Меню

Чем может быть создано магнитное поле 1 2 3

Магнитное поле – это одна из форм существования материи, которая отличается от вещества и передает с конечной скоростью магнитное действие от одних тел на другие.

Многочисленные опыты [1,2] показывают, что магнитное поле связано с электрическим током. Оно может быть обнаружено по силовому действию на движущиеся электрические заряды, проводники с током, магниты. Электрический ток порождает в пространстве вокруг себя магнитное поле, а проходя в магнитном поле другого тока, испытывает со стороны последнего механические воздействия.

Магнитное поле постоянных токов различной формы изучалось еще в прошлом веке. Результаты этих опытов обобщены в законе Био – Савара – Лапласа [3]: для проводника с током I , элемент которого dl создает в неко-

торой точке А (рис. 309.2) магнитное поле, индукция dB прямо пропорциональна силе тока I и элементу проводника dl и обратно пропорциональна квадрату расстояния r от него.

Рис 3.1. Определение направления вектора магнитной индукции, создаваемого в точке А проводником с током

С учетом направления векторов dl и r

вектор индукции dB G определя-

где µ 0 = 4 π Г/м – магнитная постоянная, µ – магнитная проницаемость среды (для воздуха µ ≈ 1 ), r -проведенный от элемента тока в точку A . G

Направление dB перпендикулярно dl и r , т.е. перпендикулярно плоскости, в которой они лежат. Это направление может быть найдено по прави-

лу правого винта: направление вращения головки винта дает направление dB , если поступательное G движение буравчика соответствует направлению тока в

Магнитное поле графически изображают с помощью линий магнитной

индукции. Вектор магнитной индукции B в каждой точке такой линии направлен по касательной. Линии магнитной индукции всегда замкнуты и охватывают проводники с током. Им придают направление, связанное с направлением тока правилом правого винта [1 – 3].

Для магнитного поля, как и для электрического, справедлив принцип суперпозиции: магнитное поле, создаваемое несколькими токами, равно векторной сумме магнитных полей, создаваемых каждым током.

Применение закона Био – Савара – Лапласа совместно с принципом суперпозиции позволяет довольно просто рассчитать конкретные поля.

Рассмотрим в качестве примера магнитное поле в центре кругового G проводника с током. Все элементы кругового проводника с током dl (рис. 3.2) создают в центре магнитные поля dB одинакового направления – вдоль нормали от витка. Поэтому сложение векторов dB можно заменить сложением

их модулей. Так как элементы dl перпендикулярны радиус – вектору (sin α = 1), и расстояние всех элементов проводника от центра кругового тока одинаково и равно R , то, согласно (3.1),

Рис. 3.2. Магнитное поле кругового витка с током

Аналогично закон Био – Савара – Лапласа может быть применен и для вычисления магнитного поля проводников с током другой формы.

Единица магнитной индукции в системе единиц СИ – тесла (Тл). 1 Тл – магнитная индукция такого однородного магнитного поля, которое действует с силой (сила Ампера) в 1Н на каждый метр длины прямолинейного проводника, расположенного перпендикулярно направлению поля, если по этому проводнику проходит ток в 1А.

Сила Ампера – это сила, действующая на элемент проводника G dl , по которому протекает ток, помещенного в магнитное поле B . Она направлена

перпендикулярно плоскости, в которой расположены вектор напряженности магнитного поля и вектор, соответствующий элементу длины проводника, и подчиняется соотношению

Подобно тому, как при исследовании электростатического поля используется пробный электрический заряд, при исследовании магнитного поля можно применить замкнутый плоский контур с током (рамка с током). Ориентацию контура с током в пространстве принято характеризовать направлением положительной нормали n (рис.3.3), связанной с током правилом правого винта, т.е. за положительное направление нормали принимается направление поступательного движения винта, головка которого вращается в направлении тока в контуре.

Рис. 3.3. Контур с током в магнитном поле

Основной G характеристикой рамки с током является ее магнитный момент p m . В системе единиц СИ модуль этого вектора

где I – сила тока в рамке G ; S – площадь поверхности, охватываемой G контуром. Направлен вектор p m так же, как и положительная нормаль n . Рамка с то-

ком, используемая как пробный элемент, должна иметь малую площадь (чтобы получалась характеристика поля в точке), малую силу тока (чтобы не искажать исследуемого поля). Магнитное поле в пределах рамки должно быть однородным.

На рамку с током в магнитном поле действует механический момент сил

M (вращающий момент сил), который зависит как от свойств магнитного

поля в данном месте пространства, так и от магнитного момента рамки:

– вектор магнитной индукции, являющийся основной силовой харак-

теристикой G магнитного поля. Это дает возможность найти направление G G вектора B , исходя из соображений, что векторы p m (или n G ), B и M образуют правовинтовую систему.

В формуле (3.7) записано векторное произведение двух векторных вели-

, при этом модуль М зависит от угла α между p G

величина механического момента достигает максимального зна-

M max = p m B . Отсюда следует, что

Таким образом, в данной точке однородного магнитного поля индукция

максимальным вращающим моментом,

рамку с магнитным моментом, равным единице, когда нормаль G к рамке пер-

пендикулярна направлению поля. Направлен вектор B как положительная нормаль в положении устойчивого равновесия рамки.

С помощью пробной рамки с известным магнитным моментом p m можно изучать различные магнитные поля.

Магнитным потоком (потоком вектора магнитной индукции B ) сквозь малую поверхность dS называется физическая величина, равная скалярному произведению вектора магнитной индукции на вектор площадки, через кото-

d Φ m = BdS = BdS cos α = B n dS = BdS ,

где α − угол между вектором B и нормалью n к площадке dS

BdS – скалярное произведение

векторов B G и dS , dS = dScos α . Под dS

понимают вектор, по модулю рав-

величине площади поверхности

= n dS ) . Малая площадка должна быть плоской, а магнитное поле в ее

Единица магнитного потока в системе единиц СИ –

геометрическую интерпретацию. Магнитный поток

dS = dS cos α (см. рис. 3.4), такое же число пересечений будет и с площадкой dS. Густота силовых линий (число линий через единицу площади) есть число линий, пересекающих площадку dS , деленное на величину dS . В соответствии с формулой (3.8) густота линий получится равной магнитной индукции В.

Магнитный поток через произвольную поверхность S

При вычислении этого интеграла векторы n нормалей к площадкам dS надо направлять в одну и ту же сторону по отношению к поверхности. Например, если поверхность S замкнутая, чаще всего векторы n выбирают внешними, тогда выходящие силовые линии дают положительный поток, а входящие –

Рис. 3.4. Пояснения к расчету потока магнитной индукции

Поэтому магнитный поток (поток вектора B ) через любую замкнутую поверхность равен нулю:

Это G соотношение выражает теорему Гаусса для вектора магнитной ин-

дукции B и означает отсутствие в природе магнитных «зарядов», источников магнитного поля, на которых начинались бы или заканчивались линии магнитной индукции.

Вещество в магнитном поле

При введении силовой характеристики магнитного поля в виде соотношения (3.9) не учитывалось влияние окружающей среды. Магнитные свойства окружающей среды обусловлены микротоками как результат орбитального движения электронов в атомах (молекулах), а также наличием собственных магнитных моментов электронов и ядер.

При наличии внешнего магнитного поля B 0 , созданного макротоками,

магнитные моменты орбитальных микротоков в окружающей среде будут испытывать ориентирующее действие. С другой стороны, тепловое движение стремится дезориентировать магнитные моменты микротоков. В результате в веществе устанавливается лишь некоторая преимущественная ориентация магнитных G моментов в том же направлении, что и внешнее магнитное поле

B 0 . Внешнее магнитное поле, кроме того, возмущает орбитальные микрото-

ки в атомах (молекулах) таким образом, что возникают наведенные орбитальные G магнитные моменты , направленные строго против внешнего поля

Наведенное магнитное поле B в окружающей среде накладывается на магнитное поле макротоков B 0 , образуя результирующее магнитное поле в

источник

Магнитное поле – особая форма материи, существующая вокруг движущихся электрических зарядов – токов.

Источниками магнитного поля являются постоянные магниты, проводники с током. Обнаружить магнитное поле можно по действию на магнитную стрелку, проводник с током и движущиеся заряженные частицы.

Для исследования магнитного поля используют замкнутый плоский контур с током (рамку с током).

Впервые поворот магнитной стрелки около проводника, по которому протекает ток, обнаружил в 1820 году Эрстед. Ампер наблюдал взаимодействие проводников, по которым протекал ток: если токи в проводниках текут в одном направлении, то проводники притягиваются, если токи в проводниках текут в противоположных направлениях, то они отталкиваются.

  • магнитное поле материально;
  • источник и индикатор поля – электрический ток;
  • магнитное поле является вихревым – его силовые линии (линии магнитной индукции) замкнутые;
  • величина поля убывает с расстоянием от источника поля.

Важно!
Магнитное поле не является потенциальным. Его работа на замкнутой траектории может быть не равна нулю.

Магнитным взаимодействием называют притяжение или отталкивание электрически нейтральных проводников при пропускании через них электрического тока.

Магнитное взаимодействие движущихся электрических зарядов объясняется так: всякий движущийся электрический заряд создает в пространстве магнитное поле, которое действует на движущиеся заряженные частицы.

Читайте также:  Какая почва нужна для чеснока

Силовая характеристика магнитного поля – вектор магнитной индукции ​ \( \vec \) ​. Модуль вектора магнитной индукции равен отношению максимального значения силы, действующей со стороны магнитного поля на проводник с током, к силе тока в проводнике ​ \( I \) ​ и его длине ​ \( l \) ​:

Обозначение – \( \vec \) , единица измерения в СИ – тесла (Тл).

1 Тл – это индукция такого магнитного поля, в котором на каждый метр длины проводника при силе тока 1 А действует максимальная сила 1 Н.

Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением от южного полюса к северному полюсу магнитной стрелки (направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки), свободно установившейся в магнитном поле.

Направление вектора магнитной индукции можно определить по правилу буравчика:

если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции.

Для определения магнитной индукции нескольких полей используется принцип суперпозиции:

магнитная индукция результирующего поля, созданного несколькими источниками, равна векторной сумме магнитных индукций полей, создаваемых каждым источником в отдельности:

Поле, в каждой точке которого вектор магнитной индукции одинаков по величине и направлению, называется однородным.

Наглядно магнитное поле изображают в виде магнитных линий или линий магнитной индукции. Линия магнитной индукции – это воображаемая линия, в любой точке которой вектор магнитной индукции направлен по касательной к ней.

  • магнитные линии непрерывны;
  • магнитные линии замкнуты (т.е. в природе не существует магнитных зарядов, аналогичных электрическим зарядам);
  • магнитные линии имеют направление, связанное с направлением тока.

Густота расположения позволяет судить о величине поля: чем гуще расположены линии, тем сильнее поле.

На плоский замкнутый контур с током, помещенный в однородное магнитное поле, действует момент сил ​ \( M \) ​:

где ​ \( I \) ​ – сила тока в проводнике, ​ \( S \) ​ – площадь поверхности, охватываемая контуром, ​ \( B \) ​ – модуль вектора магнитной индукции, ​ \( \alpha \) ​ – угол между перпендикуляром к плоскости контура и вектором магнитной индукции.

Тогда для модуля вектора магнитной индукции можно записать формулу:

где максимальный момент сил соответствует углу ​ \( \alpha \) ​ = 90°.

В этом случае линии магнитной индукции лежат в плоскости рамки, и ее положение равновесия является неустойчивым. Устойчивым будет положение рамки с током в случае, когда плоскость рамки перпендикулярна линиям магнитной индукции.

Постоянные магниты – это тела, длительное время сохраняющие намагниченность, то есть создающие магнитное поле.

Основное свойство магнитов: притягивать тела из железа или его сплавов (например стали). Магниты бывают естественные (из магнитного железняка) и искусственные, представляющие собой намагниченные железные полосы. Области магнита, где его магнитные свойства выражены наиболее сильно, называют полюсами. У магнита два полюса: северный ​ \( N \) ​ и южный ​ \( S \) ​.

Важно!
Вне магнита магнитные линии выходят из северного полюса и входят в южный полюс.

Разделить полюса магнита нельзя.

Объяснил существование магнитного поля у постоянных магнитов Ампер. Согласно его гипотезе внутри молекул, из которых состоит магнит, циркулируют элементарные электрические токи. Если эти токи ориентированы определенным образом, то их действия складываются и тело проявляет магнитные свойства. Если эти токи расположены беспорядочно, то их действие взаимно компенсируется и тело не проявляет магнитных свойств.

Магниты взаимодействуют: одноименные магнитные полюса отталкиваются, разноименные – притягиваются.

Электрический ток, протекающий по проводнику с током, создает в окружающем его пространстве магнитное поле. Чем больше ток, проходящий по проводнику, тем сильнее возникающее вокруг него магнитное поле.

Магнитные силовые линии этого поля располагаются по концентрическим окружностям, в центре которых находится проводник с током.

Направление линий магнитного поля вокруг проводника с током всегда находится в строгом соответствии с направлением тока, проходящего по проводнику.

Направление магнитных силовых линий можно определить по правилу буравчика: если поступательное движение буравчика (1) совпадает с направлением тока (2) в проводнике, то вращение его рукоятки укажет направление силовых линий (4) магнитного поля вокруг проводника.

При изменении направления тока линии магнитного поля также изменяют свое направление.

По мере удаления от проводника магнитные силовые линии располагаются реже. Следовательно, индукция магнитного поля уменьшается.

Направление тока в проводнике принято изображать точкой, если ток идет к нам, и крестиком, если ток направлен от нас.

Для получения сильных магнитных полей при небольших токах обычно увеличивают число проводников с током и выполняют их в виде ряда витков; такое устройство называют катушкой.

В проводнике, согнутом в виде витка, магнитные поля, образованные всеми участками этого проводника, будут внутри витка иметь одинаковое направление. Поэтому интенсивность магнитного поля внутри витка будет больше, чем вокруг прямолинейного проводника. При объединении витков в катушку магнитные поля, созданные отдельными витками, складываются. При этом концентрация силовых линий внутри катушки возрастает, т. е. магнитное поле внутри нее усиливается.

Чем больше ток, проходящий через катушку, и чем больше в ней витков, тем сильнее создаваемое катушкой магнитное поле. Магнитное поле снаружи катушки также складывается из магнитных полей отдельных витков, однако магнитные силовые линии располагаются не так густо, вследствие чего интенсивность магнитного поля там не столь велика, как внутри катушки.

Магнитное поле катушки с током имеет такую же форму, как и поле прямолинейного постоянного магнита: силовые магнитные линии выходят из одного конца катушки и входят в другой ее конец. Поэтому катушка с током представляет собой искусственный электрический магнит. Обычно для усиления магнитного поля внутрь катушки вставляют стальной сердечник; такую катушку называют электромагнитом.

Направление линий магнитной индукции катушки с током находят по правилу правой руки:

если мысленно обхватить катушку с током ладонью правой руки так, чтобы четыре пальца указывали направление тока в ее витках, тогда большой палец укажет направление вектора магнитной индукции.

Для определения направления линий магнитного поля, создаваемого витком или катушкой, можно использовать также правило буравчика:

если вращать ручку буравчика по направлению тока в витке или катушке, то поступательное движение буравчика укажет направление вектора магнитной индукции.

Электромагниты нашли чрезвычайно широкое применение в технике. Полярность электромагнита (направление магнитного поля) можно определить и с помощью правила правой руки.

Сила Ампера – сила, которая действует на проводник с током, находящийся в магнитном поле.

Закон Ампера: на проводник c током силой ​ \( I \) ​ длиной ​ \( l \) ​, помещенный в магнитное поле с индукцией ​ \( \vec \) ​, действует сила, модуль которой равен:

где ​ \( \alpha \) ​ – угол между проводником с током и вектором магнитной индукции ​ \( \vec \) ​.

Направление силы Ампера 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 тока в проводнике, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Ампера.

Сила Ампера не является центральной. Она направлена перпендикулярно линиям магнитной индукции.

Сила Ампера широко используется. В технических устройствах создают магнитное поле с помощью проводников, по которым течет электрический ток. Электромагниты используют в электромеханическом реле для дистанционного выключения электрических цепей, магнитном подъемном кране, жестком диске компьютера, записывающей головке видеомагнитофона, в кинескопе телевизора, мониторе компьютера. В быту, на транспорте и в промышленности широко применяют электрические двигатели. Взаимодействие электромагнита с полем постоянного магнита позволило создать электроизмерительные приборы (амперметр, вольтметр).

Простейшей моделью электродвигателя служит рамка с током, помещенная в магнитное поле постоянного магнита. В реальных электродвигателях вместо постоянных магнитов используют электромагниты, вместо рамки – обмотки с большим числом витков провода.

Коэффициент полезного действия электродвигателя:

где ​ \( N \) ​ – механическая мощность, развиваемая двигателем.

Коэффициент полезного действия электродвигателя очень высок.

Алгоритм решения задач о действии магнитного поля на проводники с током:

  • сделать схематический чертеж, на котором указать проводник или контур с током и направление силовых линий поля;
  • отметить углы между направлением поля и отдельными элементами контура;
  • используя правило левой руки, определить направление силы Ампера, действующей на проводник с током или на каждый элемент контура, и показать эти силы на чертеже;
  • указать все остальные силы, действующие на проводник или контур;
  • записать формулы для остальных сил, упоминаемых в задаче. Выразить силы через величины, от которых они зависят. Если проводник находится в равновесии, то необходимо записать условие его равновесия (равенство нулю суммы сил и моментов сил);
  • записать второй закон Ньютона в векторном виде и в проекциях;
  • решить полученную систему уравнений относительно неизвестной величины;
  • решение проверить.
Читайте также:  Как хранить детки гладиолусов зимой в домашних условиях

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.

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° \( \alpha \) \( \vec_2 \) ​, параллелен вектору \( \vec \) , а другой, \( \vec_1 \) , – перпендикулярен ему. Вектор \( \vec_1 \) не меняется ни по модулю, ни по направлению. Вектор \( \vec_2 \) меняется по направлению. Сила Лоренца будет сообщать движущейся частице ускорение, перпендикулярное вектору скорости \( \vec_1 \) . 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 \( \vec \) . 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.

источник

При подключении к двум параллельным проводникам электрического тока, они будут притягиваться или отталкиваться, в зависимости от направления (полярности) подключенного тока. Это объясняется явлением возникновения материи особого рода вокруг этих проводников. Эта материя называется магнитное поле (МП). Магнитной силой называется сила, с которой проводники действуют друг на друга.

Теория магнетизма возникла еще в древности, в античной цивилизации Азии. В Магнезии в горах нашли особую породу, куски которой могли притягиваться между собой. По названию места эту породу назвали «магнетиками». Стержневой магнит содержит два полюса. На полюсах особенно сильно обнаруживаются его магнитные свойства.

Магнит, висящий на нитке, своими полюсами будет показывать стороны горизонта. Его полюса будут повернуты на север и юг. На таком принципе действует устройство компаса. Разноименные полюсы двух магнитов притягиваются, а одноименные отталкиваются.

Ученые обнаружили, что намагниченная стрелка, находящаяся возле проводника, отклоняется при прохождении по нему электрического тока. Это говорит о том, что вокруг него образуется МП.

• Перемещающиеся электрические заряды.
• Вещества, называемые ферромагнетиками: железо, чугун, их сплавы.

Постоянные магниты – тела, имеющие общий магнитный момент заряженных частиц (электронов).

1 — Южный полюс магнита
2 — Северный полюс магнита
3 — МП на примере металлических опилок
4 — Направление магнитного поля

Силовые линии появляются при приближении постоянного магнита к бумажному листу, на который насыпан слой железных опилок. На рисунке четко видны места полюсов с ориентированными силовыми линиями.

С детства нам знакомы постоянные магниты. Они использовались в качестве игрушек, которые притягивали к себе различные металлические детали. Их прикрепляли к холодильнику, они были встроены в различные игрушки.

Электрические заряды, которые находятся в движении, чаще всего имеют больше магнитной энергии, по сравнению с постоянными магнитами.

  • Главным отличительным признаком и свойством магнитного поля является относительность. Если неподвижно оставить заряженное тело в некоторой системе отсчета, а рядом расположить магнитную стрелку, то она укажет на север, и при этом не «почувствует» постороннего поля, кроме поля земли. А если заряженное тело начать двигать возле стрелки, то вокруг тела появится МП. В результате становится ясно, что МП формируется только при передвижении некоторого заряда.
  • Магнитное поле способно воздействовать и влиять на электрический ток. Его можно обнаружить, если проконтролировать движение заряженных электронов. В магнитном поле частицы с зарядом отклонятся, проводники с протекающим током будут перемещаться. Рамка с подключенным питанием тока станет поворачиваться, а намагниченные материалы переместятся на некоторое расстояние. Стрелка компаса чаще всего окрашивается в синий цвет. Она является полоской намагниченной стали. Компас ориентируется всегда на север, так как у Земли есть МП. Вся планета – это как большой магнит со своими полюсами.

Магнитное поле не воспринимается человеческими органами, и может фиксироваться только особыми приборами и датчиками. Оно бывает переменного и постоянного вида. Переменное поле обычно создается специальными индукторами, которые функционируют от переменного тока. Постоянное поле формируется неизменным электрическим полем.

Рассмотрим основные правила изображения магнитного поля для различных проводников.

Силовая линия изображается в плоскости, которая расположена под углом 90 0 к пути движения тока таким образом, чтобы в каждой точке сила была направлена по касательной к линии.

Чтобы определить направление магнитных сил, нужно вспомнить правило буравчика с правой резьбой.

Буравчик нужно расположить по одной оси с вектором тока, рукоятку вращать таким образом, чтобы буравчик двигался в сторону его направления. В этом случае ориентация линий определится вращением рукоятки буравчика.

Поступательное перемещение буравчика в проводнике, выполненном в виде кольца, показывает, как ориентирована индукция, вращение совпадает с течением тока.

Силовые линии имеют свое продолжение внутри магнита и не могут быть разомкнутыми.

Магнитное поле разных источников суммируются между собой. При этом они создают общее поле.

Магниты с одинаковыми полюсами отталкиваются, а с разными – притягиваются. Значение силы взаимодействия зависит от удаленности между ними. При приближении полюсов сила возрастает.

  • Сцепление потоков (Ψ).
  • Вектор магнитной индукции (В).
  • Магнитный поток (Ф).

Интенсивность магнитного поля вычисляется размером вектора магнитной индукции, которая зависит от силы F, и формируется током I по проводнику, имеющему длину l: В = F / (I * l).

Магнитная индукция измеряется в Тесла (Тл), в честь ученого, изучавшего явления магнетизма и занимавшегося их методами расчета. 1 Тл равна индукции магнитного потока силой 1 Н на длине 1 м прямого проводника, находящегося под углом 90 0 к направлению поля, при протекающем токе в один ампер:

Правило находит направление вектора магнитной индукции.

Если ладонь левой руки разместить в поле, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь из северного полюса под 90 0 , а 4 пальца разместить по течению тока, большой палец покажет направление магнитной силы.

Если проводник находится под другим углом, то сила будет прямо зависеть от тока и проекции проводника на плоскость, находящуюся под прямым углом.

Сила не зависит от вида материала проводника и его сечения. Если проводник отсутствует, а заряды движутся в другой среде, то сила не изменится.

При направлении вектора магнитного поля в одну сторону одной величины, поле называется равномерным. Различные среды влияют на размер вектора индукции.

Магнитная индукция, проходящая по некоторой площади S и ограниченная этой площадью, является магнитным потоком.

Читайте также:  В какое время есть вероятность забеременеть

Если площадь имеет наклон на некоторый угол α к линии индукции, магнитный поток снижается на размер косинуса этого угла. Наибольшая его величина образуется при нахождении площади под прямым углом к магнитной индукции:

Магнитный поток измеряется в такой единице, как «вебер», который равен протеканием индукции величиной 1 Тл по площади в 1 м 2 .

Такое понятие применяется для создания общего значения магнитного потока, который создан от некоторого числа проводников, находящихся между магнитными полюсами.

В случае, когда одинаковый ток I протекает по обмотке с количеством витков n, общий магнитный поток, образованный всеми витками, является потокосцеплением.

Потокосцепление Ψ измеряется в веберах, и равно: Ψ = n * Ф.

Магнитная проницаемость определяет, насколько магнитное поле в определенной среде ниже или выше индукции поля в вакууме. Вещество называют намагниченным, если оно образует свое магнитное поле. При помещении вещества в магнитное поле у него появляется намагниченность.

Ученые определили причину, по которой тела получают магнитные свойства. Согласно гипотезе ученых внутри веществ есть электрические токи микроскопической величины. Электрон обладает своим магнитным моментом, который имеет квантовую природу, движется по некоторой орбите в атомах. Именно такими малыми токами определяются магнитные свойства.

Если токи движутся беспорядочно, то магнитные поля, вызываемые ими, самокомпенсируются. Внешнее поле делает токи упорядоченными, поэтому формируется магнитное поле. Это является намагниченностью вещества.

Различные вещества можно разделить по свойствам взаимодействия с магнитными полями.

• Парамагнетики – вещества, имеющие свойства намагничивания в направлении внешнего поля, обладающие низкой возможностью магнетизма. Они имеют положительную напряженность поля. К таким веществам относят хлорное железо, марганец, платину и т. д.
• Ферримагнетики – вещества с неуравновешенными по направлению и значению магнитными моментами. В них характерно наличие некомпенсированного антиферромагнетизма. Напряженность поля и температура влияет на их магнитную восприимчивость (различные оксиды).
• Ферромагнетики – вещества с повышенной положительной восприимчивостью, зависящей от напряженности и температуры (кристаллы кобальта, никеля и т. д.).
• Диамагнетики – обладают свойством намагничивания в противоположном направлении внешнего поля, то есть, отрицательное значение магнитной восприимчивости, не зависящая от напряженности. При отсутствии поля у этого вещества не будет магнитных свойств. К таким веществам относятся: серебро, висмут, азот, цинк, водород и другие вещества.
• Антиферромагнетики – обладают уравновешенным магнитным моментом, вследствие чего образуется низкая степень намагничивания вещества. У них при нагревании осуществляется фазовый переход вещества, при котором возникают парамагнитные свойства. При снижении температуры ниже определенной границы, такие свойства появляться не будут (хром, марганец).

• Магнитомягкие материалы . Они обладают низкой коэрцитивной силой. При маломощных магнитных полях они могут войти в насыщение. При процессе перемагничивания у них наблюдаются незначительные потери. Вследствие этого такие материалы используются для производства сердечников электрических устройств, функционирующих на переменном напряжении (асинхронный электродвигатель, генератор, трансформатор).
• Магнитотвердые материалы. Они обладают повышенной величиной коэрцитивной силы. Чтобы их перемагнитить, потребуется сильное магнитное поле. Такие материалы используются в производстве постоянных магнитов.

Магнитные свойства различных веществ находят свое использование в технических проектах и изобретениях.

Объединение нескольких магнитных веществ называется магнитной цепью. Они являются подобием электрических цепей и определяются аналогичными законами математики.

На базе магнитных цепей действуют электрические приборы, индуктивности, трансформаторы. У функционирующего электромагнита поток протекает по магнитопроводу, изготовленному из ферромагнитного материала и воздуху, который не является ферромагнетиком. Объединение этих компонентов является магнитной цепью. Множество электрических устройств в своей конструкции содержат магнитные цепи.

источник

Магнитное поле создается постоянными магнитами и движущимися зарядами (токами) и изображается с помощью силовых линий.

Силовые линии магнитного поля — линии вектора магнитной индукции B → ; силовые линии проводят таким образом, чтобы в каждой точке пространства, занятого полем, вектор магнитной индукции B → был направлен по касательной к силовой линии поля (рис. 9.1).

Величина и направление вектора магнитной индукции B → определяются видом объекта, создающего магнитное поле.

Силовые линии магнитного поля всегда замкнуты. На рис. 9.2 показаны силовые линии магнитного поля, образованного постоянными магнитами . Они «начинаются» на северном полюсе магнита ( N ) и «заканчиваются» на южном полюсе ( S ).

Магнитная стрелка , помещенная в магнитное поле, всегда указывает на север, т.е. устанавливается по направлению вектора магнитной индукции B → .

Заряд, движущийся с постоянной скоростью , создает в любой точке окружающего пространства магнитное поле (рис. 9.3), модуль индукции которого определяется формулой

B = μ 0 μ q v sin α 4 π r 2 ,

где µ 0 — магнитная постоянная, µ 0 = 4π ⋅ 10 −7 Гн/м; µ — магнитная проницаемость среды; q — заряд, образующий поле; v — модуль его скорости; α — угол между векторами v → и r → (векторы показаны на рисунке); r — расстояние от заряда до той точки, в которой определяется магнитное поле (на рисунке точка M ).

Для воздуха и вакуума магнитная проницаемость среды считается равной единице:

Направление вектора индукции магнитного поля B → , созданного движущимся зарядом, определяется правилом правого винта, т.е. совпадает с поступательным движением правого винта при вращении его рукоятки от вектора v → к вектору r → по наименьшему углу.

Прямой проводник с током (бесконечной длины) создает в любой точке пространства магнитное поле (рис. 9.4), модуль индукции которого определяется формулой

где µ 0 — магнитная постоянная, µ 0 = 4π ⋅ 10 –7 Гн/м; µ — магнитная проницаемость среды; I — сила тока в проводнике; r — расстояние от проводника до той точки, в которой определяется магнитное поле (на рисунке точка M ).

Силовые линии магнитного поля, образованного прямым проводником с током, представляют собой концентрические окружности , центры которых находятся на проводнике.

Направление вектора индукции магнитного поля B → , созданного прямым проводником с током, определяется правилом правого винта, т.е. совпадает с направлением вращения рукоятки правого винта при совпадении его поступательного движения с направлением тока в проводнике.

Круговой проводник с током создает в центре витка магнитное поле (рис. 9.5), модуль индукции которого определяется формулой

где µ 0 — магнитная постоянная, µ 0 = 4π ⋅ 10 −7 Гн/м; µ — магнитная проницаемость среды; I — сила тока в проводнике; r — радиус витка.

Направление вектора индукции магнитного поля B → , созданного круговым проводником с током, в его центре определяется правилом правого винта, т.е. совпадает с поступательным движением правого винта при вращении его рукоятки по направлению тока в проводнике.

Бесконечно длинный соленоид ( катушка с током ) создает в пространстве, заключенном внутри катушки, магнитное поле (рис. 9.6), модуль индукции которого определяется формулой

где µ 0 — магнитная постоянная, µ 0 = 4π ⋅ 10 −7 Гн/м; µ — магнитная проницаемость среды; I — сила тока в катушке; N / l — число витков на единице длины; N — число витков в катушке; l — длина катушки.

Поле бесконечно длинного соленоида является однородным и локализованным во внутреннем пространстве катушки; с хорошим приближением можно считать, что в пространстве, окружающем катушку, магнитное поле отсутствует.

Поле короткой катушки неоднородно и локализовано не только во внутреннем пространстве катушки, но и снаружи нее; силовые линии короткой катушки показаны на рис. 9.7.

Направление вектора индукции магнитного поля B → соленоида (катушки) связано с направлением тока правилом правого винта, т.е. совпадает с поступательным движением правого винта при вращении его рукоятки по направлению тока в катушке.

Пример 1. Заряд 1,0 мкКл движется в вакууме по направлению оси Ox со скоростью 1,5 км/с. Вычислить модуль индукции магнитного поля, создаваемого зарядом, в точке (4,0; 3,0), где x , y заданы в метрах, в тот момент времени, когда заряд находится в начале координат.

Решение . На рисунке показана система координат xOy , положение заряда q и направление его скорости v → . Модуль индукции магнитного поля требуется определить в точке M с указанными в условии координатами (4; 3).

Величина индукции магнитного поля движущегося заряда определяется формулой

B = μ 0 μ q v sin α 4 π r 2 ,

где µ 0 — магнитная постоянная, μ 0 = 4 π ⋅ 10 − 7 Гн/м; µ — магнитная проницаемость вакуума, µ = 1; q — величина заряда, q = 1,0 мкКл; v — модуль скорости заряда, v = 1,5 км/с; α — угол между векторами v → и r → , показанными на рисунке; r — расстояние между зарядом и точкой M .

Рассчитаем расстояние между зарядом и точкой, в которой определяется модуль индукции магнитного поля, по заданным в условии координатам точки M :

r = x 2 + y 2 = ( 3,0 ) 2 + ( 4,0 ) 2 = 5,0 м.

Определим синус угла между векторами v → и r → :

Рассчитаем искомую величину индукции магнитного поля:

B = 4 π ⋅ 10 − 7 ⋅ 1 ⋅ 1,0 ⋅ 10 − 6 ⋅ 1,5 ⋅ 10 3 ⋅ 0,60 4 π ⋅ 5 2 = 3,6 ⋅ 10 − 12 Тл = 3,6 пТл .

Движущийся заряд создает в указанной точке пространства магнитное поле с величиной индукции 3,6 пТл.

источник

Adblock
detector