🗊Презентация Магнитное поле в веществе. Система уравнений Максвелла. Тема 18

Раздел III. Электричество и магнетизм Тема 18. Магнитное поле в веществе. Система уравнений Максвелла Лекция

Цель лекции: изучить теорию магнитного поля в веществе, рассмотреть свойства различных типов магнетиков, обсудить вопрос о систематизации электромагнитных явлений, изучить систему уравнений Максвелла. Цель лекции: изучить теорию магнитного поля в веществе, рассмотреть свойства различных типов магнетиков, обсудить вопрос о систематизации электромагнитных явлений, изучить систему уравнений Максвелла. Материально-техническое обеспечение: компьютер, видеопроектор, экран Учебно-методическое обеспечение: учебно-методический материал в электронном виде, программный комплекс «ФИЗИКА»

Рекомендуемая литература

Содержание

1. Магнетики. Намагниченность

1. Магнетики. Намагниченность

1. Магнетики. Намагниченность

2. Магнитное поле в магнетиках

2. Магнитное поле в магнетиках

2. Магнитное поле в магнетиках

2. Магнитное поле в магнетиках

2. Магнитное поле в магнетиках

2. Магнитное поле в магнетиках

2. Магнитное поле в магнетиках

3. Типы магнетиков

Магнетики можно разделить на три основные группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Магнетики можно разделить на три основные группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Если магнитное поле слабо усиливается в веществе, то такое вещество называется парамагнетиком (Се3+, Рr3+, Ti3+, V3+, Fe2+, Mg2+, Li, Na) если ослабевает, то это диамагнетик (Bi, Cu, Ag, Au и др.). Вещества, обладающие сильными магнитными свойствами называются ферромагнетиками (Fe, Co, Ni и пр.). постоянные магниты.

3. Типы магнетиков 3.1. Диамагнетизм

Диамагнетизм (от греч. dia – расхождение)  свойство веществ намагничиваться навстречу приложенному магнитному полю. Диамагнетизм (от греч. dia – расхождение)  свойство веществ намагничиваться навстречу приложенному магнитному полю. Диамагнетиками называются вещества, магнитные моменты атомов которых в отсутствии внешнего поля равны нулю, т.к. магнитные моменты всех электронов атома взаимно скомпенсированы (например инертные газы, водород, азот, NaCl, Bi, Cu, Ag, Au и др.). При внесении диамагнитного вещества в магнитное поле его атомы приобретают наведенные магнитные моменты ΔPm направленные противоположно вектору .

3. Типы магнетиков 3.2. Парамагнетизм

К парамагнетикам относятся многие щелочные металлы, кислород О2, оксид азота NO, хлорное железо FeCI2 Се3+, Рr3+, Ti3+, V3+, Fe2+, Mg2+, Li, Na и др. К парамагнетикам относятся многие щелочные металлы, кислород О2, оксид азота NO, хлорное железо FeCI2 Се3+, Рr3+, Ti3+, V3+, Fe2+, Mg2+, Li, Na и др. В отсутствии внешнего магнитного поля намагниченность парамагнетика J = 0, так как векторы разных атомов ориентированы беспорядочно. При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле, происходит преимущественная ориентация собственных магнитных моментов атомов по направлению поля, так что парамагнетик намагничивается. Значения для парамагнетиков положительны ( ) и находятся в пределах ~ 10–5 ÷ 10–3, то есть, как и у диамагнетиков.

3. Типы магнетиков 3.3. Ферромагнетизм

Ферромагнетики это вещества, обладающие самопроизвольной намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий – магнитного поля, деформации, температуры. Ферромагнетики это вещества, обладающие самопроизвольной намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий – магнитного поля, деформации, температуры. У ферромагнетиков магнитная восприимчивость положительна и очень велика = 104  105. В ферромагнетиках происходит резкое усиление внешних магнитных полей. Для ферромагнетиков сложным образом зависит от величины магнитного поля. Типичными ферромагнетиками являются Fe, Co, Ni, Gd,, Dy, Ho, Er, Tm, а также соединения ферромагнитных материалов с неферромагнитными: Fe3Al, Ni3Mn, ZnCMn3 Ферромагнетики, в отличие от слабо магнитных диа- и парамагнетиков, являются сильно магнитными веществами: внутреннее магнитное поле в них может в сотни раз превосходить внешнее поле.

3. Типы магнетиков 3.3. Ферромагнетизм

3. Типы магнетиков 3.3. Ферромагнетизм

3. Типы магнетиков 3.3. Ферромагнетизм

3. Типы магнетиков 3.3. Ферромагнетизм

Ферромагнетизм

4. Применение магнетиков

Магнитные материалы широко используются в традиционной технологии записи информации в винчестере (рис.). Магнитные материалы широко используются в традиционной технологии записи информации в винчестере (рис.).

Лекция 2

5. Уравнения Максвелла

Его работы посвящены электродинамике, молекулярной физике, общей статике, оптике, механике, теории упругости. Его работы посвящены электродинамике, молекулярной физике, общей статике, оптике, механике, теории упругости. Самым большим достижением Максвелла является теория электромагнитного поля - система нескольких уравнений, выражающих все основные закономерности электромагнитных явлений.

Электромагнитная теория Максвелла Это последовательная теория единого электромагнитного поля, создаваемого произвольной системой зарядов и токов. В ней решается основная задача электродинамики: по заданному распределению зарядов и токов отыскиваются основные характеристики создаваемых ими электрических и магнитных полей.

Электромагнитная теория Максвелла феноменологическая теория, т.е. она не рассматривает механизмы явлений, происходящих в среде и вызывающих появление полей. Электрические и магнитные свойства среды характеризуются: ε – относительной диэлектрической проницаемостью, μ – относительной магнитной проницаемостью, σ – удельной электрической проводимостью.

Электромагнитная теория Максвелла рассматриваются макроскопические поля, которые создаются макроскопическими зарядами и токами, сосредоточенными в объемах много больших, чем объем атомов и молекул, расстояние от источников полей до рассматриваемой точки пространства много больше размеров атомов и молекул, период изменения переменных электрических и магнитных полей много больше периода внутримолекулярных процессов.

Макроскопические заряды и токи являются совокупностью микроскопических зарядов и токов, которые создают свои микрополя, непрерывно изменяющиеся во времени в каждой точке пространства. Макроскопические поля являются усредненными микрополями • по интервалам времени много большим, чем периоды внутриатомных процессов и • по объемам много большим, чем объем атомов и молекул.

Теория Максвелла – теория близкодействия, т.е. электромагнитное взаимодействие происходит с конечной скоростью, равной скорости света с.

Основные положения теории Максвелла 1. Переменное магнитное поле создает в проводящем замкнутом контуре вихревое электрическое поле.

Фарадей обнаружил, что индукционный ток возникает в замкнутом контуре. Фарадей обнаружил, что индукционный ток возникает в замкнутом контуре. Максвелл предположил, что уравнение (1) справедливо не только для проводящего контура, но и для любого замкнутого контура в пространстве. Следовательно: Циркуляция вектора напряженности электрического поля по произвольному замкнутому контуру L равна взятой с обратным знаком скорости изменения магнитного потока сквозь поверхность, натянутую на контур.

Основные положения теории Максвелла 2. Закон полного тока где Iмакро – результирующий макроток (проводимости и конвекционный), Iмикро – микроток сквозь поверхность, натянутую на замкнутый контур L. Электрический ток порождает магнитное поле.

Ток смещения Максвелл предположил, что переменное электрическое поле подобно электрическому току порождает магнитное поле, и ввел понятие ток смещения. Постулируется: линии тока проводимости на границах обкладок конденсатора переходят в линии тока смещения.

Ток смещения Уравнение (3) показывает, как увеличивается заряд q на обкладках конденсатора С. Заряд на обкладках конденсатора

Ток смещения Ток в цепи С учетом уравнений (1), (2) получаем:

Вектор электрического смещения Если обкладки неподвижны и не деформируются, то от полной производной в уравнении (10) можно перейти к частной производной по времени:

• Конденсатор заряжается. Электрическое поле возрастает, вектор D увеличивается,

• Конденсатор разряжается. Электрическое поле убывает, вектор D уменьшается,

Максвелл приписал току смещения только одно общее свойство с током проводимости – способность создавать в окружающем пространстве магнитное поле. Следовательно, 1) ток смещения не является направленным движением заряженных частиц, поэтому может существовать в вакууме, 2) протекание тока смещения не приводит к выделению тепла, поэтому проводник не нагревается.

Полный ток Циркуляция вектора Н напряженности магнитного поля по произвольному замкнутому контуру L равна алгебраической сумме макротоков и тока смещения сквозь поверхность, натянутую на этот контур.

В диэлектрике: Ток поляризации связан с потерей энергии в диэлектрике в процессе его поляризации. Следовательно, выделяется джоулево тепло.

Система уравнений Максвелла в интегральной форме 1. 2. 3 4.

1. Циркуляция вектора напряженности Е вихревого электрического поля по замкнутому контуру равна скорости изменения магнитного потока через площадь контура, взятую с обратным знаком. 1. Циркуляция вектора напряженности Е вихревого электрического поля по замкнутому контуру равна скорости изменения магнитного потока через площадь контура, взятую с обратным знаком. Отражает: - первое положение теории Максвелла, - закон электромагнитной индукции.

2. Поток вектора индукции В магнитного поля через любую замкнутую поверхность равен нулю. 2. Поток вектора индукции В магнитного поля через любую замкнутую поверхность равен нулю. Следовательно, силовые линии магнитного поля замкнуты.

3. Циркуляция вектора напряженности Н магнитного поля по замкнутому контуру равна алгебраической сумме токов, пронизывающих этот контур. 3. Циркуляция вектора напряженности Н магнитного поля по замкнутому контуру равна алгебраической сумме токов, пронизывающих этот контур. Закон полного тока. Физический смысл: магнитное поле порождается током проводимости и переменным электрическим полем.

4. Поток вектора электрической индукции D через любую замкнутую поверхность равен сумме свободных зарядов, охватываемых этой поверхностью. 4. Поток вектора электрической индукции D через любую замкнутую поверхность равен сумме свободных зарядов, охватываемых этой поверхностью. Теорема Гаусса для вектора D. Физический смысл: электрическое поле может создаваться нескомпенсированными электрическими зарядами.

Уравнения Максвелла в дифференциальной форме Переход к уравнениям Максвелла в дифференциальной форме осуществляется на основании теоремы Остроградского-Гаусса: теоремы Стокса:

Уравнения Максвелла в дифференциальной форме 1. 2. 3. 4.

Из уравнений Максвелла следует 1) Электрическое и магнитное поля взаимосвязаны, т.е. в общем случае электрическое и магнитное поля не могут существовать независимо друг от друга. Следовательно, существует единое электромагнитное поле. 2) Уравнения Максвелла являются инвариантными относительно преобразований Лоренца, т.е. их вид не меняется при переходе от одной ИСО к другой.

Из уравнений Максвелла следует 3) В общем случае уравнения Максвелла не симметричны.

Если среда не содержит свободных зарядов (ρ = 0) и в ней нет тока проводимости ( j = 0), следовательно, получаем систему уравнений Уравнения становятся симметричными, и в системе (1) они отличаются только знаками.

Различие в знаках правых частей уравнений Максвелла соответствует закону сохранения энергии и правилу Ленца, что является необходимым условием существования устойчивого электромагнитного поля. Если бы знаки при ∂B/∂t и ∂D/∂t были бы одинаковы, то бесконечно малое увеличение одного из полей привело бы к неограниченному возрастанию обоих полей, и наоборот.

Из уравнений Максвелла следует 4) Возникновение электромагнитной волны.

Материальные уравнения Максвелла Система уравнений Максвелла - согласуется с уравнениями движения заряженной частицы под действием полной силы Лоренца, - не учитывает квантовые эффекты.

Для расчета полей в среде система уравнений Максвелла дополняется уравнениями, которые характеризуют электрические и магнитные свойства среды – материальные уравнения Максвелла:

Система статических уравнений Максвелла В случае, когда вектора D и В не зависят от времени, т.е. D и В = const, система уравнений Максвелла принимает вид:

Значение теории Максвелла 1. Показал, что электромагнитное поле – это совокупность взаимосвязанных электрических и магнитных полей. 2. Предсказал существование электромагнитных волн, распространяющихся от точки к точке с конечной скоростью. 3. Показал, что световые волны являются электромагнитными волнами. 4. Связал воедино электричество, магнетизм и оптику.

БЛАГОДАРЮ за внимание!