировались в других точках (на рис показаны траектории ионов лишь для одного значения удельного заряда). Соответствующий расчет дает, что точки, в которых сходятся пучки, образованные ионами с различными удельными зарядами лежат приблизительно на одной прямой (на рисунке она показана штриховой линией). Располагая вдоль этой прямой фотопластинку, Астон получал на ней ряд штрихов, каждый из которых соответствовал определенному значению удельного заряда.
12 Сходство получающегося на пластинке изображения с фотографией оптического линейчатого спектра послужило причиной того, что Астон назвал его масс-спектрограммой, а свой прибор масс-спектрографом. 24) Изменяют ли вещества, помещаемые в магнитное поле, индукцию этого поля? Да, изменяют. Если же магнитное поле создается не в вакууме, а в какой-то другой среде, то магнитное поле изменяется. Это объясняется тем, что различные вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются и сами становятся источниками магнитного поля. Вещества, способные намагничиваться в магнитном поле, называются магнетиками. Намагниченное вещество создает магнитное поле с индукцией, которое накладывается на магнитное поле с индукцией, обусловленное токами. Оба поля в сумме дают результирующее поле, магнитная индукция которого равна 25) Виды магнетиков. Их свойства.. Магнитные свойства различных веществ весьма разнообразны. Все магнетики принято делить на три класса: 1) парамагнетики вещества, которые слабо намагничиваются в магнитном поле, причем результирующее поле в парамагнетиках сильнее, чем в вакууме, магнитная проницаемость парамагнетиков > 1; Такими свойствами обладают алюминий, платина, кислород и др.; 2) диамагнетики вещества, которые слабо намагничиваются против поля, то есть поле в диамагнетиках слабее, чем в вакууме, магнитная проницаемость < 1. К диамагнетикам относятся медь, серебро, висмут и др.; 3) ферромагнетики вещества, способные сильно намагничиваться в магнитном поле,. Это железо, кобальт, никель и некоторые сплавы. Св-ва: наличие остаточной намагниченности, наличие температуры, выше которой вещество перестает быть ферромагнетиком(t точка Кюри), наличие магнитного гистерезиса 26) Чему равен магнитный момент атомов диамагнитного в-ва? Имеют ли магнитный момент атомы парамагнитного в-ва? В отсутствии внешнего магнитного поля, суммарный магнитный момент равен 0. Атомы парамагнитного в-ва всегда обладают магнитным моментом.
13 27)Чем обусловлены магнитные свойства ферромагнетиков? Что такое домены? Почему магнитная проницаемость ферромагнетиков очень велика? свойства ферромагнетиков определяются спиновыми магнитными моментами электронов (прямым экспериментальным указанием этого служит опыт Эйнштейна и де Гааза, см. 131). Согласно представлениям Вейсса, ферромагнетики при температурах ниже точки Кюри обладают спонтанной намагниченностью независимо от наличия внешнего намагничивающего поля. Спонтанное намагничивание, однако, находится в кажущемся противоречии с тем, что многие ферромагнитные материалы даже при температурах ниже точки Кюри не намагничены. Для устранения этого противоречия Вейсс ввел гипотезу, согласно которой ферромагнетик ниже точки Кюри разбивается на большое число малых макроскопических областей доменов, самопроизвольно намагниченных до насыщения. При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты отдельных доменов ориентированы хаотически и компенсируют друг друга, поэтому результирующий магнитный момент ферромагнетика равен пулю и ферромагнетик не намагничен. Внешнее магнитное поле ориентирует по полю магнитные моменты не отдельных атомов, как это имеет место в случае парамагнетиков, а целых областей спонтанной намагниченности. Поэтому с ростом Н намагниченность./ и магнитная индукции В уже в довольно слабых полях растут очень быстро. Этим объясняется также увеличение магнитной проницаемости ферромагнетиков до максимального значения в слабых полях. 28) 29) Как объяснить, что ферромагнетики сохраняют магнитное поле после устранения внешнего поля? При ослаблении внешнего магнитного поля до нуля ферромагнетики сохраняют остаточное намагничивание, так как тепловое движение не в состоянии быстро дезориентировать магнитные моменты столь крупных образований, какими являются домены. Поэтому и наблюдается явление магнитного гистерезиса. Для того чтобы ферромагнетик размагнитить, необходимо приложить коэрцитивную силу; размагничиванию способствуют также встряхивание и нагревание ферромагнетика. 30) Какие требования предъявляют к магнитным материалам, идущим на изготовление постоянных магнитов?
14 В последнее время большое значение приобрели полупроводниковые ферромагнетики ферриты, химические соединения типа Me Fe2O3, где Me ион двухвалентного металла (Мп, Со, Ni, Cu, Mg, Zn, Cd, Fe). Они отличаются заметными ферромагнитными свойствами и большим удельным электрическим сопротивлением (в миллиарды раз большим, чем у металлов). Ферриты применяются для изготовления постоянных магнитов, ферритовых антенн, сердечников радиочастотных контуров, элементов оперативной памяти в вычислительной технике, для покрытия пленок в магнитофонах и видеомагнитофонах и т.д.