Задачи по теме «энергия магнитного поля» с решением

Синусоидальные волны

Электрическое сопротивление

Концепция импеданса позволяет применять формулы, используемые в непрерывном режиме, к синусоидальным условиям, при этом интегрируя влияние емкостных и индуктивных элементов.

Волноводный и скин-эффект

Волновод — это физическая система, которая используется для направления электромагнитных или акустических волн, чтобы удерживать их в определенной среде на определенном расстоянии.

Скин-эффект — это электромагнитное явление, означающее, что на высокой частоте ток имеет тенденцию циркулировать только по поверхности проводников. Это явление электромагнитного происхождения существует для всех проводников, через которые проходят переменные токи. Это вызывает уменьшение плотности тока по мере удаления от периферии проводника. Это приводит к увеличению сопротивления проводника.

Расчет катушек индуктивности под конкретный провод

Пересчет катушек индуктивности производится при отсутствии провода нужного диаметра, указанного в описании конструкции, и замене его проводом другого диаметра, а также при изменении диаметра каркаса катушки.Если отсутствует провод нужного диаметра, можно воспользоваться другим. Изменение диаметра в пределах до 25% в ту или другую сторону вполне допустимо и, как правило, не отражается на качестве работы. Более того, увеличение диаметра провода допустимо во всех случаях, так как при этом уменьшается омическое сопротивление катушки и повышается ее добротность. Уменьшение же диаметра ухудшает добротность и увеличивает плотность тока на единицу сечения провода, которая не может быть больше допустимой величины.Пересчет количества витков однослойной цилиндрической катушки при замене провода одного диаметра другим производится по формуле

где n — новое количество витков катушки; n1 — число витков катушки, указанное в описании; d — диаметр имеющегося провода; d1 — диаметр провода, указанного в описании. В качестве примера приведем пересчет числа витков катушки, изображенной на рис.1, для провода диаметром 0,8 мм

(длина намотки l = 18×0,8 — 14,4 мм).Таким образом, количество витков и длина намотки несколько уменьшились. Для проверки правильности пересчета рекомендуется выполнить новый расчет катушки с измененным диаметром провода:

При пересчете катушки, связанном с изменением ее диаметра, следует пользоваться процентной зависимостью между диаметром и числом витков. Эта зависимость заключается в следующем: при увеличении диаметра катушки на определенное число процентов количество витков уменьшается на столько же процентов, и, наоборот, при уменьшении диаметра на равное число процентов увеличивается количество витков. Для упрощения расчетов за диаметр катушки можно принимать диаметр каркаса. В качестве примера произведем пересчет числа витков катушки, имеющей 40 витков при длине намотки 2 см и диаметр каркаса 1,5 см, на диаметр, равный 1,8 см. Согласно условиям пересчета диаметр каркаса увеличивается на 3 мм, или на 20%. Следовательно, для сохранения неизменной величины индуктивности этой катушки при намотке на каркас большого диаметра нужно уменьшить число витков на 20%, или на 8 витков. Новая катушка будет иметь 32 витка. Длина намотки также уменьшится на 20%, или до 1,6 см.Проверим пересчет и определим допущенную погрешность. Исходная катушка имеет индуктивность:

Индуктивность новой катушки на каркасе с увеличенным диаметром:

Ошибка при пересчете составляет 0,32 мкГн, то есть меньше 2,5%, что вполне допустимо для расчетов в радиолюбительской практике.

Каждый любитель мастерить электронные приборы и , не раз сталкивался с необходимостью намотать катушку индуктивности или дроссель. В схемах конечно указывают число намотки катушки и каким проводом, но что делать если указанного диаметра провода нет в наличии, а есть намного толще или тоньше??

Я расскажу вам как это сделать на моем примере.Хотел я сделать вот эту схему . Намоточные данные катушек в схеме указаны (6 витков провода 0.4 на каркасе 2мм) эти намоточные данные соответствуют 47nH-нано Генри, все бы нормально но провод у меня был 0.6мм. Помощь я нашел в программе Coil32.

Открываем программу

Для этого вставляем в окошки известные нам данные этих катушек, длину намотки подбираем до тех пор пока вычисления не совпадут с нашими данными.

Но если вы например уже вытравили платы, а размер контактов для катушки остался прежним, то есть для катушки с длиной намотки 3мм, а у вас же получилась на 5.5мм (намного больше и впаять рядом 3 таких катушки будет проблематично)

Значит нужно нашу катушку уменьшить, ставим в окошко диаметр каркаса не 2мм, а 4мм. И наша катушка с проводом 0.6мм, уменьшается в длине с 5.5мм до 3мм и число витков 3.5, +/- 1-2 нГн роли большой не сыграет, зато мы сможем легко впаять наши индуктивности.

Для того, чтобы создать магнитное поле и сгладить в нем помехи и импульсы, используются специальные накопительные элементы. Катушки индуктивности в цепи переменного тока и постоянного применяются для накопления определенного количества энергии и ограничения электричества.

Силовые линии магнитного поля

Магнитное поле, которое возникает вокруг проводника с током или движущейся заряженной частицы, или вокруг нашей планеты Земля. Изображается на чертеже в виде силовых линий. Рассмотрим опыт: воспользуемся соленоидом, который установлен внутри столика. Направим ток вдоль соленоида. Если на столик посыпать железные опилки, то они располагаются в виде замкнутых концентрических окружностей, которые начинаются на северном полюсе, а заканчиваются на южном полюсе. Любая катушка, по которой течет ток, сама становится магнитом. У неё возникают магнитные полюса, которые можно определить при помощи магнитных стрелок.

использовать

Длины волн, видимые человеческим глазом, находятся в диапазоне от 380  нм до 780  нм (ниже ультрафиолета выше инфракрасного ).

Эту электромагнитную энергию можно восстановить, используя фотоэлектрические панели (фиолетовое и ультрафиолетовое излучение) или даже солнечные водонагреватели (инфракрасные).

Также эта энергия восстанавливается растениями для фотосинтеза и фотопленкой.

Эти фотоны могут вызывать ионизацию из атомов , возбужденных атомов затем передают свою энергию , которая может быть извлечена в другой форме (например , электричество , фотосинтез), или он изменяет структуру материи, таким образом , «напечатанной» (например , фотографическую пленку).

Фотоны также могут отдавать свою энергию, заставляя атомы вещества перемешиваться (например, микроволновая печь).

В случае радиоволн (радио, телевидение, сотовые телефоны) электромагнитная энергия вызывает прохождение электрического тока через антенну, который преобразуется в звук или изображение.

1.21. Самоиндукция. Энергия магнитного поля window.top.document.title = «1.21. Самоиндукция. Энергия магнитного поля»;

Самоиндукция является важным частным случаем электромагнитной индукции, когда изменяющийся магнитный поток, вызывающий ЭДС индукции, создается током в самом контуре. Если ток в рассматриваемом контуре по каким-то причинам изменяется, то изменяется и магнитное поле этого тока, а, следовательно, и собственный магнитный поток, пронизывающий контур. В контуре возникает ЭДС самоиндукции, которая согласно препятствует изменению тока в контуре.

Собственный  Φ, пронизывающий контур или катушку с током, пропорционален силе тока I:

Коэффициент пропорциональности L в этой формуле называется коэффициентом самоиндукции или индуктивностью катушки. Единица индуктивности в СИ называется генри (Гн). Индуктивность контура или катушки равна 1 Гн, если при силе постоянного тока 1 А собственный поток равен 1 Вб:

В качестве примера рассчитаем индуктивность длинного соленоида, имеющего N витков, площадь сечения S и длину l. Магнитное поле соленоида определяется формулой (см. § 1.17)

In = N / e

Магнитный поток, пронизывающий все N витков соленоида, равен

Следовательно, индуктивность соленоида равна

VSlIсм. § 1.17

ЭДС самоиндукции, возникающая в катушке с постоянным значением индуктивности, согласно закона Фарадея равна

ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна индуктивности катушки и скорости изменения силы тока в ней.

Магнитное поле обладает энергией. Подобно тому, как в заряженном конденсаторе имеется запас электрической энергии, в катушке, по виткам которой протекает ток, имеется запас магнитной энергии. Если включить электрическую лампу параллельно катушке с большой индуктивностью в электрическую цепь постоянного тока, то при размыкании ключа наблюдается кратковременная вспышка лампы (рис. 1.21.1). Ток в цепи возникает под действием ЭДС самоиндукции. Источником энергии, выделяющейся при этом в электрической цепи, является магнитное поле катушки.

Рисунок 1.21.1.Магнитная энергия катушки. При размыкании ключа K лампа ярко вспыхивает

Из закона сохранения энергии следует, что вся энергия, запасенная в катушке, выделится в виде джоулева тепла. Если обозначить через R полное сопротивление цепи, то за время Δt выделится количество теплоты ΔQ = I2 R Δt.

Ток в цепи равен

Выражение для ΔQ можно записать в виде

В этом выражении ΔI < 0; ток в цепи постепенно убывает от первоначального значения I до нуля. Полное количество теплоты, выделившейся в цепи, можно получить, выполнив операцию интегрирования в пределах от I до 0. Это дает

Эту формулу можно получить графическим методом, изобразив на графике зависимость магнитного потока Φ (I) от тока I (рис. 1.21.2). Полное количество выделившейся теплоты, равное первоначальному запасу энергии магнитного поля, определяется площадью изображенного на рис. 1.21.2 треугольника.

Рисунок 1.21.2.Вычисление энергии магнитного поля

Таким образом, энергия W_м магнитного поля катушки с индуктивностью L, создаваемого током I, равна

Применим полученное выражение для энергии катушки к длинному соленоиду с магнитным сердечником. Используя приведенные выше формулы для коэффициента самоиндукции L_μ соленоида и для магнитного поля B, создаваемого током I, можно получить:

V

объемной плотностью магнитной энергииДж. Максвелл

Основные уравнения

Поскольку вектор магнитной индукции является одной из основных фундаментальных физических величин в теории электромагнетизма, он входит в огромное множество уравнений, иногда непосредственно, иногда через связанную с ним напряжённость магнитного поля. По сути, единственная область в классической теории электромагнетизма, где он отсутствует, это пожалуй разве только чистая электростатика.

(Здесь формулы приведем в СИ, в виде для вакуума, где есть варианты для вакуума — для среды; запись в другом виде и подробности — см. по ссылкам).

В магнитостатике

В магнитостатическом пределе наиболее важными являются:

• Закон Био — Савара — Лапласа: играет в магнитостатике ту же роль, что закон Кулона в электростатике:

  B→(r→)=μ4π∫L1I(r→1)dL1→×(r→−r→1)|r→−r→1|3,{\displaystyle {\vec {B}}\left({\vec {r}}\right)={\mu _{0} \over 4\pi }\int \limits _{L_{1}}{\frac {I\left({\vec {r}}_{1}\right){\vec {dL_{1}}}\times \left({\vec {r}}-{\vec {r}}_{1}\right)}{\left|{\vec {r}}-{\vec {r}}_{1}\right|^{3}}},}

  B→(r→)=μ4π∫j→(r→1)dV1×(r→−r→1)|r→−r→1|3,{\displaystyle {\vec {B}}\left({\vec {r}}\right)={\mu _{0} \over 4\pi }\int {\frac {{\vec {j}}\left({\vec {r}}_{1}\right)dV_{1}\times \left({\vec {r}}-{\vec {r}}_{1}\right)}{\left|{\vec {r}}-{\vec {r}}_{1}\right|^{3}}},}

• Теорема Ампера о циркуляции магнитного поля:

  ∮∂S⁡B→⋅dl→=μIS≡μ∫Sj→⋅dS→,{\displaystyle \oint \limits _{\partial S}{\vec {B}}\cdot {\vec {dl}}=\mu _{0}I_{S}\equiv \mu _{0}\int \limits _{S}{\vec {j}}\cdot {\vec {dS}},}

  rotB→≡∇→×B→=μj→.{\displaystyle \mathrm {rot} \,{\vec {B}}\equiv {\vec {\nabla }}\times {\vec {B}}=\mu _{0}{\vec {j}}.}

В общем случае

Основные уравнения (классической) электродинамики общего случая (то есть независимо от ограничений магнитостатики), в которых участвует вектор магнитной индукции B→{\displaystyle {\vec {B}}}:

Три из четырех уравнений Максвелла (основных уравнений электродинамики)

divE→=ρε,   rotE→=−∂B→∂t{\displaystyle \mathrm {div} \,{\vec {E}}={\frac {\rho }{\varepsilon _{0}}},\ \ \ \mathrm {rot} \,{\vec {E}}=-{\frac {\partial {\vec {B}}}{\partial t}}}

divB→=,    rotB→=μj→+1c2∂E→∂t{\displaystyle \mathrm {div} \,{\vec {B}}=0,\ \ \ \ \,\mathrm {rot} \,{\vec {B}}=\mu _{0}{\vec {j}}+{\frac {1}{c^{2}}}{\frac {\partial {\vec {E}}}{\partial t}}}

а именно:

Закон отсутствия монополя:

divB→=,{\displaystyle \mathrm {div} \,{\vec {B}}=0,}

Закон электромагнитной индукции Фарадея:

rotE→=−∂B→∂t,{\displaystyle \mathrm {rot} \,{\vec {E}}=-{\frac {\partial {\vec {B}}}{\partial t}},}

Закон Ампера — Максвелла:

rotB→=μj→+1c2∂E→∂t.{\displaystyle \mathrm {rot} \,{\vec {B}}=\mu _{0}{\vec {j}}+{\frac {1}{c^{2}}}{\frac {\partial {\vec {E}}}{\partial t}}.}

Формула силы Лоренца:

F→=qE→+qv→×B→,{\displaystyle {\vec {F}}=q{\vec {E}}+q\left,}

Следствия из неё, такие как

Выражение для силы Ампера, действующей со стороны магнитного поля на ток (участок провода с током)

dF→=Idl→×B→,{\displaystyle d{\vec {F}}=\left,}

dF→=j→dV×B→,{\displaystyle d{\vec {F}}=\left,}

выражение для момента силы, действующего со стороны магнитного поля на магнитный диполь (виток с током, катушку или постоянный магнит):

M→=m→×B→,{\displaystyle {\vec {M}}={\vec {m}}\times {\vec {B}},}

выражение для потенциальной энергии магнитного диполя в магнитном поле:

U=−m→⋅B→,{\displaystyle U=-{\vec {m}}\cdot {\vec {B}},}

• а также следующих из них выражения для силы, действующей на магнитный диполь в неоднородном магнитном поле и т. д..
• Выражение для силы, действующей со стороны магнитного поля на точечный магнитный заряд:

F→=Kqmr→r3.{\displaystyle {\vec {F}}=K{\frac {q_{m}{\vec {r}}}{r^{3}}}.}

(это выражение, точно соответствующее обычному закону Кулона, широко используется для формальных вычислений, для которых ценна его простота, несмотря на то, что реальных магнитных зарядов в природе не обнаружено; также может прямо применяться к вычислению силы, действующей со стороны магнитного поля на полюс длинного тонкого магнита или соленоида).

Выражение для плотности энергии магнитного поля

w=B22μ{\displaystyle w={\frac {B^{2}}{2\mu _{0}}}}

Оно в свою очередь входит (вместе с энергией электрического поля) и в выражение для энергии электромагнитного поля и в лагранжиан электромагнитного поля и в его действие. Последнее же с современной точки зрения является фундаментальной основой электродинамики (как классической, так в принципе и квантовой).

Наличие магнитного поля вокруг проводника или катушки с током

При подключении соленоида (катушки) в электрическую цепь вокруг нее формируется поле. Характеристики поля зависят от ряда параметров: от средовых особенностей окружения, токовой силы (она измеряется в амперах) и материала, из которого изготовлен проводник или обмотка катушки. В полевом пространстве могут образовываться электромагнитные волны. Так как на полевой энергетический потенциал, прежде всего, оказывает влияние сила текущего в системе электротока, можно сделать вывод, что работа тока по генерированию магнитного пространства будет эквивалентной энергии последнего. Если в систему подключена катушка с магнитным сердечником, то на энергетическую плотность будет влиять полевая энергия в вакууме и в материале, из которого сделан сердечниковый элемент.

Для изучения динамики явления можно рассмотреть электроцепь, включающую в себя дроссель, лампу, замыкающий ключ и источник постоянного электротока. Когда ключик замыкается, токовый путь будет идти от «положительного» зажима источника через лампу и индуктивную катушку. Поначалу лампа накаливания загорится ярче, что связано со значительной величиной сопротивления дроссели. По мере того, как сопротивление будет падать, а проходящий через обмотку ток увеличиваться, интенсивность горения лампочки будет понижаться. Связано это с тем, что первое время подаваемый на дроссель ток имеет значение, пропорциональное току высокой частоты.

Чтобы практически построить цепь, подходящую для расчета, нужно, чтобы энергетический ресурс источника питания затрачивался на генерирование магнитного поля. Поэтому параметрами внутреннего сопротивления дроссели и питательного источника допустимо пренебрегать.

Советуем изучить Как делятся электроустановки по условиям электробезопасности

Важно! Согласно второму закону Кирхгофа, сумма подсоединенных к электрической цепи напряжений равняется сумме снижений напряжения для всех компонентов цепочки. Второй закон Кирхгофа. Второй закон Кирхгофа

Второй закон Кирхгофа

Соленоид

А что если сделать много-много таких петелек? Взять какую-нибудь круглую бобину, намотать на нее провод и потом убрать бобину.  У нас должно получится что-то типа этого.

Если подать постоянное напряжение на такую катушку, магнитные силовые линии будут выглядеть вот так.

Вы только посмотрите, какая бешеная плотность магнитного потока внутри такой катушки! Получается, что от каждой петельки магнитное поле суммируется, что в итоге дает такую плотность магнитного потока. Такую катушку также называют катушкой индуктивности или соленоидом.

Вот также схема, показывающая как магнитные силовые линии складываются в соленоиде.

Плотность магнитного потока зависит от того, какая сила тока проходит через соленоид. Чтобы увеличить плотность магнитного потока, достаточно поверх витков намотать еще больше витков и вставить сердечник из специального материала — феррита.

Если в электрических цепях есть такое понятие, как ЭДС — электродвижущая сила, то и в магнитных цепях есть свой аналог  — МДС — магнитодвижущая сила. Магнитодвижущая сила выражается в виде тока, протекающего через катушку из N витков и выражается в Амперах-витках.

где

I — это сила тока в катушке, Амперы

N — количество витков катушки, штуки)

Также советую посмотреть очень простое и интересное видео про магнитное поле.

Сила Лоренца

Сила Лоренца – сила, действующая на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля.

Формула для нахождения силы Лоренца:

где ​\( q \)​ – заряд частицы, ​\( v \)​ – скорость частицы, ​\( B \)​ – модуль вектора магнитной индукции, ​\( \alpha \)​ – угол между вектором скорости частицы и вектором магнитной индукции.

Направление силы Лоренца определяют по правилу левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индукции ​\( B_\perp \)​ входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление скорости положительно заряженной частицы, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Лоренца.

Если заряд частицы отрицательный, то направление силы изменяется на противоположное.

Важно!
Если вектор скорости сонаправлен с вектором магнитной индукции, то частица движется равномерно и прямолинейно. В однородном магнитном поле сила Лоренца искривляет траекторию движения частицы

В однородном магнитном поле сила Лоренца искривляет траекторию движения частицы.

Если вектор скорости перпендикулярен вектору магнитной индукции, то частица движется по окружности, радиус которой равен:

где ​\( m \)​ – масса частицы, ​\( v \)​ – скорость частицы, ​\( B \)​ – модуль вектора магнитной индукции, ​\( q \)​ – заряд частицы.

В этом случае сила Лоренца играет роль центростремительной и ее работа равна нулю. Период (частота) обращения частицы не зависит от радиуса окружности и скорости частицы. Формула для вычисления периода обращения частицы:

Угловая скорость движения заряженной частицы:

Важно!
Сила Лоренца не меняет кинетическую энергию частицы и модуль ее скорости. Под действием силы Лоренца изменяется направление скорости частицы

Если вектор скорости направлен под углом ​\( \alpha \)​ (0° < \( \alpha \) < 90°) к вектору магнитной индукции, то частица движется по винтовой линии.

В этом случае вектор скорости частицы можно представить как сумму двух векторов скорости, один из которых, ​\( \vec{v}_2 \)​, параллелен вектору \( \vec{B} \), а другой, \( \vec{v}_1 \), – перпендикулярен ему. Вектор \( \vec{v}_1 \) не меняется ни по модулю, ни по направлению. Вектор \( \vec{v}_2 \) меняется по направлению. Сила Лоренца будет сообщать движущейся частице ускорение, перпендикулярное вектору скорости \( \vec{v}_1 \). Частица будет двигаться по окружности. Период обращения частицы по окружности – ​\( T \)​.

Таким образом, на равномерное движение вдоль линии индукции будет накладываться движение по окружности в плоскости, перпендикулярной вектору \( \vec{B} \). Частица движется по винтовой линии с шагом ​\( h=v_2T \)​.

Важно!
Если частица движется в электрическом и магнитном полях, то полная сила Лоренца равна:

Особенности движения заряженной частицы в магнитном поле используются в масс-спектрометрах – устройствах для измерения масс заряженных частиц; ускорителях частиц; для термоизоляции плазмы в установках «Токамак».

Алгоритм решения задач о действии магнитного (и электрического) поля на заряженные частицы:

• сделать чертеж, указать на нем силовые линии магнитного (и электрического) поля, нарисовать вектор начальной скорости частицы и отметить знак ее заряда;
• изобразить силы, действующие на заряженную частицу;
• определить вид траектории частицы;
• разложить силы, действующие на заряженную частицу, вдоль направления магнитного поля и по направлению, ему перпендикулярному;
• составить основное уравнение динамики материальной точки по каждому из направлений разложения сил;
• выразить силы через величины, от которых они зависят;
• решить полученную систему уравнений относительно неизвестной величины;
• решение проверить.

Как устроены магнитные цепи?

Магнитную цепь, на самом деле, не так сложно представить, как может показаться человеку, который о них впервые слышит. Обычно магнитные цепи представляют из себя некоторые фигуры из ферромагнитного сердечника с источником или несколькими источниками ПОтока. Пожалуй, один из самых простых примеров с одним источником, который можно взять на вооружение, проиллюстрирован ниже:

Перед продолжением обусловимся, что среди электротехников сердечник называют магнитопроводом. Часть магнитопровода, на которой отсутствуют обмотки и которая служит для замыкания магнитной цепи, называется «ярмо».

Начнем с тороидального сердечника. Такой тороидальный сердечник может служить формой для катушки, как бы странно это не звучало. Но что за катушка? Ну, первое что приходит в голову — провод, образующий витки. Хорошо, но какого его предназначение? Вернемся к электрическим цепям и вспомним, что существуют источники тока / напряжения, так называемые активные элементы. Так вот, в магнитных цепях роль источника выполняют катушки с током, накрученные на основной элемент магнитной цепи — ферромагнитный магнитопровод.

Вспомним теперь про ферромагнитные материалы. Почему именно они? Дело в том, что благодаря высокому значению магнитной проницаемости, что сигнализирует о хорошей намагниченности ферромагнетика, силовые линии магнитного поля практически не выходят за пределы сердечника, либо не выходят вовсе. Однако это будет справедливо лишь тогда, когда наш сердечник замкнутый, либо имеет небольшие зазоры. То есть, ферромагнетики обладают сильно выраженными магнитными свойствами, когда как у парамагнетиков и диамагнетиков они значительно слабее, что можно наблюдать на следующем графике зависимости намагниченности от напряженности магнитного поля:

Вещества, которые входят в конструкцию магнитопровода, могут обладать не только сильномагнитными свойствами, но также и слабомагнитными. Однако мы рассматриваем сердечник из ферромагнитного материала.

Ещё из школьного курса мы представляем себе картину с линиями магнитной индукции соленоида, мы можем визуально представить его поле и понимаем, что концентрация силовых линий, их насыщенность, наибольшая в центре рассматриваемого соленоида

Тут очень важно вспомнить правило буравчика, чтобы правильно указать направление силовых линий

Отсюда становится ясно, что катушки-источники порождают магнитное поле, а следовательно и поток линий магнитной индукции. Такие линии будут циркулировать по нашему сердечнику, словно повторяя его форму

Именно поэтому нам важно условие замкнутости сердечника и материал, из которого он сделан. Положим, что наш воображаемый сердечник замкнут

Из этого следует, что и силовые линии замкнуты, а следовательно выполняется теорема Гаусса для магнитного поля, которая гласит: поток линий магнитной индукции через замкнутую поверхность равен нулю. Стоит учесть, что поток адаптируется под площадь сечения.*

Ну и в конечном счете ферромагнитный сердечник поток куда-то передает! Аналогичным образом замкнутый проводник позволяет передать электрический ток.

Отлично! Мы разобрались с тем, что такое магнитные цепи и даже вспомнили про теорему Гаусса и ферромагнетики. Теперь поговорим о том, какие следствия вытекают из теоремы Гаусса и возможности пренебрежения полем вне сердечника и в зазорах.

1] Магнитные потоки Ф₁ и Ф₂ через произвольные сечения будут равны между собой.

2] В узле (разветвлении) сердечника алгебраическая сумма потоков (с учетом их направлений) будет равна нулю… Мне одному это что-то напоминает?

То есть мы окончательно сформулировали, что замкнутая (или почти замкнутая) система из ферромагнитных сердечников может рассматриваться как проводящая цепь. В нашем случае — магнитная.

Примеры применения

Классический радиус электрона

В релятивистской механике масса и энергия эквивалентны, что означает, что любая система, имеющая энергию (и в частности, электромагнитную энергию), должна иметь инерцию.

Классический радиус электрона можно рассчитать следующим образом: предположим, что электрон сам по себе не имеет массы, отличной от массы, обусловленной его электромагнитной энергией, и что заряд электрона равномерно распределен в сферическом объеме. В этом случае для электрона, покоящегося относительно наблюдателя, магнитное поле отсутствует, а полная энергия, создаваемая электростатическим полем этой сферы, определяется выражением:

Eе(е-)знак равно∭(V)ε2E→2 dVзнак равно∫ре∞ε2(14πε)2е2р4 (4πр2) dрзнак равное28πεрезнак равномепротив2{\ displaystyle E_ {e} ^ {(e ^ {-})} = \ iiint _ {(V)} {\ frac {\ varepsilon _ {0}} {2}} {\ vec {E}} ^ { 2} ~ \ mathrm {d} V = \ int _ {r_ {e}} ^ {\ infty} {\ frac {\ varepsilon _ {0}} {2}} \ left ({\ frac {1} {4 \ pi \ varepsilon _ {0}}} \ right) ^ {2} {\ frac {e ^ {2}} {r ^ {4}}} \ (4 \ pi r ^ {2}) ~ \ mathrm { d} r = {\ frac {e ^ {2}} {8 \ pi \ varepsilon _ {0} r_ {e}}} = m_ {e} c ^ {2}}.

Приравнивая предпоследний член к релятивистской инертной массе, мы находим соответствующее значение для «классического радиуса электрона»:

r _e ≈ 2,818 × 10 −15  м .

Другой способ сделать математику — заметить, что поскольку части объема отталкиваются друг от друга, сфера содержит электростатическую потенциальную энергию. Предположим, что эта энергия равна E, определяемой релятивистским соотношением:

E = m c 2

или же :

• m — масса в состоянии покоя;
• c скорость света в вакууме.

В электростатике потенциальная энергия сферы радиуса r и заряда e определяется выражением :, где ε — диэлектрическая проницаемость вакуума . Приравнивая эти два значения, получаем значениеEзнак равное28πεр{\ Displaystyle E = {\ гидроразрыва {е ^ {2}} {8 \, \ pi \, \ varepsilon _ {0} \, r}}}р.

Квантовая механика

В квантовой теории поля энергия квантового состояния пространства-времени, в котором находится электромагнитное поле, априори принимает форму гамильтонова оператора , образованного из операторов квантового поля. Точный вид этого гамильтонова оператора может быть получен путем количественной оценки плотности поля, описываемой классическим лагранжианом. Для электромагнитного поля эта плотность задается как функция тензора электромагнитного поля, а также электрического и магнитного полей (в единицах СГС) следующим образом:

Lзнак равно14FμνFμνзнак равно12(E2-B2){\ displaystyle {\ mathcal {L}} _ {0} = {\ frac {1} {4}} F _ {\ mu \ nu} F ^ {\ mu \ nu} = {\ frac {1} {2 }} \ left (\ mathbf {E} ^ {2} — \ mathbf {B} ^ {2} \ right)}.

Количественно оценивая предыдущее выражение обычными средствами количественной оценки, мы получаем квантовое выражение гамильтонова оператора. Прежде всего необходимо переписать тензор электромагнитного поля в виде векторного потенциала , затем переписать этот векторный потенциал в терминах рождения и разрушения фотонов , интегрируя этот результат по всем возможным значениям момента фотона и суммировать по двум возможным спиральностям фотона, чтобы найти квантовое выражение гамильтонова оператора:

ЧАС^знак равно12∫VE^2+B^2 dVзнак равно12∫VВ^˙2+(∇×В^)2 dVзнак равно∫р3ωk(∑λзнак равно12в^kλ†в^kλ)dkИксdkydkz{\ displaystyle {\ hat {H}} _ {0} = {\ frac {1} {2}} \ int _ {V}: {\ hat {\ mathbf {E}}} ^ {2} + {\ шляпа {\ mathbf {B}}} ^ {2}: \ dV = {\ frac {1} {2}} \ int _ {V}: {\ dot {\ hat {\ mathbf {A}}}} ^ {2} + (\ nabla \ times {\ hat {\ mathbf {A}}}) ^ {2}: \ dV = \ int _ {\ mathbb {R} ^ {3}} \ omega _ {k} \ left (\ sum _ {\ lambda = 1} ^ {2} {\ hat {\ mathbf {a}}} _ {\ mathbf {k} \ lambda} ^ {\ dagger} {\ hat {\ mathbf {a} }} _ {\ mathbf {k} \ lambda} \ right) dk_ {x} dk_ {y} dk_ {z}}.

Здесь выражение в скобках представляет собой числовой оператор, который подсчитывает количество фотонов импульса k и спиральности λ . Таким образом, обнаружено, что энергия электромагнитного поля пропорциональна количеству фотонов и их частоте.

Энергия магнитного поля катушки с током. Энергия магнитного поля

Вокруг контура, по которому проходит электрический ток, всегда существует магнитное поле, причем магнитное поле возникает и исчезает вместе с возникновением и исчезновением тока. Следовательно, часть энергии тока идет на создание магнитного поля, которое, подобно электрическому, является носителем энергии. Естественно предположить, что энергия магнитного поля равна работе, которая затрачивается током на создание этого поля. Она равна работе против ЭДС самоиндукции, возникающей при замыкании цепи. Определим эту работу. Подключим к источнику тока проводящий контур с индуктивностью L

. При замыкании цепи за времяΔt сила тока увеличится от нуля до некоторого значенияI . При этом магнитный поток, создаваемый этим током, возрастет от нуля до значения \(~\Phi = LI.\) Среднее значение ЭДС самоиндукции, препятствующей увеличению тока в контуре, \(~\varepsilon_{si} = -\frac {\Delta \Phi}{\Delta t}.\) За времяΔt через контур переносится заряд \(~q = \mathcal h I \mathcal i \Delta t,\) где \(~\mathcal h I \mathcal i = \frac I2 \) — среднее значение силы тока за времяΔt при равномерном его возрастании. Если изменение тока происходит не равномерно, то необходимо рассматривать малые промежутки времени, в течение которых можно считать ЭДС скорость изменения \(~\frac {\Delta I}{\Delta t}\) постоянной).

При переносе заряда q

источник тока совершает работу \(~A = \mathcal h — \varepsilon_{si}\mathcal i q = \mathcal h — \varepsilon_{si}\mathcal i \mathcal h I\mathcal i \Delta t,\) \(~A =\frac {\Delta \Phi}{\Delta t} \mathcal h I\mathcal i \Delta t = \frac {LI}{\Delta t} \cdot \frac I2 \Delta t = \frac {LI^2}{2}. \) Работа, совершаемая источником тока против ЭДС самоиндукции, и будет равна энергии W

магнитного поля: \(~W_m = \frac {LI^2}{2}=\frac {\Phi I}2 =\frac {\Phi^2}{2L}.\) Если магнитное поле создано током, проходящим в соленоиде, то \(~L = \mu\mu_0 \frac {N^2}{l}S,\) магнитная индукция поля внутри соленоида \(~B = \frac {\mu\mu_0 NI}{l} \Rightarrow I = \frac {Bl}{\mu\mu_0 N}.\) Подставив эти значения L

иI в формулу для энергии, получим \(~W_m = \frac {1}{2}\mu\mu_0 \frac {N^2}{l}S \frac {B^2l^2}{(\mu\mu_0)^2N^2} = \frac {1}{2}\frac {B^2}{\mu\mu_0}Sl.\) Так как \(~Sl = V\) — объем соленоида, то \(~W_m = \frac {B^2}{2\mu\mu_0}V\)— энергия магнитного поля соленоида с током.

Согласно теории близкодействия, энергия магнитного поля (как и энергия электрического поля) распределена по всему объему V

пространства, в котором существует магнитное поле.

Величина \(~w_m = \frac {W_m}{V},\) равная энергии магнитного поля, заключенной в единичном объеме этого поля, называется объемной плотностью энергии магнитного поля

. Ее можно рассчитать по формуле \(~w_m = \frac {B^2}{2\mu\mu_0},\) где В

— модуль индукции магнитного поля, μ — магнитная проницаемость среды, μ0 — магнитная постоянная.