Магнит өрісі

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 өрісі” терминін 1845 ж. ағылшын физигі М. Фарадей енгізген.

Ол элетр 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.

2. Электромагниттік индукция құбылысы.Тоқтардың магниттік әсерлесуі, электр тоғының магнит өрісін тудыру қабілеті ашылғаннан кейін көп ғалымдар кері процесс – магнит өрісі әсерінен электр тогын тудыру мүмкіншілігін іздестірді . Осы мәселені 1831 жылы М.Фарадей алғашқы болып шешті . Ол өткізгіштен жасалған катушканың ішіндегі магнит өрісі өзгергенде , катушкада ток пайда болатынын анықтады. Бұл құбылыс электромагниттік индукция деп аталады.

Электромагниттік индукция нәтижесінде пайда болатын электр тогын индукциялық ток деп атайды .

Тәжірибелер катушкадағы индукциялық токты әр түрлі әдістермен тудыруға болатынын көрсетті: катушкаға магнитті кіргізуге немесе одан шығаруға болады , катушканы магнитке кигізуге немесе магниттен суырып алуға болады . Индукциялық токтың ешқандай механикалық қозғалыс болмағанда да туындауы мүмкін . Ол үшін жақын тұрған екі катушканың біреуін ток көзімен қосу керек . Егер бірінші катушкадағы токтың магнит өрісі екінші катушканың орамдарын олардың жазықтарынан перпендикулярлы өтетін болса , онда кез келген бірінші катушкадағы ток өзгерісі екінші катушкада индукциялық ток тудырады . Кез келген тұйық контурда электростатистикалық күштердің жұмысы нөлге тең. Бірақ катушканың тұйық тізбегінен өтетін магнит өрісінің кез келген өзгерісі индукциялық токты тудырады , бұл магнит өрісі өзгергенде , катушканың сымдарындағы электр зарядтарына табиғаты элекростатикалық емес күштер әсер ететіндігін көрсетеді . Осы бөгде күштердің жұмысы индукцияның электроқозғау-шы күші (ЭҚК) арқылы сипатталады .

Тәжірибенің көрсетуінше индукциялық токтың бағытын ылғи Ленц ережесі аталатын жалпы ереже анықтайды : индукциялық токтың магнит өрісі осы индукциялық токты тудыратын магнит өрісінің өзгерісін компенсациялауға тырысады. Мысалы , катушкаға магнитті енгізгенде , катушкадағы магнит өрісі өсе бастағанда , катушкадағы туындаған индукциялық токтың магнит өрісінің бағыты кері болады және ол катушкадағы магнит өрісінің өсуін бөгейді . Оған қоса пайда болған индукциялық ток өзінің магнит өрісінің әсерімен магниттің катушкаға енуіне кедергі істейді , сондықтан индукциялық токты тудыру үшін бөгде күштер жұмыс істеу керек .Сонымен Ленц ережесі энергияның сақталу және айналу заңымен байланысты . Индукциялық электр тогының энергиясы өз бетімен пайда болуы мүмкін емес , ол мөлшері тең басқа энергиясының түрленуі арқылы пайда болады .

Индукцияның ЭҚК мәнін έ і тауып алу үшін келесі мысалды қарастырайық . біртекті магнит өрісінде индукция В векторына перпендикулярлы жазықтықта екі параллель металдық стерженьді l қашықтыққа орналасып , бір жақтағы екі ұшын байланыстырайық . Стержньге перпендикулярлы жылжымалы түзу өткізгіш олармен жанасып тұрсын . Осы өткізгіш солдан оңға бір қалыпты жылдамдықпен қозғалғанда , өткізгіштегі әрбір электронға өткізгіш бойымен магнит өрісі жағынан Лоренц күші әсер етеді: FM = eυB

Лоренц күші әсерінен қозғалған өткізгіштегі барлық еркін электрондар қозғала бастайды және қозғалған AB өткізгіштер , екі BC мен DA стерженьнен оларды байланыстыратын тыныштықтағы CD өткізгіштен құралатын тұйық электр тізбегінде индукциялық ток пайда болады . Бір электронның B нүктеден A нүктеге орын ауыстыруында Лоренц күшінің істеген жұмысы: AAB =FM l = eυB l

Тізбектің BC , CD және DA бөліктерінде электрондардың қозғалыс бағыты Лоренц күші векторына перпендикулярлы болғандықтан , бұл бөліктерде Лоренц күшінің жұмысы нөлге тең .

3.Электромагниттік тербелістер - зарядтың, ток күшінің және кернеудің периодты өзгерісін атайды. Электромагниттік тербеліс кезінде электр және магнит өрістері энергиясының бір- біріне периодты айналу процесі жүреді. Электромагниттік тербелістерді бақылау үшін электрондықосциллограф қолданылады. Зарядтың ток күшінің және кернеудің периодты өзгерісін электромагниттік тербелістер деп атайды.Электромагниттік тербеліс кезінде электр және магниттік өрістері энергияның бір-біріне және периодты айналу процесі жүреді.Электромагниттік тербелістерді бақылау үшін Электрондық осцилограф қолданылады. Уақыттың өтуiмен байланысты қайталанып отыратын процесстердi тербелiстер деп атайды. Қайталанатын құбылыстың табиғатына байланысты тербелiстер әртүрлi, мысалы, механикалық, электрлiк т.с.с. болуы мүмкiн. Егер тербелiстер бiрдей уақыт аралығында қайталанатын болса, онда ондай тербелiстердi периодты тербелiстер деп атайды. Тербелiстiң қайталану уақытын тербелiс периоды деп атап, Т әрiпiмен белгiлейдi. Тербелiстiң ν жиiлiгi деп бiрлiк уақыт мезетiнде жасалатын толық тербелiстердiң санын айтады, яғни

Ал тербелiстiң ω, циклдiк жиiлiгi ретiнде 2π уақыт бiрлiгiндегi жасалынатын тербелiстердiң саны алынады, яғни ω=2πν=2π/T, бұдан

Тербелiс периодының өлшем бiрлiгi 1 секунд ( 1 с ), ал жиiлiктiң бiрлiгi ретiнде 1 с уақыт аралығында 1 тербелiс жасайтын тербелiстiң жиiлiгi алынған. Оны 1 Герц ( 1 Гц ) деп атайды. Периодты тербелiстiң қарапайым мысалы гармониялық тербелiстер. Гармониялық тербелiс кезiнде оны сипаттайтын физикалық шамалар синус немесе косинус функцияларымен анықталатындай болып өзгередi, яғни

Мұндағы х - өзгеретiн физикалық шама. Тербелiстегi жүйенiң тепе-теңдiк қалыпынан ауытқуының ең үлкен мәнiн беретiн А шамасы тербелiс амплитудасы деп аталады. Ал (ω· t + φ0) - тербелiс фазасы, ω - циклдiк жиiлiк, φ0- бастапқы фаза. Гармониялық функцияның сипатын мына жерден қарап көруге болады Егер жүйеге сырттан қандай да бiр әсер болмай, ол тек iшкi себептердiң салдарынан тербелетiн болса, ондай тербелiстi еркiн тербелiстер деп атайды. Табиғатта, әсiресе әртүрлi техникалық құралдарда жиi кездесетiн тербелiстердiң түрi электромагниттiк тербелiстер. Мұндай тербелiстер кезiнде магнит және электр құбылыстарымен байланысқан, конденсатор астарларындағы заряд, электр өрiсi, өткiзгiш маңындағы магнит өрiсi, тiзбектегi ток, кернеу тәрiздi шамалар периодты түрде өзгередi.

2.1 – сурет

Электромагниттiк тербелiстердi шығарып алуға және байқауға болатын ең қарапайым жүйе – тербелмелi контур. Тербелмелi контур деп кедергiсi өте аз өткiзгiштер арқылы өзара параллель жалғанған конденсатор мен индуктивтi катушкадан тұратын жүйенi айтады ( 2.1 – сурет ).

Тербелмелi контурда электромагниттiк тербелiстерiнiң қалай пайда болып, өтетiнiн мына жерден көруге болады.

Зарядталған конденсатордың және бойынан I тогы өтiп жатқан индуктивтi катушканың энергиялары сәйкес мынадай өрнектермен анықталады

және

(2.4)

Электромагниттiк тербелiс кезiнде, әрине, бұл энергиялардың жекелей алғандағы мәндерi тұрақты болып қалмайды. Бiрақ конденсатор мен индуктивтi катушканы қосатын өткiзгiштердiң кедергiсiн елеместей аз деп есептесек, жүйенiң толық электромагниттiк энергиясы

(2.5)

сақталады. Тербелмелi контурда туындылайтын электромагниттiк тербелiс, механикадағы серіппеге немесе салмақсыз созылмайтын жiпке iлiнген жүктiң тербелiсiне ұқсас. Бұл жағдайлардағы айырмашылық , тек өзгеретiн шамалардың табиғаттарының әр түрлi болуында. Осындай тербелiстер кезiнде энергияның қалай түрленетiнiн мына тәжiрибе айқын көрсетедi.