Магнит өрісі. Магнит индукция векторы және магнит өрісінің кернеулігі. Био-Савар-Лаплас заңы

Магнит өрісі — қозғалыстағы электр зарядтары мен магниттік моменті бар денелерге (олардың қозғалыстағы күйіне тәуелсіз) әсер ететін күштік өріс. Магнит өрісі магниттік индукция векторымен (В) сипатталады. В-ның мәні магнит моменті бар қозғалыстағы электр зарядына және денелерге өрістің берілген нүктесінде әсер етуші күшті анықтайды. Магнит өрiстерiн бейне түрiнде кескiндеу үшiн магнит индукциясы сызықтарын пайдаланады."Магнит өрісі” терминін 1845 ж. ағылшын физигі М. Фарадей енгізген. Ол электр өзара әсер сияқты магнит өзара әсер де бірыңғай материялық өріс арқылы беріледі деп санаған. Электр-магниттік өрістің классикалық теориясын Дж.Максвелл жасаған (1873), ал кванттық теориясы 20 ғасырдың 20-жылдары жасалды (Өрістің кванттық теориясы). Макроскоп. Магнит өрісінің көздері — магниттелген денелер, тогы бар өткізгіштер және қозғалыстағы зарядталған денелер. Бұл көздердің табиғаты бір: Магнит өрісі зарядталған микробөлшектердің (электрон, протон, ион), сондай-ақ, микробөлшектердің меншікті (спиндік) магнит моменті болуының нәтижесінде пайда болады (Магнетизм). Айнымалы магнит өрісі электр өрісінің, ал электр өрісі магнит өрісінің уақыт бойынша өзгерісі нәтижесінде пайда болады. Электр және магнит өрістері, олардың бір-бірімен өзара әсерлері Максвелл теңдеуімен толық сипатталады. Магнит өрісінің кернеулік (Н) мен магнит индукциясы(В) — өрістің күштік сипаттамасы. Кернеулік векторы өріс пайда болған орта қасиетіне тәуелсіз шама болса, индукция векторы қарастырылатын денедегі қорытқы өрісті сипаттайды. Сондай-ақ, индукция векторы магнит өрісінде қозғалған зарядқа әсер ететін күшті, магнит моменті бар денеге магнит өрісінің тигізетін әсерін, өріс тарапынан байқалатын басқа да әсерлерді анықтайды.

Табиғатта магнит өрісінің сан алуан түрі кездеседі. Магнитосфераны түзетін Жердің магнит өрісі Күнге қарай 70 — 80 мың км-ге, ал оған қарама-қарсы бағытта миллиондаған км-ге созылады. Жер бетінде магнит өрісі орташа 0,5 Э-ке тең, ал магнитосфераның шекарасында 10–3 Э. Планетааралық магнит өрісі — негізінен Күн желінің өрісі. Күннің оталуы, ондағы дақтар мен протуберанецтердің байқалуы, Күннен шығатын ғарыштық сәулелердің пайда болуы тәрізді құбылыстарда магнит өрісі елеулі рөл атқарады. Магнит өрісі заттың (ортаның) оптикалық қасиетіне және электр-магниттік сәуле шығару құбылысының затпен әсерлесу процесіне елеулі ықпал жасайды, өткізгіштер мен шала өткізгіштерде гальваномагн. құбылыстар мен термомагн. құбылыстарды туғызады. Магнит өрісі әдетте әлсіз (500 Э-ға дейін), орташа (500 Э — 40 кЭ), күшті (40 кЭ — 1МЭ) және аса күшті (1МЭ-ден жоғары) болып бөлінеді. Іс жүзінде бүкіл электртехника, радиотехника мен электроника әлсіз және орташа магнит өрісін пайдалануға негізделген. Әлсіз және орташа магнит өрісі әдетте тұрақты магнит, электрмагнит, суытылмайтын соленоид, асқын өткізгіш магниттердің көмегімен алынады. Күшті магнит өрісін алуда асқын өткізгіш соленоидтар (150 — 200 кЭ), сумен салқындатылатын соленоидтар (250 кЭ-ға дейін), импульстік соленоидтар (1,6 МЭ) қолданылады. Аса күшті магнит өрісі бағытталған жарылыс (қопарылыс) әдісімен алынады.^[1][2] Жер магнетизмін системалы түрде өлшеу арқылы теңізде жүргізушілерге, авиаторларға керек болатын магниттік карта жасайды, пайдалы қазбаларды зерттейді және Күннің әрекет қимылың өзгерін бақылайды. Жер магнетизмінің қалай пайда болғаны әзірше толық шешілмеген.

Электромагниттік индукция құбылысы. Бізге белгілі электр тогы өзінің айналасында магнит өрісін тудырады. Магнит өрісі мен электр тоғының арасындағы байланыс осы магнит өрісінің көмегімен контурда ток пайда бола ма деген сұрақтың шешімін 1831ж ағылшын физигі Фарадей шешті. Оның тәжірибесінде гальванометрге жалғанған катушканың (соленоид) ішіне, тұрақты магнит салсақ, гальванометр стрелкасының қозғалысын байқаймыз. Магнитті қайтадан суырып алсақ, стрелка басқа бағытқа ауытқиды. Магнитті неғұрлым тезірек қозғалтса, стрелка соғұрлым көбірек ауытқиды. Демек, магнит өрісінің күш сызықтары тұйық контурды қиып өткенде ток пайда болады, ол токты индукциялық ток деп атайды. Магниттің полюсін өзгертсек, стрелканың бұрылу бағыты өзгереді. Магнитті тұрақты қойып, соленоидты қозғауға да болады.

Био-Савар-Лаплас заңы - кез келген I тогы бар өткізгіштің dl элемент өрісінің бір нүктесіндегі магнит өрісінің бағыты мен шамасын анықтайды. Осы заңға сәйкес I тұрақты электр тогының вакуумдегі магнит өрісі келесі өрнекті қанағаттандыруы тиіс

(15.6)

модулі

, (15.7)

мұндағы – ток элементінің тудыратын магнит өрісінің магнит индукция векторы;

- ток тығыздық векторының бағытымен сәйкес келетін ток элементі;

– осы элементпен өрістің қарастырылған С нүктесін қосатын радиус-векторы, (15.2 суретті қара);

Гн/м – магнит тұрақтысы; I – өткізгіштегі ток күші.

векторы С нүктесінде оң бұранда ережесі бойынша және векторлар жазықтығына перпендикуляр бағытталған.

Ампер заңы. Лоренц күші. Магнит ағыны. Фарадей заңы.Индуктивтілік. Өзіндік индукция. Магнит өрісінің энергиясы. Магнит өрісіндегі жасалатын жұмыс. Заттың магниттің қасиеттері.

Ампер заңы – бір-бірінен белгілі бір қашықтықта орналасқан өткізгіштердің шағыш кесіндісі бойымен өтетін екі токтың өзара механикалық әсерлесу заңы. 1820 жылы француз физигі А.М. Ампер (1775-1836) ашқан. Ампер заңынан параллель екі өткізгіш бойымен ток бір бағытта жүрсе, олардың бір-біріне тартылатындығы, қарама-қарсы бағытта жүрсе, бір-бірінен тебілетіндігі шығады. Ампер заңы бойынша тогы бар өткізгіштің шағын кесіндісіне (Δl) магнит өрісі тарапынан әсер етуші механикалық күштің (F) шамасы мына өрнек арқылы табылады:
F=kIΔlBsinα,
мұндағы α – Δl мен B (магнит индукциясының векторы) бағытының арасындағы бұрыш, k – пропорционалдық коэффициент (Гаусс жүйесінде k=1/c, Бірліктердің халықаралық жүйесінде k=1), I - өткізгіштегі ток күші.

Түрлендірілген Ампер заңы түрі . Алынған нәтижені көлденең қима арқылы өтетін бөлшектердің жалпы саны арқылы жеңіл өрнектеуге болады , сонда . Ампер күші дегеніміз - магнит өрісінде қозғалып жүрген зарядталған бөлшектерге әрекет ететін жалпы күш. Сонда зарядталған бір бөлшекке әсер ететін күш.

Лоренц күші — электрмагниттік өрісте қозғалатын зарядталған бөлшекке әсер ететін күш. Бұл күшті сипаттайтын өрнекті 1892 ж. голланд физигі Х. А. Лоренц (1853 — 1928) тәжірибе нәтижелерін қорытындылап тапқан, СИ жүйесінде формуласы:

,

мұндағы:

· — Лоренц күші

· — бөлшек заряды

· — электр өрісі

· — магнит өрісі

· — бөлшектің жылдамдығы

· × — векторлық көбейту.

Қозғалыстағы (' v жылдамдығымен') зарядталған (заряды q) бөлшекке әсер етуші f лоренц күші. E электр өрісі мен B магнит өрісі кеңістік пен уақыт бойынша өзгереді.

Зарядталған бөлшек жылдамдығының кез келген мәндерінде (*) өрнегі орындалады; бұл өрнек электрдинамиканың ең негізгі қатыстарының бірі, өйткені, ол электр-магниттік өріс теңдеулерін зарядталған бөлшектің қозғалыс теңдеулерімен байланыстыруға мүмкіндік береді. Өрнектің оң жағындағы бірінші мүше — зарядталған бөлшекке электр өрісі тарапынан, ал екіншісі — магнит өрісі тарапынан әсер ететін күштер. Лоренц күшінің магниттік бөлігінің бағыты бөлшек жылдамдығына перпендикуляр болғандықтан механикалық жұмыс жасамайды. Ол бөлшектің энергиясын өзгертпей, тек қозғалысының траекториясын қисайтады. Лоренц күшінің магниттік бөлігінің шамасы, θ=90° болғанда максималь, ал θ=0 болса, оның шамасы нөлге тең болады. Вакуумдегі тұрақты әрі біртекті магнит өрісінде (В=Н, мұндағы Н — магнит өрісінің кернеулігі) қозғалатын зарядталған бөлшек Лоренц күшінің магниттік құраушысының әсерінен бұрандалық сызық бойымен тұрақты v жылдамдығымен қозғалады. Егер Е=0 болса, онда зарядталған бөлшектің қозғалысы күрделіленіп, оның айналу центрі магнит өрісіне перпендикуляр бағытта ығысады. Бұл ығысу бөлшектің дрейфі деп аталады. Дрейфтің бағыты [ЕН] векторы арқылы анықталады және ол зарядтың таңбасына тәуелді болмайды. Магнит өрісі мен өткізгіштегі электр тогының өзара әсерлесуі салдарынан өткізгіштің көлденең қимасындағы токтың мәні әр түрлі болады. Бұл жағдай термомагниттік және гальваномагниттік құбылыстарда байқалады (қ. Холл эффектісі, т.б.).

Магниттік ағын, магниттік индукция ағыны — белгілі бір бет арқылы өтетін магниттік индукция векторының (В) ағыны (Ф). Егер dS шағын аудандағы В магнит индукция векторы тұрақты шама деп есептелсе, онда осы аудан арқылы өтетін Магниттік ағын (Ф) аудан мөлшері мен В векторының осы аудан нормалына түсірілген проекциясының (Вn) көбейтіндісіне тең: dФ=ВndS. Шектелген бет (S) арқылы өтетін Магниттік ағын (Ф) төмендегі интеграл бойынша анықталады: Ф= Тұйықталған бет үшін бұл интеграл нөлге тең, бұл жағдай магнит өрісінің соленоидтық сипатын, яғни табиғатта магнит зарядтардың — магнит өрісі көздерінің (магнит өрісін электр токтары туғызады) жоқ екендігін көрсетеді. Бірліктердің халықаралық жүйесіндегі (СИ) өлшем бірлігі — вебер (Вб); Бірліктердің СГС жүйесінде — максвелл (Мкс); 1 Вб=108 Мкс.

Фарадей заңдары — электролиттер арқылы электр тогы өткенде электродтарда бөлінетін не ыдырайтын заттардың мөлшерін (массасын) анықтайтын электролиз процесінің негізгі заңдары. Ол заңдарды 1833 — 34 ж. ағылшын ғалымы М.Фарадей ашқан. Фарадейдің 1-заңы былай тұжырымдалады: Электролит арқылы ток өткенде электродта бөлініп шыққан заттың массасы (т) ток күшіне (Қ) және ток жүрген уақытқа (t) пропорционал, яғни т=kҚt, мүндағы k — электролиттегі заттың электрхимиялық эквиваленті деп аталатын пропорционалдық коэффициент Фарадейдің 2-заңы электрхим. эквиваленттің шамасын анықтайды: k=1M/Fn=A/F, мұндағы п — ионның заряды (валенттігі), A=kFz, электролиттегі заттың химиялық эквиваленті, яғни элементтің электрхимиялық эквиваленті оның химиялық эквивалентіне пропорционал. Фарадей заңының математикалық өрнегі электролиз кезінде бөлінетін заттың массасын, электрхимиялық және химиялық эквиваленттерін дәл анықтау үшін пайдаланылады.

Индуктивтілік (лат. іnductіo – келтіру, бейімдеу, қоздыру) – электр тізбегінің магниттік қасиетін сипаттайтын шама. Өткізгіш контурмен шектелген бетті қиып өтетін магниттік индукция ағынының (Ф) осы контурда тудыратын ток күшіне (І) қатынасына тең: L=Ф/І. Өлшем бірлігі Генри (Гн).

Өздік индукция – өткізгіш контурдағы ток күші өзгергенде сол контурда индукциялық ЭІК-нің пайда болу құбылысы. Өздік индукция эл.-магн. индукцияның дербес түрі. Контурдағы ток өзгергенде осы контур қоршап тұрған бет арқылы өтетін магнит ағыны өзгеріп, со-ның салдарынан контурда өздік индукцияның ЭІК-і (E) пайда болады. Өздік индукцияның ЭІК-нің бағыты Ленц ережесімен анықталады: тізбектегі ток күші өскенде өздік индукцияның ЭІК-і (E) токтың көбеюіне кері, ток күші кемігенде токтың азаюына кері әсерін тигізеді. тізбектегі токтың өзгеру жылдамдығына (dі/dt), контурдың индуктивтігіне пропорционал: . Индуктивтік коэфф. L-дің өлшем бірлігі – Гн (генри). Тізбек тұрақты ток көзіне қосылғанда немесе одан ажырағанда пайда болып, ондағы ток күшінің лезде өзгеруіне мүмкіндік бермейді. Бұл кезде пайда болатын ток көзінің ЭІК-нен бірнеше есе артық болуы мүмкін. Айнымалы ток тізбегіндегі орамада өздік индукция әсерінен пайда болатын ток күші оған берілген кернеуден фаза бойынша p/2-ге қалып отырады. Өздік индукция құбылысы электртехника мен радиотехникада маңызды рөл атқарады. Орамаға тізбектеп жалғанған конденсатордағы заряд таңбасы өздік индукция әсерінен үздіксіз өзгеріп, тізбекте еркін эл.-магн. тербеліс пайда болады.