Table Of ContentЗ Н Есина
. .
Ф И З И К А
Часть II
Кемерово 2009
Министерство образования и науки РФ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Кемеровский государственный университет»
З. Н. Есина
Ф И З И К А
Часть II
Учебное пособие
Кемерово 2009
УДК 53(075.8)
ББК ВЗя73
Е 83
Печатается по решению редакционно-издательского совета
ГОУ ВПО «Кемеровский государственный университет»
Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор А. М. Мирошников,
канд. физ.-мат. наук, доцент В. И. Бухтоярова
Есина, З. Н.
Е 83 Физика. Часть II: учебное пособие / З. Н. Есина; ГОУ ВПО
«Кемеровский государственный университет». – Кемерово, 2009. –
165 с.
ISBN 978-5-8353-0973-3
Учебное пособие разработано по курсу «Физика» для специ-
альности 010503 «Математическое обеспечение и администрирова-
ние информационных систем» и содержит теоретический материал,
библиографические сведения о выдающихся ученных и контроль-
ные вопросы для самостоятельной работы.
ISBN 978-5-8353-0973-3 ББК ВЗя73
© Есина З.Н. , 2009
© ГОУ ВПО «Кемеровский
государственный университет», 2009
ГЛАВА 1. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В ВАКУУМЕ
1.1. Магнитные явления.
1.2. Магнитная индукция.
1.3. Принцип суперпозиции полей.
1.4. Взаимодействие проводников с токами.
1.5. Закон Ампера.
1.1. Магнитные явления
Магнетизм – это раздел физики, в котором изучается взаимо-
действие электрических токов и магнитов, а также свойства маг-
нитных веществ.
Магнитные свойства некоторых веществ были известны еще
народам античной цивилизации. Так, на территории Малой Азии, в
Магнезии, находили образцы породы, которые притягивались друг
к другу, такие образцы стали называть "магнитами".
Китайские мореплаватели изобрели компас, т. е. стрелку из
магнитного материала, которая одним концом всегда указывает на
север, а противоположным – на юг. Полюс магнита, обращенный на
север, называется северным (N), а противоположный – южным (S).
Впервые теорию магнетизма и электричества создал Уильям
Гильберт. В 1600 году он издал сочинение "О магните, магнитных
телах и большом магните – Земле", в котором он описал более 600
опытов, где проявлялись магнитные и электрические явления. По-
сле Гильберта в течение более ста лет электрические и магнитные
явления изучались очень медленно.
Гильберт Уильям (1544 – 1603), английский физик, родился в
Колчестере, учился в Кембридже и Оксфорде.
Установил, что магнит имеет два полюса – северный и южный,
что одноименные полюсы отталкиваются, а разноименные притяги-
ваются. Обнаружил, что железные предметы под влиянием магнита
приобретают магнитные свойства. Пришел к выводу, что Земля яв-
ляется большим магнитом. Северный магнитный полюс находится
вблизи южного географического полюса, а южный магнитный
вблизи северного географического полюса. Объяснил наклонение
магнитной стрелки.
В ХIХ веке изучение магнитных явлений стало более активным.
3
В то время еще не видели связи между магнетизмом и электричест-
вом. Эрстед предположил, что магнетизм является одной из скры-
тых форм электричества. На лекции он продемонстрировал опыт с
пропусканием тока через проволоку, которая располагалась пер-
пендикулярно стрелке компаса (рис. 1.1).
S
N
Рис. 1.1.
Опыт не дал ожидаемого результата. Стрелка компаса осталась
неподвижной. Тогда Эрстед расположил проволоку вдоль магнит-
ной стрелки (рис. 1.2).
S N
Рис. 1.2.
Стрелка повернулась и встала перпендикулярно проволоке. В
зависимости от направления тока, она поворачивалась в различных
направлениях. Это доказывало магнитное действие тока, т. е. ука-
зывало на существование связи между электрическими и магнит-
ными явлениями.
Эрстед Ханс Кристиан (1777 – 1851), датский физик, родился
в Рудкебинге, окончил Копенгагенский университет. Работы по-
священы электричеству, акустике, молекулярной физике. В 1820 г.
обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку.
Это привело к возникновению новой области физики – электромаг-
нетизма. Независимо от Ж. Фурье, открыл термоэлектрический эф-
фект. Изучал сжимаемость и упругость жидкостей и газов, изобрел
пьезометр.
Движение электронов в атоме создает микротоки, вызываю-
щие появление магнитного поля, поэтому все вещества обладают
4
магнитными свойствами, т. е. являются магнетиками.
По своим магнитным свойствам все вещества разделяются на
парамагнетики, обладающие магнитным моментом в отсутствие
внешнего магнитного поля, и диамагнетики, в которых магнитный
момент индуцируется внешним магнитным полем. Существует
также особый класс магнетиков, называемых ферромагнетиками.
При низких температурах они обладают значительным магнитным
моментом.
Между магнитными и электрическими явлениями много об-
щего.
1. Намагниченное тело может притягивать или отталкивать
другое намагниченное тело, в зависимости от того, какими полюса-
ми они обращены друг к другу.
Если полюса одноименные, то магниты отталкиваются, а в
случае разноименных полюсов они притягиваются, аналогично то-
му, как отталкиваются одноименно заряженные наэлектризованные
тела и притягиваются тела, имеющие противоположные по знаку
заряды.
2. Магнитный диполь – постоянный магнит с южным S и се-
верным N полюсами. В однородном магнитном поле диполь стре-
мится повернуться по полю,
3. Электрическое и магнитное поля могут действовать на дви-
жущийся заряд.
Но между магнитными и электрическими явлениями есть и
существенные различия.
1. Так, если разрезать поперек полосовой магнит, то получим
снова магниты, имеющие северный и южный полюса. Если разре-
зать пополам электрический диполь, то можно разделить отрица-
тельный и положительный заряды.
2. Магнитное поле может только поворачивать заряженные
тела в пространстве вокруг оси, а электрическое поле может пере-
мещать тела в пространстве.
3. Постоянное магнитное поле воздействует только на движу-
щийся заряд, тогда как электрическое поле может действовать как
на неподвижный, так и на движущийся заряд.
4. Электрическое поле создается как неподвижными, так и
5
движущимися электрическими зарядами. Магнитный заряд пока не
обнаружен. Магнитное поле создается движущимися электриче-
скими зарядами и токами.
1.2. Магнитная индукция
Магнитная индукция B является силовой характеристикой по-
ля. Единицей магнитной индукции в системе СИ является Тесла (Т).
Магнитное поле изображается графически с помощью силовых ли-
ний. В отличие от электрического, магнитное поле изображается
линией, не имеющей начала и окончания, т. к. в природе нет маг-
нитных зарядов. Вектор B направлен по касательной к силовой ли-
нии. Направление вектора B определяется по правилу правого вин-
та.
Правило правого винта применяется для прямолинейного
проводника и для кругового проводника с током.
1. Пусть острие винта направлено вдоль тока, текущего в
прямолинейном проводнике, тогда направление вращения рукоятки
винта покажет направление касательной в каждой точке силовой
линии, следовательно, укажет направление вектора магнитной
индукции (рис. 1.3).
I
B
B
B B
Рис. 1.3.
2. Пусть рукоятка винта вращается вдоль направления тока
в круговом проводнике, тогда направление движения острия винта
укажет направление магнитной индукции на силовых линиях
(рис. 1.4).
6
Рис. 1.4.
Воспользуемся правилом правого винта и найдем направление
магнитной индукции соленоида (катушки) с током (рис. 1.5).
Рис. 1.5.
Силовые линии магнитного поля постоянного магнита, имею-
щего форму прямоугольника, располагаются подобно силовым ли-
ниям соленоида (рис. 1.6).
B
S
N
B
Рис. 1.6.
1.3. Принцип суперпозиции полей
Магнитная индукция B, создаваемая несколькими токами или
отдельными движущимися зарядами, равна векторной сумме маг-
нитных индукций полей B , создаваемых каждым током или дви-
i
жущимся зарядом в отдельности:
7
B = ∑B . (1.1)
i
В случае сложения двух векторов модуль магнитной индук-
ции равен:
B = B 2 + B 2 + 2B B cos α , (1.2)
1 2 1 2
где a – угол между векторами B и B .
1 2
Графически вектор B находится как диагональ в параллело-
грамме, построенном на векторах B и B (рис. 1.7).
1 2
Рис. 1.7.
Возьмем бесконечно малый отрезок проводника длиной dl, по
которому течет ток I.
Произведение Idl называется элементом тока, где dl – век-
тор, направленный вдоль тока I (рис. 1.8).
Рис. 1.8.
Магнитная индукция B, создаваемая проводником, равна век-
торной сумме магнитных индукций dB, создаваемых элементами
тока, операция суммирования заменяется интегрированием:
=
B ∫dB. (1.3)
1.4. Взаимодействие проводников с токами
В 1820 году Андре Ампер открыл взаимодействие между со-
бой двух проводников с током. Ампер исследовал взаимодействие
8
проволочных контуров прямоугольной формы, один из которых
был закреплен, а другой мог свободно вращаться вокруг вертикаль-
ной оси (рис. 1.9).
Рис. 1.9.
Если подвижная рамка сближается с неподвижной, то взаимо-
действуют только два соседних ребра, поэтому можно исследовать
взаимодействие двух прямолинейных токов.
Ампер Андре Мари (1775 – 1836) – французский физик, ма-
тематик и химик. Родился в Лионе. Основные работы посвящены
электродинамике. В 1820 году сформулировал правило для опреде-
ления направления действия магнитного поля на магнитную стрел-
ку (правило Ампера). Открыл взаимодействие электрических токов
и установил закон этого взаимодействия (закон Ампера). Разрабо-
тал теорию магнетизма, согласно которой магнитные взаимодейст-
вия сводятся к взаимодействию скрытых в телах круговых электри-
ческих молекулярных токов (лепестков Ампера).
Ампер обнаружил в своих опытах, что при противоположном
направлении токов соседние проводники отталкиваются, а при оди-
наковом направлении токов – притягиваются.
Сила взаимодействия двух проводников пропорциональна уд-
военному произведению токов в проводниках и обратно пропор-
циональна расстоянию между ними:
2I I
=
F k 1 2 , (1.4)
r
где k – коэффициент пропорциональности.
В системе СИ единицей тока является Ампер.
1А – это ток, который, проходя по двум параллельным провод-
никам бесконечной длины и малого сечения, расположенным на
расстоянии r = 1м, вызывает силу взаимодействия F = 2(cid:215) 10- 7H на
9
