Лекции по "Физике"

1. перемещение магнита  и катушки относительно друг  друга;   2. перемещение одной катушки относительно другой;   3. изменение силы тока в одной из катушек;  4. замыкание и размыкание цепи;   5. перемещение сердечника;

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ

М. Фарадей - 1831 г.

Способы получения индукционного  тока:

 
Явление электромагнитной индукции 
- возникновение электрического тока в замкнутом проводящем контуре, который либо покоится в переменном во времени магнитном поле, либо движется в постоянном магнитном поле так, что число линий магнитной индукции, пронизывающих контур, меняется. Чем быстрее меняется число линий магнитной индукции, тем больше индукционный ток.

МАГНИТНЫЙ ПОТОК  
( или поток магнитной индукции)

Магнитным потоком через  поверхность площадью S называют величину, равную произведению модуля вектора  магнитной индукции В на площадь S и косинус угла между векторами  В и n.

Магнитный поток пропрционален  числу линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность площадью S.

 Магнитный поток характеризует  распределение магнитного поля  по поверхности , ограниченной  контуром.

Магнитный поток в 1Вб создается  однородным магнитным полем с  индукцией 1Тл через поверхность  площадью 1м2, расположенной перпендикулярно  вектору магнитной индукции.

НАПРАВЛЕНИЕ ИНДУКЦИОННОГО  ТОКА

Прямолинейный проводник

 Направление индукционного тока  определяется по правилу правой руки:Если поставить правую руку так, чтобы вектор магнитной индукции входил в ладонь, отставленный на 90 градусов большой палец указывал направление вектора скорости, то выпрямленные 4 пальца покажут направление индукционного тока в проводнике.

 

 

Замкнутый контур

Направление индукционного  тока в замкнутом контуре определяется по правилу Ленца.

Правило Ленца

Возникающий в замкнутом  контуре индукционный ток своим  магнитным полем противодействует изменению магнитного потока, которым  он вызван.

Применение правила Ленца

1. показать направление  вектора В внешнего магнитного  поля;  
2. определить увеличивается или уменьшается магнитный поток через контур;  
3. показать направление вектора Вi магнитного поля индукционного тока ( при уменьшении магнитного потока вектора В внешнего м.поля и Вi магнитного поля индукционного тока должны быть направлены одинаково, а при увеличениии магнитного потока В и Вi должны быть направлены противоположно );  
4. по правилу буравчика определить направление индукционного тока в контуре.

Взаимосвязь электрического и магнитного полей.

Электрическое и магнитные  поля тесно связаны между собой. В природе существует электромагнитное поле - чисто электрические и чисто  магнитные поля являются лишь его  частными случаями. Изменяющиеся электрические  и магнитные поля индуктируют  друг друга.(под изменением поля надо понимать не только изменение его  интенсивности, но и движение поля как  целого).

Взаимное индуктирование электрического и магнитного полей  происходит в пространстве с огромной скоростью /со скоростью света/ и  представляет собой распространение  электромагнитных волн. Такими электромагнитными  волнами являются радиоволны, свет - инфракрасный, видимый, ультрафиолетовый, а также рентгеновские и гамма-лучи. Поэтому многие эффекты, описанные в этом разделе, имеют аналоги и в оптике, и, наоборот, "оптические" эффекты широко применяются в радиотехнике, особенно в диапазоне СВЧ (например, эффект Фарадея).

Магнитное поле может быть создано постоянными магнитными, переменными электрическим полем  и движущимися электрическими зарядами, в частности теми, которые движутся в проводнике, создавая электрический  ток.

Основной характеристикой  электрического поля является напряженность, определяемая через силу, действующую  на заряд. Основной характеристикой  магнитного поля является вектор магнитной  индукции, также определяемый через  силу, действующую на заряд в магнитном  поле.

На неподвижные заряды магнитное поле вообще не действует. Движущийся заряд магнит не притягивает  и не отталкивает, а действует  на него в направлении, перпендикулярном к полю и к скорости заряда. Сила, действующая на заряд в этом случае, называется силой Лоренца.

При движении зарядов в  магнитном поле не вдоль линии  этого поля из -за силы Лоренца траектория их движения будет представлять собой  спираль. Чем сильнее поле, тем  меньше радиус этой спирали. Период обращения  заряда не зависит от скорости движения, а только от отношения величины заряда к массе заряженной частицы.

В случае перпендикулярности силовых линий магнитного поля плоскости  движения заряженной частицы она  начинает двигаться по кругу, причем радиус этого круга зависит от напряженности магнитного поля.

Теория  электромагнитного поля.

Электромагни́тное по́ле — фундаментальное физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами, а также с телами, имеющими собственные дипольные и мультипольные электрические и магнитные моменты. Представляет собой совокупность электрического и магнитного полей, которые могут, при определённых условиях, порождать друг друга, а по сути являются одной сущностью, формализуемой через тензор электромагнитного поля.

В 1864 г. Дж. Максвелл создаёт теорию электромагнитного поля, согласно которой электрическое и магнитное поля существуют как взаимосвязанные составляющие единого целого — электромагнитного поля. Эта теория с единой точки зрения объясняла результаты всех предшествующих исследований в области электродинамики, и, кроме того, из неё вытекало, что любые изменения электромагнитного поля должны порождать электромагнитные волны, распространяющиеся в диэлектрической среде(в том числе, в пустоте) с конечной скоростью, зависящей от диэлектрической и магнитной проницаемости этой среды. Для вакуума теоретическое значение этой скорости было близко к экспериментальным измерениям скорости света, полученным на тот момент, что позволило Максвеллу высказать предположение (впоследствии подтвердившееся), что свет является одним из проявлений электромагнитных волн.

Теория Максвелла уже при своем возникновении разрешила ряд принципиальных проблем электромагнитной теории, предсказав новые эффекты и дав надежную и эффективную математическую основу описанию электромагнитных явлений. Однако при жизни Максвелла наиболее яркое предсказание его теории — предсказание существования электромагнитных волн — не получило прямых экспериментальных подтверждений.

В 1887 г. немецкий физик Г. Герц поставил эксперимент, полностью подтвердивший теоретические выводы Максвелла. Его экспериментальная установка состояла из находящихся на некотором расстоянии друг от друга передатчика и приёмника электромагнитных волн, и фактически представляла собой исторически первую системурадиосвязи, хотя сам Герц не видел никакого практического применения своего открытия, и рассматривал его исключительно как экспериментальное подтверждение теории Максвелла.

В XX в. развитие представлений об электромагнитном поле и электромагнитном излучении продолжилось в рамках квантовой теории поля, основы которой были заложены великим немецким физиком Максом Планком. Эта теория, в целом завершенная рядом физиков около середины XX века, оказалась одной из наиболее точных физических теорий, существующих на сегодняшний день.

Во второй половине XX века (квантовая) теория электромагнитного  поля и его взаимодействия была включена в единую теорию электрослабого взаимодействия и ныне входит в так называемую стандартную модель в рамках концепции калибровочных полей (электромагнитное поле является с этой точки зрения простейшим из калибровочных полей — абелевым калибровочным полем).

Электромагни́тное излуче́ние (электромагнитные волны) — распространяющееся в пространстве изменение состояния  электромагнитного поля (то есть, взаимодействующих друг с другом электрического и магнитного полей).

Электромагнитное  излучение подразделяется на :

Радиоволны (начиная со сверхдлинных)-это  электромагнитное излучение с длинами волн и частотами-- возникают при протекании по проводникам переменного тока соответствующей частоты. И наоборот, проходящая в пространстве электромагнитная волна возбуждает в проводнике соответствующий ей переменный ток. Это свойство используется в радиотехнике при конструировании антенн. Естественным источником волн этого диапазона являются грозы. Считается, что они же являются источником стоячих электромагнитных волн Шумана.,

Инфракрасное излучение- электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света и микроволновым излучением -- Оптические свойства веществ в инфракрасном излучении значительно отличаются от их свойств в видимом излучении. Например, слой воды в несколько сантиметров непрозрачен для инфракрасного излучения с λ = 1 мкм. Инфракрасное излучение составляет большую часть излучения ламп накаливания, газоразрядных ламп, около 50 % излучения Солнца; инфракрасное излучение испускают некоторые лазеры. Для его регистрации пользуются тепловыми и фотоэлектрическими приемниками, а также специальными фотоматериалами,

Видимое (оптическое) излучение -- может создаваться и регистрироваться в химических и биологических реакциях. Одна из известнейших химических реакций, являющихся приёмником оптического излучения, используется в фотографии. Источником энергии для большинства живых существ на Земле является фотосинтез — биологическая реакция, протекающая в растениях под действием оптического излучения Солнца.,

Ультрафиолетовое излучение—применяется--Чёрный свет(Для защиты документов от подделки их часто снабжают ультрафиолетовыми метками), Стерилизация воздуха и твёрдых поверхностей, Дезинфекция питьевой воды, Искусственный загар, Ловля насекомых.

Рентгеновское излучение и жесткое (гамма-излучение)—применяется --  в медицине (рентгенография и рентгеноскопия, Рентгенотерапия ), рентгеновской дефектоскопией(Выявление дефектов в изделиях (рельсах), В аэропортах активно применяются рентгенотелевизионные интроскопы.

Электромагнитное излучение  способно распространяться практически  во всех средах. В вакууме (пространстве, свободном от вещества и тел, поглощающих  или испускающих электромагнитные волны) электромагнитное излучение  распространяется без затуханий  на сколь угодно большие расстояния, но в ряде случаев достаточно хорошо распространяется и в пространстве, заполненном веществом (несколько  изменяя при этом свое поведение).

Спектр  электромагнитных волн.

Электромагнитное излучение  принято делить по частотным диапазонам (см. таблицу). Между диапазонами нет резких переходов, они иногда перекрываются, а границы между ними условны. Поскольку скорость распространения излучения (в вакууме) постоянна, то частота его колебаний жёстко связана с длиной волны в вакууме.

Название диапазона		Длины волн, λ	Частоты, ν	Источники
Радиоволны	Сверхдлинные	более 10 км	менее 30 кГц	Атмосферные имагнитосферныеявления. Радиосвязь.
	Длинные	10 км — 1 км	30 кГц — 300 кГц
	Средние	1 км — 100 м	300 кГц — 3 МГц
	Короткие	100 м — 10 м	3 МГц — 30 МГц
	Ультракороткие	10 м — 1 мм	30 МГц — 300 ГГц[4]
Инфракрасное излучение		1 мм — 780 нм	300 ГГц — 429 ТГц	Излучение молекул и атомов при тепловых и электрических  воздействиях.
Видимое (оптическое) излучение		780—380 нм	429 ТГц — 750 ТГц
Ультрафиолетовое		380 — 10 нм	7,5·1014 Гц — 3·1016 Гц	Излучение атомов под воздействием ускоренных электронов.
Рентгеновские		10 нм — 5 пм	3·1016 — 6·1019 Гц	Атомные процессы при воздействии  ускоренных заряженных частиц.
Гамма		менее 5 пм	более 6·1019 Гц	Ядерные и космические  процессы, радиоактивный распад.

 

 

 

 

 

 

 

 

Движение  частиц в электрическом и магнитном  полях.

4.2. Движение заряженной частицы  в однородном постоянном электрическом  поле.

В данном случае и сила Лоренца имеет только электрическую составляющую . Уравнением движения частицы в этом случае является:

.

Рассмотрим две ситуации:    а)      и     б) .

а) (рис.13.1).

 

 

Рис.13.1. Движение заряженной частицы в электрическом поле ( ).

Изменение кинетической энергии  частицы на пути d происходит за счет работы силы :

   , откуда

где - ускоряющее напряжение.

В частности, если начальная  скорость частицы  , то

.

Время пролета частицы  в электрическом поле и пройденный путь находим из уравнений:

б) (рис.13.2).