Магнитные свойства вещества. Принцип действия электроизмерительных приборов. Электродвигатель. Циклотрон.

Основные термины:

• магнитная проницаемость
• точка Кюри
• электродвигатель
• Циклотроп

Магнитная проницаемость \(\mu\) – это физическая величина, которая показывает, во сколько раз индукция магнитного поля в веществе (B) отличается от индукции магнитного поля в вакууме (\(B_0\)): $$\mu = \frac{B}{B_0}$$ Вещества по действию на них внешнего магнитного поля можно разделить на три основные группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.
Диамагнетики ослабляют поле. У них \(\mu < 1\). Примерами диамагнетиков являются вода, хлор, ртуть.
Парамагнетики усиливают поле. У них \(mu > 1\). Парамагнетиком является алюминий.
Ферромагнетики в сотни и тысячи раз усиливают магнитное поле. У них \(\mu >> 1\). Примерами являются железо, никель, кобальт. Магнитная проницаемость ферромагнетиков непостоянна, она зависит от внешнего поля. При увеличении магнитной индукции внешнего поля магнитная проницаемость ферромагнетика возрастает до максимального значения, затем уменьшается до значения, близкого к единице.

При высоком значении температуры ферромагнетики теряют свойство намагниченности. Для каждого вещества температура имеет определенное значение, эту температуру называют точкой Кюри, в честь французского физика П. Кюри. При температурах выше точки Кюри ферромагнетики становятся парамагнетиками, их магнитная проницаемость уменьшается до значения близкого к единице \(\mu > 1\).

Рамка с током в магнитном поле. Поместим, между полюсами подковообразного магнита поля, рамку с током. По противоположным сторонам замкнутой рамки, ток течет в противоположных направлениях, следовательно, на них со стороны магнитного поля действуют равные по значению силы Ампера, но направленные в противоположные стороны. Эти силы не компенсируют друг друга, так как приложены к разным сторонам рамки. Такие силы принято называть парой сил. Они приводят рамку во вращение вокруг ее оси. Через каждые пол-оборота стороны рамки меняют расположение относительно полюсов магнита. Направление сил Ампера становится противоположным, и рамка должна вращаться в магнитном поле в обратном направлении. Таким образом, рамка будет совершать колебательное движение. Для сохранения вращательного движения рамки необходимо направление тока в ней через пол-оборота менять на противоположное.

Устройство, которое служит для превращения электрической энергии в механическую энергию, называют электродвигателем. Устройство, которое изменяет направление тока в рамке, называют коллектором. Он состоит из полуколец (1) и щеток (2), соединенных с полюсами источника тока . Рамка с током под действием магнитного поля, вращается. При вращении рамки полукольца касаются щеток поочередно, таким образом, ток в рамке меняет направление через каждые пол-оборота. Это приводит к постоянству направления вращения рамки под действием силы Ампера. В промышленных электродвигателях вместо постоянных магнитов, благодаря своим преимуществам, используют электромагнит. Его можно изготовить любого размера, он более мощный в сравнении с постоянным магнитом, им легче управлять. В поле, созданном электромагнитом, вращается рамка, состоящая из большого числа витков, выложенных в пазах железного цилиндра. Железный цилиндр является сердечником электромагнита, он усиливает действие магнитного поля. Увеличение числа витков в рамке приводит к увеличению мощности двигателя. Неподвижную часть электродвигателя, т.е. электромагнит, называют статором (4). Подвижную часть, т.е. рамку, – ротором (3). КПД электродвигателей значительно превышает КПД тепловых двигателей. Его значение достигает 98 %.

Электроизмерительные приборы. Вращение рамки в магнитном поле используется в измерительных приборах. На рисунке изображена схема устройства прибора магнитоэлектрической системы. Между полюсами постоянного магнита (1) располагают рамку (2), внутри которой находится сердечник (3). Ток в рамку поступает по металлическим спиральным пружинам (4). При отсутствии тока пружины удерживают рамку в горизонтальном положении, а указатель прибора на нулевом делении шкалы. При появлении тока в рамке она поворачивается до тех пор, пока действие силы Ампера и действие сил упругости пружины не станут равными. При этом указатель прибора поворачивается на соответствующий угол. Чем больше значение силы тока в рамке, тем сильнее взаимодействие магнита с рамкой, тем больше угол поворота рамки. Шкала прибора градуируется в амперах или вольтах. Сердечник необходим для усиления магнитного поля в области расположения рамки. Магнитоэлектрические приборы служат только для измерения постоянного тока и напряжения, так как направление поворота рамки, зависит от направления тока в ней.

Циклотрон – циклический ускоритель нерелятивистских тяжёлых заряженных частиц (протонов, ионов), в котором частицы двигаются в постоянном и однородном магнитном поле, а для их ускорения используется высокочастотное электрическое поле неизменной частоты.
В 1930 году Э. Лоуренсом (США) был создан и первый циклический ускоритель – циклотрон на энергию протонов \(1\ МэВ\) (его диаметр был \(25\ см\)).
Тяжелые заряженные частицы (протоны, ионы) попадают в камеру из инжектора вблизи центра камеры и ускоряются переменным полем фиксированной частоты, приложенным к ускоряющим электродам (их два и они называются дуантами). Частицы с зарядом \(Ze\) и массой \(m\) движутся в постоянном магнитном поле напряженностью \(B\), направленном перпендикулярно плоскости движения частиц, по раскручивающейся спирали.
Радиус \(R\) траектории частицы, имеющей скорость \(v\), определяется формулой $$R = \frac{mv}{Ze \cdot B} \gamma$$ \(где,\ \gamma = \sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}\ релятивистский\ фактор.\)