19. Взаимодействие электромагнитного поля

и движущегося заряда. Сила Лоренца.

Принцип действия электрогенераторов

На электрический заряд, движущийся в магнитном поле, действует сила Лоренца, равная

(59)

где q - величина заряда, Кл; u — скорость заряда, м/с; В —магнитная индукция поля, Г. Эта сила направлена перпендикулярно векторам u и В.

Если проводящий контур движется а стационарном магнитном поле, то в нем наводится э.д.с. индукции, поскольку на каждый свободный заряд — носитель тока в проводнике, перемещающийся вместе с проводником в магнитном поле, действует сила Лоренца, поэтому на отрезке длиной l, движущемся в поле с магнитной индукцией В со скоростью u возникает э.л.с., равная

E=-B l u, B (60)

На этом основаны электромеханические электрогенераторы,в которыхна статоре размещенаобмотка, через которую пропускаетсяпостоянный ток, врезультате чего в зазоре между статором и ротором (якорем) создаетсясильноемагнитное поле. На поверхности ротора уложена вторая обмотка,в которой при вращенииротора и пересечении в результатеэтого силовыхлиний магнитной индукции создается электродвижущая сила.

Сила Лоренца используется в кольцевых ускорителях заряженных частиц для многократного прогона их (в процессе разгона) по одному и тому же пути. Оказываемся радиус обращения заряженной частицы в поперечном магнитном поле не зависит от скорости частицы.

20. Магнитное поле как носитель энергии.

Электромагнитная индукция. Закон Фарадея.

Правило Ленца. Примеры технического использования

Магнитное поле, создаваемое природными магнитами илиэлектрическимтаком, пропускаемым через проводник, содержит в себе энергию. Плотность энергии магнитного поля определяется выражением:

(61)

а вся энергия поля, в пространстве определится выражением:

(62)

где В — величина магнитной индукции, Тл; Н — напряженность магнитного поля, А/м; m = 1,25 • 10-6 магнитная проницаемость вакуума.

Явление электромагнитной индукции состоит в том, что в проводящем контуре, находящемся в переменном магнитном поле, возникает электродвижущаяся сила индукции Еi. Если контур замкнут, то в нем возникает электрический ток, называемый индукционным током.

Закон электромагнитной индукции Фарадея:

э.д.с. электромагнитной индукции Ei, в контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока Фм сквозь поверхность, ограниченную этим контуром:

(63)

или

(64)

где S — площадь контура, м2; В — магнитная индукция, Г.

Правило Ленца:

Индукционный ток в контуре имеет всегда такое направление, что создаваемый им магнитный поток сквозь поверхность, ограниченную контуром, уменьшает те изменения магнитного потока, которые вызвали появление постоянного тока.

Магнитный поток, охваченный контуром, может изменяться по ряду причин — благодаря деформации или перемещению контура во внешнем магнитном поле, а также вследствие изменения магнитного поля во времени. Практическое применение первого случая — электромеханические генераторы; второго случая — трансформаторы.

21. Взаимодействие вещества и полей.

Поведение веществ в электрических полях.

Диэлектрики и пьезоэлектрики и их применение

Всякое вещество, помешенной в магнитное и электрическое поле испытывает воздействие со стороны этого поля. Это воздействие для разных веществ различно, соответственно различна и реакция веществ на поле.

Диэлектрики — это вещества, не проводящие электрического тока. Молекулы диэлектрика эквивалентны электрическим диполям.

В отсутствие внешнего электрического поля электрические моменты диполей диэлектрика, не являющегося сегнетоэлектриком, расположены хаотично, и их результирующий момент равен нулю. Во внешнем же электрическом поле диэлектрики поляризуются, т.е. переходят в состояние, когда дипольные моменты молекул отличны от нуля. В таком состоянии диэлектрики называются поляризованными.

Различают:

— ориентационную поляризацию, которая состоит в повороте осей жестких диполей молекул полярного диэлектрика вдоль направления электрического поля;

— электронную поляризацию диэлектрика с неполярными молекулами, состоящую в возникновении у каждой молекулы индуцированного электрического момента и осуществляющуюся в жидкостях и газах;

— ионную поляризацию в кристаллических диэлектриках, например, в Nа-Сl, имеющих ионные кристаллические решетки, состоящую в смешении положительных ионов решетки вдоль поля, а отрицательных — в противоположную сторону.

В результате образуются в противоположных направлениях как бы дополнительные (поляризационные) заряды, создающие внутри диэлектрика дополнительное поле, направленное против внешнего поля. Результирующее поле в диэлектрике будет равно:

, (65)

где c0 — диэлектрическая восприимчивость вещества, а с — относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика.

Диэлектрики широко используются в конденсаторах. Поскольку емкость конденсатора равна

(66)

где S — площадь пластин, а d — расстояние между ними, то емкость конденсатора будет тем больше, чем больше диэлектрическая проницаемость диэлектрика, расположенного между пластинами.

Пьезоэлектриками называется группа кристаллических диэлектриков, у которых в отсутствие внешнего электрического поля при механических деформациях в определенных направлениях на гранях кристаллов возникают электрические заряды противоположных знаков. Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в изменении линейных размеров под действием электрического поля. Пьезоэлектрическим эффектом обладают кварц, турмалин и ряд других веществ. Широко используются искусственные пьезоэлектрики на керамиках — титанат бария и цирконат титанат свинца (ЦТС). Эффект широко используется в радиотехнике в генераторах высоких частот высокой стабильности и точности, в которых кварцевые или керамические пластины с металлизированными обкладками используются в качестве стабилизаторов частоты. Прямой пьезоэффект используется в пьезозажигалках, в звукоснимателях электропроигрывателей грампластинок, в эхолокаторах и во взрывателях. Обратный пьезоэффект используется а излучателях ультразвука или звуку. Ультразвук широко используется в медицине, в морской технике и в промышленности.

22. Взаимодействие вещества и полей.